声表面波扭矩传感器结构设计
1 引言
扭矩是反映回转动力传输系统工作状况的重要参数之一，是实现各种机械产品开发、质验、工况监测及优化控制等必不可少的参数。扭矩测试在汽车、船舶、飞机等领域中拥有广泛应用。随着现代科学技术的不断发展，非接触、无源化、小型化、适应复杂测试环境等已成为扭矩测量的发展趋势。
论文首先从声表面波谐振器的工作机理入手，介绍了扭矩传感器测试系统的组成，并分析了用于扭矩测试的SAWR的特性。本文采用谐振型声表面波传感
器测量转轴扭矩变化，与一般应变型扭矩传感器一样，通过测量与轴线成45°和135°方向上的应变来实现对扭矩的测量。单端口谐振型声表面波传感器接收中心频率为器件固有频率的激励信号之后，将作用后的回波信号通过天线返回接收端，测得回波信号频率即可获得此时的扭矩值。因此，性能良好的SAWR对于提高
测试系统的测量精度非常重要。
轴的扭矩测量一直是个较难解决的问题。SAW传感器由于其无源和无线测量的特点，恰好避免了一般有源传感器在轴的扭矩测量中能量和信号难以传输的缺点。本文中，我们将阐述SAW扭矩传感器的设计、结构及相应的无线测量系统。
2 声表面波扭矩传感器测量原理及系统组成
声表面波扭矩传感器是应变型传感器的一种，通过声表面波谐振器感应弹性轴体表面的剪切应变，从而引起作用于声表面波器件回波信号的频率偏移，进而获得扭矩的被测值。
2.1 SAW传感器工作原理
目前常用的SAW传感器的核心器件是SAW振荡器，SAW传感器的工作原
理就是利用SAW振荡器对各种物理、化学及生物被测量的敏感作用而引起的频率化来实现对被测量的精确检测。
SAW振荡器通常分为延迟型（SAWD）和谐振型（SAWR）两种。延迟线型振荡器由两个叉指换能器（IDT）的中心距决定相位反馈并由IDT的选频功能产生固定的振荡频率。谐振型则由左右两个反射栅阵列构成谐振腔，声表面波在左右反射栅之间反射、叠加形成驻波。SAWD及SAWR的结构如图1、2所示。
图1 延迟线型振荡器
图2 谐振型振荡器
2.2 SAWD传感器
在延迟线型（SAWD）声表面波传感器中，采用IDT及距离不等的单端反射栅作为声电转换器件和反射栅阵列。激励信号使用单个脉冲信号，信号具有高功率、宽频带等特点，这种类型的传感器适用于编码，在近距离识别和传感中被广泛应用。SAWD传感器结构如图3所示，天线端接收由查询端发射的高频电磁波，经过叉指换能器（IDT）将电信号转变为声表面波（SAW），SAW沿基片表面传播，到达特定位置后由反射栅将SAW反射到IDT，此时SAW通过IDT进行声电转换，回波信号由天线传回接收端。由回波信号的延迟时间序列即可得到反射栅的位置，即决定了编码值。SAWD的振荡频率为：
f=v
(n?
ΦE
)
式中，v为SAW的传播速度；l为IDT与参考反射栅之间的距离；n为取决于电极形状和的正整数；ΦE反馈回路的相移。
图3 SAWD传感器结构图
2.3 SAWR传感器
谐振型（SAWR）声表面波传感器通过测量回波信号频率的变化来获得被测
量。SAWR结构如图4所示。连续的周期高频正弦信号通过天线加载到IDT上，IDT将电磁信号转换为SAW，左右两个反射栅构成谐振腔，声表面波在两个反射栅之间反射、增强，从而形成谐振驻波回到IDT，IDT将SAW转化为电磁波，通过天线将回波信号返回给接收端。当激励频率f与固有频率f0相等时，传感器发生谐振。其固有频率满足式上式。对于叉指间隔和反射栅指条间隔均匀分布的SAWR，SAW波长和IDT周期lp长度满足公式：
SAWR的振荡频率为：
SAWR器件高Q值、插损低的特性使得谐振器可以获得更高的灵敏度和分辨率。由上式可见SAW传播速度v、IDT间距l以及IDT周期长度的变化均可引起SAW 振荡器谐振频率的变化。通过建立这种变化与频率之间的关系，即可准确测出被测量。
图4 SAWR传感器结构图
3 扭矩传感器核心SAWR设计
SAWR的设计应该满足对扭矩引起的应变有足够的灵敏度，同时能够通过合理的设计有效抵消外界干扰的影响。对于单端口SAWR来说，传感器的核心部分为IDT、左右反射栅和石英晶体基底。
叉指换能器(IDT)是在石英晶体基片上激发、接收声表面波((SAW)的关键。IDT能够使电磁信号在石英晶体上实现声电的高效转换。当高频交变信号加载到IDT的两端时，在叉指换能器的电极所覆盖的石英晶体表面及表面以下空间就会产生一个交变电场，该电场经逆压电效应后将会在压电材料表面产生弹性应变，从而激发声表面波。
叉指换能器是声电转换的核心器件，反射栅则能够在很大程度上反应谐振器的性能。反射栅通常由短路的金属指条或质量负载绝缘指条构成。对于传播方向相反的声表面波来说，其质点的水平和垂直位移始终相差π/2，因此不能同时满足两路沿相反方向传播波的边界条件，因而不能采用通常用于体波反射的分离的高效反射镜。在此类SAWR的设计中，通常采用声表面波反射镜，这种反射镜基于反射元阵列，且指条阵列分布不连续，可以引起许多不完全反射，这些不完全反射相干叠加，进而形成全反射；另外一种方式就是限制反射的带宽，抑制产生与声表面波有关的频率。目前，常用的反射栅阵列形式如图5所示，反射栅条宽与间隔距离均为波长的四分之一。
图5 常用反射栅结构
声表面波器件的性能在很大程度上决定于压电基底材料，基底材料的选择应该根据应用需求而确定。对于SAWD来说，基底材料对声波的传输能力与测得
编码信号的准确度直接相关，此时选择材料应注重其传播损耗；而对于SAWR，则更加关注基底材料的换能特性，材料应拥有较高的机电祸合系数。
采取欧拉角(ALPH，BLTA，GAMA)来表示基片的切型与SAW的传播方向。选择欧拉角为(0°，124°，45°)的切型。通过理论计算可得该切型下的机电祸合
系数、温度灵敏度系数、应变灵敏度系数分别为0.101，2.037，-1.922。谐振器
的谐振腔沿石英晶体的X轴成45°。方向制作。扭矩传感器系统设计采用两个不同中心频率的SAWR差分安装来分别测量与轴线成士45°方向的拉应变和压应变，两个传感器参数如表1所示。
表1 应变式SAW传感器参数
在此加入一个声表面波温度传感器TSAWR用来修正温度补偿效果。温度传感器的切型选择应满足以下条件：
1.相对于应变传感器，应具有足够的温度灵敏度；
2.应变灵敏度与应变传感器相近。
实验发现GAMA在0~35°。范围之内的温度灵敏度均可满足温度测试需求，考虑TSAWR应与MSAWR2具有相近的应变灵敏度，GAMA=35°为最优切型。但是，综合考虑加工难易程度，TSAWR最终选择欧拉角为(0°，124°，30°)的切
型，如表2所示。
表2 SAW温度传感器参数
通过对比表1和表2参数可以发现，TSAWR和MSAWR2的温度灵敏度差别较大；应变灵敏度差别较小，且在45°和30°方向的应变数值接近。因此经过差分后的两个谐振器输出的信号是一个温度的函数，应变对输出信号影响很小这就实现了对扭矩传感器工作环境的温度测量，进而用于改善温度补偿效果。
4 谐振型声表面波扭矩传感器测量系统
根据弹性力学理论可知，扭矩加载后轴体表面的剪切应力状态相当于与轴线成45°和135°方向上的拉应力和相等的压应力所形成的合力状态。可以证明扭矩与该拉应力(或压应力)成线性关系。SAW扭矩传感器的设计就是通过对这两个方向的应变的检测来实现对扭矩的精确测量的。
声表面波谐振器频率工作在30MHz~3GHz范围之内，无需电源供能。两个MSAWR沿与轴线成45°和135°方向贴放，形成差分传感结构。由于应变在士45°方向相反、数值相等，因此两个传感器差分测量的结果可以使应变灵敏度加倍，对设计相同的MSAWR而言，差分结构可以有效抵消温度对两个谐振器影响，实现对扭矩的精确测量。
在谐振型SAW传感器端接收查询端发射的高频信号，该信号是受被测量调制的瞬态输出信号。当式中所示SAW传播速度v、IDT的间距l以及IDT周期长度l p发生变化时，SAW谐振器的谐振频率就会随之改变。回波信号的频率即可反映被测量的信息。当IDT收到频率为f0的激励信号后发生声电转换，生成同频声表面波(SAW)，SAW在基片内传播，遇到左右反射栅后返回，到达IDT 时发生电声转换，通过天线传输即可在接收器端得到调制后的频率信号。若SAW 在基片内传播同时，基片受到应力作用发生应变ε频率f0将变为：
其中v(ε)、λ(ε)基片发生应变ε是声表面波的传播速度和波长；V0、λ0为未发生应变式SAW传播速度和波长；k为材料常数。
声表面器件由于受到加工工艺的限制，两个MSAWR不能够通过差分来完全消除温度影响，因此，在扭矩传感器的结构设计中加入了一个声表面温度传感器TSAWR，在测量工作环境温度的同时可以修正MSAWR的温度补偿效果。三个声表面波传感器在弹性体轴上的布局如图6所示。
图6 扭矩和温度敏感单元分布图
声表面波传感器通过直接粘贴的方式固定到测量轴上，同时必须保证石英晶体的X轴与轴线方向保持严格平行。MSAWRI和MSAWR2的工作频率设计分
别为f1=437MHz，f2=435MHz。
根据表1，2所列参数可知，经过差分后，温度灵敏度接近于零，而扭矩传
感器的应变灵敏度为：1.931-(-1.922)=3.853kHz/Micro-strain。
TSAWR用于测量扭矩传感器的工作环境温度，同时对应变传感器进行温度补偿修正。该测温的谐振器与石英基片X轴成30°方向贴放，即该基片中的声表面波沿与X轴成30°方向传播，同时设定其工作频率为433MHz，且与MSAWR2谐
振器形成差分结构进行温度测量。
为了减少体积和节省成本，三个SAWR共用一个天线，通过各自的汇流盘引线与天线相连，天线同时接受和发射437MHz，435MHz，433MHz的信号，而
三个射频信号对每一个谐振器而言，只有一个射频信号会使谐振器处于谐振状态，剩余两个非谐振频率信号迅速衰减。在阅读器端，根据接收到的信号中心频率确定对应的谐振器反射回的信号，再依次对MSAWRI和MSAWR2的信号进行差分，根据应变、温度的频率灵敏度计算出扭矩和温度值，实现扭矩、温度两个物理量同时测量。
5 无线测量系统工作原理
如图7所示，声表面波无线测量系统的工作原理描述如下。查询端产生一个中心频率为f0的间歇正弦脉冲信号，由天线发射作用于传感器。信号发射与接收通过不同的端口进行。接收端收到的信号经过传感器作用而产生了一定频偏，即
频率估计的原始对象。在接收端后通过滤波器和低噪声放大器(LNA)与查询端发射的中心频率为f0的查询信号发生混频，通过低通滤波器去除高频成分，从而得到频率为频偏值4f的信号，此时无线收发平台的硬件部分主要任务基本完成。
为了更好的进行频率估计，通常还会对差频信号再次通过放大滤波并进行一定频率的采样离散化。需要指出的是，在本文所设计的声表面波扭矩传感器中，对扭矩信号的检测是由两个沿弹性体轴线45°和135°。贴放的MSAWRI和MSAWR2信号差分后得到的，这样的设计不仅可以在很大程度上消除由于温度引起的频率偏移误差，而且可以使扭矩应变灵敏度提高一倍。
图7 无线测量系统
6 总结
论文首先从声表面波谐振器的工作机理入手，介绍了扭矩传感器测试系统的组成，并分析了用于扭矩测试的SAWR的特性以及封装形式。
本文研究了一种新型声表面波扭矩传感器系统，采用单端口谐振式声表面波传感器作为敏感元件。通过有限元分析的方法对结构弹性体结构进行静力分析。相信，本文所设计的声表面波扭矩传感器将有助于进一步推动扭矩测量技术的发展，为国内高精度、宽量程的声表面波扭矩传感器研发奠定理论基础。
常用压力传感器原理分析 振膜式谐振压力传感器 振膜式压力传感器结构如图(a)所示。振膜为一个平膜片，且与环形壳体做成整体结构，它和基座构成密封的压力测量室，被测压力 p经过导压管进入压力测量室内。参考压力室可以通大气用于测量表压，也可以抽成真空测量绝压。装于基座顶部的电磁线圈作为激振源给膜片提供激振力，当激振 频率与膜片固有频率一致时，膜片产生谐振。没有压力时，膜片是平的，其谐振频率为 f0；当有压力作用时，膜片受力变形，其张紧力增加，则相应的谐振频率也随之增加，频率随压力变化且为单值函数关系。 在膜片上粘贴有应变片，它可以输出一个与谐振频率相同的信号。此信号经放大器放大后，再反馈给激振线圈以维持膜片的连续振动，构成一个闭环正反馈自激振荡系统。如图(b)所示 压电式压力传感器 某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电 的状态，此现象称为“压电效应”。常用的压电材料有天然的压电晶体(如石英晶体)和压电陶瓷(如钛酸钡)两大类，它们的压电机理并不相同，压电陶瓷是人造 多晶体，压电常数比石英晶体高，但机械性能和稳定性不如石英晶体好。它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。 压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系： Q=kSp 式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。 图1为一种压电式压力传感器的结构示意图。压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力 均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。 除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。
常用温度传感器解析，温度传感器的原理、分类及应用 温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。 温度传感器的分类接触式 接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。 温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。 随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量 1.6～300K范围内的温度。 非接触式 它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。 最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐
MEMS压力传感器原理与应用 摘要：简述MEMS压力传感器的结构与工作原理，以及应用技术，MEMS压力传感器Die的设计、生产成本分析，从系统应用到销售链。 关键词：MEMS压力传感器 惠斯顿电桥 硅薄膜应力杯 硅压阻式压力传感器硅电容式压力传感器 MEMS（微电子机械系统）是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。 MEMS压力传感器可以用类似集成电路（IC）设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使压力控制变得简单易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此它不可能如MEMS压力传感器那样做得像IC那么微小，成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的不超过1cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。 MEMS压力传感器原理 目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者 都是在硅片上生成的微机械电子传感器。 硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2。 MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01%～0.03%FS。硅压阻式压力传感器结构如图3所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空
生物传感器综述
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生物传感器课程论文 论文题目：生物传感器技术在环境分析 与检测方面的应用研究进展专业: 分析化学 姓名:雷杰 学号：120１5１305２9 指导教师：晋晓勇 时间：２０1５年1０月23日
生物传感器技术在环境分析与检测方面的应用研究进展 摘要：生物传感器作为一类新兴传感器,它是以生物分子敏感元件,将化学信号、热信号、光信号转换成电信号或者直接产生电信号予以放大输出,从而得到检测结果。文章综述了生物传感器在环境监测,包括水环境、大气环境等领域的应用和最新进展,并展望了环境监测生物传感器的发展前景及发展方向。 关键词:生物传感器技术；环境分析检测;
０.前言 生物传感器这门课属于分析化学和生物化学的一门交叉学科，它涉及到生物化学、电化学等多个基础学科。就目前生物传感器研究的历史阶段，它仍然处于十分活跃的研究阶段,生物传感器的研究逐渐变得专业化、微型化、集成化、也有一些生物相容的生物传感器,生物可控和智能化的传感器制成[1]。基于生物传感器的基本结构和性能，从它的选择性,稳定性，灵敏度和传感器系统的集成化发展的特点和趋势,科研人员主要研究生物传感器在医疗、食品工业和环境监测等方面,它的发展对生产生活都有极大影响，尤其是生物传感器专一性好、易操作、设备简单、可现场检测、便携式、测量快速准确、适用范围广,从而深受研究者的青睐。本文主要概述了近三年来生物传感器在环境分析与检测方面的应用研究，从而对以后生物传感器技术的研究有所帮助与借鉴。 1.生物传感器技术 1.1生物传感器的组成及工作原理 生物传感器主要是由生物识别和信号分析两部分组成。生物识别部分是由具有分子识别能力的生物敏感识别元件构成,包括细胞、生物素、酶、抗体及核酸。信号分析部分通常叫换能器。它们的工作原理一般是根据物质电化学、光学、质量、热量、磁性等,物理化学性质将被分析物与生物识别元件之间反应的信号转变成易检测、量化的另一种信号,比如电信号、焚光信号等,再经过信号读取设备的转换过程，最终得到可以对分析物进行定性或定量检测的数据[2]。 生物传感器识别和检测待测物的工作原理:首先,待测物分子与识别元素接触；然后,识别元素把待测物分子从样品中分离出来；接着,转换器将识别反应相应的信号转换成可分析的化学或物理信号;最后，使用现代分析仪器对输出的信号进行相应的转换，将输出信号转化为可识别的信号。生物传感器的各个部分包括分析装置、仪器和系统也由此构成。生物传感器中的识别元素决定了传感器的特异性,是生物定性识别的决定因素；识别元素与待测分子的亲合力，以及换能器和检测仪表的精密度，在很大程度上决定了传感器的灵敏度和响应速度。
温度传感器报告
温度传感器是指能感受温度并能转换成可用输出信号的传感器。温度是和人类生活环境有着密切关系的一个物理量，是工业过程三大参量（流量、压力、温度）之一，也是国际单位制（SI）中七个基本物理量之一。温度测量是一个经典而又古老的话题，很久以来，这方面己有多种测温元件和传感器得到普及，但是直到今天，为了适应各工业部门、科学研究、医疗、家用电器等方面的广泛要求，仍在不断研发新型测温元件和传感器、新的测温方法、新的测温材料、新的市场应用。要准确地测量温度也非易事，如测温元件选择不当、测量方法不宜，均不能得到满意结果。 据有关部门统计，2009年我国传感器的销售额为327亿元人民币，其中温度传感器占整个传感器市场的14％，主要应用于通信电子产品、家用电器、楼宇自动化、医疗设备、仪器仪表、汽车电子等领域。 温度传感器的特点 作为一个理想的温度传感器，应该具备以下要求：测量范围广、精度高、可靠性好、时漂小、重量轻、响应快、价格低、能批量生产等。但同时满足上述条件的温度传感器是不存在的，应根据应用现场灵活使用各种温度传感器。这是因为不同的温度传感器具有不同的特点。 ● 不同的温度传感器测量范围和特点是不同的。 几种重要类型的温度传感器的温度测量范围和特点，如表1所示。 ● 测温的准确度与测量方法有关。 根据温度传感器的使用方法，通常分为接触测量和非接触测量两类，两种测量方法的特点如 ● 不同的测温元件应采用不同的测量电路。 通常采用的测量电路有三种。“电阻式测温元件测量电路”，该测量电路要考虑消除非线性误差和热电阻导线对测量准确度的影响。“电势型测温元件测量电路”，该电路需考虑线性化和冷端补偿，信号处理电路较热电阻的复杂。“电流型测温元件测量电路”，半导体集成温度传感器是最典型的电流型温度测量元件，当电源电压变化、外接导线变化时，该电路输出电流基本不受影响，非常适合远距离测温。 温度测量的最新进展 ● 研制适应各种工业应用的测温元件和温度传感器。 铂薄膜温度传感器膜厚1μm，可置于极小的测量空间，作温度场分布测量，响应时间不超过1ms，偶丝最小直径25μm，热偶体积小于1×10-4mm3，质量小于1μg。 多色比色温度传感器能实时求出被测物体发射率的近似值，提高辐射测温的精
尤其是压电式压力传感器和电容式压力传感器很容易受干扰。压力传感器抗干扰措施一般从结构上下手。智能压力传感器还可以从软件上着手解决。 改进压力传感器的结构，在一定程度上可避免干扰的引入，可有如下途径：将信号处理电路与传感器的敏感元件做成一个整体，即一体化。这样，需传输的信号增强，提高了抗干扰能力。同时，因为是一体化的，也就减少了干扰的引入;集成化传感器具有结构紧凑、功能强的特点，有利于提高抗干扰能力;智能化传感器可以从多方面在软件上采取抗干扰措施，如数字滤波、定时自校、特性补偿等措施。 压力传感器一旦抗干扰性差容易受外界干扰，那么它的价值就打了折扣，其应用范围受到很大的限制。压力传感器是传感器中应用最多的传感器之一，其广泛应用在工业、农业以及服务业。在各种环境下都有应用，所以抗干扰性必须要相当可靠。目前压力传感器已能适应很多环境在使用但是在有的环境中压力传感器的抗干扰性还是不够好，我们必须从多角度，结合高新科技来使得压力传感器的抗干扰性进一步提高。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.doczj.com/doc/f518371180.html,/
生物传感器的应用与发展趋势 摘要：生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术, 是一种将生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置，具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续检测的特点。生物传感器的高度自动化、微型化与集成化，减少了对使用者环境和技术的要求，适合野外现场分析的需求，在生物、医学、环境监测，视频，医药及军事医学等领域有着重要的应用价值。 关键词：生物传感器;应用;发展趋势 1生物传感器 从几百年以前,人类就已经在使用生物传感器,而生物传感器的研究始于1962年,Clark和Lyons首先提出使用含酶的修饰膜来催化葡萄糖,用pH计和氧电极来检测相应的信号转变。1967年,Updike和Hick 正式提出了生物传感器这一概念,并成功制备了第一支葡萄糖生物传感器,这一工作对生物学来说具有里程碑意义。生物传感器研究的全面展开是从20世纪80年代开始的,1977年,Kambe等用微生物作识别元素制备了生物传感器,为拓宽检测物的范围,所用到的识别元素不断得到扩展,如细胞、DNA、RNA、抗体等识别元素先后被应用于生物传感器的构筑中。换能器的种类和质量也不断得到提高和发展,随后细胞、DNA、RNA、抗体等识别元素也被应用于生物传感器中。逐渐从电化学向光谱学、热力学、磁力、质量及声波等方向拓展,这也使得生物传感器在种类和应用领域上得到发展。 1.1 生物传感器简介 生物传感器指对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质与适当的理化换能器如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。 将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。固定感受膜的方法有直接化学结合法；高分子载体法；高分子膜结合法。现已发展了第二代生物传感器:微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器，研制和开发第三代生物传感器，将系统生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器，90年代开启了微流控技术，生物传感器的微流控芯片集成为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，只对特定反应起催化活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。缺点是生物固化膜不稳定。 在21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。 1.2 生物传感器的分类 生物传感器主要有下面三种分类命名方式： 1．根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器，微生物传感器，细胞传感器，组织传感器和免疫传感器。相应的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。 2．根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极传感器，半导体生物传感器，光生物传感器，热生物传感器，压电晶体生物传感器等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。 3.以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲和型生物传感器、代谢型或催化型生
基于振弦式传感器测频系统的设计 白泽生 (延安大学物理与电子信息学院陕西延安716000) 利用振弦式传感器测量物理量是基于其钢弦振动频率随钢丝张力变化，输出的是频率信号，具有抗干扰能力强，对电缆要求低，有利于传输和远程测量的特点。因此，可获得非常理想的测量效果。 1 振弦式传感器的工作原理 振弦式传感器由定位支座、线圈、振弦及封装组成。振弦式传感器可等效成一个两端固定绷紧的均匀弦，如图1所示。 振弦的振动频率可由以下公式确定：
其中S为振弦的横截面积，ρv为弦的体密度(ρv=ρ/s)，△l为振弦受张力后的长度增量，E为振弦的弹性模量，σ为振弦所受的应力。 当振弦式传感器确定以后，其振弦的质量m，工作段(即两固定点之间)的长度L，弦的横截面积S，体密度ρv及弹性模量E随之确定，所以，由于待测物理量的作用使得弦长有所变化，而弦长的变化可改变弦的固有振动频率，由于弦长的增量△l与振弦的最长驻波波长的固有频率存在确定的关系，因此只要能测得弦的振动频率就可以测得待测物理量。 2 测频系统的设计 2.1 基本原理 振弦式传感器工作时由激振电路驱动电磁线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦迅速达到共振状态，振动产生的感应电动势通过检测电路滤波、放大、整形送给单片机，单片机根据接收的信号，通过软件方式反馈给激振电路驱动电磁线圈。通过反馈，弦能在电磁线圈产生的变化磁场驱动下在本振频率点振动。当激振信号撤去后，弦由于惯性作用仍然振动。单片机通过测量感应电动势脉冲周期，即可测得弦的振动频率，最后将所测数据显示出来。测频原理框图如图2所示。
2.2 系统硬件电路设计 根据以上的基本原理和思想，设计的测频系统的整体电路如图3所示。主要由激振电路、检测电路、单片机控制电路和显示电路等几部分组成。工作过程是由单片机产生某一频率的激振信号，经放大后激励振弦振动，拾振线圈中产生的感应电动势经几级放大后送给单片机处理，最后送显示电路显示。
温度传感器 一、简介 温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。 二、主要分类 1、接触式 接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。 温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测量范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸气压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差热电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、精确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳少杰而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6-300K范围内的温度。 2、非接触式 它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。 最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微
密级： NANCHANG UNIVERSITY 学士学位论文 THESIS OF BACHELOR （2009—2013年） 题目智能化压力传感器的设计 学院：环化学院系测控系 专业班级：测控技术与仪器093班 学生姓名：钟刚学号： 5801209114 指导教师：刘诚职称：讲师 起讫日期： 2013.3.15—2013.6.6 南昌大学 学士学位论文原创性申明 本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
作者签名：日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密□。 （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名：日期： 导师签名：日期：
传感器及转换器形成系统的“前端”，没有它，许多现代化的电子系统都无法正常工作。传感器已广泛的应用于工业控制系统和能源工业装置当中（如石油和天然气的生产、配电工业）。它们也是制造录音机和录像机这些原始设备产品的重要内在组成部分。大多数这些数字电子系统之所以具有普遍性和强大优势是得益于传感器广泛应用于这些电子电路中。 本课题将深入研究智能压力传感器系统理论及其在压力测试方面的应用，对新型智能压力传感器系统的智能化功能、智能化软件和硬件配置进行全面的设计。提出了一种差动电容式传感器的前置电路,基于电容/ 电压转换的原理,对微小电容变化量进行测量。电路输出的直流电压与差动电容变化量成线性关系,且能对偏差电容和电路的漂移进行自动补偿。 完善智能化软件，实现温度补偿、自动校准、总线数字通讯、自动增益控制等多种智能化特性，使智能化程度尽可能的提高。 关键词：传感器；压力；智能化。
一、实验目的 1. 了解应变压力传感器的组成、结构及工作参数。 2. 了解非电量的转换及测量方法——电桥法。 3. 掌握非平衡电桥的测量技术。 4. 掌握应变压力传感器灵敏度及物体重量的测量。 5. 了解多个应变压力传感器的线性组成、调整与定标。 二、实验原理 压力传感器是把一种非电量转换成电信号的传感器。弹性体在压力(重量)作用下产生形变(应变)，导致(按电桥方式联接)粘贴于弹性体中的应变片，产生电阻变化的过程。 压力传感器的主要指标是它的最大载重(压力)、灵敏度、输出输入电阻值、工作电压(激励电压)(VIN)、输出电压(VOUT)范围。 压力传感器是由特殊工艺材料制成的弹性体、电阻应变片、温度补偿电路组成；并采用非平衡电桥方式联接，最后密封在弹性体中。 弹性体： 一般由合金材料冶炼制成，加工成S 型、长条形、圆柱型等。为了产生一定弹性，挖空或部分挖空其内部。 电阻应变片： 金属导体的电阻R 与其电阻率ρ、长度L 、截面A 的大小有关。 A L R ρ = （1） 导体在承受机械形变过程中，电阻率、长度、截面都要发生变化，从而导致其电阻变化。 A A L L R R ?- ?+ ?=?ρ ρ （2） 这样就把所承爱的应力转变成应变，进而转换成电阻的变化。因此电阻应变片能将弹性体上应力的变化转换为电阻的变化。 电阻应变片的结构：电阻应变片一般由基底片、敏感栅、引线及履盖片用粘合剂粘合而成。 电阻应变片的结构如图1所示： 1－敏感栅(金属电阻丝) 2－基底片 3－覆盖层 4－引出线 图1 电阻丝应变片结构示意图 敏感栅：是感应弹性应变的敏感部分。敏感栅由直径约0.01～0.05毫米高电阻系数的细丝弯曲成栅状，它实际上是一个电阻元件，是电阻应变片感受构件应变的敏感部分．敏感栅用粘合剂固定在基底片上。b ×l 称为应变片的使用面积（应变片工作宽度，应变片标距（工作基长）l ），应变片的规格一般以使用面积和电阻值来表示，如3×10平方毫米，350欧姆。 基底片：基底将构件上的应变准确地传递到敏感栅上去．因此基底必须做得很薄，一般为0.03～0.06毫米，使它能与试件及敏感栅牢固地粘结在一起，另外它还具有良好的绝缘性、抗潮性和耐热性．基底材料有纸、胶膜和玻璃纤维布等。 引出线的作用是将敏感栅电阻元件与测量电路相连接，一般由0.1-0.2毫米低阻镀锡钢丝制成，并与敏感栅两输出端相焊接，覆盖片起保护作用．
振弦式传感器具有结构简单、精度高、长期稳定性好，其输出为数字信号，便于与微机接口，有较强的抗干扰能力，便于长距离传输等优点，因此，在大坝、桥梁、地铁、煤矿、基坑等工程安全监测中广泛的应用。影响振弦式传感器测量精确度的因素主要有两方面。一是测量区间的选择（即激励响应信号的稳定区间），二是频率测量方法。文章主要从这两个方面进行理论分析，确定出有效的振弦式传感器的测量方法。 1激励响应信号的稳定区间的研究 振弦式传感器激励响应信号是由一定频率高压正弦信号激励传感器，使传感器谐振产生的信号。激 励响应信号是按指数衰减的阻尼振动信号[1]。 物体在运动过程中，总是或多或少地受到阻碍其运动的力的作用，例如空气阻力和摩擦力等，从而使振动的振幅和能量逐渐衰减，这种振动称为阻尼振动。阻尼振动的公式如下： x=A（t）cos（ωt+φ 0）A（t）=A e-βt（1） β是表征系统阻尼大小的常量,叫做阻尼系数[2]。 A 0和φ 为任意常数，由振动的初始条件决定，A 为 初始幅度，φ 为初始相位。ω=ω20-β2 姨，ω0为初始 相位。振弦式传感器激励响应信号的波形（阻尼振动 的图形）如图1所示。 由于激励响应信号为减幅振荡，减幅振荡信号 其信噪比是随着幅度减小逐渐减小的。虽然T0时间 段幅度最高，但是由于激励响应信号初期的频率成 分不纯，信号不稳定，故不选取此段时间测量。T2时 间段由于信号振幅低于门槛电压，其噪声干扰严重， 刘玉珍杨炬亮 （辽宁工程技术大学电子与信息工程学院葫芦岛125105） 摘要振弦式传感器是一种使用相当广泛的称重测力传感器。称重测力传感器主要分为应变力传感器，石英谱振器，振弦式传感器等几大类。就其工作原理而言，振弦式传感器是目前在称重测力应用方面最为先进的一种测力传感器。文章主要从理论上对振弦式传感器的激励响应信号进行分析，确定出稳定可靠的激励响应信号区间，并在该区间内分析计数法和多周期测量法的误差，比较得出多周期测量法测量频率精度高，稳定性好,抗干扰能力好。 关键词振弦式传感器计数法多周期测量法频 率 图1阻尼振动
依据测温原理的无线温度传感器分类 无线测温系统在电力系统开关柜中投入应用已有多年，而在这几年间，陆续出现了多种类型的无线温度传感器。对于究竟哪一种传感器更适合开关柜内部使用并未有一个明确标准。在此，我们对现今常见的无线温度传感器依据测温原理进行分类以及对各种类型的特点进行一次客观的阐述。 依据测温的原理，应用于开关柜无线测温的无线温度传感器主要可分为四类。一类是利用热敏电阻的温度特性接触式测温的传感器；第二类是利用半导体材料（PN结）的温度特性，接触式测温的传感器；第三类是利用红外热辐射技术，传感器采用红外探头，非接触式测温；第四类是利用压电晶体，采用声表面波技术无源接触式测温的传感器 a.热敏电阻 利用热敏电阻测温的传感器，其原理是热敏电阻的阻值会随温度的变化而改变，通过阻值的大小来反映温度。这种传感器其优点是灵敏度高（因为热敏电阻的电阻温度系数大，阻值随温度改变的变化明显）。缺点是，由于热敏电阻阻值与温度的线性关系较差，直接测量的精度低，必须通过运算补偿才能得到较准确的测量值。电阻元件易老化，使用寿命短，精度及稳定性随使用变差。其无线是体现在通讯方式上，通过传感器内部的A/D转换，将数字信号无线发送出。 b.PN结 采用PN结作为测温元件的无线温度传感器，其原理是PN结的压降随温度的变化而改变，施加恒定电流，通过输出电压的大小来反映温度。其压降与温度的关系几乎为线性，精度高，但灵敏度相对热敏电阻要低，反应时间比热敏电阻长。半导体元件不易老化，使用寿命较长，可靠性高。其无线同样是体现在通讯方式上。 c.红外热辐射 采用红外技术的无线温度传感器，测温原理与常见的红外点温枪基本类似——任何高于绝对零度的物体都在发射出辐射能，辐射能的强度与物体温度有着密切关系，传感器探测物体发出的红外辐射，将辐射能转变为电信号，通过校准运算最终得到被测物体表面的温度。数据进一步通过传输模块无线发射出。红外传感器测温反应灵敏度极高，测温范围远大于其他几种，且非接触式测温使得探头使用寿命更长，对被测点无影响。但红外测温对空间要求较高，探头与被测表面必须无任何阻挡，且探头与被测表面间距受传感器距离比率（D:S）的限制，安装部位的选择不易。 以上三类无线温度传感器一般都是由感温模块（热敏电阻、PN结或红外探头）、数模转换模块、无线射频传输模块以及电源模块（可以是电池或感应取电，本文不对供电方式作讨论或比较）组成。 d.声表面波 基于声表面波的无线温度传感器则与其他类别有较大区别。首先，其最大的特点就是传感器本身不需要电源；其次，其无线并不是仅仅体现在通讯方式上，同时也体现在测温原理上。声表面波无线温度传感器是由天线、叉指换能器、反射栅以及压电基片组成，与其他传感器截然不同。其测温的原理是，传播在压电基片表面的声表面波，其波长和波速会随基片表面或内部相关因素（包括温度）的改变而变化。由对应的接收器发出无线激励信号，信号输入传感器的压电基片激起声表面波，不同温度下，传感器输出不同的信号，信号再由接收器接收，经过调解获取温度值。声表面波传感器体积小，不需要电源，传感器成本低是其主要的优势。但正由于无源，传感器需要接收采集器发出的激励信号，这种激励信号的有效无线传输距离较短；另一方面，由于被测设备的震动产生位移，导致声表面波的相位等发生变化，测温的精度严重降低，而现在尚无较好的校准方式。
目录 1 概述 2 工作原理 1. 2.1 电阻应变片 2. 2.2 陶瓷型 3 选型要点 4 常见故障 5 四个无法避免的误差 6 抗干扰措施 7 八大发展趋势 将压力转换为电信号输出的传感器。通常把压力测量仪表中的电测式仪表称为压力传感器。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体。压力传感器广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 力学传感器的种类繁多，但常用的压力传感器有电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器，光纤压力传感器等。应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。 压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量轻，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。 压阻式应变压力传感器的主要由电阻应变片按照惠斯通电桥原理组成。 电阻应变片
一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变 电阻应变片内部结构 片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变， 使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 金属电阻应变片的内部结构 如图所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 惠斯通原理
生物传感器课程论文 论文题目：生物传感器技术在环境分析 与检测方面的应用研究进展专业：分析化学 姓名：雷杰 学号： 12015130529 指导教师：晋晓勇 时间：2015年10月23日
生物传感器技术在环境分析与检测方面的应用研究进展 摘要：生物传感器作为一类新兴传感器,它是以生物分子敏感元件,将化学信号、热信号、光信号转换成电信号或者直接产生电信号予以放大输出,从而得到检测结果。文章综述了生物传感器在环境监测,包括水环境、大气环境等领域的应用和最新进展,并展望了环境监测生物传感器的发展前景及发展方向。 关键词：生物传感器技术；环境分析检测；
0．前言 生物传感器这门课属于分析化学和生物化学的一门交叉学科，它涉及到生物化学、电化学等多个基础学科。就目前生物传感器研究的历史阶段，它仍然处于十分活跃的研究阶段，生物传感器的研究逐渐变得专业化、微型化、集成化、也有一些生物相容的生物传感器，生物可控和智能化的传感器制成[1]。基于生物传感器的基本结构和性能，从它的选择性，稳定性，灵敏度和传感器系统的集成化发展的特点和趋势,科研人员主要研究生物传感器在医疗、食品工业和环境监测等方面，它的发展对生产生活都有极大影响，尤其是生物传感器专一性好、易操作、设备简单、可现场检测、便携式、测量快速准确、适用范围广，从而深受研究者的青睐。本文主要概述了近三年来生物传感器在环境分析与检测方面的应用研究，从而对以后生物传感器技术的研究有所帮助与借鉴。 1.生物传感器技术 1.1生物传感器的组成及工作原理 生物传感器主要是由生物识别和信号分析两部分组成。生物识别部分是由具有分子识别能力的生物敏感识别元件构成，包括细胞、生物素、酶、抗体及核酸。信号分析部分通常叫换能器。它们的工作原理一般是根据物质电化学、光学、质量、热量、磁性等，物理化学性质将被分析物与生物识别元件之间反应的信号转变成易检测、量化的另一种信号，比如电信号、焚光信号等，再经过信号读取设备的转换过程，最终得到可以对分析物进行定性或定量检测的数据[2]。 生物传感器识别和检测待测物的工作原理：首先，待测物分子与识别元素接触；然后，识别元素把待测物分子从样品中分离出来；接着，转换器将识别反应相应的信号转换成可分析的化学或物理信号；最后，使用现代分析仪器对输出的信号进行相应的转换，将输出信号转化为可识别的信号。生物传感器的各个部分包括分析装置、仪器和系统也由此构成。生物传感器中的识别元素决定了传感器的特异性，是生物定性识别的决定因素；识别元素与待测分子的亲合力，以及换能器和检测仪表的精密度，在很大程度上决定了传感器的灵敏度和响应速度。
题目 摘要 关键词 abstract kye words 1引言 振弦式传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。其输出的是频率信号，不需要A/D 或D/A 转换，抗干扰能力强，能够远距离传输。其稳定性、重复性较好，结构简单，寿命长，灵敏度高，因此被广泛应用于大坝、桥梁、公路等对力、位移和裂缝的检测。国际上生产振弦式传感器的著名厂家有美国基康公司，法国TELEMAL 等，他们生产的振弦式传感器在精度、寿命和稳定性方面都有良好的表现。如今，振弦式传感器已经成为了应力、应变测量的先进传感器之一。 2振弦式传感器的工作原理 金属丝在一定的拉力下具有一定的自振频率。随着应力的变化，其自振频率也跟着变化。而其自振频率跟应力具有某种数学关系。所以，通过测量金属弦的固有频率就可以换算得到外界参数的变化。 图1是振弦式传感器的等效物理模型。金属弦的自振频率的得到公式如下： f = (1) 式中，f 为金属弦的自振频率；l 为金属弦的长度；ρ为金属弦的线密度；T 为金属弦所受张力。 而 v T s s E l l σρρσ?=???=????=?? (2) 式中，σ为金属弦所受应力；s 为金属弦横截面积；v ρ为金属弦的体密度；E 为金属弦的弹性模量；l ?为金属弦受张力后的长度增量。 将式(2)带入式(1)，得 f = (3)
由上式可看出，当传感器确定之后，弦长l 、弹性模量E 、弦的体密度v ρ都为常量。外力的变化引起弦长度的增量l ?与弦的自振频率存在着确定的关系式。 3振弦式传感器的发展历史与现状 1919年，谢弗和麦哈克公司联合研制了世界上首款振弦式传感器。虽然这款传感器能够用来测量应变。但是由于其自身的缺点，如测量范围窄、灵敏度低等，而未能大规模应用于工程实践中。而后由于技术的发展，不仅提高了其范围与灵敏度，测量与传输距离也大幅提高。使得振弦式传感器不仅用于应变的测量，还可以用来测量液位、位移、扭矩等。虽然此时振弦式传感器的各项性能已经满足工程测量的需求，但却未能广泛应用。主要原因就是采集振弦传感器信号的设备还未面世。 20世纪30年代，前苏联成功研究开发出了采集振弦式传感器信号的监测设备。振弦式传感器在工程测量中大规模应用也正是源于监测设备的成功开发。振弦式传感器由于可以长期测量液位、压力、渗流和位移等物理量，而成为大坝等水利设施上一种非常重要的传感器。 20世纪70年代后，随着电子技术、测试技术、计算机技术和半导体集成电路技术的飞速发展，振弦式传感器的研究也获得了长足的进步。现代生产的振弦式传感器由于体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高、精度高、便于数据传输、处理和存储而成为工程监测中一种较为先进的传感器。 国外对振弦式传感器的研究起步较早，国际著名的振弦式传感器制造公司有美国基康公司(GEKON)、德国MAILHAK 公司、法国TELEMAL 公司、加拿大ROCTEST 公司及英国SCHLUBERGER 等公司。这些公司研究早，发展快，生产的传感器性能好、数字化及智能化。 国内振弦式传感器的研究开始于19世纪60年代。虽然起步较晚，但是也取得了不俗的成就。 国内比较著名的振弦式传感器公司有：山东科技大学洛赛尔传感器技术有限公司、南京格能仪器科技有限公司等。 20世纪70年代开始，山东科技大学邓铁六教授等人便投身于对振弦式传感器、智能仪器和 监测系统的研究，于后来提出了() ()2200F A F F B F F =-+-的精确数学模型，提高了传感器的准确性和重复性。并与90年代研制出了单线圈振弦式传感器。此传感器的振弦传感技术由振弦传感器、激发电路、高准确度快速测频电路、单片机、微机等组成测量系统组成，是一项综合技术，具有广阔的发展前景。2010年，邓铁六等教授又发明了一种高准确度振弦式压力传感器。1984年南京水利科学研究所研制出了可以监测32个点的振弦传感器巡回检测装置。1996年崔玉亮教授等人对振弦式传感器测量精度的公式进行了修正。2013年水利部珠江水利委员会蒙永务研究了振弦式传感器频率测量的问题，针对其输出信号弱，易受干扰提出了基于锁相环的新型测频电路。 经过几十年的发展，振弦式传感器以经成为了一种技术含量高，使用广泛的传感器。振弦式传感器的研究工作也仍然在进行中。 4振弦式传感器的应用研究 4.1在大坝安全监测中的应用 4.2 4.3
主要公司有SEIKO EPSON CORP（精工爱普生），MURATA MFG CO LTD（村田制作所），TOYO COMMUNICAYION EQUIP CO，KYOCERA CORP（京瓷）国内主要有 村田 JP7254835-A：在X切112°Y方向的钽酸锂基片上电极厚度为波长的2-5%时器件具有好的温度特性。（1995） 精工爱普生JP9275326-A：晶体的光轴在右手直角坐标系中，晶体的光轴垂直于Z轴，电轴平行于X轴，机械轴平行于Y轴。插指电极在晶体的（100）面上的两个反射栅之间。激发的声波绕着X轴转16°30′的漏表面传播。反射栅与插指电极之间的距离与指条间的距离
一样。当电极电导最大时激发的中心频率在反射栅的反射带宽之中。汇流条的宽度是插指宽度的十倍。漏波的速度在插指电极，汇流条和自由表面区域达到一定的值时。可以限制波的能量损失并且获得较好的频率温度特性。（1998） 日本电气EP0678973B1：在接收电路中设置另外的谐振器，通过接收电路的设计去除温度的影响。而不要成本高昂的微处理器。（2001） 村田EP682408A1：通过设计器件的输入和输出电极间的距离大于插指电极最外圈距离的3.5倍。可以减小器件的频率温度系数。实例中实现了从7ppm/℃提高3.35ppm/℃。（1995） 村田EP734120A1：在Y切X方向传播的36°钽酸锂基片上电极厚度为波长的2.6%-4.8%，氧化硅厚度为波长的22%-38%时且氧化硅覆盖住pad和反射栅时具有±10%ppm/℃的频率温度系数。（1996） 村田EP2288025A1：电极用两层金属，上面一层是比较耐腐蚀的金属或者合金。然后用一层与电极总厚度相等的绝缘层填在插指之间。最后用一层绝缘层覆盖住整个器件上。金属可以是Al，Au，Ag，Cu，W，Ta，Pt，N，或者Mo。绝缘层可以是氧化硅。金属电极的密度必须要是第一层绝缘层的1.5倍以上。（2011） SPTS Technologies EP 2871259A1：使用脉冲直流反应磁控溅射在Kr气和氧气的混合气体中沉积氧化硅有利于得到密度大于 2.35g/cm3的氧化硅材料。有利于得到更好的温度补偿特性。（2014） 村田JP02096405 A：在温度补偿电路中使用与声表面波器件中相同的薄膜材料得到相同的温度电阻变化，从而去除温度对电阻变化的影响得到更好的温度补偿特性。（1990） 精工爱普生JP2000188521 A：设计谐振器各个插指电极和反射栅之间的距离使得当辐射电导最大时的频率大于反射系数最大时的频率。有利于得到较好的温度特性。（2000） MARUYASU INDUSTRIES JP2001153782 A：电路中采用温度传感器和存储器，微处理器来测量，计算补偿声表面波器件的温度漂移。（2001） 精工爱普生JP2001185988 A：通过控制一种压电材料和顺电材料（铌酸钾）的的固溶体压电薄膜材料的相变温度来得到较好的温度特性和高的机电耦合系数。（1999） 村田JP2003198323 A:在欧拉角为(0°±3°, 110° to132°, 0°±3°)的钽酸锂基片上Al电极厚度为漏声表面波长的0.04-0.12时，用厚度为波长的0.15-0.4的氧化硅盖住插指换能器能得到温度频率特性比较好，机电耦合系数比较大，阻尼常数比较小的器件。（2003） 精工爱普生JP2003204260 A：通过比较温度补偿震荡回路的相位和电压控制声表面波器件的相位来控制电压从而在一个宽的温度范围内得到稳定的频率。（2003） 精工爱普生JP2003224448 A：在氧化锌多层膜器件中，氧化硅介电层在氧化锌与基片之间。当氧化锌厚度与波矢的乘积在0.1-1之间且氧化硅厚度与波矢乘积在0.12-0.45之间时能得到