单片式压电谐振型石英压力-温度传感器设计

㊀２０１８年㊀第６期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０１８㊀Ｎｏ．６㊀基金项目：国家杰出青年科学基金项目（５１３２５５０３）；长江学者和创新团队发展计划项目（ＩＲＴ１０３３）收稿日期：２０１７－０５－３１高精度石英振梁谐振式传感器测试系统设计孙登强，赵玉龙，李㊀波，李㊀村，韩㊀超（西安交通大学，机械制造系统工程国家重点实验室，陕西西安㊀７１００５４）㊀㊀摘要：为了满足高精度石英振梁谐振式传感器的测试要求，设计了一种基于ＦＰＧＡ的带实时温度监测的双路等精度频率采集系统㊂系统采用Ｖｅｒｉｌｏｇ语言模块化编程方法实现双路等精度测频原理和ⅡＣ实时通讯，然后运用基于ＦＰＧＡ的ＳＯＰＣ技术完成自定义测频测温ＩＰ核的封装，并通过调用各种ＩＰ核构建ＳＯＰＣ硬件，最后利用ＮｉｏｓⅡ软核处理器实现频率值和温度值的浮点解算㊁ＬＣＤ显示㊁串口通讯等功能㊂该设计方案通过仿真和实验验证了测试系统以５０Ｈｚ采样频率运行时，测频精度达到了１０－６㊂关键词：石英振梁谐振式传感器；数据采集；等精度测频；温度监测；ＦＰＧＡ中图分类号：ＴＰ２１２㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０１８）０６－０００５－０６ＤｅｓｉｇｎｏｆＴｅｓｔＳｙｓｔｅｍｆｏｒＨｉｇｈ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎＱｕａｒｔｚＶｉｂｒａｔｉｎｇＢｅａｍＳｅｎｓｏｒＳＵＮＤｅｎｇ⁃ｑｉａｎｇ，ＺＨＡＯＹｕ⁃ｌｏｎｇ，ＬＩＢｏ，ＬＩＣｕｎ，ＨＡＮＣｈａｏ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｍｅｅｔｔｈｅｔｅｓｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｑｕａｒｔｚｖｉｂｒａｔｉｎｇｂｅａｍｒｅｓｏｎａｔｏｒｓｅｎｓｏｒ，ａｄｕａｌｅｑｕａｌ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＭｏｄｕｌａｒｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆＶｅｒｉｌｏｇｗａｓｆｉｒｓｔｌｙｕｓｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｄｕａｌｅｑｕａｌ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＩＩＣｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＴｈｅｎｔｈｅｃｕｓｔｏｍｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＩＰｗａｓｐａｃｋａｇｅｄｂａｓｅｄｏｎＳＯＰＣｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＦＰＧＡ，ａｎｄｔｈｅＳＯＰＣｈａｒｄｗａｒｅｗａｓｃｏｎ⁃ｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｃａｌｌｉｎｇｏｔｈｅｒＩＰｓ．ＦｉｎａｌｌｙＮｉｏｓⅡｓｏｆｔ⁃ｃｏｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｆｌｏａｔｉｎｇ⁃ｐｏｉｎｔｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｖａｌｕｅｓ，ＬＣＤｄｉｓｐｌａｙａｎｄｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃ⁃ｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓ１０－６ｗｈｅｎｔｈｅｓａｍｐｌｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓ５０Ｈｚ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｑｕａｒｔｚｖｉｂｒａｔｉｎｇｂｅａｍｒｅｓｏｎａｎｔｓｅｎｓｏｒ；ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｅｑｕａｌ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ＦＰＧＡ０㊀引言近年来，传感器主要朝着高精度和智能化方向发展，石英振梁谐振式传感器是一种新型的ＭＥＭＳ传感器，能够实现对外部载荷的数字化测量，其输出的频率信号是一种准数字信号，避免了信号转换引入的速度增益误差，同时可以直接嵌入复杂的智能化传感系统，而且在精度㊁响应速度㊁抗干扰能力㊁长期稳定性㊁激励检测方式㊁体积㊁成本等方面具备突出的优势［１］㊂利用石英振梁谐振器的力－频率效应，石英振梁谐振传感器主要应用于压力和加速度的测量㊂目前，ＭＥＭＳ谐振式压力传感器的精度能达到０．０１％以上，被广泛应用于航空航天㊁军事㊁深海探测和生物医学等领域［２］㊂例如，２０１１年日本爱普生拓优科梦公司研制的一种金属波纹管㊁柔性杠杆与石英双音叉谐振器组合式结构的谐振差压传感器，经温度补偿和线性补偿后重复性为０．００５％，迟滞为０．００８％［３］；美国派若斯公司（Ｐａｒｏｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）的Ｄｉｇｉｑｕａｒｔｚ系列石英振梁谐振压力传感器由于其高精度和良好稳定性的特点，被广泛应用于深海探测领域以预测海啸，检测潮汐㊁火山或进行气候研究㊁深海钻探等［４］㊂石英振梁加速度计是当前惯性测量领域的研究热点，已应用于航空㊁航天㊁航海以及相关的惯性制导领域㊂例如，森德斯坦德（ＳＤＣ）数据控制公司的ＲＢＡ５００系列加速度计被广泛应用于战术导弹的中段制导，其测量范围为ʃ７０ｇ，偏置稳定性（长期）小于４ｍｇ，分辨率为１μｇ［５］；法国ＯＮＥＲＡ实验室为法国航天局开发的最新整体式全石英振梁谐振加速度计ＶＩＡＳＣ偏置稳定性达到２５μｇ，标度因素稳定性５ｐｐｍ［６］㊂但是在国内，高精度的石英振梁谐振式传感器仍然处于试验研究阶段，航天科工３３所㊁中电２６所㊁中㊀㊀㊀㊀㊀６㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＪｕｎ．２０１８㊀电４９所㊁北信科大传感技术研究中心㊁东南大学㊁西安交通大学等单位都在进行相关技术的研究和传感器样机的开发［５］，为了实现传感器的性能测试，提出了对传感器所输出双路脉冲信号的高精度㊁同步㊁快速㊁连续的测试要求，本设计提出了基于ＦＰＧＡ＋ＳＯＰＣ的带温度监测的石英振梁谐振式传感器双路频率采集系统方案，测频精度在采样频率为５０Ｈｚ时达到了１０－６，实时温度监测有利于传感器温度特性分析和温度误差补偿，同时，系统集成在一片芯片上，具备易实现㊁体积小㊁功耗低㊁成本低㊁可靠性强的优势㊂１㊀传感器原理与采集系统设计石英振梁谐振式传感器是利用压电石英振梁的力－频特性进行外界载荷的测量，传感器可以直接输出频率信号，不需要进行模拟放大和Ａ／Ｄ变换㊂双端固支石英振梁作为敏感元件，通过振梁表面合理的电极布置，内部形成交变电场驱动石英梁以弯曲振动模式进行振动㊂当传感器受到外界载荷（压力㊁加速度㊁温度等）作用时，力转换结构将外界载荷转换成轴向应力作用在振梁上，使其谐振频率发生变化，从而表征外界载荷的大小［７］㊂同时，为了减小温度等共轭误差干扰，提高传感器灵敏度，振梁多采用差动结构对称布置，例如，石英振梁谐振式加速度计的原理模型如图１所示，当外界加速度作用在加速度计敏感方向上时，１支石英振梁受拉谐振频率升高，另１支受压谐振频率降低，２支梁的频率差与加速度的关系为ｆ２－ｆ１＝Ｋ１（Ｋ０＋α＋Ｋ２α２）＋ｆ（Ｔ）（１）式中：Ｋ０为零偏值；Ｋ１为标度因素；Ｋ２为二阶非线性系数；ｆ１和ｆ２分别为石英梁１和石英梁２的谐振频率输出，其范围为１０ ５０ｋＨｚ；α为即时加速度；ｆ（Ｔ）为传感器频率输出与温度Ｔ之间的函数关系㊂图１㊀石英振梁谐振式加速度计结构原理图根据式（１）可知，要得到实时准确的加速度值，就必须在完成２路频率信号实时㊁同步㊁连续㊁快速采集的同时，实现实时温度数据的监测，然后通过复杂的标定模型解算出实时的加速度值㊂其他的石英振梁谐振式传感器的测试过程大同小异㊂图２为石英振梁谐振式传感器采集系统整体结构图，主要都在ＦＰＧＡ芯片上实现，设计选用了ＣｙｃｌｏｎｅⅣ系列的ＥＰ４ＣＥ１５芯片㊂其中谐振式传感器输出的双路频率信号经过方波整形电路，得到标准数字方波输入双路等精度频率测量模块，完成基准信号和待测信号的上升沿计数，同时，温度传感器通过ＩＩＣ总线接口与温度测量模块通讯，实现实时温度值读取，然后通过ＳＯＰＣ技术将基于ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ的测频测温模块封装成自定义ＩＰ核，从而建立ＳＯＰＣ系统，通过ＮｉｏｓⅡ软核处理器实现频率值和温度值的浮点解算㊁传感器标定和补偿模型的实现以及ＬＣＤ显示和串口传输等功能㊂系统首先利用ＦＰＧＡＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ指令并行执行的特点，实现双路频率信号采集和温度值读取的同步性，同时，选用ＳＯＰＣ方案，在ＦＰＧＡ上嵌入ＮＩＯＳⅡ软核处理器，使系统具备强大的数据处理能力和可编程能力㊂图２㊀石英振梁谐振式传感器采集系统整体结构图２㊀自定义测频测温ＩＰ核设计系统的数据采集功能通过自定义测频测温ＩＰ核实现，包含测频和测温２个模块，都使用硬件描述语言ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ进行数字电路设计㊂２．１㊀双路等精度测频原理及误差分析测频模块采用双路等精度测频原理㊂等精度测频主要特点是其精度不随被测信号的频率改变而变化，有利于传感器的测试㊁标定和补偿［８］㊂如图３所示，等精度测频过程主要使用了Ｄ触发器ｉｎｓｔ１和２个３２位的计数器㊂Ｄ触发器的作用是使门控信号与待测信号的节拍相同㊂２个计数器各有分工，其中ｃｏｕｎｔｅｒ１是对基准数字信号计数，ｃｏｕｎｔｅｒ２为待测信号脉冲计数器㊂图中输入信号ｃｌｋ为基准方波信号，由外部时钟通过倍频得到，频率为１００ＭＨｚ；输入信号ｓｔａｒｔ０为预置门控信号，其长短可根据数据的采集需求设定；ｔｃｌｋ为待测数字信号，是激振电路输出的数字信号；ｒｅｓｅｔ为系统的复位信号；ＣＬＫ是计数器的被测信号；ＥＮ是计数器的使能信号㊂㊀㊀㊀㊀㊀第６期孙登强等：高精度石英振梁谐振式传感器测试系统设计７㊀㊀图３㊀等精度测频原理图图４为所设计的双路等精度测频的信号时序图㊂预置门控信号ｓｔａｒｔ０是一个频率较低㊁占空比为０．５的方波信号，它的周期为２０ｍｓ，高电平时间为１０ｍｓ㊂预置门控信号通过以待测信号ｔｃｌｋ为时钟的Ｄ触发器时，会产生与待测信号上升沿同步的实际门控信号，分别为ｓｔａｒｔａ和ｓｔａｒｔｂ，周期分别为Ｔｓｔａｒｔａ和Ｔｓｔａｒｔｂ㊂实际门控信号分别作为待测信号计数器和基准信号计数器的使能信号，因此Ｔｓｔａｒｔａ和Ｔｓｔａｒｔｂ分别是待测信号周期的整数倍，这就保证了计数器对待测信号的计数是没有误差的㊂图４㊀双路等精度测频率时序图为了确保２路传感器输出频率信号采集的同步性，引入了总门控信号ｇａｔｅ，ｇａｔｅ信号为２路实际门控信号的或运算，它表示了２路信号的实际测量区间㊂当２路测量均完成后ｇａｔｅ信号变为低电平，计数过程结束，之后在基准数字信号的下个上升沿到来时产生有效锁存标志信号ｌａｔｃｈ＿ｆｌａｇ，锁存标志信号将维持一个基准信号周期㊂当锁存标志信号ｌａｔｃｈ＿ｆｌａｇ的上升沿到来时，４个计数器的计数值被锁存起来㊂ｌａｔｃｈ＿ｆｌａｇ的下降沿到来时，系统产生中断标志信号ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ，紧接着ＮｉｏｓⅡ控制器处理中断，读入各个计数器的值，并产生ｃｌｅａｒ信号清空中断和各个数据寄存器，一个测量过程结束㊂这样保证了２路信号在总门控时间内的测量和传输是同步的，在预置门控信号的下个方波周期来临时，开始下个测频过程，这就保证了测频的连续性㊂取待测信号ｔｃｌｋ＿ａ进行分析，设实际门控信号ｓｔａｒｔａ高电平Ｔｓｔａｒｔａ内的基准方波信号计数值为Ｎｓ，待测方波信号计数值为Ｎｘ，基准方波信号频率值为ｆｘ，待测方波信号频率值为ｆｓ，根据基准信号测试时长与被测信号测试时长相等的原则，则有：Ｎｘｆｘ＝Ｎｓｆｓ（２）即ｆｘ＝ＮｘｆｓＮｓ（３）便得到了待测信号的频率值㊂式（３）两边同时进行微分有：ｄｆｘ＝ｆｓＮｓ㊃ｄＮｘ＋ＮｘＮｓ㊃ｄｆｓ－ＮｘＮ２ｓｆｓ㊃ｄＮｓ（４）由于实际门控时间内包含整数个待测信号波形，因此待测方波信号计数值Ｎｘ是准确值，没有误差，即ｄＮｘ＝０；基准方波信号的频率值ｆｓ是定值，故ｄｆｓ＝０；在一次测量过程中Ｎｓ有至多ʃ１的误差，即｜ｄＮｓ｜ɤ１㊂故式（４）可改写为｜ｄｆｘ｜ɤＮｘＮ２ｓｆｓ＝ＮｘｆｓＮｓ㊃１Ｎｘ＝ｆｘＮｓ（５）故待测信号频率的相对误差为δ＝｜ｄｆｘｆｘ｜ɤ１Ｎｓ＝１Ｔｓｔａｒｔ㊃ｆｓ（６）由式（６）可知，等精度频率测量的相对误差只与实际门控信号的长度和标准数字信号的频率大小有关㊂门控信号周期越长㊁基准数字信号频率越高，等精度测频的精度越高㊂当门控时间长度㊁标准信号的频率给定的情况下，该测频法的精度便是固定的，在频率测量过程中达到了等精度㊂当采样频率为５０Ｈｚ时，设置预置门控信号的时间为１０ｍｓ，实际门控信号的时长与预置门控信号非常接近，可认为Ｔｓｔａｒｔ＝１０ｍｓ㊂所用的标准信号频率为ｆｓ＝１００ＭＨｚ，将这些参数代入式（６）可得等精度测频理论上的相对误差为：δɤ１０－６㊂实际应用中还可以根据实际测量需求改变门控信号的长度和标准信号的频率，实现测频精度的提升㊂综上可以看出，理论上双路等精度测频能够满足频率测量的高精度㊁双路同步㊁连续和快速的测试要求㊂２．２㊀实时测温模块设计测温模块选用型号为ＬＭ７５Ａ的带ＩＩＣ数据接口的数字温度传感器，其测温范围为－５５ ＋１２５ħ，测温精度为０．１２５ħ，ＳＣＬ和ＳＤＡ接口构成ＩＩＣ串行总线，可以通过ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ数字电路设计有限状态机㊀㊀㊀㊀㊀８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＪｕｎ．２０１８㊀实现器件之间的主从式通信，完成ＬＭ７５Ａ内部寄存器实时温度值的读取㊂由于采用和测频模块同样的基准时钟信号，加上ＦＰＧＡＶｅｒｉｌｏｇ指令并行执行的特点，保证了测频和测温的同步性㊂ＬＭ７５Ａ内部集成了ＩＩＣ总线接口㊁带隙温度传感器㊁１１位模拟转数字转换器以及配置寄存器（Ｃｏｎｆ）和温度寄存器（Ｔｅｍｐ）［９］㊂温度寄存器（Ｔｅｍｐ）是由一个高８位字节和一个低８位字节组成的只读寄存器，其中仅有高１１位被存放到Ｔｅｍｐ数据，其余低５位为０㊂Ｔｅｍｐ数据的分辨率为０．１２５ħ，当读到Ｔｅｍｐ寄存器时，所有１６位数据都提供给总线㊂若Ｔｅｍｐ数据的最高有效位为逻辑０，则表示温度是正值，温度值（ħ）＝＋（Ｔｅｍｐ数据）㊃０．１２５ħ；若Ｔｅｍｐ数据的最低有效位为逻辑１，则表示温度是负值，温度值（ħ）＝－（－Ｔｅｍｐ数据＋１）㊃０．１２５ħ［１０］㊂ＦＰＧＡ和ＬＭ７５Ａ两者之间的通信严格按照ＩＩＣ总线管理定义的规则㊂在ＬＭ７５Ａ检测温度时，须先对ＬＭ７５Ａ初始化，即对其配置寄存器写入控制字进行工作模式的设定，本设计采用ＬＭ７５Ａ默认的工作模式，每隔１００ｍｓ进行１次转换（模数转换），转换的结果存放在Ｔｅｍｐ寄存器中㊂读取Ｔｅｍｐ寄存器数据时按照图５所示时序进行，首先释放总线上的ＳＤＡ和ＳＣＬ线，然后主机启动起始信号Ｓ，接着写入器件地址，等待器件响应１个时钟周期后开始连续２个字节的温度数据读取，最后主机启动终止信号Ｐ，完成一次温度数据的读取㊂由于系统基准时钟为１００ＭＨｚ，为了方便分频，选择用１００ｋＨｚ的频率作为ＬＭ７５Ａ的时钟频率，即ＳＣＬ为１００ＭＨｚ，由时序图５可知，有限状态机共包含ＩＤＬＥ㊁ＳＴＡＲＴ㊁ＡＤＤ１㊁ＡＣＫ１㊁ＤＡＴＡ１㊁ＡＣＫ２㊁ＤＡＴＡ２㊁ＮＡＣＫ㊁ＳＴＯＰ这９个状态，共经历２８个时钟周期即可完成一次读操作㊂图５㊀读温度寄存器时序２．３㊀自定义测频测温ＩＰ核的实现自定义测频测温ＩＰ核在ＱｕａｒｔｕｓⅡ１１．０开发环境下进行设计，ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ编程采用效率高㊁易修改的自顶向下模块化设计，除了测频模块（ｆｒｅｑ＿ｃｏｕｎ）和测温模块（ｔｅｍｐ＿ｃｏｕｎｔ）这两个独立功能模块，还需要编写顶层模块（ｔｏｐ），通过顶层调用的方式将２个功能模块整合起来㊂ｔｏｐ模块中定义各个管脚接口与外部进行通信，因为最终需要封装成ＩＰ核在ＳＯＰＣ中进行调用，该ＩＰ核要与ＮｉｏｓⅡ处理器进行通讯，必须加入片选信号和地址信号，进行相应的地址译码，使得用户逻辑能够正确地连接到Ａｖａｌｏｎ总线上［１１］㊂核内有５个输出数据寄存器和一个控制寄存器，所以地址信号至少为３位二进制㊂当ＮｉｏｓⅡ向该ＩＰ核发出读取数据指令时，将ｃｈｉｐｓｅｌｅｃｔ和ｒｅａｄ信号接口置为高电平，读取相应地址中寄存器的数据；当ＮｉｏｓⅡ向该ＩＰ核发出写入数据指令时，即将ｃｈｉｐｓｅｌｅｃｔ和ｗｒｉｔｅ信号接口置为高电平，向相应的控制寄存器写入控制字㊂利用ＳＯＰＣＢｕｉｌｄｅｒ提供的ＩＰ核自定义模块配置导航，将编写好的ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ程序文件添加进去，选择ｔｏｐ文件，然后按照表１配置各个信号接口的属性，最后进行分析和编译，就完成了自定义测频测温ＩＰ核的创建，命名为ｆｒｅｑ＆ｔｅｍｐ＿ｃｏｕｎｔ，存放在ＳＯＰＣ的ＩＰ库中根据需要进行实例化调用㊂表１㊀自定义测频测温ＩＰ核接口信号设置名称信号类型宽度／ｂｉｔ方向功能解释ｃｌｋｃｌｋ１ｉｎｐｕｔ系统时钟ｒｅａｄｒｅａｄ１ｉｎｐｕｔ读使能ｃｈｉｐｓｅｌｅｃｔｃｈｉｐｓｅｌｅｃｔ１ｉｎｐｕｔ片选信号ａｄｄｒｅｓｓａｄｄｒｅｓｓ３ｉｎｐｕｔ地址信号ｒｅａｄ＿ｄａｔａｒｅａｄｄａｔａ３２ｏｕｔｐｕｔ读数据ｗｒｉｔｅｗｒｉｔｅ１ｉｎｐｕｔ写使能ｗｒｉｔｅ＿ｄａｔａｗｒｉｔｅｄａｔａ３２ｉｎｐｕｔ写数据ｔｃｌｋ＿ａｅｘｐｏｒｔ１ｉｎｐｕｔ待测频率ａｔｃｌｋ＿ｂｅｘｐｏｒｔ１ｉｎｐｕｔ待测频率ｂｓｄａｅｘｐｏｒｔ１ｂｉｄｉｒＩＩＣ数据端ｓｃｌｅｘｐｏｒｔ１ｂｉｄｉｒＩＩＣ时钟端Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｒｑ１ｏｕｔｐｕｔ中断信号３㊀系统整体硬件㊁软件设计３．１㊀系统硬件顶层模块设计ＦＰＧＡ硬件顶层模块采用直观㊁容易理解的原理图输入方式，ＱｕａｒｔｕｓⅡ软件中，建立测频系统的硬件顶层模块文件，顶层模块中主要包含ＰＬＬ锁相环㊁方㊀㊀㊀㊀㊀第６期孙登强等：高精度石英振梁谐振式传感器测试系统设计９㊀㊀波整形电路和实例化的ＳＯＰＣ硬件㊂本设计中ＦＰＧＡ系统板所提供的外部时钟为５０ＭＨｚ，为了提高测频精度和速度，需要给ＮｉｏｓⅡ处理器和外部的ＳＤＲＡＭ分别提供１００ＭＨｚ的时钟，还须给方波整形电路的Ｄ触发器提供２００ＭＨｚ的时钟㊂因此通过ＦＰＧＡ芯片内嵌的ＰＬＬ锁相环，分别实现对外部时钟的二倍频和四倍频及各时钟信号的相位设置㊂谐振式传感器输出的数字方波信号在传输过程中往往会受到各种干扰，导致信号中夹杂着高频噪音和跳变，在送入测频模块之前必须经过方波整形，以提高频率测量的精度㊂方波整形电路如图６所示，数字方波信号首先通过输入缓冲器，以协调加速度计的输出和测频系统的数据处理速度㊂缓冲过的数字信号经过一级Ｄ触发器，该触发器的输出分为两路，一路经过一个非门，一路经过下一级Ｄ触发器，两路的输出取与运算㊂该电路能有效去除方波中的毛刺和抖动，有利于提高系统的抗干扰能力㊂图６㊀方波整形电路图ＳＯＰＣ硬件框图如图２所示，ＮｉｏｓⅡ处理器作为测试系统的ＣＰＵ，负责系统控制与数据处理；ＵＡＲＴ控制器ＩＰ核实现ＲＳ２３２串口通讯的控制，使得测频系统与上位机建立连接；ＰＩＯ内核为双向Ｉ／Ｏ的控制器ＩＰ核，可通过软件驱动实现对ＬＣＤ显示控制；ＳＤＲＡＭ和ＥＰＣＳ控制器连接相应存储器为系统运行提供运行内存和存储配置程序㊂各个ＩＰ核之间通过Ａｖａｌｏｎ总线进行互联互通㊂将上述模块按电气关系进行连接，并完成管脚分配㊂然后对ＦＰＧＡ硬件系统进行编译㊁综合就能生成ｓｏｆ类型文件，之后通过ＪＴＡＧＵＡＲＴ接口将硬件逻辑下载至ＦＰＧＡ芯片，就可以实现基本的信号采集功能㊂３．２㊀ＳＯＰＣ系统软件设计系统硬件构建完成后，还需要对ＮｉｏｓⅡ处理器编程以实现控制功能㊂ＳＯＰＣ的软件设计是在ＮｉｏｓⅡＩＤＥ软件中完成的㊂ＮｉｏｓⅡＩＤＥ环境支持Ｃ语言编程，并能根据ＳＯＰＣ的硬件配置文件生成硬件抽象层和系统头文件，从而降低了编程难度㊂系统软件流程图如图７所示，系统开始运行后，自定义测频测温ＩＰ核按设计的时序开始计数和通讯，完成后，给ＮｉｏｓⅡ处理器发出中断信号㊂ＮｉｏｓⅡ进入中断处理程序，会读取各个寄存器中的数值，将标志信号Ｆｌａｇ置为１，并清空中断信号和数据寄存器，中断处理过程结束㊂主程序检测到Ｆｌａｇ的状态为１后，首先将Ｆｌａｇ置为０，并依次进行频率㊁温度值浮点解算㊁ＬＣＤ显示㊁串口数据发送过程㊂至此，一个测试过程就结束了，等待下次中断信号的到来㊂㊀图７㊀系统软件程序流程图４㊀仿真测试结果及分析系统测频模块的仿真环境为ＭｏｄｅｌｓｉｍＳＥ１０．０，首先编写ｔｅｓｔｂｅｎｃｈ测试文件，为测频电路的输入接口添加激励，采用下列Ｖｅｒｉｌｏｇ语句产生频率为１００ＭＨｚ标准信号和４２．４０５２２４㊁４７．２９０２６８ｋＨｚ的被测信号㊂ａｌｗａｙｓ＃５ｃｌｋ＝ ｃｌｋ；ａｌｗａｙｓ＃１１７９１ｔｃｌｋ＿ａ＝ ｔｃｌｋ＿ａ；ａｌｗａｙｓ＃１０５７３ｔｃｌｋ＿ｂ＝ ｔｃｌｋ＿ｂ；仿真结果如图８所示，从波形图可以看出时序输出满足图４的设计时序，在实际门控信号内实现了双路方波信号上升沿内基准脉冲的同步计数，相应的控制信号输出也正常㊂被测信号ｔｃｌｋ＿ａ㊁ｔｃｌｋ＿ｂ的频率值仿真结果分别为：ｆａ＝Ｎｘ＿ａ㊃ｆｓＮｓ－ａ＝４２４ˑ１０８９９９８７７ˑ１０－３ｆｂ＝Ｎｘ－ｂ㊃ｆｓＮｓ－ｂ＝４７３ˑ１０８１０００２０６ˑ１０－３ìîíïïïïï（７）即ｆａ＝４２．４０５２１６ｋＨｚ（相对误差１．９ˑ１０－７）ｆｂ＝４７．２９０２５８ｋＨｚ（相对误差２．１ˑ１０－７）{（８）为了进一步验证系统测频的精度，利用ＴｅｋｔｒｏｎｉｘＡＦＧ３１０２信号发生器对系统进行实验测试，该型号信㊀㊀㊀㊀㊀１０㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＪｕｎ．２０１８㊀图８㊀双路等精度测频电路仿真波形图号发生器可以同时产生２路不同频率且波形质量好的方波信号，方波的上升㊁下降时间小于５ｎｓ，分辨率可达１２ｐｓ，频率稳定性高达１０－８㊂测试的结果数据如表２所示㊂表２㊀信号发生器测试结果信号源ａ／ｂ频率／ｋＨｚ检测值Ａ／Ｂ频率／ｋＨｚ相对误差／１０－７１０．０／１０．５９．９９９９９５／１０．４９９９８９５．００／５．７１２５．７／２５．８２５．６９９９８９／２５．７９９９８８４．２８／４．６５３６．４／３６．６３６．３９９９８６／３６．５９９９９１３．８５／２．４６４０．０／３８．０３９．９９９９８９／３７．９９９９８９２．７５／２．８９４０．０／４０．２３９．９９９９８９／４０．１９９９８９２．７５／２．７４４９．８／５０．０４９．７９９９８６／４９．９９９９８４２．８１／３．２０１０．０／５０．０９．９９９９９５／４９．９９９９７３５．００／５．４０㊀㊀由式（８）和表２可以看出，当系统以５０Ｈｚ频率采样时，测频的绝对误差小于０．０２Ｈｚ，相对误差小于１０－６，满足石英振梁谐振式传感器的测试要求㊂５㊀结束语针对石英振梁谐振式传感器设计的带实时温度监测的双路频率采集系统，经过仿真和实验证明，系统能够实现双路频率信号的同步㊁高精度测量，频率信号采样频率为５０Ｈｚ，测频精度优于１０－６；同时，采用相同的基准时钟信号，并行执行的Ｖｅｒｉｌｏｇ语句实现了实时温度值的读取；再加上模块化的结构设计使系统便于移植，而且通过提高基准频率，还能进一步提高测频精度㊂此外，系统集成ＳＯＰＣ技术，采用ＮｉｏｓⅡ软核处理器，不仅实现了频率值和温度值的浮点解算㊁ＬＣＤ显示以及串口通讯等功能，还为传感器标定和补偿算法的实现提供平台㊂总之，该设计为石英振梁谐振式传感器的测试提出了具备实用性和可行性的方案㊂参考文献：［１］㊀冯冠平．谐振传感理论及器件［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００８：３６－４１．［２］㊀程荣俊．ＭＥＭＳ石英音叉硅膜结构谐振压力传感器研究［Ｄ］．西安：西安交通大学，２０１６．［３］㊀ＷＡＴＡＮＡＢＥＪ，ＳＡＫＵＲＡＩＴ，ＳＡＩＴＯＹ，ｅｔａｌ．Ｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｕｓｉｎｇｑｕａｒｔｚｄｕａｌｔｕｎｉｎｇｆｏｒｋｒｅｓｏｎａｔｏｒ［Ｃ］．ＩＥＥＪＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ，２０１１，１３１：１１０１－１１０７．［４］㊀ＹＩＬＭＡＺＭ，ＭＩＧＬＩＡＣＩＯＰ，ＢＥＲＮＡＲＤＥ．Ｂｒｏａｄｂａｎｄｖｉｂｒａｔｉｎｇｑｕａｒｔｚｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｓｆｏｒｔｓｕｎａｍｅｔｅｒａｎｄｏｔｈｅｒｏｃｅａｎｏｇｒａｐｈｉｃａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］．Ｏｃｅａｎｓ，２００４：１３８１－１３８７．［５］㊀高延滨，詹俊妮，何昆鹏，等．高精度石英振梁加速度计频率采样系统设计［Ｊ］．应用科技，２０１２（３）：６１－６５．［６］㊀ＴＲＡＯＮＯＬ，ＪＤ，ＰＥＲＮＩＣＥＭ，ｅｔａｌ．Ａｎｅｗｑｕａｒｔｚｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｖｉｂｒａｔｉｎｇｂｅａｍａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ．ｐｏｓｉｔｉｏｎ［Ｃ］．Ｌｏｃａｔｉｏｎ，＆ＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，ＩＥＥＥ／ＩＯＮ，２００６：６－１５．［７］㊀林日乐．石英振梁加速度计技术研究［Ｄ］．西安：电子科技大学，２００６．［８］㊀陈丽锋，孟瑞，冯希．频率测量研究综述［Ｊ］．电子科技，２０１１，２４（７）：１５５－１５９．［９］㊀杨新鹏．基于ＬＭ７５Ａ的多点温度监测系统设计［Ｊ］．工业仪表与自动化装置，２０１３（２）：８０－８１．［１０］㊀刘欢，欧伟明，陈财彪，等．基于ＦＰＧＡ和ＬＭ７５Ａ的测温系统设计［Ｊ］．湖南工业大学学报，２０１４，２８（４）：２５－２９．［１１］㊀方茁，陈泽文，彭澄廉．ＳＯＰＣ设计中的用户自定义逻辑［Ｊ］．计算机工程，２００４，３０（１７）：４２－４４．作者简介：孙登强（１９９２ ），硕士研究生，主要从事ＭＥＭＳ传感器测试系统研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｕｎｄｅｎｇｉｑａｎｇ＠ｓｔｕ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯作者：赵玉龙（１９６８ ），教授，博士，主要研究领域为传感器及测试技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｈａｏｙｕｌｏｎｇ＠ｍａｉｌ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第４页）［１０］㊀张晓磊，王辉林．压阻式压力传感器的温度补偿算法研究［Ｊ］．中国农机化报，２０１５（５）：２３４－２３６．［１１］㊀ＧＡＮＬＥＹＴ，ＨＵＮＧ，ＤＬＳ，ＺＨＵ，ＧＭ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｌｎｖｅｒｓｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ⁃ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｏｎｉｃｐｏｌｙ⁃ｍｅｒ⁃ｍｅｔａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｅｎｓｏｒｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｊ］．Ｉｅｅｅ⁃ＡｓｍｅＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，２０１１，１６（１）：８０－８９．［１２］㊀ＦＡＮＳＣ，ＺＨＡＮＧＱＬ，ＱＩＮＪ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｓｓｒｕｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｏｆｓｐｌｉｎｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏ⁃ｎａｕｔｉｃｓ，２００６，３２（６）：６８４－６８６．［１３］㊀ＬＩＱ，ＬＩＡＮＧＬ，ＬＩＵＺ，ｅｔａｌ．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｎｔｉｏｎ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，２００８，２９（９）：１９３４：１９３８．［１４］㊀ＪＩＡＮＧＨ，ＦＡＮＫＧ，ＹＡＮＧＪＧ．Ａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｒｍａｌｌｙｉｎｄｕｃｅｄｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｅｒｒｏｒｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ａｎｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，７５（９－１２）：１２７９－１２８９．［１５］㊀全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（ＳＡＣ／ＴＣ１２４）．工业过程测量和控制系统用压力／压力传感器第１部分：通用技术条件：ＧＢ／Ｔ２８４７４．１－２０１２，［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０１２：４－７．作者简介：李冀（１９８９ ），讲师，主要研究方向为智能传感技术㊁传感器数据融合㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｅｏｓｈｏｗｔｉｍｅ＠１６３．ｃｏｍ。

石英晶体谐振式传感器以石英晶体谐振器作为敏感元件的谐振式传感器。

石英晶体谐振器是用石英晶体经过适当切割后制成，当被测参量发生变化时，它的固有振动频率随之改变，用基于压电效应（见压电式传感器）的激励和测量方法就可获得与被测参量成一定关系的频率信号。

石英晶体谐振式传感器的精度高，响应速度较快，常用于测量温度和压力。

石英晶体温度-频率传感器早期的石英晶体温度-频率传感器采用具有非线性温度－频率特性的石英晶体谐振器制作。

在发现具有线性温度－频率特性的石英晶体切型后，这种温度传感器的谐振器采用LC切型的平凸透镜石英晶体块制成，其直径约为数毫米，凸面曲率半径约为100毫米以上。

谐振器封装于充氦气的管壳内,在传感器电路中利用它的压电效应和固有振动频率随温度变化的特性构成热敏振荡器，它的基本谐振频率为28兆赫。

电路中另有一个振荡频率为2.8兆赫的基准振荡器,它通过十倍频后输出一个28兆赫的参照频率。

两个振荡器的输出经门电路相加送往混频器得到差频输出信号，它是被测温度与基准温度（即基准振荡器的温度）之差与1000赫／℃（温度系数）的乘积，因此该差频输出信号记录了被测温度的变化。

由时间选择开关产生不同的时间控制信号作为选通脉冲，以获得不同的分辨率。

线性石英晶体－频率传感器可用于热过程流动速度不高、间隔时间较长的各种高精度温度测量的场合以及多路遥控系统、水底探测等方面，还可用它制成高分辨率的直读式数字自动温度计。

石英晶体谐振式压力传感器这种传感器所采用的谐振器是用厚度切变振动模式AT切型石英晶体制作的。

谐振器可制成包括圆片形振子和受力机构的整体式或分离式结构。

振子有扁平形、平凸形和双凸形三种，受力机构为环绕圆片的环形或圆筒形。

图2是振子和圆筒为整体式结构的谐振器的结构图。

振子和圆筒由一整块石英晶体加工而成，谐振器的空腔被抽成真空，振动两侧上各有一对电极。

圆筒和端盖严格密封。

石英圆筒能有效地传递周围的压力。

当电极上加以激励电压时，利用逆压电效应使振子振动，同时电极上又出现交变电荷，通过与外电路相连的电极来补充这种电和机械等幅振荡所需的能量。

压电式力传感器的设计传感器结构设计是一个关键的步骤，它决定了传感器的灵敏度和稳定性。

传感器通常由弹簧和压电材料组成。

弹簧用于支撑传感器，使其能够承受外部力的作用。

压电材料位于弹簧顶部，当受到外部力作用时，压电材料会发生形变，从而产生电荷变化。

传感器结构的设计需要考虑弹簧刚度、压电材料的位置和形变量等因素，以实现传感器的高灵敏度和稳定性。

在材料选择方面，压电材料是关键。

压电材料需要具有良好的压电性能，如高压电系数和低热稳定性漂移。

同时，还需要考虑材料的机械性能，如弹性模量和屈服强度，以保证传感器在受力时不发生破裂或损坏。

常见的压电材料包括压电陶瓷、压电聚合物和压电单晶等。

不同的压电材料适用于不同的应用场景，需要根据具体需求选择合适的材料。

电路设计是传感器设计中的另一个重要方面。

传感器输出的是电信号，需要通过电路来进行放大和处理。

常见的电路设计包括电荷放大器和滤波器等。

电荷放大器用于放大传感器输出的电荷信号，通常采用集成运放和电容来实现。

滤波器用于滤除噪声和干扰信号，常见的滤波器包括低通滤波器和带通滤波器等。

电路设计需要根据传感器的输出特性和应用场景来选择合适的电路方案。

信号处理是传感器设计的最后一步，它主要包括信号转换和数据处理。

信号转换将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，通常采用模数转换器（ADC）来实现。

数据处理对转换后的数字信号进行处理和分析，通常使用微处理器或数字信号处理器（DSP）来实现。

信号处理的目标是提取和分析传感器输出的信息，如力的大小和方向等。

综上所述，设计一个压电式力传感器需要考虑传感器结构设计、材料选择、电路设计和信号处理等方面。

合理的设计能够提高传感器的性能，实现准确和可靠的力测量。

他在工业自动化、机器人技术、医疗设备等领域具有广泛的应用前景。

新型谐振传感器的设计与实现一、新型谐振传感器设计原理（一）传感机制剖析新型谐振传感器基于独特的物理或化学原理实现对目标量的感知。

例如，在压电谐振传感中，压电材料的压电效应是核心机制。

当受到外界应力作用时，压电晶体内部的正负电荷中心发生相对位移，致使晶体表面产生电荷积累，形成与应力成正比的电场。

此电场与晶体的机械振动相互耦合，使得谐振频率随外界应力变化，进而实现对压力、加速度等物理量的高精度测量。

又如在光学谐振传感领域，利用光学微腔中的whispering gallery mode（回音壁模式）。

光在微腔内壁不断全反射传播，形成稳定的谐振模式。

当外界环境参数如温度、折射率改变时，微腔的光学路径长度或有效折射率变化，致使谐振波长或频率偏移。

通过监测此偏移量，可精确检测环境中的温度波动、微量物质浓度变化等，在生物医学检测及环境监测方面极具应用潜力。

（二）结构设计要点1. 机械结构优化为确保谐振传感器的高灵敏度与稳定性，机械结构设计需精密考量。

采用微机电系统（MEMS）技术制造的传感器，其悬臂梁结构的尺寸、形状及材料特性对性能影响深远。

如设计纳米级厚度、特定长宽比的悬臂梁，可有效提升其对微弱力的感知能力。

同时，在梁结构中引入柔性铰链或弹簧元件，优化应力分布，降低非线性误差，增强谐振稳定性，减少外界振动干扰，提升传感器在复杂工况下的可靠性，拓展其在航空航天设备健康监测、精密工业制造等领域的应用范畴。

2. 材料选型策略材料是决定传感器性能的关键因素。

于电学谐振传感器而言，选用高磁导率、低损耗的磁性材料制作电感元件，可提升谐振电路品质因数，增强信号传输效率与灵敏度。

在高温环境应用时，陶瓷基复合材料因具备卓越的耐高温、抗氧化及机械稳定性脱颖而出。

如氮化铝陶瓷用于制作传感器基底，既能保障高温下结构稳定，又因其良好的热导率利于热量散发，防止温度过高影响传感器电学性能，确保在能源电力系统高温部件监测中稳定运行、精准测量。

石英谐振式力传感器测试系统的设计
潘晓丹
【期刊名称】《信息技术》
【年(卷),期】2003(27)7
【摘要】石英谐振式力传感器是一种输出为频率信号的数字式传感器.测试系统包括测量电路、测量控制软件和数据分析软件三部分,提供了一个集数据采集、检测、分析、处理为一体的测试系统.从工程实际出发,论述了该类传感器测试系统的开发
与研究,并编制了相应的软件.
【总页数】2页(P60-61)
【作者】潘晓丹
【作者单位】哈尔滨铁路局科学技术研究所,哈尔滨,150000
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.12
【相关文献】
1.高精度石英振梁谐振式传感器测试系统设计 [J], 孙登强;赵玉龙;李波;李村;韩超
2.差动石英谐振式力传感器的温度特性及其温度自测 [J], 尹教建;贾瑞皋
3.一种差动输出石英谐振式力传感器研制 [J], 李艳杰
4.石英晶体谐振式绝对压力传感器研制 [J], 潘安宝;闻化;姚东媛;高成臣;谢树海
5.三分量石英晶体谐振式压力传感器研制 [J], 崔笃信;王庆良;陶茂盛
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

压电式测力传感器——单向力传感器如图1所示：两片压电晶片沿电轴方向叠在一起，采用并联接法，中间为片形电极（负极），它收集负电荷。

底座与传力盖形成正极，绝缘套使正、负极隔离。

图1 单向压电石英力传感器结构
压电式测力传感器由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及底座等组成。

传感器上盖为传力元件，被测力F通过上盖使压电晶片沿电轴方向受压力作用，将产生弹性形变，将力传递到两片并联的压电晶片上，产生电荷，负电荷由中间电极输出，正电荷直接与底座连接输出。

这种传感器有以下特点：
①、体积小，重量轻（仅10g）；
①、固有频率高（约50—60KHz）；
①、可检测高达5000N（变化频率少于20KHz）的动态力，
①、分辩率高，可达10-3N 。