一种利用机械共振原理的新型压力传感器引言常用的遥测流体压力的电气机械式压力传感器,由机械敏感元件和电气变换器两大部分组成。机械敏感元件(例如波纹管或膜片)用于将压力转变为静态位移,电气变换器(例如应变片或差动变压器)用于将位移转变为电压或电流。这些常用的压力传感器有下列两大缺点:(i)机械敏感元件总是在承受着来自前后两个方向的压力,所以,在经历一个较长的时间之后,元件不可避免地发生蠕变。(2)当必须要求压力传感器体积很小时,传感器内部的机械元件的位移必然是很小的。这就要求放大器有很大的增益。为了克服第二个缺点,采用过各种各样的频率调制式传感器,因为频率比电压或电流更容易进行精确的测量。但是,至今为止,还没有一种传感器能够把上述两个缺点一起克服掉。本文提出一种新型的电气机械式压力传感器,它的输出信号是取决于压力的共振频率。然后,用一个包含该压力传感器的振荡电路将共振频率测量出来。工作原理虽然本传感器的工作原理适用于广阔的压力范围和各种流体介质,但本文只讨论本传感器在接近于大气压时的性能。图1是传感器的结构形式。一块有效质量为m的刚性板—振动平板四周是弹性支承膜,构成密闭腔的一个侧面壁。在密闭腔的刚性侧壁上开有一个小孔,流体便通过小孔以待侧的压力进入空腔中。由绝热过程的声学理论得知,空腔内流体的刚度由下式给出:办扎、(创只S卜\长泉t‘)、、雕(体积v)\,,,弹咋扶阅英刁辰动平板(询积5)图1压力传感器p压力v空腔的体积s振动平板的有效面积忽略弹性支承膜的刚性,则共振频率为:。。=(kv/m)’/’=(二见)’/’s(2)所以,振荡周期T和归一化压力p之间的关系为:TZ=(2二/。。)2二常数/p(3)因此,观测T值就可测出归一化的压力P.在附录中,我们将推导出更为精确的表达式。T和p之间的精确关系是:T“二A+B/p(4)上式中,A和B是常数,A由弹性支承膜的特性决定。必须注意,由于小孔和空腔的影响,存在另一个共振频率。、:r、一frp‘S八‘l‘叼J卜一.—一石一,\vpLh,(5)k二_三旦52式中:r流体的比热系数(1)式中:p流体的密度L、小孔的长度51,小孔的截面积。为了避免对主要共振生产不良的影响,共振频率w、应比w。小得多。也就是说,小孔应该尽可能的小和尽可能的长。图2是用来测定w。的振荡电路,它包括一个电气机械式传感器,一个机械电气式传感器和一个放大器。电气机械式传感器用于使振动板发生振动;机械电气式传感器则用来检测振动平板的振动或空腔内的声压力。这
三个单元构成一个同相反馈电路。在实用中,常常要用两块弹性支承膜和两个空腔(见图2),目的是避免振动板发生不对称的振动。这和常用的直接辐射式扬声器膜片相似。同时也是为了在不减小体积v的情况下增加kv。有效体积用下式表示:V二v,vZ/(v:+vZ)(6)V比V,和V:都小。恤JJ诱L仲0.7~)耘耘破娜跳腻减减卜卜·呀呀尸.叫取」」篡篡篡鬓鬓『~亩Jlo。、、,,J、扎〔中0.20.)图3模型1的剖视图实验研究模型1图3所示的实验模型用电动传声器的零件制成。两块聚对苯二酸乙烯(Polyethylenete-r叩hthalate)膜片平行对接,中间隔一个金属环,由一个动圈式传感元件驱动。涂有铝层的艺艺艺蓉蓉愁愁份概概蒸f共共共111一!汤汤丫不万万万二.2用普通的动圈式送话器零件做成,总质量为63克0.03微秒。当压力由1.0大气压变到1.6大气压时,输出信号的周期相应变化13.3%。这个数值小于由(2)式算出的26%。为了与精确的表达式(4)作比较,把实验数据改换一种格式再画出来,从而得图5:由图5可见,如果选定适当的常数A和B,则曲线和数式十分吻合。另外还做过几个实验,所用模型与图3的类似,结果发现:(1)本传感器所需的功率比通常用的声学器件所需的功率小,因为它是在共振状态下受驱动。(2)传感器的响应时间小于几毫秒。公爸匆谬田翁矛妞拚但图2包含压力传感器的振荡电路(小孔内空气的质量和机械阻力分别记作mh和rh弯形膜片的位移被一个静电元件转变为电信号。由于驱动力和弯形膜片位移之间有90”的相位差,所以,上述同相反馈电路需要一个附加的微分电路。二极管限幅器其输出不是正弦波而是类似于方波。可用于上述振荡电路,因为传感器的频率选择性很尖锐。测得弹性支承膜和空腔的刚度分别列为:ke=0.58X10.达因/厘米(7)kv=14x10。达因/厘米(8)由此可见,ke显著地小于kv。输出信号的周期和空气压力之间的关系示于图4。在几分钟时间内,周期的漂移量小于尹尹伽.,护,、。!。。.4、ZZZJJJ\\\耳谴丁丁丁丁\\\\\’\\\\\\\司司司司r奋\JJJ家家外外外外外外外外外外外外外}}}.......2.。(l的宇宇宇压力〔大气压)图4第一模型压力传感电路的“渝入输出”关系图2所示的传感器有如下特点:(1)传感器总是工作在共振状态。(2)驱动力不一定要正弦波。现在,提出一种新型的电气机械式传感器,实际上,它是一种没有偏磁的电磁式传感一一一一一一////////////////才才才才才才月月月月月月月。食飞一:。卜护。大气压)图5第一模型压力传感电路“输入输出”关系T的单位为“毫秒”图6第二种模型的剖面图。采用了新型的驱动元件
。弹性支承膜是15林m的钦膜(600“C退火)振动体是纯铁,上下两个空腔的体积相同容积相同(1.6cc),振动的位移用静电法检测栩七电压模型2器。输入的正弦波信号产生一个驱动力,驱动力的波形经过了整流,其基频等于输入信号频率的两倍,所以,输入信号的周期是共振周期的两倍。利用这种新型传感器,就可克服常用的电磁式传感器和动圈式传感器的缺点。因为它不产生大的吸力,也没有嗡嗡发声的线圈。可以预料,它的重量和价格都将降低。图6是一种改进了的传感器的实验模型,它具有一个驱动元件和一个静电检测元件。和它配用的振荡电路示于图7。图7的电路看起来比第一种模型用的电路复杂一些,但是,实际的电路和前者一样小巧和便宜,因为正弦波/方波变换器和触发器的晶体管逻辑集成电路已能在市场上购到。输出信号的周期T对空气压力p的关系示于图8。和1,O至1.6大气压的压力变化相应的周期变化是14.1%。和第一模型相同,我们可得到与理论密切相符的关系。在这种情况下,根据(4)式得到的精确的数学模型为:T“=0.937+1.石14/p(9)在几分钟时间内,周期的漂移量小于0.02微秒。根据实验得知,周期和温度之间的关系太孩冲器欣、《脸公瑞伟感爵报形蕊砂‘蛊加动哪了图7振动电路框图(与它配用的传感器示于图6),各级信号如下:¹角频率为。。的正弦波º角频率为。。的方波»角频率为。。/2的方波¼角频率为。。/2的正弦波0.51微秒/℃(0.26%满刻度/℃)。在简单的理论中尚未涉及这一关系。讨论周期T的平方几乎正比于1/p。因此,引入刚度K。,就可以解释频率动态范围为什么减小。(见附录)。如何减小这种寄生效应,这是针对某种具体应用设计传感器时应进一步解决的间题。这种压力传感器的优点是:(1)它将绝对压力(而不是压力差)转{{{,“‘瑰瑰鄂’’’\\\\\\\\\\\、、、\\\飞飞飞寸寸寸寸寸寸闷闷闷闷闷闷奋奋奋奋火火奸、、!!!!!!!,租(征征征(4)对温度的依从关系,决定了传感器的稳定性(指的是在数小时内发生飘移)。至今为止,这种关系尚未精确地知道。所以,和普通的应变片一样,需要进一步研究温度效应的起因,并进行补偿。为了减小温度影响,需要对弹性支承膜的形状和材料进行适当的选择。结论薯孚哥应帕攀书摒翩(大气压)图8利用第二模型的压力传感电路的翰入输出关系变为电信号。(2)传感器的零件不受任何静压力差的作用,所以,可避免由于蠕变所引起的误差。这一点对于遥测高压力或者对于免维修的测量工作来说都是重要的。(3)结构简单,。。主要由V,S和m给出,这些参
数都很稳定。(4)输出信号是频率,不是幅度,所以,该传感器很适用于遥测系统。信号噪声以及控制线路中可能发生的电压波动或阻抗变化都不会成为问题。(5)用简单的电路即可将压力直接转变为高功率的电信号,不需要任何高增益放大器或模拟/数字转换器。(6)价格低,可靠性高。这种传感器可能存在下列缺点:(1)输出频率和压力不成正比关系。但是,在遥测系统中,这不是严重的问题,因为在系统的终端还要进行数据处理。否则,就需要进行线性补偿。这时,可用普通的电子电路解决。(2)频率依赖于丫,所以,工质不同就会引起一些频率差异。(3)对压力和输入流体快速变化的响应时间受振动频率所限、但是,响应时间实际上可忽略不计。因为这些模型建立工作状态所需的时间(risetime)小于几毫秒。本文提出一种新型的电气机械式压力传感器,它利用流体腔的刚度和振动平板的质量所决定的共振频率和压力之间的关系。这种压力传感器在遥测流体压力的应用上具有如下一些主要优点:(1)任何零件都不承受静压差的作用;(2)输出信号是频率。对传感器的实验模型进行了研究之后,得出如下结论。(1)这种传感器的结构和尺寸与普通的话筒相似,所以,它简单、小巧、便宜。(2)它的电磁传感元件,没有偏置磁场,输入信号的周期等于输出信号周期的两倍,这也是一种优点。(3)本传感器的输入,输出关系有下列形式:T“=A十B/p(4)传感器的稳定性相当良好。但是,它和温度的关系还需要作进一步研究。附录传感器的第一模型和第二模型示于图2,其中m为质量、k为刚度、r为机械阻力、v为体积。图2模型的等效电路示于图Al。图中的Fei,’和乙分别为振动平板的驱动和速度。在本文中,p。为1.0大气压。图中出现两种弹性支承膜刚度ke和kee。其中ke是正常形变时的刚度。这时的形变是基模,相当于简单环形支承体的“悬臂梁振动”模式;kee则与形变的高次模(大致粗当于膜片内外圈同时固定时的一次模)有关。(见图A2)。几几几只吞吞,JJJ嗜’窗窗L:::}}}}}资,,,,,,止E.常图Al传感器的等效电路r珍督撒。.刚彦食。‘.冈咙炙e。图AZ弹性支承膜的两种形变(a)正常形变(b)由于空腔内部流体作用力所引起的变形还有:S”Ks二a么(AS)m=Kmm。+m。(A6)式中m。和m。分别是弹性支承膜和振动平板的质量。Ks和K二是采用Sugyama的计算方法估计出来的。和ke的情况相反,至今为止,尚未找到计算kee值的精确公式。一般假定:弹性支承膜的泊松比可忽略不计。而协值接近于1,那末弹性支承膜就可以分解,看成是一个由许多梁组成的陈列,每条梁
都具有长方形的截面。对于比较大的件来说,由有关kee的这一假定所引起的误差是比较小的。(Ke的误差可以用精确的式子计算,当卜“0.5时,该误差为14%;当卜>0.6时,小于7)。kee可用下式计算:我们假定:(1)图2中的模型是轴对称的:(2)所有的孔隙都很狭小,并且足够长,使得。、大大地小于co。。等效电路可简化为一简单的串联谐振电路,它和图1所示的最简单模型的等效电路相同,其中假定:kceCOEh“S“蔽可r不在)丈厂石万万一=FKke式中比率FK有如下形式:(A7)。keex’K二一‘一,一=ke45(1+协)(1一卜L)6ke=ke;十ke:kee=keel+keeZkv=kvl+kv:共振频率为K、毛KEFK只依赖于协,当协>0.5时,FK>30。kee比ke大得多。方程式(3).可写为:(AS)实际上、.少A了.、11夕rf“=(2二/。。)2=4二Zm〔1/kee+1/(kvp)]kv(ke+kee)pkekCe一m(kvp十k两一(AZ)=A十B/P(Ag)假设振动平板和弹性支承膜都是园形的,它们的半径分别为b和a,于是,ke和D由下式给出:A=4二“m/keeB=4:“m/kv(A10).辛ke=KE(16:D/a“)D=Hh“八2(i一乙“)下(A3)式中KE是一个常数,它只取决于协二b/a(A4)E,h和八则分别为弹性支承膜的杨氏模量、厚度和泊松比。通过对静态变形或动态变形进行计算。可以估计出KE值。式中,T是输出信号的周期,A和B是常数。这是一个改进了的表达式,已为实验所证明。这,一修正是由A所引起的,而A来源于kee。估算kee的方法有两种,其一是利用方程式(Ag)估计图6的模型,在图A3中用实线表示。另一种方法是利用测得的。。2、m、p、ke和方程式(Ag),在图A3中用△表示。由图A3可见,这两种方法估计的kee值十分一致。振振振‘哪哪今今“““““一一刁裸定定尸一声声尸尸丽产产产aaaaaaaaaaa-测授........,,,,压力〔大乞丘)图A3第二种模型(见图6)的各种刚度值符号表A、B常数(见(A10)式)a弹性支承膜的外半径b弹性支承膜的内半径D弹性支承膜的挠性刚度E弹性支承膜的的杨氏模量FK=kee/ke(见(Ag)式)F护”驱动力(频率为。)h弹性支承膜的厚度KE决定Ke的常数(见(A4)式)KS决定S的常数见(A6)式K。决定m的常数(见(A7)式)ke弹性支承膜的刚度(基模)kee弹性支承膜的刚度(高次模)kv空气内流体的刚度lh小孔的长度m振动体的有效质量m。平板的质量m。弹性支承膜的质量m、小孔中流体的质量P待测压力P参考压力PP/P。r机械阻力S振动平板的有效面积S、小孔的截面积TZ二/。。输出信号的周期V空腔的体积丫比热的系数协b/a七振动平板的振动速度p流体的密度色弹性支承膜的泊松比0。主共振频率。、小孔的共振频率下角标:h小孔1,2和3空腔、弹性支承膜或小孔的代号(见F:
都具有长方形的截面。对于比较大的件来说,由有关kee的这一假定所引起的误差是比较小的。(Ke的误差可以用精确的式子计算,当卜“0.5时,该误差为14%;当卜>0.6时,小于7)。kee可用下式计算:我们假定:(1)图2中的模型是轴对称的:(2)所有的孔隙都很狭小,并且足够长,使得。、大大地小于co。。等效电路可简化为一简单的串联谐振电路,它和图1所示的最简单模型的等效电路相同,其中假定:kceCOEh“S“蔽可r不在)丈厂石万万一=FKke式中比率FK有如下形式:(A7)。keex’K二一‘一,一=ke45(1+协)(1一卜L)6ke=ke;十ke:kee=keel+keeZkv=kvl+kv:共振频率为K、毛KEFK只依赖于协,当协>0.5时,FK>30。kee比ke大得多。方程式(3).可写为:(AS)实际上、.少A了.、11夕rf“=(2二/。。)2=4二Zm〔1/kee+1/(kvp)]kv(ke+kee)pkekCe一m(kvp十k两一(AZ)=A十B/P(Ag)假设振动平板和弹性支承膜都是园形的,它们的半径分别为b和a,于是,ke和D由下式给出:A=4二“m/keeB=4:“m/kv(A10).辛ke=KE(16:D/a“)D=Hh“八2(i一乙“)下(A3)式中KE是一个常数,它只取决于协二b/a(A4)E,h和八则分别为弹性支承膜的杨氏模量、厚度和泊松比。通过对静态变形或动态变形进行计算。可以估计出KE值。式中,T是输出信号的周期,A和B是常数。这是一个改进了的表达式,已为实验所证明。这,一修正是由A所引起的,而A来源于kee。估算kee的方法有两种,其一是利用方程式(Ag)估计图6的模型,在图A3中用实线表示。另一种方法是利用测得的。。2、m、p、ke和方程式(Ag),在图A3中用△表示。由图A3可见,这两种方法估计的kee值十分一致。振振振‘哪哪今今“““““一一刁裸定定尸一声声尸尸丽产产产aaaaaaaaaaa-测授........,,,,压力〔大乞丘)图A3第二种模型(见图6)的各种刚度值符号表A、B常数(见(A10)式)a弹性支承膜的外半径b弹性支承膜的内半径D弹性支承膜的挠性刚度E弹性支承膜的的杨氏模量FK=kee/ke(见(Ag)式)F护”驱动力(频率为。)h弹性支承膜的厚度KE决定Ke的常数(见(A4)式)KS决定S的常数见(A6)式K。决定m的常数(见(A7)式)ke弹性支承膜的刚度(基模)kee弹性支承膜的刚度(高次模)kv空气内流体的刚度lh小孔的长度m振动体的有效质量m。平板的质量m。弹性支承膜的质量m、小孔中流体的质量P待测压力P参考压力PP/P。r机械阻力S振动平板的有效面积S、小孔的截面积TZ二/。。输出信号的周期V空腔的体积丫比热的系数协b/a七振动平板的振动速度p流体的密度色弹性支承膜的泊松比0。主共振频率。、小孔的共振频率下角标:h小孔1,2和3空腔、弹性支承膜或小孔的代号(见F:
和AI)译自TransaetlonofASME,SeriesG.197s.Vol100.N0.1.黄美超译喻显荣校城偿俐飞、城皿注:米原文为(A4),估计为(3)之误。狱张原文漏此式,但“符一号表”中却提到了,故而补上。(上接47页)六、使用与维修1.使用仪表一般接在变送器类仪表之后,也就是接在自动调节系统中有干扰的环节之后,以便消除干扰,而且一般都接在计算器类,调节器类仪表之前,以保证计算的稳定和调节规律。阻尼时间的选用;视干扰的频率而定,频率较高,则阻尼时间小,频率较低则阻尼时间长。其原则是既能消除干扰,又保证系统反应又不太迟钝。当仪表作阻抗转换器时,“工作—检仓”开关置于“检查”位置。2.维修仪表投入系统使用后,一般无须特殊管理,只要对仪表输出进行定期检查即可。当仪表不能正常工作时,应先查明故障的原因和部位,然后再进行修理。维护时应首先检查各处电源电压,工作点电压,以使寻找故障的原因和部位。一般的故障原因如指示灯不亮,可能保险丝断,接触不良,指示灯坏。无输出,可能供电不正常,变压器断线或烧坏。晶体管损坏。输入信号极性不对等。
一种利用机械共振原理的新型压力传感器引言常用的遥测流体压力的电气机械式压力传感器,由机械敏感元件和电气变换器两大部分组成。机械敏感元件(例如波纹管或膜片)用于将压力转变为静态位移,电气变换器(例如应变片或差动变压器)用于将位移转变为电压或电流。这些常用的压力传感器有下列两大缺点:(i)机械敏感元件总是在承受着来自前后两个方向的压力,所以,在经历一个较长的时间之后,元件不可避免地发生蠕变。(2)当必须要求压力传感器体积很小时,传感器内部的机械元件的位移必然是很小的。这就要求放大器有很大的增益。为了克服第二个缺点,采用过各种各样的频率调制式传感器,因为频率比电压或电流更容易进行精确的测量。但是,至今为止,还没有一种传感器能够把上述两个缺点一起克服掉。本文提出一种新型的电气机械式压力传感器,它的输出信号是取决于压力的共振频率。然后,用一个包含该压力传感器的振荡电路将共振频率测量出来。工作原理虽然本传感器的工作原理适用于广阔的压力范围和各种流体介质,但本文只讨论本传感器在接近于大气压时的性能。图1是传感器的结构形式。一块有效质量为m的刚性板—振动平板四周是弹性支承膜,构成密闭腔的一个侧面壁。在密闭腔的刚性侧壁上开有一个小孔,流体便通过小孔以待侧的压力进入空腔中。由绝热过程的声学理论得知,空腔内流体的刚度由下式给出:办扎、(创只S卜\长泉t‘)、、雕(体积v)\,,,弹咋扶阅英刁辰动平板(询积5)图1压力传感器p压力v空腔的体积s振动平板的有效面积忽略弹性支承膜的刚性,则共振频率为:。。=(kv/m)’/’=(二见)’/’s(2)所以,振荡周期T和归一化压力p之间的关系为:TZ=(2二/。。)2二常数/p(3)因此,观测T值就可测出归一化的压力P.在附录中,我们将推导出更为精确的表达式。T和p之间的精确关系是:T“二A+B/p(4)上式中,A和B是常数,A由弹性支承膜的特性决定。必须注意,由于小孔和空腔的影响,存在另一个共振频率。、:r、一frp‘S八‘l‘叼J卜一.—一石一,\vpLh,(5)k二_三旦52式中:r流体的比热系数(1)式中:p流体的密度L、小孔的长度51,小孔的截面积。为了避免对主要共振生产不良的影响,共振频率w、应比w。小得多。也就是说,小孔应该尽可能的小和尽可能的长。图2是用来测定w。的振荡电路,它包括一个电气机械式传感器,一个机械电气式传感器和一个放大器。电气机械式传感器用于使振动板发生振动;机械电气式传感器则用来检测振动平板的振动或空腔内的声压力。这
三个单元构成一个同相反馈电路。在实用中,常常要用两块弹性支承膜和两个空腔(见图2),目的是避免振动板发生不对称的振动。这和常用的直接辐射式扬声器膜片相似。同时也是为了在不减小体积v的情况下增加kv。有效体积用下式表示:V二v,vZ/(v:+vZ)(6)V比V,和V:都小。恤JJ诱L仲0.7~)耘耘破娜跳腻减减卜卜·呀呀尸.叫取」」篡篡篡鬓鬓『~亩Jlo。、、,,J、扎〔中0.20.)图3模型1的剖视图实验研究模型1图3所示的实验模型用电动传声器的零件制成。两块聚对苯二酸乙烯(Polyethylenete-r叩hthalate)膜片平行对接,中间隔一个金属环,由一个动圈式传感元件驱动。涂有铝层的艺艺艺蓉蓉愁愁份概概蒸f共共共111一!汤汤丫不万万万二.2用普通的动圈式送话器零件做成,总质量为63克0.03微秒。当压力由1.0大气压变到1.6大气压时,输出信号的周期相应变化13.3%。这个数值小于由(2)式算出的26%。为了与精确的表达式(4)作比较,把实验数据改换一种格式再画出来,从而得图5:由图5可见,如果选定适当的常数A和B,则曲线和数式十分吻合。另外还做过几个实验,所用模型与图3的类似,结果发现:(1)本传感器所需的功率比通常用的声学器件所需的功率小,因为它是在共振状态下受驱动。(2)传感器的响应时间小于几毫秒。公爸匆谬田翁矛妞拚但图2包含压力传感器的振荡电路(小孔内空气的质量和机械阻力分别记作mh和rh弯形膜片的位移被一个静电元件转变为电信号。由于驱动力和弯形膜片位移之间有90”的相位差,所以,上述同相反馈电路需要一个附加的微分电路。二极管限幅器其输出不是正弦波而是类似于方波。可用于上述振荡电路,因为传感器的频率选择性很尖锐。测得弹性支承膜和空腔的刚度分别列为:ke=0.58X10.达因/厘米(7)kv=14x10。达因/厘米(8)由此可见,ke显著地小于kv。输出信号的周期和空气压力之间的关系示于图4。在几分钟时间内,周期的漂移量小于尹尹伽.,护,、。!。。.4、ZZZJJJ\\\耳谴丁丁丁丁\\\\\’\\\\\\\司司司司r奋\JJJ家家外外外外外外外外外外外外外}}}.......2.。(l的宇宇宇压力〔大气压)图4第一模型压力传感电路的“渝入输出”关系图2所示的传感器有如下特点:(1)传感器总是工作在共振状态。(2)驱动力不一定要正弦波。现在,提出一种新型的电气机械式传感器,实际上,它是一种没有偏磁的电磁式传感一一一一一一////////////////才才才才才才月月月月月月月。食飞一:。卜护。大气压)图5第一模型压力传感电路“输入输出”关系T的单位为“毫秒”图6第二种模型的剖面图。采用了新型的驱动元件
。弹性支承膜是15林m的钦膜(600“C退火)振动体是纯铁,上下两个空腔的体积相同容积相同(1.6cc),振动的位移用静电法检测栩七电压模型2器。输入的正弦波信号产生一个驱动力,驱动力的波形经过了整流,其基频等于输入信号频率的两倍,所以,输入信号的周期是共振周期的两倍。利用这种新型传感器,就可克服常用的电磁式传感器和动圈式传感器的缺点。因为它不产生大的吸力,也没有嗡嗡发声的线圈。可以预料,它的重量和价格都将降低。图6是一种改进了的传感器的实验模型,它具有一个驱动元件和一个静电检测元件。和它配用的振荡电路示于图7。图7的电路看起来比第一种模型用的电路复杂一些,但是,实际的电路和前者一样小巧和便宜,因为正弦波/方波变换器和触发器的晶体管逻辑集成电路已能在市场上购到。输出信号的周期T对空气压力p的关系示于图8。和1,O至1.6大气压的压力变化相应的周期变化是14.1%。和第一模型相同,我们可得到与理论密切相符的关系。在这种情况下,根据(4)式得到的精确的数学模型为:T“=0.937+1.石14/p(9)在几分钟时间内,周期的漂移量小于0.02微秒。根据实验得知,周期和温度之间的关系太孩冲器欣、《脸公瑞伟感爵报形蕊砂‘蛊加动哪了图7振动电路框图(与它配用的传感器示于图6),各级信号如下:¹角频率为。。的正弦波º角频率为。。的方波»角频率为。。/2的方波¼角频率为。。/2的正弦波0.51微秒/℃(0.26%满刻度/℃)。在简单的理论中尚未涉及这一关系。讨论周期T的平方几乎正比于1/p。因此,引入刚度K。,就可以解释频率动态范围为什么减小。(见附录)。如何减小这种寄生效应,这是针对某种具体应用设计传感器时应进一步解决的间题。这种压力传感器的优点是:(1)它将绝对压力(而不是压力差)转{{{,“‘瑰瑰鄂’’’\\\\\\\\\\\、、、\\\飞飞飞寸寸寸寸寸寸闷闷闷闷闷闷奋奋奋奋火火奸、、!!!!!!!,租(征征征(4)对温度的依从关系,决定了传感器的稳定性(指的是在数小时内发生飘移)。至今为止,这种关系尚未精确地知道。所以,和普通的应变片一样,需要进一步研究温度效应的起因,并进行补偿。为了减小温度影响,需要对弹性支承膜的形状和材料进行适当的选择。结论薯孚哥应帕攀书摒翩(大气压)图8利用第二模型的压力传感电路的翰入输出关系变为电信号。(2)传感器的零件不受任何静压力差的作用,所以,可避免由于蠕变所引起的误差。这一点对于遥测高压力或者对于免维修的测量工作来说都是重要的。(3)结构简单,。。主要由V,S和m给出,这些参
数都很稳定。(4)输出信号是频率,不是幅度,所以,该传感器很适用于遥测系统。信号噪声以及控制线路中可能发生的电压波动或阻抗变化都不会成为问题。(5)用简单的电路即可将压力直接转变为高功率的电信号,不需要任何高增益放大器或模拟/数字转换器。(6)价格低,可靠性高。这种传感器可能存在下列缺点:(1)输出频率和压力不成正比关系。但是,在遥测系统中,这不是严重的问题,因为在系统的终端还要进行数据处理。否则,就需要进行线性补偿。这时,可用普通的电子电路解决。(2)频率依赖于丫,所以,工质不同就会引起一些频率差异。(3)对压力和输入流体快速变化的响应时间受振动频率所限、但是,响应时间实际上可忽略不计。因为这些模型建立工作状态所需的时间(risetime)小于几毫秒。本文提出一种新型的电气机械式压力传感器,它利用流体腔的刚度和振动平板的质量所决定的共振频率和压力之间的关系。这种压力传感器在遥测流体压力的应用上具有如下一些主要优点:(1)任何零件都不承受静压差的作用;(2)输出信号是频率。对传感器的实验模型进行了研究之后,得出如下结论。(1)这种传感器的结构和尺寸与普通的话筒相似,所以,它简单、小巧、便宜。(2)它的电磁传感元件,没有偏置磁场,输入信号的周期等于输出信号周期的两倍,这也是一种优点。(3)本传感器的输入,输出关系有下列形式:T“=A十B/p(4)传感器的稳定性相当良好。但是,它和温度的关系还需要作进一步研究。附录传感器的第一模型和第二模型示于图2,其中m为质量、k为刚度、r为机械阻力、v为体积。图2模型的等效电路示于图Al。图中的Fei,’和乙分别为振动平板的驱动和速度。在本文中,p。为1.0大气压。图中出现两种弹性支承膜刚度ke和kee。其中ke是正常形变时的刚度。这时的形变是基模,相当于简单环形支承体的“悬臂梁振动”模式;kee则与形变的高次模(大致粗当于膜片内外圈同时固定时的一次模)有关。(见图A2)。几几几只吞吞,JJJ嗜’窗窗L:::}}}}}资,,,,,,止E.常图Al传感器的等效电路r珍督撒。.刚彦食。‘.冈咙炙e。图AZ弹性支承膜的两种形变(a)正常形变(b)由于空腔内部流体作用力所引起的变形还有:S”Ks二a么(AS)m=Kmm。+m。(A6)式中m。和m。分别是弹性支承膜和振动平板的质量。Ks和K二是采用Sugyama的计算方法估计出来的。和ke的情况相反,至今为止,尚未找到计算kee值的精确公式。一般假定:弹性支承膜的泊松比可忽略不计。而协值接近于1,那末弹性支承膜就可以分解,看成是一个由许多梁组成的陈列,每条梁
都具有长方形的截面。对于比较大的件来说,由有关kee的这一假定所引起的误差是比较小的。(Ke的误差可以用精确的式子计算,当卜“0.5时,该误差为14%;当卜>0.6时,小于7)。kee可用下式计算:我们假定:(1)图2中的模型是轴对称的:(2)所有的孔隙都很狭小,并且足够长,使得。、大大地小于co。。等效电路可简化为一简单的串联谐振电路,它和图1所示的最简单模型的等效电路相同,其中假定:kceCOEh“S“蔽可r不在)丈厂石万万一=FKke式中比率FK有如下形式:(A7)。keex’K二一‘一,一=ke45(1+协)(1一卜L)6ke=ke;十ke:kee=keel+keeZkv=kvl+kv:共振频率为K、毛KEFK只依赖于协,当协>0.5时,FK>30。kee比ke大得多。方程式(3).可写为:(AS)实际上、.少A了.、11夕rf“=(2二/。。)2=4二Zm〔1/kee+1/(kvp)]kv(ke+kee)pkekCe一m(kvp十k两一(AZ)=A十B/P(Ag)假设振动平板和弹性支承膜都是园形的,它们的半径分别为b和a,于是,ke和D由下式给出:A=4二“m/keeB=4:“m/kv(A10).辛ke=KE(16:D/a“)D=Hh“八2(i一乙“)下(A3)式中KE是一个常数,它只取决于协二b/a(A4)E,h和八则分别为弹性支承膜的杨氏模量、厚度和泊松比。通过对静态变形或动态变形进行计算。可以估计出KE值。式中,T是输出信号的周期,A和B是常数。这是一个改进了的表达式,已为实验所证明。这,一修正是由A所引起的,而A来源于kee。估算kee的方法有两种,其一是利用方程式(Ag)估计图6的模型,在图A3中用实线表示。另一种方法是利用测得的。。2、m、p、ke和方程式(Ag),在图A3中用△表示。由图A3可见,这两种方法估计的kee值十分一致。振振振‘哪哪今今“““““一一刁裸定定尸一声声尸尸丽产产产aaaaaaaaaaa-测授........,,,,压力〔大乞丘)图A3第二种模型(见图6)的各种刚度值符号表A、B常数(见(A10)式)a弹性支承膜的外半径b弹性支承膜的内半径D弹性支承膜的挠性刚度E弹性支承膜的的杨氏模量FK=kee/ke(见(Ag)式)F护”驱动力(频率为。)h弹性支承膜的厚度KE决定Ke的常数(见(A4)式)KS决定S的常数见(A6)式K。决定m的常数(见(A7)式)ke弹性支承膜的刚度(基模)kee弹性支承膜的刚度(高次模)kv空气内流体的刚度lh小孔的长度m振动体的有效质量m。平板的质量m。弹性支承膜的质量m、小孔中流体的质量P待测压力P参考压力PP/P。r机械阻力S振动平板的有效面积S、小孔的截面积TZ二/。。输出信号的周期V空腔的体积丫比热的系数协b/a七振动平板的振动速度p流体的密度色弹性支承膜的泊松比0。主共振频率。、小孔的共振频率下角标:h小孔1,2和3空腔、弹性支承膜或小孔的代号(见F:
都具有长方形的截面。对于比较大的件来说,由有关kee的这一假定所引起的误差是比较小的。(Ke的误差可以用精确的式子计算,当卜“0.5时,该误差为14%;当卜>0.6时,小于7)。kee可用下式计算:我们假定:(1)图2中的模型是轴对称的:(2)所有的孔隙都很狭小,并且足够长,使得。、大大地小于co。。等效电路可简化为一简单的串联谐振电路,它和图1所示的最简单模型的等效电路相同,其中假定:kceCOEh“S“蔽可r不在)丈厂石万万一=FKke式中比率FK有如下形式:(A7)。keex’K二一‘一,一=ke45(1+协)(1一卜L)6ke=ke;十ke:kee=keel+keeZkv=kvl+kv:共振频率为K、毛KEFK只依赖于协,当协>0.5时,FK>30。kee比ke大得多。方程式(3).可写为:(AS)实际上、.少A了.、11夕rf“=(2二/。。)2=4二Zm〔1/kee+1/(kvp)]kv(ke+kee)pkekCe一m(kvp十k两一(AZ)=A十B/P(Ag)假设振动平板和弹性支承膜都是园形的,它们的半径分别为b和a,于是,ke和D由下式给出:A=4二“m/keeB=4:“m/kv(A10).辛ke=KE(16:D/a“)D=Hh“八2(i一乙“)下(A3)式中KE是一个常数,它只取决于协二b/a(A4)E,h和八则分别为弹性支承膜的杨氏模量、厚度和泊松比。通过对静态变形或动态变形进行计算。可以估计出KE值。式中,T是输出信号的周期,A和B是常数。这是一个改进了的表达式,已为实验所证明。这,一修正是由A所引起的,而A来源于kee。估算kee的方法有两种,其一是利用方程式(Ag)估计图6的模型,在图A3中用实线表示。另一种方法是利用测得的。。2、m、p、ke和方程式(Ag),在图A3中用△表示。由图A3可见,这两种方法估计的kee值十分一致。振振振‘哪哪今今“““““一一刁裸定定尸一声声尸尸丽产产产aaaaaaaaaaa-测授........,,,,压力〔大乞丘)图A3第二种模型(见图6)的各种刚度值符号表A、B常数(见(A10)式)a弹性支承膜的外半径b弹性支承膜的内半径D弹性支承膜的挠性刚度E弹性支承膜的的杨氏模量FK=kee/ke(见(Ag)式)F护”驱动力(频率为。)h弹性支承膜的厚度KE决定Ke的常数(见(A4)式)KS决定S的常数见(A6)式K。决定m的常数(见(A7)式)ke弹性支承膜的刚度(基模)kee弹性支承膜的刚度(高次模)kv空气内流体的刚度lh小孔的长度m振动体的有效质量m。平板的质量m。弹性支承膜的质量m、小孔中流体的质量P待测压力P参考压力PP/P。r机械阻力S振动平板的有效面积S、小孔的截面积TZ二/。。输出信号的周期V空腔的体积丫比热的系数协b/a七振动平板的振动速度p流体的密度色弹性支承膜的泊松比0。主共振频率。、小孔的共振频率下角标:h小孔1,2和3空腔、弹性支承膜或小孔的代号(见F:
和AI)译自TransaetlonofASME,SeriesG.197s.Vol100.N0.1.黄美超译喻显荣校城偿俐飞、城皿注:米原文为(A4),估计为(3)之误。狱张原文漏此式,但“符一号表”中却提到了,故而补上。(上接47页)六、使用与维修1.使用仪表一般接在变送器类仪表之后,也就是接在自动调节系统中有干扰的环节之后,以便消除干扰,而且一般都接在计算器类,调节器类仪表之前,以保证计算的稳定和调节规律。阻尼时间的选用;视干扰的频率而定,频率较高,则阻尼时间小,频率较低则阻尼时间长。其原则是既能消除干扰,又保证系统反应又不太迟钝。当仪表作阻抗转换器时,“工作—检仓”开关置于“检查”位置。2.维修仪表投入系统使用后,一般无须特殊管理,只要对仪表输出进行定期检查即可。当仪表不能正常工作时,应先查明故障的原因和部位,然后再进行修理。维护时应首先检查各处电源电压,工作点电压,以使寻找故障的原因和部位。一般的故障原因如指示灯不亮,可能保险丝断,接触不良,指示灯坏。无输出,可能供电不正常,变压器断线或烧坏。晶体管损坏。输入信号极性不对等。