谐振式传感器敏感单元反向同步振动的非线性影响机理与抑制技术研究

The nonlinear phenomena in the resonant-sensitive element of resonant transducer have seriously affected the performance of the sensor. Generally, they were reduced to linear systems or signal processing to suppress the nonlinear phenomena of resonant sensors. The project would study the origin of the non-linear phenomenon of the resonant sensor. Based on the theory of Huygens synchronization, the theoretical model of double-resonance-sensitive elements continuous reverse-synchronism vibration would be established. In the model, the effect rule of the structural parameters, vibration parameters and closed-loop excitation responses to the non-linearity of resonance-sensitive elements would be summarized. Finally, a relatively reasonable theoretical method for suppressing nonlinear phenomena of resonant-sensitive elements is attempted to establish. The theory would further be verified by using two typical structural-scale sensors with resonant mass flow and resonant silicon micro-pressure. The research results would reveal the source of nonlinear phenomena generated by resonant sensors theoretically. That is also an important supplement to the theory of synchronous phenomena based on discontinuous metronome. The theoretical method of suppressing the nonlinear phenomena of resonant-sensitive unit is proposed in the project, which is of great theoretical and practical value for the design of resonant sensor, suppression of nonlinear factors and improvement of comprehensive performance.

谐振式传感器的谐振敏感单元工作中存在的非线性现象，严重影响了传感器的工作性能。以往学者研究谐振传感器时往往将其简化为线性系统或者采用信号处理的方法抑制非线性现象。本项目将针对谐振式传感器非线性现象的产生根源开展研究。基于惠更斯同步现象理论，建立双谐振敏感单元连续反向同步振动理论模型，研究模型中结构参数、振动参数、闭环激励响应对谐振敏感单元非线性现象的影响规律，建立一套相对完善的抑制谐振敏感单元非线性现象的理论方法，并利用谐振式质量流量和谐振式硅微压力两种典型不同结构尺度的传感器进行理论验证。研究成果将从理论上揭示谐振式传感器产生非线性现象的根源，同时该理论也是现有基于非连续节拍器同步现象理论的重要补充。项目提出的抑制谐振敏感单元非线性现象的理论方法，对于谐振式传感器的谐振敏感单元设计、非线性因素抑制，综合性能的进一步提升，具有重要的理论意义和实际应用价值。

谐振式传感器的谐振敏感单元工作中存在的非线性现象，严重影响了传感器的工作性能。以往学者研究谐振传感器时往往将其简化为线性系统或者采用信号处理的方法抑制非线性现象。本项目针对谐振式传感器非线性现象的产生根源开展研究，以双管型科氏质量流量传感器为研究对象，针对检测信号存在与基频成倍数的多倍频非线性分量现象，项目研究了同步振动理论，结合双管型科氏质量流量传感器谐振敏感单元的工作机理，开展了一系列理论、仿真和实验研究。.建立了双管型科氏质量流量传感器谐振敏感单元的反向同步振动理论模型，通过数值解析、仿真分析与实验结果，验证了振动耦合模型的正确性，理论上证实了双敏单元反向同步振动系统存在的“倍频现象”是由于连接双敏单元的耦合介质使其发生了相互作用。.分析了附加质量的分布对多倍频非线性因素的影响规律，得到局部刚度是抑制多倍频信号的关键，研究了对称附加质量对多倍频分量的抑制效果，提出了一种在振动耦合系统引入对称附加质量的抑制方法。.建立了考虑非对称质量干扰情况下的双管型科氏质量流量传感器振动耦合模型，研究了不同测量管缺陷对振动耦合非线性的影响，得到了双敏感单元差异性对多倍频信号的影响规律。给出了由非对称质量引起的附加振动成分，为抑制双管型科氏质量流量传感器敏感单元非线性因素的影响提供指导，可大幅减小传感器自身干扰。.研究得到的理论模型和有限元模型，能够指导谐振式传感器原型设计，根据具体的测量需求、测量环境，设计出精度更高的、非线性抑制效果更好的传感器。同时，支撑了由非线性干扰因素引起的附加振动成分的判断依据，有利于开展实际工作中的误差分析，能够指导使用中的谐振式传感器进行非线性抑制，延长使用寿命，提高性价比。