振弦的激振方式有连续激振和间歇激振两种。连续激振方式如图14-17(a)所示。连续激振方法使用了两个电磁线圈,一个用于连续激励,另一个用于接收振弦振荡信号。当振弦被激励后,接收线圈产生感应电势,经放大后,正反馈至激励线圈,以维持振弦的连续振功。间歇激振方式如图14-17(b)所示。当激励电路产生脉冲电流给激励线圈后,电磁铁将振弦吸住;在激励脉冲电流为零时,电磁铁松开振弦,于是振弦随激励脉冲电流频率而产生振划。为了克服阻尼作用对振弦振动的衰减,必须间隔一定时间激励一次。下面讨论连续激振方式的应力传感器测量原理和电路。
用振弦与运算放大器组成一个自激振荡的连续激振应力传感器的测量电路,当电路接通时,有一个初始电流流过振弦,振弦受磁场作用,使振弦振荡。振弦在激励电路中组成一个选频的正反馈网络,不断提供振弦所需要的能量,于是振功器产生等幅的持续振功。激励电路是一个由运算放大器、振弦等元件组成的自激振荡器。电阻R2和振弦支路形成正反馈,R1、Rf和场效应管FET组成负反馈电路。R3、R4、二极管VD和电容C组成的支路提供对FET管的控制信号。由负反馈支路和场效应管控制支路控制起振条件和自动稳幅。控制起振和自动稳幅的原理如下:
如果工作条件变化,引起振划器的输出幅值增加,输出信号经过R3、R4、VD和C检波后,成为FET管的栅极控制信号,具有较大的负电压,使FET管的漏源极间的等效电阻增加,从而使负反馈支路的负反馈增大,运算放大器的闭环增益降低,导致输出信号幅值减小,趋向于增加前的幅值;反之,输出幅值减小,负反馈作用减弱,运算放大器闭环增益提高,有使输出幅值自动提升的趋势。因而,就起到了自动稳定振幅的作用。
如果振荡器停振,输出信号等于零,此时FET管处于零偏压状态。由于FET管的漏源极与R1的并联作用,使负反馈电压近似等于零,因而大大削弱了电路负反馈作用,使电路正增益大大提高,为起振创造了有利条件。
振弦式传感器的输出一输入一般为非线性关系,其输出一输入特性如图14-19所示。为了得到线性的输出,可以选择曲线中近似直线的一段,如σ1~σ2;当应力σ在σ1~σ2之间变化时,若振弦的振动频率为1k~2kHz左右,其非线性误差可小于1%。除此之外,也可以用两根振蓄构成差动式振弦传感器,通过测量两根振玉的频率差来表示应力。这样,可以大大减小传感器的温度误差和非线性误差。
如果采用如图14-17(a)所示的电磁连续激励方法,其测量电路是比较简单的。由于连续激励振玉容易疲劳,连续振荡时产生的热效应将会使振弦产生热膨胀现象。因此,尚需考虑振弦的热膨胀系数产生的温度误差。在实际应用时,究竟选用何种方式,要根据被测量的工作状态和要求而定。
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