谐振式传感器设计的基本原则

1.传感器技术指标解读

进行产品设计必须要理解清楚设计目标的特点和要求等，传感器设计也不例外，首先必须弄清楚传感器的技术指标等参数。

传感器的技术指标分为静态指标和动态指标两类：静态指标主要考核被测量静止不变情况下传感器的性能，具体包括分辨力、重复性、灵敏度、线性度、回程误差、阈值、蠕变和稳定性等；动态指标主要考察被测量在快速变化条件下传感器的性能，主要包括频率响应和阶跃响应等。以下就几个重要指标参数进行说明和解读。

（1）分辨力与分辨率（Resolution）

分辨力是指传感器能够检测出的被测量的最小变化量。分辨率是指分辨力与满量程值之比。

分辨力是传感器的最基本的指标，表征了传感器对被测量的分辨能力。传感器的其他技术指标都是以分辨力作为最小单位来描述的。

对具有数显功能的传感器以及仪器仪表，分辨力决定了测量结果显示的最小位数。例如，电子数显卡尺的分辨力是0.01 mm，其示值误差为±0.02 mm。

分辨率是与分辨力相关而且极为相似的概念，都表征了传感器对被测量的分辨能力。

两者主要区别在于：分辨力是一个具有单位的绝对数值。例如，某温度传感器的分辨力为0.1℃，某加速度传感器的分辨力是0.1 g。而分辨率是以百分数的形式表示传感器的分辨能力，它是相对数，没有量纲。例如上述温度传感器的分辨力为0.1℃，满量程为500℃，则其分辨率为0.1/500=0.02%。

（2）重复性（Repeatability）

传感器的重复性是指在同一条件下、对同一被测量、沿着同一方向进行多次重复测量时，测量结果之间的差异程度，也称重复误差、再现误差等。

传感器的重复性必须是在相同条件下得到的多次测量结果之间的差异程度。如果测量条件发生变化，测量结果之间的可比性消失，不能作为考核重复性的依据。

传感器的重复性表征了传感器测量结果的分散性和随机性。而产生这种分散性和随机性的原因，是传感器内部和外部不可避免地存在各种各样的随机干扰，导致传感器的最终测量结果表现为随机变量。

重复性的定量表述方法，可以采用随机变量的标准差。

对于多次重复测量情形而言，如果以全部测量结果的平均值作为最终测量结果，则可以得到更高的测量精度。因为平均值的标准差显著小于每个测量结果的标准差。

（3）线性度（Linearity）

线性度是指传感器输入、输出曲线与理想直线的偏离程度。

理想的传感器输入、输出关系应该是线性，其输入、输出曲线应该是一条直线。但是，现实中的传感器或多或少都存在各种各样的误差，导致实际的输入、输出曲线并非是理想的直线，而是一条曲线。

线性度就表征了传感器实际特性曲线与理想直线之间的差异程度，也称非线性度或非线性误差。

由于在被测量大小不同的情况下传感器实际特性曲线与理想直线之间的差异不同，因此常常取全量程范围内二者差异的最大值与满量程值之比。显然，线性度也是一个相对量。(www.xing528.com)

对于一般测量场合而言，传感器的理想直线无从获取，是未知的。为此，常常采用折中的办法，即直接利用传感器的测量结果计算出与理想直线较为接近的拟合直线。具体计算方法包括端点连线法、最佳直线法、最小二乘法等。

（4）灵敏度（Sensitivity）

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化Δy 对输入量变化Δx 的比值。它是输出-输入特性曲线的斜率。

如果传感器的输出和输入之间呈线性关系，则灵敏度S 是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。

灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1 mm 时，输出电压变化为200 mV，则其灵敏度应表示为200 mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度越高，测量范围越窄，稳定性也往往越差。

（5）稳定性（Stability）

稳定性是指传感器在一段时间内保持其性能的能力，是考察传感器在一定时间范围内是否稳定工作的主要指标。而导致传感器不稳定的因素主要包括温度漂移和内部应力释放等。因此，增加温度补偿、增加时效处理等措施，对提高传感器的稳定性是有帮助的。

根据时间的长短不同，稳定性可以分为短期稳定性和长期稳定性。当考察时间过短时，稳定性与重复性接近。因此，稳定性指标主要考察长期稳定性。具体时间的长短，依据使用环境和要求来确定。

稳定性指标的定量表示方法，既可以采用绝对误差，也可以使用相对误差。例如，某应变式力传感器的稳定性为0.02% /12 h。

（6）采样频率（Sample Rate）

采样频率是指传感器在单位时间内可以采样的测量结果的多少。采样频率反映了该传感器的快速反应能力，是动态特性指标中最重要的一个。对于被测量快速变化的场合，采样频率是必须要充分考虑的技术指标之一。依据香农采样定律，传感器的采样频率应不低于被测量变化频率的2倍。

随着采样频率的不同，传感器的精度指标也相应有所变化。一般而言，采样频率越高，测量精度越低。而传感器给出的最高精度往往是在最低采样速度下甚至是在静态条件下得到的测量结果。因此，在传感器设计和选型时必须兼顾精度与速度两个指标。

2.传感器设计要点

谐振式传感器的设计开发可归纳为两个方面，一个是对谐振式传感器的本体结构进行设计，另一个是对与计算机相结合的传感器系统进行软件方面的设计。前者可通过发现新材料的物理效应或新结构的优化等，进而将其利用在谐振式传感器中实现被测量的检测。后者主要通过传感器与计算机结合，充分利用计算机和电子集成技术的长处，解决硬件设备难以解决的问题。本书主要讨论第一个方面的设计内容。

因不同类型的谐振式传感器具有不同的工作原理和不同的检测方法，所以针对谐振式传感器的设计很难给出可以适合各种领域的一种比较通用的方法，其设计都是针对某一个具体原理和特定的用途而言的，但还是存在着一些共性的地方，它们主要表现在以下几个方面：

①与信息传递有关的共同性质，如传感器的动态特性、静态特性、输入输出特性等。这些性质，既是设计过程中必须考虑的目标，也是判断一个传感器设计合格与否的标准。

②受工作环境影响外界特征，例如工作环境的条件（温度、噪声、振动、信号传递等）以及长期的稳定性和寿命要求等。

③用户给出的设计要求，例如体积大小、重量、使用环境、使用对象以及维修能力等。