第页谐振膜式密度在线测量传感器摘要：设计了一种基于谐振理论的新型谐振膜式液体密度传感器，实现了液体密度的实时在线测量。谐振膜式密度传感器谐振膜、激励单元、拾振单元、闭环控制电路与检测电路组成。传感器依靠检测谐振膜谐振频率来实时检测液体的密度，这种谐振膜式密度传感器制作工艺简单、信号稳定、测量精度较高，且满足实时在线测量的要求。关键词：谐振；传感器；密度测量Abstract:Anewvibrationmembrane-typeliquiddensitysensorbasedonresonancetheorywaspresentedtoachievereal-timeandonlinemeasureoftheliquidsdensity.Thisvibrationmembrane-typeliquiddensitysensorconsistedofresonantmembrane,exciter,pick-up,closed-loopcontrolcircuitanddetectioncircuit.Thesensorpossessestheadvantagesofeasyfabriicationandfineresolvingability,meetthedemandofreal-timeonlinemeasurement.字典Keywords:resonant;sensor;densitymeasurement1引言密度测量仪器的测量原理有声学、光学、射线、电磁或振动等多种类型，通过测量声波、光线、射线特性或者振动频率等与密度相关的物理量，实现液体密度的间接测量。本文基于谐振原理设计了一种新型谐振膜式密度传感器，采用易于加工的圆形谐振膜片为敏感单元，实现了动态液体密度的实时在线测量，例如飞机飞行中燃油量等。这种谐振膜式密度传感器具有测量精度高、重复性好、结构简单、便于实现等优点。2传感器的结构和工作原理2.1结构组成谐振膜式液体密度传感器由谐振膜、膜片支座、激励压电陶瓷、拾振压电陶瓷和信号检测电路组成。振动膜片设计成周边固支的圆膜片形式，用压电陶瓷片作为膜片的激振单元和拾振单元。工作时，信号处理电路的闭环控制单元向激励压电陶瓷片施加交变的正弦信号，使其产生交变力，进而迫使谐振膜片振动。拾振压电陶瓷片拾取膜片振动信号，回馈给闭环控制单元，实现闭环自激振荡条件，使膜片稳定工作在其一阶固有频率附近。信号处理电路根据闭环控制单元的频率计算被测液体的密度，并通过温度补偿算法实现密度的温度补偿。其结构如图1所示。图1谐振膜式密度传感器结构2.2工作原理与数学模型谐振膜式液体密度传感器工作原理图如图2所示。激励压电陶瓷谐振膜片拾振压电陶瓷闭环控制单元频率计算电路温度补偿电路密度解算单元图2谐振膜式密度传感器工作原理谐振膜式密度传感器是一个典型的闭环自激振荡控制系统，谐振膜片在闭环控制单元的控制下，在一阶固有频率附近工作。当谐振膜片和液体接触时，被测液体将随振动膜片一起振动，使膜片和液体组成的整个系统的等效质量发生变化，从而其固有频率也随之变化，通过检测谐振膜片的频率及其变化量即可测量待测液体的密度。膜片未接触液体时的固有频率可以由下式计算：（1）式中，t为圆膜片的厚度；为圆膜片的弹性模量；为单位面积膜片的质量；r为圆膜片的半径；为圆膜片的泊松比；为取决于振型的系数，不同的振型有不同的振型系数，振型系数与圆膜片振动所产生的波节圆的个数以及波节直径有关。膜片侵入液体后，其固有频率变为（2）式中，，为待测液体密度；为膜片的密度；0.6689是液体和膜片耦合作用时产生的附加质量系数，不同的振型附加质量系数不同。式（1）除以式（2），可得（3）由式（3）可解出液体密度（4）2.3传感器测量控制电路谐振膜式密度传感器的闭环控制系统主要由电荷放大电路、带通滤波器、自动相位调节、自动增益控制及驱动电路五部分组成。系统框图如图3所示。电荷放大电路带通滤波器自动相位调整电路自动增益控制电路驱动电路图3谐振膜式密度传感器测量控制电路结构示意图1、电荷放大电路谐振膜式密度传感器信号检测单元采用压电陶瓷片作为振动信号检测组件，振动膜片的振动信号通过压电组件转换成电荷的变化，电荷放大电路实现电荷量-电压的转换。电荷放大电路原理如图4所示。图4电荷放大电路原理图为传感器等效电荷源；为传感器漏电阻；为传感器电容；为连接电缆等效电容；、分别为运算放大器的输入电容和输入电阻；、分别为放大器的回馈电容和回馈电阻；为理想运算放大器，其开环放大倍数为A；信号角频率为。理论推导证明，当时，各电阻对输出电压的影响可以忽略，令，则等效电路可简化为图5所示。图5电荷放