《谐振式传感器》PPT课件

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1、传感器原理与应用第9章谐振式传感器第9章谐振式传感器谐振式传感器是直接将被测量的变化转换为物体谐振频率变化的装置，也称频率式传感器。优点：①精度高、分辨力高；②稳定性高、可靠性高、抗干扰能力强；③适于长距离传输且功耗低；④能直接与数字设备相连接；⑤无活动部件，机械结构牢固等。第9章谐振式传感器缺点：①要求材料质量较高；②加工工艺复杂、生产周期长、成本较高；③其输出频率与被测量的关系往往是非线性的，须进行线性化处理才能保证良好的精度。谐振式传感器种类很多，按它们谐振的原理可分为：机械的、电的和原子的三类。常用电子振荡器有RC振荡电路和石英晶体振荡电路等。第9

2、章谐振式传感器1.RC振荡器式温度—频率传感器如图所示，它利用热敏电阻RT测量温度。RT作为RC振荡器的一部分，振荡频率与RT有关。该电路是由运算放大器和反馈网络构成的一种RC文氏电桥正弦波发生器。2.MOS环振式数字加速度传感器环形振荡器最基本的形式是由奇数个首尾相连成闭环的反相器组成，如图所示。输出频率与每个门的平均延迟时间及门的数目成反比。第9章谐振式传感器第9章谐振式传感器MOS环振式数字加速度传感器利用了MOS管的力敏效应。如图所示，在应力作用下，由于硅的压阻效应，MOS管源、漏极之间的沟道电阻将发生变化，从而改变反相器的延迟时间。第9章谐振式传

3、感器如图所示，当质量块在加速度作用下使硅梁发生弯曲变形时，在硅梁的根部产生应力S，从而使MOS管的特性发生改变。第9章谐振式传感器为了减小环境温度的影响，可以采用如图所示结构。第9章谐振式传感器本章主要讨论机械式谐振传感器。它是一种频率式数字传感器。所谓频率式数字传感器是指，它能直接将被测非电量转换成与之相对应的、便于处理的准数字信号——频率信号。第9章谐振式传感器9.1谐振式传感器的类型与原理9.2谐振式传感器的特性与设计要点9.3谐振式传感器的转换电路9.4谐振式传感器应用举例9.1谐振式传感器的类型与原理机械式谐振传感器的基本组成如图所示。振动元件是

4、核心部件，称为振子或谐振子。可采用闭环结构，也可采用开环结构。补偿装置主要对温度误差进行补偿。频率检测实现对周期信号频率即谐振频率的检测，从而可确定被测量的大小。9.1谐振式传感器的类型与原理9.1.1谐振式传感器的类型9.1.2谐振式传感器的基本原理9.1.1谐振式传感器的类型按谐振子的结构，常见的谐振式传感器可分为振弦式、振梁式、振膜式和振筒式，对应的振子形状分别为张丝状、梁状、膜片状和筒状。(a)张丝状(b)梁状(c)膜片状(d)筒状9.1.1谐振式传感器的类型振子材料有①恒弹性模量的恒模材料，如铁镍恒弹合金等。但这种材料易受外界磁场和周围环境温度的

5、影响。②石英晶体，在一般应力下具有很好的重复性和极小的迟滞，特别是其品质因数Q值极高，且不受环境温度影响，性能长期稳定。③硅。用石英晶体振子可制成性能优良的压电式谐振传感器。振子常为膜片状或梁状，按振子上下表面形状又分为扁平形、平凸形和双凸形三种。其中双凸形振子Q值最高可达106～107，因而较多采用。石英晶体的振动模式有长度伸缩、弯曲、面切变和厚度切变等，其中厚度切变是主要的应用模式。(a)扁平形(b)平凸形(c)双凸形9.1.1谐振式传感器的类型根据能陷理论，选择谐振子外形的主要依据是径向尺寸f和晶片厚度h之比值的大小。一般，在f/h≤15时，采用双凸

6、形。当15＜f/h≤45时，采用平凸形f/h＞45时，采用扁平形。9.1.1谐振式传感器的类型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。思考题：固有频率与谐振频率是否相同？为什么？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

7、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。9.1谐振式传感器的类型与原理9.1.1谐振式传感器的类型9.1.2谐振式传感器的基本原理√设振子等效刚度为ke，等效振动质量为me，则振子谐振频率f可近似表示为若振子受到力的作用或其中的介质质量发生变化，导致振子的等效刚度或等效振动质量发生变化，其谐振频率也会发生变化。此即机械式谐振传感器的基本工作原理。9.1.2谐振式传感器的基本原理1.谐振频率如图所示，一根两端固定，长度为l，线密度(单位长度质量)为r的弦，受到张力T作用。其谐振频率(一

8、次振型)为9.1.2谐振式传感器的基本原理当振弦一定时，谐振频率f