谐振式传感器的分类与特点

按照敏感元件的结构原理可以将谐振式传感器分为物性传感器和结构传感器。所谓物性型传感器就是利用材料本身所具有的内在特性，将被测量转换为电量的传感器。例如利用石英晶体作为谐振元件的石英谐振式传感器，就是利用石英材料所特有的压电效应而实现测量的。所谓结构型传感器就是以结构为基础，通过改变某些参数，从而将被测量转换为电量的传感器。例如通过改变简支梁的压力参数，实现将被测量的变化转换为频率量变化的谐振梁式传感器。

按照被测物理量的不同将谐振式传感器分为位移、加速度、压力、流量、密度以及黏度等传感器。

图1.1为某型号谐振弦式位移传感器，其工作原理为：以振动弦为敏感元件，振弦的两端固定在被测对象上，当位移发生变化时，振动弦被拉伸，其谐振频率会发生变化，根据谐振频率的变化量检测位移的大小。

图1.1　某型号谐振弦式位移传感器

图1.2为一种硅微谐振式加速度传感器结构，其表芯主要由两端固定音叉梁、驱动梳齿电容、检测平行板电容、质量块及弹簧等组成。传感器工作时，驱动梳齿电容极板间施加带有直流偏置的交变电压，使音叉梁在静电力驱动下作简谐振动，使用平行板电容检测音叉梁振动的频率变化。检测平行板电容之间存在直流偏压，当音叉梁振动时，平行板电容作用在音叉梁上的静电力与振动位移近似成正比，相当于给音叉梁引入了一个附加的静电刚度。当加速度作用时，质量块在惯性力作用下发生位移，检测平行板电容极板间距发生的变化，作用在音叉梁上的附加静电刚度发生变化，从而改变音叉梁的谐振频率。其中一个振梁的谐振频率增加，另一个振梁的谐振频率减小，通过检测平行板电容检测两个振梁的频率差，即可实现加速度的测量。(www.xing528.com)

图1.2　某硅微谐振式加速度传感器结构示意图

谐振式压力传感器是利用外界压力变化导致谐振子谐振频率变化这一机理，通过测量频率来间接测量压力的传感器。以硅谐振式压力传感器为例，其工作原理是将外界压力直接作用在硅膜上，引起硅膜形变，带动支撑产生一定转动，使梁的应力发生改变，从而引起谐振频率发生改变。通过检测梁频率的变化，间接测量外界压力。

谐振式密度传感器的谐振元件在工作过程中，可以等效为一个单自由度系统，以系统的固有频率振动，系统的固有频率只与系统中的等效质量和等效弹性系数有关。以谐振式液体密度传感器为例，其测量原理是通过系统中的弹性敏感元件和液体相接触，从而改变了系统的等效质量，使得系统的谐振频率发生变化。通过测量系统的固定频率变化，即可确定待测液体的密度。

谐振式黏度传感器，以石英晶体黏度传感器为例，其敏感元件为石英晶片，首先根据弹性力学方程，可求得石英晶片在空气中的振荡频率。然后将石英晶片置于液相介质中振荡时，根据牛顿流体定律，得出由流体引起的频率偏移，由此得到石英晶片在液体中频率变化、密度和黏度的平方根呈线性关系，当测出液体的密度，即可得到液体的黏度值。

按照谐振原理，谐振式传感器可分为电子式谐振传感器和机电式谐振传感器。电子式谐振传感器的谐振敏感元件是电子元件，根据电子元器件的不同，又可分为电容谐振传感器、电感谐振传感器和电涡流谐振传感器。机电式谐振传感器可分为机械式谐振传感器和压电式谐振传感器。机械式谐振传感器根据谐振敏感元件的不同形状，可分为振弦式谐振传感器、振筒式谐振传感器、振梁式谐振传感器、振膜式谐振传感器。压电谐振式传感器按照转换过程中的基本效应，即压电谐振参数的调制方式，可将压电谐振式传感器分为应变敏感型、热敏感型、质量敏感型和回转敏感型五种类型的谐振式传感器。