第10章 谐振式传感器

谐振式压力传感器的原理
谐振式压力传感器利用了振动系统的谐振特性来测量压力大小。

其基本原理如下：
1.传感器内部安装了一个谐振器，包括质量块、支撑座和压电陶
瓷片等元件。

2.当压力作用在传感器的敏感部位时，压力作用力将会改变质量块、支撑座的位置和压电陶瓷片的强度，从而改变谐振器的固有频率。

3.传感器内置电子元件会测量谐振器的固有频率，并将其转换为
电压信号输出。

4.通过计算谐振频率的变化量，可以确定压力的大小。

总之，谐振式压力传感器的原理是利用一定形式的振动谐振来实
现压力测量。

传感器与检测技术习题与参考答案1、在典型噪声干扰的抑制方法中,采用RC吸收电路的目的是（）A、克服串扰B、抑制共模噪声C、抑制差模噪声D、消除电火花干扰答案：D2、传感器输出量的变化量△Y与引起此变化的输入量的变化量△X之比,称为( )A、灵敏度B、阈值C、分辨力D、满量程输出答案：A3、压电陀螺的作用是检测运动物体的（）A、角速度B、线速度C、线位移D、角位移答案：A4、属于传感器静态特性指标的是（）A、稳定时间B、阻尼比C、时间常数D、重复性答案：D5、压电式传感器属于( )A、电流型传感器B、结构型传感器C、物性型传感器D、电压型传感器答案：C6、气敏传感器检测气体的( )A、温度和成份B、温度和浓度D、成份和浓度答案：D7、下列线位移传感器中，测量范围大的类型是（）A、变极距型电容式B、差动变压器式C、自感式D、电涡流式答案：B8、为了进行图像识别，应当先消除图像中的噪声和不必要的像素，这一过程称为（）A、前处理B、编码C、压缩D、后处理答案：A9、下列传感器,不适合于静态位移测量的是( )A、电感式位移传感器B、压电式位移传感器C、涡流式位移传感器D、压阻式位移传感器答案：B10、圆筒电容式液位高度传感器属于（）A、变面积型B、变介质型C、变间隙型D、变极距型答案：B11、属于传感器静态特性指标的是( )A、阻尼比B、稳定性C、固有频率D、时间常数答案：B12、热敏电阻式湿敏元件能够直接检测（）B、温度差C、温度D、相对湿度答案：A13、心电图信号为( )A、离散信号B、共模信号C、模拟信号D、数字信号答案：C14、霍尔式转速传感器测量转速时，当被测物上的标记数2：4，传感器输出周期信号的频率f=200Hz时，则轴的转速为（）A、1500r／minB、2000r／minC、2500r／minD、3000r／min答案：D15、在标定传感器时，正行程的最大偏差与反行程的最大偏差可用于确定传感器的A、重复性B、线性度C、分辨率D、迟滞特性答案：A16、用电涡流式速度传感器测量轴的转速，当轴的转速为50r/min时，输出感应电动势的频率为50 Hz，则测量齿轮的齿数为（）。

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。

传感器技术及应用——教学大纲一、课程基本信息课程编号：17z8315课程名称：传感器技术及应用Sensor Technology and Application学分/学时：3/42先修课程：主要有：物理、材料力学(工程力学)、电工基础、电子技术基础、自动控制元件、自动控制理论。

二、课程教学目的本课程是仪器科学与光电工程学院测控技术与仪器专业本科生的专业课。

其目标是：提供了解、使用、分析和初步设计常用传感器的敏感元件及系统的理论与实践基础，为后续其他专业课打下较坚实的基础。

三、课程教学任务通过本课程的学习，让学生了解传感器技术的发展现状、特点，在信息技术中的重要地位、作用；掌握信息获取范畴的广义理解；掌握常用传感器的基本工作原理，实现方式与结构；了解传感器技术在国防工业和一般工业领域中的典型应用；同时使学生能够在自动化系统、智能化系统中正确应用常用的传感器技术。

四、教学内容及基本要求本课程理论与实践紧密结合。

主要讲授传感器的性能评估，目前在工业领域中常用的几种典型的、有代表性的传感器的敏感元件的物理效应、变换原理、工作特性、主要结构、信号转换电路、误差及其补偿、合理应用等。

同时本课程也重视对新型传感器技术及应用的介绍。

传感器结构设计、工艺及所用材料只作一般介绍。

本课程主要内容可以分为三部分。

第一部分是关于传感器技术的基础理论与知识，共15个学时；第二部分是关于典型传感器的讨论，这是课程的重点，共21个学时；第三部分是关于近年来出现的新型传感器、应用示例的讨论，共6个学时。

教学的基本知识模块顺序及对应的单元教学任务。

五、教学安排及方式第1章绪论（6学时，基本掌握，讲授为主）1.1 传感器的作用与功能1.2 传感器的分类1.3 传感器技术的特点1.4 传感器技术的发展1.5 与传感器技术相关的一些基本概念1.6 本教材的特点及主要内容第2章传感器的特性（5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）2.1 传感器静态特性的一般描述2.2 传感器的静态标定2.3 传感器的主要静态性能指标及其计算第3章基本弹性敏感元件的力学特性（4学时，掌握，讲授为主）3.1 概述3.2 弹性敏感元件的基本特性3.3 基本弹性敏感元件的力学特性3.4 弹性敏感元件的材料第4章电位器式传感器（1学时，掌握，讨论为主，讲授为辅）4.1 概述4.2 线绕式电位器的特性4.3 非线性电位器4.4 电位器的负载特性及负载误差4.5 非线绕式电位器4.6 典型的电位器式传感器第5章应变式传感器（5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）5.1 应变式变换原理5.2 金属应变片5.3 应变片的动态响应特性5.4 应变片的温度误差及其补偿5.5 电桥原理5.6 典型的应变式传感器第6章压阻式传感器（2.5学时，掌握，讲授为主）6.1 压阻式变换原理6.2 典型的压阻式传感器第7章热电式传感器（2.5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅） 7.1 概述7.2 热电阻测温传感器7.3 热电偶测温7.4 半导体P-N结测温传感器7.5 其他测温系统第8章电容式传感器（1学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）8.1 基本电容式敏感元件8.2 电容式敏感元件的主要特性8.3 电容式变换元件的信号转换电路8.4 典型的电容式传感器8.5 电容式传感器的结构及抗干扰问题第9章变磁路式传感器（2学时，掌握，讨论为主，讲授为辅）9.1 电感式变换原理9.2 差动变压器式变换元件9.3 电涡流式变换原理9.4 霍尔效应及元件9.5 典型的变磁路式传感器第10章压电式传感器（1学时，基本掌握，讲授为主）10.1 石英晶体10.2 压电陶瓷10.3 聚偏二氟乙烯10.4 压电换能元件的等效电路10.5 压电换能元件的信号转换电路10.6 压电式传感器的抗干扰问题10.7 典型的压电式传感器第11章谐振式传感器（6学时，基本掌握，讲授为主）11.1 谐振状态及其评估11.2 闭环自激系统的实现11.3 振动筒压力传感器11.4 谐振膜式压力传感器11.5 石英谐振梁式压力传感器11.6 谐振式科里奥利直接质量流量传感器第12章微机械与智能化传感器技术（5时，基本掌握，讲授为主，讨论为辅）12.1 概述12.2 几种典型的微硅机械传感器12.3 几种典型的智能化传感器12.4 若干新型传感器应用实例分析课程总结（1学时，讲授为主，讨论为辅）六、教学的基本思路“传感器技术及应用”教学以“一条主线、二个基础、三个重点、多个独立模块”的基本原则来进行。

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。

中国计量大学2020年硕士研究生招生考试试题考试科目代码：803 考试科目名称：传感器技术1所有答案必须写在报考点提供的答题纸上，答在试卷或草稿纸上无效。

一、填空（每空1分，共1×30=30分）1. 传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得输入输出特性曲线不一致的程度是传感器静态特性中的；该特性的标定是通过对传感器进行正、返行程往复循环多次的测试实现的，一般测试次数为次。

2. 为了减少横向效应产生的测量误差，一般多采用应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，因而电阻变化量也就小得多。

利用四个相同阻值的应变片进行传感测量，采用电桥电路可以得到最大的电桥输出电压灵敏度，同时具有严格的输入输出线性关系。

3. 差动互感式传感器又称，在使用过程中由于存在现象，需要在设计和工艺上进行改进，同时也可以通过电路方式进行补偿。

4. 消除电容传感器寄生电容的影响，可以采用技术和技术来实现，前者可使电缆线长达10m也不影响传感器的性能，后者利用运算放大器的虚地来减小引线电缆寄生电容。

5. 霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增加，这种现象称为效应，它会使霍尔输出电压降低，必须采用一些方法予以补偿。

霍尔元件的零位误差主要包括不等位电动势和。

6. 磁电感应式振动速度传感器中的阻尼器主要作用是和。

7. 压电转换元件的主要缺点是无静态输出、、需要低电容的低噪声电缆。

一般来说，与压电元件配套的测量电路应具有前置放大电路模块，其作用一是放大压电元件的微弱电信号，其作用二是。

《传感器技术1》试卷 第1 页 共7 页8. 外光电效应中，要使一个电子从物质表面逸出，光子具有的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0，此时对应临界波长为λk，若有另一种材料发生外光电效应时的逸出功为2A0，则临界波长应为。

某一光电探测器的特性曲线中，横坐标是光通量，纵坐标是光电流，这是光电探测器的特性；横坐标是光波长，纵坐标是光电流，这是光电探测器的特性。

mems谐振式加速度传感器工作原理哎呀，今天我们来聊聊那个小家伙，MEMS谐振式加速度传感器。

这个东西可真是个神奇的玩意儿！你有没有想过，我们身边的手机、平板，甚至一些智能家居设备里，竟然都藏着这样一个“小天才”？说到它的工作原理，嘿嘿，就像一个舞者在舞台上优雅地摇摆。

它里面有个微小的谐振器，像个乐手，负责感知加速度的变化。

想象一下，当你坐在过山车上，突然间一阵失重的感觉袭来，哇，刺激得不行！就是这个谐振器在欢快地工作。

它通过检测物体的振动变化，来判断加速度的方向和大小。

你看，这种小东西能在那么快的速度下，实时传递信息，简直就像在打快板。

无论是上坡还是下坡，它都能准确地“说”出你的加速度。

这玩意儿的构造可真精巧，内部的小部件就像乐队里的乐器，互相配合得天衣无缝。

MEMS技术让这些传感器小到几毫米，轻得像羽毛，却又能承受各种外界的挑战。

试想一下，日常生活中，我们走路、骑车、开车，都会有各种加速度的变化，而这个传感器就像个“侦探”，随时捕捉着这些动态。

更有趣的是，它的工作原理和我们生活中的很多现象都有联系。

比如说，当你急刹车时，身体会向前倾，那感觉就像被拉扯了一下，对吧？传感器就是通过检测这些“拉扯”来判断你当前的状态。

它的反应速度快得惊人，就像是一位老练的赛车手，瞬间就能做出决策。

我们再说说它的应用吧！在汽车行业，MEMS加速度传感器被广泛用于安全气囊的触发，真是事关生死的大事啊！它能够快速感知到碰撞，及时让安全气囊弹出，保护乘客的安全。

想想看，这小小的传感器竟能在危机时刻“出手相助”，真是令人佩服！在智能手机中，它的作用更是无处不在。

手机的屏幕自动旋转、游戏中的重力感应，都是它在背后默默支持的结果。

玩游戏的时候，你轻轻一摇，角色就开始飞速移动，那可是这位“幕后英雄”在操控哦！没有它，我们的生活可就失色不少。

这传感器还在运动设备中大显身手。

像智能手表、健身追踪器，都是利用它来监测运动状态的。

它能够记录你的步伐、跑步速度，甚至心率，让你对自己的运动情况一目了然。

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。

基于石墨烯的新型谐振式磁传感器仿真研究摘要：谐振式传感器因具备体积小、分辨率高、精度高等优势极具应用前景。

本文提出了一种由石墨烯纳米机械振子、Si/SiO2衬底以及磁致伸缩材料(Fe83Ga17)组成的高频、高可调谐性谐振式磁传感器。

该磁传感器利用了石墨烯谐振器的高谐振频率特性，通过测量石墨烯的频移来检测外部磁场的大小。

我们利用有限元分析方法，对传感器的谐振频率随外部磁场大小（1mT~1.6mT）变化的函数关系作了线性拟合，灵敏度可达105kHz/mT。

同时，通过优化磁传感器的部分结构，如减小薄膜尺寸、衬底以及磁致伸缩材料的厚度，使得单层石墨烯的磁场灵敏度可达834kHz/mT，比传统的谐振式磁传感器高出2~3个数量级。

结果显示，基于磁致伸缩效应的石墨烯谐振式磁传感器具有潜在的应用前景。

关键词：磁传感器；石墨烯；灵敏度；磁致伸缩效应0 引言磁传感器在导航、探测、医学等领域[1-3]有着广泛的应用，其种类也越来越多样化。

基于MEMS技术的谐振式磁传感器[4]具有体积小、重量轻、成本低等优势，是近年来学者们研究的热点。

目前，谐振式磁传感器的主流做法是在晶体硅上加工谐振结构，利用载流线圈和外加磁场相互作用产生的洛伦兹力来驱动谐振结构发生微小形变，并最终通过光学[5]、电学[6]等方式来检测。

但由于驱动谐振结构需要较大的电流以产生洛伦兹力，因此功耗较大且总体结构较为复杂。

近年来，磁致伸缩材料作为一类尺寸可以随外界磁场变化的合金材料逐渐引起了学者们的关注。

由于此类合金材料可直接感知外界磁场的变化而产生周围的应力变化，越来越多的学者开发出了基于磁致伸缩效应的谐振式磁传感器[7,8]。

该系统结构简单，驱动方式较为容易，但谐振结构的谐振频率还有待提升。

石墨烯作为一种新兴的二维超薄纳米材料，以出色的机械和电学性能迅速引起了传感器领域专家学者的广泛关注。

随后，一系列针对石墨烯谐振式传感效应及相关器件的研究工作得到开展。