谐振传感器的闭环工作原理及优化方法

关于谐振技术的概念，用图11-20 所示的单自由度理想的质量—弹簧—阻尼系统来表示最为清楚，当去掉作用在质量M 上的力之后，系统的运动方程为

这就是有阻尼的自由振动方程。

由于阻尼的作用，自由振动随时间逐渐衰减而恢复原来的平衡状态，为了维持振动系统在其固有频率上等幅振动，必须在该系统上施加一激振力F(t)，这个力应与系统的振动速度成比例，此时有

当时，便可维持系统在其有频率上做等幅振动。其中，无阻尼的固有频率为

应当指出，无阻尼的固有频率是一个理论概念，而系统的谐振频率总是与固有频率略有不同，差异取决于系统的阻尼。(www.xing528.com)

任何可以改变振动系统刚度Κ 或质量Μ 的物理变量，都将使振动的固有频率发生变化。测量这个频率的变化，即可得知被测物理量变化。

利用以上的频域技术，便可以设计成谐振式传感器。于是用包含速度正反馈的闭环放大回路，将拾取的固有频率变化信号足够放大后，再将相应电压正反馈给振动系统，转为激振力以平衡阻尼力(包括黏性阻尼和其他阻尼)，这样，便可维持振动体在接近其固有频率上做等幅振动，这就是谐振传感器的工作原理。具体归纳如下：

被测物理量调整谐振器件的固有频率，谐振器件的振动是由调频放大器维持的，从而把被测物理量转变为频率输出。至于频率放大器，又受被测物理量所控制。它们构成一个闭环调频自激振动系统，如图11-21 所示。

图11-21 谐振式传感器闭环系统

尽量减低传感器系统的阻尼，便可大大提高其机械品质因数Q。高Q 值有许多优点，如可以降低维持系统振动的能量，从而可降低热损耗和伴随而生的任何测量误差；高Q 值可以获得极窄的通频带，能有效地滤掉不需要的振动频率，即有很强的选频能力；维持振动的放大器设计比较简单，因为无须考虑由放大器提供高稳定的相移。

所以，设计谐振式传感器时，要努力提高传感器系统的品质因数Q，它是设计中最重要的参数。

谐振子的激振方式有四种：①电磁力激振；②静电力激振；③压电激振；④热激振(如电阻热效应、光热效应)。至于振动检测，可以用电磁方式，如电容、电桥、压电元件、光纤等，视具体应用场合选择。