9谐振传感器解析
不同类型的谐振式传感器
不同类型的谐振式传感器谐振式传感器是一种基于谐振现象的传感器。
它利用物理体的固有频率来检测或测量外部力或质量的变化。
谐振式传感器可以用于测量不同的物理量，如力、质量、压力、加速度等。
它们通常被用于工业、医疗、科学实验和研究等领域中。
以下是不同类型的谐振式传感器：压电谐振式传感器压电谐振式传感器是利用压电效应来实现传感的。
该传感器使用压电陶瓷等材料来制造，当该材料受到外力作用时，它会产生电荷，这种电荷可以被检测到并用于测量外部力的大小。
压电谐振式传感器被广泛应用于汽车工业中，用于测量引擎和车轮的振动和冲击。
此外，压电谐振式传感器也被用于医学、机械和航空等领域中。
磁浮谐振式传感器磁浮谐振式传感器是一种利用磁浮现象来实现传感的传感器。
该传感器使用磁悬浮技术将传感器浮在气垫上，从而消除了机械接触，使传感器具有非常高的灵敏度和准确性。
磁浮谐振式传感器被广泛应用于航空、航天、半导体、医学和机械等领域中。
由于其高灵敏度和准确性，它在检测微小物理量方面表现得非常优秀。
光学谐振式传感器光学谐振式传感器是一种基于光学原理的传感器。
该传感器利用光学腔来实现传感。
当外部物理量发生变化时，光学腔的谐振频率也会发生变化，从而可以检测到外部物理量的变化。
光学谐振式传感器可以用于测量加速度、力、压力和温度等参数。
它在化学、环境、气体检测和生物医学等领域中得到了广泛应用。
容积谐振式传感器容积谐振式传感器是一种基于容积变化原理的传感器。
该传感器利用容积缩小或增大的过程来反映外部物理量的变化。
它通常由一个空间扭转薄膜以及一个振荡频率保持器构成。
容积谐振式传感器可以用于测量压力、质量和加速度等物理量。
这种传感器被广泛应用于工业自动化、医疗和科学实验室等领域。
结论谐振式传感器是一种非常重要的传感器类型。
它们使用物理体的固有频率来测量外部物理量，具有精度高、响应速度快、易于集成和制造等优点。
不同类型的谐振式传感器具有不同的工作原理和适用范围，因此在选择传感器时需要考虑应用的具体领域和需要测量的物理量等因素。
第九章 谐振式传感器
第一节 原理与类型
一、基本原理 振子即机械振动系统的谐振频率为：
f = 1 2π k m e
如果振子受力或其中的介质质量等发生变化，则导致 振子的等效刚度或等效振动质量发生变化，从而使其谐振 频率发生变化。 要使振子产生震动，就要外加激振力，要测量振子的 振动频率则需要拾振元件。
二、类型 振动弦式、振动模式、振动筒式、振动梁式
第九章 谐振式传感器
谐振式传感器是直接将被测量转换为振动频率 信号，故也称频率式传感器。它很容易进行数字 显示，因此具有数字化技术的许多优点：①测量 精度和分辨力比模拟式的要高得多，有很高的抗 干扰性和稳定性，②便于信号的传输、处理和存 储；②易于实现多路检测。 谐振式传感器的种类很多，按照它们谐振的原 理可分为：电的、机械的和原子的三类。 本章只讨论机械式谐振传感器。
第三节 转换电路
一、间歇激励方式
二、连续激励方式
第四节 应用举例
一、振弦式传感器
二、振膜式传感器
三、振简式传感器
三、振梁式传感器
谐振式传感器
第五章 谐振式传感器
一 概述 二 谐振式传感器的理论基础 三 振动筒压力传感器 四 振动膜式传感器 五 振动弦式传感器 六 振动梁式传感器 七 硅微结构谐振式传感器
二、谐振式传感器的理论基础
1 基本结构 2 闭环自激 3 敏感机理 4 谐振子的Q值 5 设计要点 6 特征与优势
1 基本结构 2 闭环自激 3 敏感机理 4 谐振子的Q值 5 设计要点 6 特征与优势
综上所述，相对其它类型的传感器，谐振式传感器的本质特 征与独特优势是： ① 输出信号是周期的，被测量能够通过检测周期信号而解 算出来。这一特征决定了谐振式传感器便于与计算机 连接，便于远距离传输； ② 传感器系统是一个闭环结构，处于谐振状态。这一特征 决定了传感器系统的输出自动跟踪输入；
将式（5-2）代入式（5-器使用的振动系统总是有振荡的，故式(5-3)的解应写 为
1, 2 n i d (5-4)
n k m c 2 km
在谐振式传感器中，谐振子的品质因素Q值是一个极其重要的指 标，针对能量的定义式为：
每周平均储存的能量 Q 每周由阻尼损耗的能量
(5-16)
1 0 ，利用图5-6所示的谐振子 对于弱阻尼系统， 的幅频特性可给出： 1 Q Am (5-17) 2 n 1 Q (5-18) 2 1 p 2 p1
二、谐振式传感器的理论基础
1 基本结构 2 闭环自激 3 敏感机理 4 谐振子的Q值 5 设计要点 6 特征与优势
实际应用的谐振敏感元件多为弹性敏感元件。在讨论其振动 特性时，可以用一个等效的单自由度有阻尼的系统来描述（如下 图5-2）。图中k，m，c分别为等效刚度、等效质量和等效阻 尼。其自由振动的运动方程为：
单晶硅谐振式传感器原理
单晶硅谐振式传感器原理
单晶硅谐振式传感器是一种常用的微机电系统(MEMS)传感器，其
原理是基于单晶硅薄膜的压力感应效应和谐振效应实现压力信号的转换。
第一步：基本原理
单晶硅谐振式传感器由压电谐振结构和电路驱动结构组成，压电
谐振结构通常由压电陶瓷晶体和谐振器构成。
当外力作用于压电陶瓷
晶体时，会产生电位变化，从而改变谐振器的共振频率。
通过测量共
振频率的变化，可以反映出外力的大小。
第二步：工作原理
单晶硅谐振式传感器的工作过程分为谐振和检测两个过程。
在谐
振过程中，外加电压施加在压电材料上，压电材料会振动并传输到谐
振器上。
在谐振器共振频率的范围内，晶体的机械振动会被转换成电
信号。
在检测过程中，感知器所得到的电信号，通过电路处理后即可
得到压力信号的大小。
第三步：应用领域
单晶硅谐振式传感器具有灵敏度高、温度稳定性好、反应速度快
等特点，广泛应用于气动力学、航空航天、化工、医疗、能源等领域。
在实际应用中，它可以用于测量压力、加速度、流速、化学量等物理量，为许多行业提供了可靠的技术支持。
总体而言，单晶硅谐振式传感器原理是基于压电陶瓷晶体的电势
变化来实现外力测量的，其灵敏度高、使用寿命长、反应速度快等优
点不仅提高了传感器的检测精度，同时在实际应用中也具有广泛的应
用前景。
谐振式传感器的类型及优缺点
谐振式传感器的类型及优缺点谐振式传感器的种类许多，大体分为两类：一类是基于机械谐振结构谐振式传感器；另一类是MOS环振式谐振传感器。
其中机械式谐振式传感器应用最广。
机械式谐振传感器的振子可以有不同的结构形式，图所示为常见的 a 张丝状、b 膜片状、c 筒状、d 梁状等，相应的有振动弦式、振动膜式、振动筒式、振动梁式等谐振传感器之分。
通常振子的材料采纳诸如铁镍恒弹合金等具有恒弹性模量的所谓恒模材料。
但这种材料较易受外界磁场和四周环境温度的影响。
石英晶体在一般应力下具有很好的重复性和最小的迟滞，其谐振子的品质因素Q值极高，并且不受环境温度影响，性能长期稳定，因此采纳石英晶体作为振子可制成性能更加优良的压电式谐振传感器。
其振子通常采纳振膜或振梁外形，但按振子上下表面外形它又分为e 扁平形、f 平凸形和g 双凸形三种，如图2所示。
表1给出了各种类型机械式谐振传感器的优缺点及应用领域。
图振子的结构类型表1 各种类型机械式谐振传感器的优缺点及应用领域类型优点缺点应用领域振弦式传感器结构简洁坚固、测量范围大、灵敏度高、测量电路简洁对传感器的材料和加工工艺要求很高，精度较低广泛用于大压力的测量，也可用来测量位移、扭矩、力和加速度等振膜式传感器具有很好的稳定性、重复性和较高的辨别率(一般可达0.3～0.5kPa/Hz)。
精度可达0.01%，重复性可达十万分之几的数量级，长期稳定性可达每年0.01～0.02%对传感器的材料和加工工艺要求很高，精度较低航空航天技术中大气参数(静压及动压) 的测量；它还常用来做标准计量仪器标定其它压力传感器或压力仪表。
此外，它也可以测液体密度、液位等参数振筒式传感器迟滞误差和漂移误差小，稳定性好，辨别率高以及轻巧、成本低对传感器的材料和加工工艺要求很高，精度较低主要用于测量气体的压力和密度等振梁式传感器稳定性好抗干扰强对传感器的材料和加工工艺要求很高，精度较低测静态力和准静态力压电式谐振传感器体积小，重量轻；稳定性好；Q值可达40000；动态响应好；抗干扰力量强( 不受外界磁场干扰，灵敏度稳漂为4% -5%/℃)对传感器的材料和加工工艺要求很高压力压差。
第10章 谐振式传感器
(10-5)
9
为得到良好的线性，常采用差动式结构，如图10-3所示。上下两弦对称， 初始张力相等，当被测量作用在膜片上时，两个弦张力变化大小相等、方 向相反。通过差频电路测得两弦的频率差，则式(10-3)中的偶次幂项相抵 消，使非线性误差大为减小，同时提高了灵敏度、减小了温度的影响。
图10－3 差动式振弦传感器原理
10
二、振膜式谐振传感器特性
对于图10-2 （b）所示的振膜式传感器，当膜片受压力p作用而产生变形时，其 等效刚度发生变化，膜片的谐振频率f变化。
膜片受力而产生静挠度，其谐振频率f与膜片的中心静挠度Wp的关系可表示为
(10-6)
而膜片的中心静挠度Wp与均布压力p的关系可表示为
式中 l----振弦的线密度(kg/m)； l----振弦的有效振动长度。 当弦的张力增加T时，由式(10-2)可得弦的振动频率f为
8
因为T/T< < 1，可将上式中括弧里的项展开为幂级数，
则上式为【其中 f 0为振弦的谐振频率，见(10-2)式】
(10-3) 单根振弦测压力时的非线性误差为
(10-4)
图10－5 压力－频率关系曲线
15
由式(10-12)得到
(10-13)
因为 f/f0< < 1，相比之下( f/f0)2可忽略，所以该传感器的输入输出特性可 近似成如下线性关系
张丝状:图10-2 (a)、膜片状:图10-2 (b) 、筒状:图10-2 (c) 、 梁状:图10-2( d )。因此相应的谐振传感器有:振弦式、振膜 式、振筒式、振梁式 之分。
图10－2 机械振子的基本类型
6
硅谐振式压力传感器工作原理
硅谐振式压力传感器工作原理硅谐振式压力传感器是一种常用的压力测量装置，利用硅片的微小变形来测量压力的变化。
本文将详细介绍硅谐振式压力传感器的工作原理。
硅谐振式压力传感器的工作原理基于硅片的压阻效应和谐振频率的变化关系。
硅片是一种具有压阻效应的材料，即当外力施加在硅片上时，硅片的电阻值会发生变化。
利用这个特性，硅谐振式压力传感器可以将外界压力转化为硅片的变形，从而通过测量硅片的电阻变化来得到压力的信息。
硅谐振式压力传感器通常由两个硅片组成，一个硅片作为感应器，另一个硅片作为参考器。
这两个硅片通过微弯曲悬臂梁相连接，形成一个谐振结构。
当外界压力作用在感应器上时，感应器的硅片会发生微小的变形，导致谐振结构的谐振频率发生变化。
为了测量谐振频率的变化，硅谐振式压力传感器通常采用电桥的测量方法。
电桥由四个电阻组成，其中两个电阻与感应器的硅片相连，另外两个电阻与参考器的硅片相连。
当谐振频率发生变化时，感应器和参考器的电阻值也会发生变化，从而引起电桥的不平衡。
通过测量电桥的不平衡信号，可以得到压力传感器的输出信号。
硅谐振式压力传感器的优点是具有高精度、高灵敏度和宽测量范围。
由于硅片的微小变形能够被高精度的电桥测量出来，所以硅谐振式压力传感器的测量精度可以达到很高。
同时，硅谐振式压力传感器的灵敏度也很高，可以测量微小的压力变化。
此外，硅谐振式压力传感器的测量范围也很广，可以覆盖从几帕到几兆帕的压力范围。
然而，硅谐振式压力传感器也存在一些局限性。
首先，由于硅片的变形受到温度的影响，所以硅谐振式压力传感器的测量结果会受到温度的影响。
其次，硅谐振式压力传感器对于过载和震动等外界干扰较为敏感，需要进行一定的防护措施。
此外，硅谐振式压力传感器的制造成本较高，所以在一些应用场景中可能不太适用。
硅谐振式压力传感器利用硅片的微小变形来测量压力的变化。
通过感应器和参考器的谐振结构以及电桥的测量方法，可以实现对压力的精确测量。
尽管硅谐振式压力传感器存在一些局限性，但其高精度、高灵敏度和宽测量范围使其在许多领域得到广泛应用。
〖机械〗机械谐振式传感器
扫描隧道显微镜、微型传感器方面取 得成功 。1987年美国 加州大 学伯克 利分校 研制出 转子直 径为60～12μ m的利用 硅微型 静电机
，显示出利用硅微加工工艺制造小可 动结构 并与集 成电路 兼容以 制造微 小系统 的潜力 。
微型机械在国外已受到政府部门、
企业界、高等学校与研究机构的高度 重视。 美国MIT、Ber keley、 Stanfor d\AT&T的15名科学 家在上 世纪八 十年代 末提出" 小机器
机械谐振式传感器
被测量变化→谐振频率变化
§9-1 原理与类型
一.机械振子
1.谐振频率
f 1
2
k me
被测量→k, me 变化→谐振频率f 变化
2.激振与拾振
激振
激振器提供能源, 元件
被测量
振子
拾振 元件
被测量使振子谐 振频率变化。
放大器 频率变化
18cgq09_1
1
1 T
4 T0
△T ↓→↓
四.振梁式振子 1.谐振频率 2.非线性误差 3.灵敏度
五.压电式石英振子
1.谐振频率 2.与压电传感器的比较
六.设计要点
§9-3 转换电路 一.开环式转换电路
二.闭环式转换电路 1.电流法 2.电磁法
§9-4 应用举例
一.振筒式压力传感器
18cgq09_1
15
机械加工是一种用加工机械对工件的 外形尺 寸或性 能进行 改变的 过程。 按被加 工的工 件处于 的温度 状态﹐ 分为冷 加工和 热加工 。
、大机遇：关于新兴领域--微动力学 的报告" 的国家 建议书 ，声称" 由于微 动力学 (微系 统)在美 国的紧 迫性， 应在这 样一个 新的重
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非线性
振弦式传感器的输出-输入一般为非线性关系，其输出-输入
特性如下图所示。
为了得到线性的输出，可以选取曲线中近似直线的一段。
也可以用两根振弦构成差动式振弦传感器，通过测量两根 振弦的频率差来表示应力，可以大大地减小传感器的温度 误差和非线性误差。
第11章 谐振式传感器
频率稳定性
1 El f 2 K 4l vl
适合测量低频
第11章 谐振式传感器
谐振弦式压力传感器
特性方程
1 f = 2l
E l vl
第11章 谐振式传感器
间歇激发
当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线圈，使 磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自由振动，在 线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输出。感应电动势 的频率即为振弦的固有频率，通过测量感应电动势的频率即 可测量振弦张力的大小。
第11章 谐振式传感器
连续激发
连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励，另一个 用于接收振弦的振荡信号。当振弦被激励后，接收线圈2 接受感应电势，经放大后，正反馈给激励线圈1以维持振 弦的连续振荡。
A1
电磁铁1
i
电磁铁2
F
第11章 谐振式传感器
传感器的特性分析 1、灵敏度
1 f = 2l E l vl
第11章 谐振式传感器
11.1谐振式传感器理论
第11章 谐振式传感器
谐振式传感器的组成
要实现一个谐振式传感器，需要做三个方面的工作：第 一，激励振动元件使之发生谐振；第二，在振动元件 和待测物理量之间实现耦合，使元件的谐振频率随待 测物理量的变化而变化；第三，拾取出振动元件的谐 振频率，利用谐振频率与待测物理量之间的耦合关系， 实现对待测量的间接测量。
第11章 谐振式传感器
闭环自激系统 被测量
C补偿
R谐振 敏感 D信号 检测 O E激励 闭环系统的实现条件 频域 时域 A放大 输出
第11章 谐振式传感器
A1
电磁铁1
i
电磁铁2
F
第11章 谐振式传感器
谐振状态及其评估
谐振现象
第11章 谐振式传感器
第11章 谐振式传感器
第11章 谐振式传感器
第11章 谐振式传感器
谐振式传感器的本质特征与独特优势是： ①输出信号是周期的，被测量能够通过检测周期信号而
解算出来。这一特征决定了谐振式传感器便于与计算
机连接，便于远距离传输； ②传感器系统是一个闭环结构，处于谐振状态。这一特 征决定了传感器系统的输出自动跟踪输入； ③谐振式传感器的敏感元件即谐振子固有的谐振特性， 决定其具有高的灵敏度和分辨率； ④相对与谐振子的振动能量，系统的功耗是极小量。这 一特征决定了传感器系统的抗干扰性强，稳定性好。
第11章 谐振式传感器
振弦式沉降仪
运用：用于测量和控制纵向 运动，水坝和河堤沉降；
建筑地基和储油罐的沉降
和隆起；海填埋的施工控 制；桥墩和桥拱座的沉降；
掩埋场的监测；
第11章 谐振式传感器
振动筒压力传感器
振动筒压力传感器是一种典型的敏感频率的谐振式传感器， 于60年代末实用。图给出了一种用于绝压测量的振动筒压力 传感器最早选用的原理结构。其测量敏感元件是一个由恒弹合金 (如3J53)制成的带有顶盖的薄壁圆柱壳。激励与拾振元件均由铁 心和线圈组成，为尽可能减小它们之间的电磁耦合，在空间呈正 交安置，由环氧树脂骨架固定。圆柱壳与外壳之间形成真空腔， 被测压力引入圆柱壳内腔。为减小温度引起的测量误差，在圆柱 壳内腔安置了一个起补偿作用的感温元件。
2
df dE 3 dl f E f 2 2 l
振弦长度l和材料弹性模量E受温度的影响直接影响传感器 的频率稳定性，而两者的影响是相反的。
第11章 谐振式传感器
振弦式传感器的应用
1、振弦式混凝土表面应变计 运用：测量混凝土表面的应变，主 要设计用于安装到混凝土结构上， 如:混凝土结构、桩；梁；桥；锚 筋；隧洞衬砌；吊索。在混凝土 结构上以及使用区间有限的部位 仅需一个小截面即可安装。
第11章 谐振式传感器
谐振式传感器是利用某种谐振器（振子）的固有 频率随待测量变化进行测量的。由于谐振型传感器的
输出是频率信号，它的传输和测量都可直接应用于数
字技术，便于与计算机结合。 频率和周期是能获得最高测量精度的物理参数，并且 不会因传输而降低其精度，适合于长距离传输，因而 具有精度高、可靠性好的特点。此外，谐振型传感器 无活动元件，是一种整体式的传感器，有牢固的机械 结构，可靠性和稳定性很好。
1 El f 2 K 4l vl
2
1 E K 2 4l v
l l
2 fdf Kd
df K k d 2 f
灵敏度k与材料系数K成正比而与弦的振动频率成反比。
– 材料系数K——材料的材质；几何尺寸
• 弦丝的长度↓，l=12～20mm；弦丝的横截面积↑
第11章 谐振式传感器
显然Q值反映了谐振子振 动中阻尼比的大小及消耗 能量快慢的程度。同时也 反映了幅频特性曲线谐振 峰的陡峭的程度，即谐振 敏感元件选频能力的强弱。
第11章 谐振式传感器
高Q值的谐振子对于构成闭环自激系统及提高系统的性 能是有利的，应采取各种措施提高谐振子的Q值。这是设
计谐振式传感器的核心问题。
提高Q值的途径 选择Q值高的材料，石英、单晶硅等 采用较好的工艺，减少谐振子内部压力 阻止谐振子与外界振动的偶合
幅频特性曲线
第11章 谐振式传感器
相频特性曲线
第11章 谐振式传感器
谐振子的机械品质因数Q
定义：
意义：Q反映了谐振子振动中阻尼比系数的大小及消耗能量的快慢， 也反映了幅频特性曲线陡峭的程度，即选频的能力，而且Q值高， 说明系统的谐振频率和固有频率接近，系统比较稳定，重复性好。
第11章 谐振式传感器
优化谐振子的工作环境，使其不受被测介质的影响
一般实际的谐振子较其材料的Q值下降1-2个数量级
第11章 谐振式传感器
频率输出谐振式传感器的测量方法 频率测量法
测量1秒内出现的脉冲数，误差为1Hz，要
提高分辨率，提高测量时间，影响动态性能，适合测 量高频信号 周期测量法 测量重复信号完成一个循环所需的时间。
第11章 谐振式传感器
谐振式传感器
谐振传感器的重要组成部分是一个能作机械谐振 运动的振动元件，由于人们在设计传感器时使元件的 谐振频率对施加在元件上的外力非常敏感，而外力又 可由温度、压强等待测物理量依某种机制转换得来， 因此通过测量元件的谐振频率就可以对待测的物理量 作精确的测量，这就是谐振式传感器的基本工作原理