第9章 谐振式传感器讲解

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。

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。

振弦传感器是以拉紧的金属钢弦作为敏感元件的谐振式传感器
振弦传感器：（vibratingwiresensor）它是一种谐振传感器，以拉紧的金属钢弦为敏感元件。

当弦的长度确定时，其固有振动频率的变化可以表示钢弦的拉力。

根据这一特性原理，可以通过一定的物理（机械）结构制作传感器（如应变传感器、压力传感器、位移传感器等)，从而实现被测物理量与频率值的一一对应关系，通过测量频率值的变化量来计算被测物理量的变化量。

振弦传感器
振弦传感器读数模块：指根据振弦传感器特性设计的传感器激励模块、读数模块。

集成度高、功能模块化、数字界面的一系列特性可以完成振弦传感器的激励、信号检测、数据处理、质量评价等特殊针对性功能转换传感器频率和温度物理量模数，然后通过数字界面实现数据交互。

振弦传感器读数模块是振弦传感器和数字化、信息化之间的核心转换单元。

振弦传感器采集模块
基于不同测量原理的传感器在测量过程中使用的线数也不同。

这是我们经常看到的2线系统、3线制、4线制、5线制。

电流传感器:常见的有2线、3线、4线系统。

线数与传感器设计有关，每个传感器都有固定的测量线数。

电压传感器：更常见的是3、4线系统。

线数与传感器设计有关，每个传感器都有固定的测量线数。

振弦传感器：2线制（仅测量频率），3线制（频率）+温度）。

RS485传感器：4线制。

差阻传感器：可使用3线、4线5线测量，线越多，理论精度越高。

电位器传感器：2、3线制。

NTC热敏电阻/电阻传感器：2线制。

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。

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。

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？。