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
第9章 谐振式传感器讲解
9.1.1 谐振式传感器的类型
随着微电子技术和微机械加工技术的兴起，以 硅为振子材料的硅微机械谐振传感器越来越受到了 重视。这种传感器利用成熟的硅集成制造工艺，能 得到大批量的可靠性高、灵敏度高、价格低廉、体 积小、功耗低的产品，特别是便于构成集成化测量 系统。其振子常为微悬臂梁、两端固支微梁(桥)、 方膜或圆膜等形状，尺寸在微米量级。
即可得两个微分方程
d2Y/dx2 (w/)2Y 0 (9.6) d2G/dt 2 w2G 0 (9.7)
9.1.2 谐振式传感器的基本原理
d2Y/dx2 (w/)2Y 0 (9.6) d2G/dt 2 w2G 0 (9.7)
其一般解为
Y Asin(wx/) B cos(wx/) (9.8)
当15＜f/h＜45时，采用平凸形，优点是边
缘效应小，振动活力较高，频率温度特性曲线一 致性较好。
f/h＞45时，采用扁平形。
9.1.1 谐振式传感器的类型
石英晶体振荡器的基本原理 在石英晶体的电极上施加交变激励电压时，
由于逆压电效应，石英晶体会产生机械振动。石 英晶体是弹性体，它存在固有振动频率。当强迫 振动频率等于其固有振动频率时会产生谐振。
因弦的斜率为q＝y/x，所以上式可变换为
2y r 2y
x2 T t 2
2 y x 2
1
2
2 y t 2
(9.3)
式中，2＝T/r，可被证明为沿弦传播的波速。
9.1.2 谐振式传感器的基本原理
2y 1 2y
x2 2 Leabharlann 2假设上式的解为y(x,t) Y(x)G(t)
(a)扁平形
第五章 谐振式传感器
于机械谐振结构的谐振式传感器。它们可利用振动频率、相位和
幅值作为敏感信息的参数。由于谐振式传感器有许多优点，也适
于多种参数测量，如压力、力、转角、流量、温度、湿度、液
位、粘度、密度和气体成分等，所以这类传感器已迅速发展成为
一个新的传感器家族。
由ERD组成的电—机—电谐振子环节，是谐振
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。
影响谐振子Q值的因素主要有：材料自身的特性，加工工
艺，谐振子的结构(边界状况及封装情况)和使用环境等
提示与补充
概述
基于谐振技术的谐振式传感器，自身为周期信号输出（准数
字信号），Байду номын сангаас用简单的数字电路即可转换为微处理器容易接受的
数字信号。谐振式传感器的重复性、分辨率和稳定性等非常优
良，又便于和微处理器直接结合组成数字控制系统，自然成为当今人们研究的重点。
谐振式传感器大体分为两类：一类是基于机械谐振结构谐振
给设计传感器的放大器提出了特殊要求。
显然，只要被测量能较显著地改变检测信号x(t)的某一特征参
数，谐振式传感器就能通过检测上述特征参数来实现对被测量的
检测。
在谐振式传感器中，目前国内外使用最多是检测频率ω，如
谐振筒压力传感器、谐振式膜压力传感器等。
可见高Q值的谐振子对于构成闭环自激系统及提高系统的性
课题
谐振式传感器
需2课时
教学
目的
要求
1.了解谐振式传感器的理论基础。
2.了解振动筒压力传感器，振动膜式传感器，振动弦式传感器，振动梁式传感器。
3.硅微结构谐振式传感器。
谐振式传感器的几种类型
谐振式传感器的⼏种类型传感器中，筒内靠近筒壁的介质（如⽓体）和筒⼀起组成有效振动质量。
当介质密度发⽣变化时,有效振动质量也发⽣变化,从⽽使筒振动的固有频率发⽣变化。
在测量电路中对所测信号的⾮线性进⾏校正后，可使测量精度达0.01％。
振筒是采⽤低温度系数的铁镍合⾦材料，经冷挤压和热处理等特殊⼯艺加⼯制成的薄壁管，它的两端⽤固定块固定。
激振器、振筒、压⼒传感器和放⼤振荡电路构成⼀个反馈振荡系统。
以拉紧的⾦属弦作为敏感元件的谐振式传感器。
当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征弦所受拉⼒的⼤⼩,通过相应的测量电路,就可得到与拉⼒成⼀定关系的电信号。
振弦的固有振动频率f与拉⼒T的关系为，式中l为振弦的长度，ρ为单位弦长的质量。
振弦的材料与质量直接影响传感器的精度、灵敏度和稳定性。
钨丝的性能稳定、硬度、熔点和抗拉强度都很⾼,是常⽤的振弦材料。
此外,还可⽤提琴弦、⾼强度钢丝、钛丝等作为振弦材绕线机料。
振弦式传感器由振弦、磁铁、夹紧装置和受⼒机构组成。
振弦⼀端固定、⼀端连接在受⼒机构上。
利⽤不同的受⼒机构可做成测压⼒、扭矩或加速度等的各种振弦式传感器。
⼯作时,给⽤磁铁线圈构成的激振器通以交变电流，磁性振筒在交变磁场的激励下起振，⽽拾振器则完成相反的电磁感应过程，将筒的振动信号反馈到振荡电路去。
由于振筒具有⾼品质因腻⼦粉数，整个振荡系统以振筒的固有频率振动。
当被测介质流过振筒内时,振筒的有效振动质量增加,使振动频率发⽣变化，测量电路就可取出与介质密度成⼀定关系的频率信号。
振动频率 f与被测介质密度ρ的关系为：公式式中f0为筒内处于真空状态时筒的固有振动频率；ρ0为与振筒的截⾯积、内腔截⾯和材料密度有关的常数。
为改善固定块随筒⼀起振动⽽产⽣的频率不稳定性，常采⽤双筒式结构，使双筒的振动频率相同⽽振动⽅向相反。
这种结构不会引起固定块振动，从⽽提⾼了振动频率的稳定性。
压⼒传感器即采⽤振弦式。
这种传感器的振弦⼀端固定，另⼀端连结在弹性感压膜⽚上。
谐振频率分析
谐振频率分析谐振频率分析（Resonant Frequency Analysis）引言：谐振现象无处不在，从挥动摇摆的秋千到鸟儿鸣唱的音调，都与谐振频率有关。
谐振频率分析，作为一种工程手段，可用于诊断和预测各种结构的运动与振动。
本文将深入探讨谐振频率分析的基本原理、应用领域和实用方法。
一、基本原理：谐振频率分析基于谐振原理，即当外力频率与物体固有频率相等时，物体将产生最大的振动。
从物理学角度来看，谐振频率是由系统的质量、刚度和阻尼特性共同决定的。
在弹性体系中，谐振频率可以通过以下公式计算：f = 1 / (2π√(k/m))其中f表示谐振频率，k表示弹簧或刚性材料的刚度，m表示物体的质量。
这个公式揭示了谐振频率与力学参数之间的定量关系。
二、应用领域：谐振频率分析在各个领域中发挥着重要的作用。
以下是一些常见的应用领域：1. 结构动力学：谐振频率分析可用于诊断和预测建筑物、桥梁、航空航天器等结构的振动特性，确保结构的稳定性和安全性。
通过谐振频率的测量，可以确定是否存在结构松动、疲劳、损坏等问题。
2. 机械工程：在机械系统中，谐振频率分析被广泛应用于故障诊断和异常振动检测。
通过测量机械设备的谐振频率，可以准确判断其工作状态是否正常，提前预防故障发生。
3. 声学与音乐：音乐和声学领域也需要谐振频率分析来研究乐器的音色特性和声波传播规律。
通过测量不同乐器的谐振频率，可以了解其固有音调和音质，为音乐制作和演奏提供科学依据。
4. 电子工程：在电子系统设计中，谐振频率分析用于确定电路元件的工作频率和振荡特性。
通过准确计算谐振频率，可以优化电路设计，提高系统的效率和稳定性。
三、实用方法：谐振频率分析有多种实用方法，以下是其中几种常见的测量和计算方法：1. 振动传感器：振动传感器是一种常用的工具，用于测量物体的振动幅度和振动频率。
通过将振动传感器与被测物体相连，并将数据传至计算机或数据记录仪，可以实时记录振动信号，并分析得出谐振频率。
谐振式传感器工作原理
谐振式传感器工作原理谐振式传感器的工作原理，嘿，听起来是不是有点复杂？但它的背后可有一番故事呢。
想象一下，有一个小家伙在不停地摇晃，它就像是一个不停抖动的跳蚤。
这种传感器的核心其实就是一个振动体，简单来说，它就像你夏天扇扇子，轻轻一扇，它就会随着风的方向和力量而摆动。
好吧，这个小家伙可不是随便摆的，它有自己的频率。
哎，这频率可有意思了。
每种材料、每个形状都有它自己独特的振动方式，简直像每个人都有自己擅长的舞步一样。
咱们再聊聊这个“谐振”吧。
谐振，就是当外部力量与这个小家伙的自然频率完美匹配的时候，它会摆动得更加剧烈，简直像是对着观众狂欢的舞者。
这个过程，简直让人想起那句老话：“有缘千里来相会”，没错，就是那么巧。
你要是轻轻一碰，它就像被点燃的烟花，瞬间绽放，发出一阵强烈的信号。
这个信号可了不得，它可以被传感器捕捉到，然后转化为我们可以理解的电信号。
现在，想想看，这些电信号就像是信息的快递员，把舞蹈的讯息传递到大脑。
它们经过处理，就能告诉我们到底发生了什么，是温度在变化，还是压力在增大，甚至是其他物理量的变化。
这可比你家小猫追着自己的尾巴有趣多了。
要是没有这些谐振式传感器，咱们可能就会错过许多重要的信息，简直就像没听见朋友叫你去吃火锅一样。
再说说应用吧，真是广泛得让人目瞪口呆。
这玩意儿可不是只在实验室里待着，它们在我们生活的每一个角落都能见到。
比如说，汽车里的传感器，它们会监测发动机的振动，确保一切运转良好，免得你在路上抛锚。
又或者在手机里，它们能帮助监测各种环境因素，让你的设备能够自动调节，以适应不同的情况。
想想你那智能手机，有没有感觉到它像个小精灵一样聪明？而且啊，谐振式传感器的优点还真不少，灵敏度高、响应快，简直可以称得上是“精致小巧”的代表。
这让它在很多高精度要求的场合大显身手，比如医学设备、航空航天等领域。
它们像是科学家的得力助手，随时待命，确保一切都在掌控之中。
想想那些高大上的航天器，如果没有这些传感器，它们可能就像没头苍蝇一样，东奔西跑。
第十章 谐振式传感器
振梁式力传感器
五、压电谐振式传感器
如图所示为由石英晶体谐振器构成的 振梁式压差传感器。两个相对的波纹 管1用来实现压力差的传递，采用杠杆 3形成绕支点4的力矩并传递给力敏石 英振子7，它受拉伸或压缩力作用后改 变了晶体的谐振频率。通过改变杠杆 臂比以及波纹管的截面积和配重6来选 择合适的压力-频率转换关系。壳体2 所包围的空间5抽成真空。
1、电流法
谐振式传感器的电流法电路
1、电流法
1、电流法
1 T f 2l 1
2、电磁法
谐振式传感器的电磁法电路
3、电荷法
该方法利用晶体逆压电效应产生激振力，石英振子上下表面 各覆盖金属层作为电极引入系统反馈环节的输出信号，则振 子既是振动体又是激励环节。
压电式谐振传感器电路原理框图
第四节 应用举例
幂级数展开
1 T 1 T 2 1 T 3 f 0 [1 ( ) ( ) ....] 2 T 8 T 16 T 1 T 1 T 2 f 0 [1 ( ) ] 2 T 8 T
1 T 2 f0 ( ) 非线性误差 1 T 8 T ( ) 1 T 4 T f0 ( ) 2 T
近 似
式中： p
被测压力 压差灵敏度系数
3(1 2 ) r 3 B ( ) 4E h
压力－频率关系曲线
非线性误差 灵敏度
f0 B f p 2
1 f ( ) 2 f0
f0 B df k dp 2
四、振梁式谐振传感器特性
f f 2 pa b( ) f0 f0
近
似
f0 f p a
非线性误差
压力－频率关系曲线
灵敏度
b f ( ) a f0
f0 df k dp a
单晶硅谐振式传感器技术
单晶硅谐振式传感器技术
嘿，朋友们！今天咱来聊聊单晶硅谐振式传感器技术，这可真是个了不起的玩意儿啊！
你想想看，单晶硅，那可是纯净又稳定的材料呢！就好比是一位可靠的老伙计，始终坚守岗位，不离不弃。
而谐振式呢，就像是一场精妙的音乐会，各个部分和谐共鸣，奏出美妙的乐章。
单晶硅谐振式传感器技术啊，就像是我们生活中的一位神奇小助手。
它能敏锐地感知各种微小的变化，然后准确地传递出信息。
比如说在一些高精度的测量中，它的表现那叫一个出色呀！就好像是一个神枪手，指哪打哪，分毫不差。
它在很多领域都大显身手呢！在工业生产中，能精确地监测各种参数，确保生产过程顺顺利利，不出差错。
这就好像是为生产线上了一道保险，让人心里踏实得很。
在科研领域，那更是不可或缺的宝贝呀！帮助科学家们探索那些未知的奥秘，就如同给科学家们配备了一双超级敏锐的眼睛。
你说，要是没有单晶硅谐振式传感器技术，那得有多少事情变得困难重重啊！它就像是一个默默无闻却又至关重要的幕后英雄。
而且哦，这技术还在不断发展和进步呢！就像我们人一样，不断学习，不断成长。
未来，它肯定能发挥出更大的作用，给我们带来更多的惊喜和便利。
想想看，随着科技的不断进步，单晶硅谐振式传感器技术会不会变得更加厉害呢？它会不会进入我们生活的每一个角落，让我们的生活变得更加美好呢？我相信一定会的呀！
所以说呀，单晶硅谐振式传感器技术可真是个好东西，我们可得好好珍惜它，让它为我们的生活增添更多的精彩呢！难道不是吗？。
谐振式传感器
n ——圆筒振动时的径向周期数
n的近似计算式：
n 2 ( R )
h
三、振动筒式Biblioteka 感器如果暂不考虑材料的弹性温度系数影响，则频率 的高低应决定于圆筒内外气体压力之差，谐振频率与 被测压力成单值函数关系。可是，频率与压力不是线 性关系，近似成抛物线关系。
f fp
f0
0
PF.S P
压力－频率输出特性
三、振动筒式传感器
三、振动筒式传感器
压电陶瓷元件直接贴于圆柱壳的波节处，筒 内完全形成空腔。
优点：结构简单，机电转换效率高，易于小型化， 功耗低，便于构成不同方式的闭环系统等
缺点：迟滞误差较电磁方式略大些
（1） Q 1
2
:系统的阻尼系数
（2） Q n 2 1
n :系统的固有频率
1 2 :如上图所示，对应幅值增益为 Am
称为半功率点
2，
二、基础理论
Q对谐振子自激振荡的影响
Q值越高，相对于储存的能量来说所需付出的能量 就少，储能效率就越高。谐振频率稳定度越好，传感 器也就越稳定，抗外界振动干扰的能力越强，传感器 的重复性就越好。
三、振动筒式传感器
n=2
n=4
n=6
n=8
三、振动筒式传感器
当m＝n＝4时，较容易起振，抗干扰能力强，具 有很高的灵敏度。
m=1
n=4
m＝1，n＝4 振型图
三、振动筒式传感器
当振筒不受压力时，筒内外的压力相等，如果忽略介质质量、金
属内摩擦，以及气体介质的粘滞阻尼，则振筒在零压力下的固有频率
为：
f0
二、基础理论
Q对传感器精度的影响
由二阶系统的相频关系： () arctg 2P
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利用单晶硅材料特性的传感器，通过利用谐振原理实现对物理量的测量。
该传感器主要由一个单晶硅晶片、电极和封装等组成，通过在晶片上刻蚀出微小的结构，形成一个质量块和弹簧系统，并在其上加上电极，当该系统受到外部物理量的作用时，会发生微小的振动，产生电荷信号，通过外部电路进行放大和处理，最终实现对物理量的测量。
由于单晶硅具有高稳定性、高灵敏度、高精度和可制备微小结构的特点，因此单晶硅谐振式传感器在工业、医疗、生物等领域得到了广泛应用。
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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