传感器原理及应用课件

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緒論0.1感測器的基本概念與物理定律0.2感測器的構成法0.3感測器的分類及要求0.4感測器的作用和地位0.5感測器開發的新趨勢0.1感測器的基本概念與物理定律0.1.1感測器的概念:能把特定的被測量資訊(物理量化學量生物量等)按一定規律轉換成某種可用信號的器件或裝置0.1.2感測器的物理定律(1)守恆定律:主要有能量、動量等；(2)場的定律：動力場的運動定律、電磁場的感應定律等；(3)物質定律：虎克定律、歐姆定律等；(4)統計法則：微觀與宏觀聯繫的物理法則。0.2感測器的構成法

一般根據被測對象轉換原理使用環境及性能要求等具體情況而定,典型構成法有:(1)自源型：僅含有轉換元件，不需外加能源，直接從被測量吸取能量並轉換成電量，但能量較弱，如熱電偶、壓電器件等。0.2感測器的構成法(一)

(2)帶激勵源型：輔助能源作激勵（電源、磁源），磁電式、霍耳感測器等。0.2感測器的構成法(二)

(3)外源型：轉換元件實現阻抗變換。一種變換電路，如電橋、放大器、振盪器等。0.2感測器的構成法(三)

(4)相同感測器補償型0.2感測器的構成法(四)

(5)差動結構補償型0.2感測器的構成法(五)

(6)不同感測器補償型0.3感測器的分類及要求0.3.1分類按基本效應分:物理型化學型生物型等按構成原理分:結構型物性型按能量關係分:能量轉換型和控制型按作用原理分:應變式壓電式等按輸入量分:位移溫度流量壓力等按輸出量分:模擬量數字量0.3感測器的分類及要求(續)0.3.2基本要求足夠的容量靈敏度高,精度適當回應速度快,工作穩定,可靠性好適用性和適應性強使用經濟0.4感測器的作用和地位

發展歷程:手工化→機械化→自動化→資訊化;生產方式:人與簡單工具;動力機與機械;自動測量與控制;智能機器人0.4.1人與機器的機能對應關係0.5感測器開發的新趨向0.5.1社會對感測器需求的新動向(1)”電五官”落後的現狀,制約了電腦技術的進一步發展;(2)新產品以及技術改造,離不開感測器;(3)經濟效益與社會效益;(4)感測器已普及社會各個領域。0.5.2感測器技術的發展趨勢1.感測器的集成化和微型化2.感測器的數位化與智能化3.開發新型感測器4.研究生物感官，開發仿生感測器感測器技術的發展感測器是一種能將物理量、化學量、生物量等轉換成電信號的器件。輸出信號有不同形式，如電壓、電流、頻率、脈衝等，能滿足資訊傳輸、處理、記錄、顯示、控制要求，是自動檢測系統和自動控制系統中不可缺少的元件。如果把電腦比作大腦，那麼感測器則相當於五官，感測器能正確感受被測量並轉換成相應輸出量，對系統的品質起決定性作用。自動化程度越高，系統對感測器要求越高。

在今天的信息时代里，信息产业包括信息采集、传输、处理三部分，即传感技术、通信技术、计算机技术。现代的计算机技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速发展，而已经充分发达后，不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取的信息量要求越来越高，还要求其成本低廉且使用方便。显然传统传感器因功能、特性、体积、成本等已难以满足而逐渐被淘汰。世界许多发达国家都在加快对传感器新技术的研究与开发，并且都已取得极大的突破。如今传感器新技术的发展，主要有以下几个方面：

一、發現並利用新現象

利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研究发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感器的基础。

日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。它的制造工艺远比超导量子干涉器件简单。可用于磁成像技术，有广泛推广价值。

利用抗体和抗原在电极表面上相遇复合时，会引起电极电位的变化，利用这一现象可制出免疫传感器。用这种抗体制成的免疫传感器可对某生物体内是否有这种抗原作检查。如用肝炎病毒抗体可检查某人是否患有肝炎，起到快速、准确作用。美国加州大学巳研制出这类传感器。

二、利用新材料

传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学进步，人们可制造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器；光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器；用陶瓷制成压力传感器。

高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。高分子电介常数小，水分子能提高聚合物的介电常数。将高分子电介质做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。利用这个原理制成等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，其有以下特点：

◆測濕範圍寬；

◆溫度範圍寬，可達-400℃～+1500℃；

◆回應速度快，小於1S；

◆尺寸小，可用於小空間測濕；

◆溫度係數小。

陶瓷電容式壓力感測器是一種無仲介液的幹式壓力感測器。採用先進的陶瓷技術，厚膜電子技術，其技術性能穩定，年漂移量小於0.1%F.S,溫漂小於±0.15%/10K,抗超載強,可達量程的數百倍。測量範圍可從0到60MPa。德國E+H公司和美國Kavlio公司產品處於領先地位。

光導纖維的應用是傳感材料的重大突破，其最早用於光通信技術。在光通信利用中發現當溫度、壓力、電場、磁場等環境條件變化時，引起光纖傳輸的光波強度、相位、頻率、偏振態等變化，測量光波量的變化，就可知道導致這些光波量變化的溫度、壓力、電場、磁場等物理量的大小，利用這些原理可研製出光導纖維感測器。光纖感測器與傳統感測器相比有許多特點：靈敏度高，結構簡單、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲、便於實現遙測等。光纖感測器日本處於先進水準。如IdecIzumi公司和Sunx公司。光纖傳感受器與集成光路技術相結合，加速光纖感測器技術的發展。將集成光路器件代替原有光學元件和無源光器件，使光纖感測器有高的帶寬、低的信號處理電壓，可靠性高，成本低。

三、微機械加工技術

半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺，各向异性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些都已引进到传感器制造。因而产生了各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制压力传感器等。

日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，制成全硅谐振式压力传感器。核心部分由感压硅膜片和硅膜片上面制作的两个谐振梁结成，两个谐振梁的频差对应不同的压力，用频率差的方法测压力，可消除环境温度等因素带来的误差。当环境温度变化时，两个谐振梁频率和幅度变化相同，将两个频率差后，其相同变化量就能够相互抵消。其测量最高精度可达0.01%FS。

美國SiliconMicrostructureInc.(SMI)公司開發一系列低價位,線性度在0.1%到0.65%範圍內的矽微壓力感測器,最低滿量程為0.15psi(1KPa),其以矽為材料製成,具有獨特的三維結構,輕細微機械加工,和多次蝕刻製成惠斯登電橋於矽膜片上,當矽片上方受力時,其產生變形,電阻產生壓阻效應而失去電橋平衡,輸出與壓力成比例的電信號.象這樣的矽微感測器是當今感測器發展的前沿技術,其基本特點是敏感元件體積為微米量級,是傳統感測器的幾十、幾百分之一。在工業控制、航空航太領域、生物醫學等方面有重要的作用，如飛機上利用可減輕飛機重量，減少能源。另一特點是能敏感微小被測量，可製成血壓壓力感測器。

中国航空总公司北京测控技术研究所，研制的CYJ系列濺謝膜壓力感測器是採用離子濺射工藝加工成金屬應變計，它克服了非金屬式應變計易受溫度影響的不足，具有高穩定性，適用於各種場合，被測介質範圍寬，還克服了傳統粘貼式帶來的精度低、遲滯大、蠕變等缺點，具有精度高、可靠性高、體積小的特點，廣泛用於航空、石油、化工、醫療等領域。

四、集成感測器

集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，它不仅仅是一个简单的传感器，其将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能，它可降低成本、增加产量，美国LUCAS、NOVASENSOR公司開發的這種血壓感測器，每星期能生產1萬只。

五、智能化感測器

智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相比有很多特点：

◆具有判斷和資訊處理功能，能對測量值進行修正、誤差補償，因而提高測量精度；

◆可實現多感測器多參數測量；

◆有自診斷和自校準功能，提高可靠性；

◆測量數據可存取，使用方便；

◆有數據通信介面，能與微型電腦直接通信。

把传感器、信号调节电路、单片机集成在一芯片上形成超大规模集成化的高级智能传感器。美国HONYWELL公司ST-3000型智能感測器，晶片尺寸才有3×4×2mm3，採用半導體工藝，在同一晶片上製成CPU、EPROM、靜壓、壓差、溫度等三種敏感元件。

智能化感測器的研究與開發，美國處於領先地位。美國宇航局在開發太空船時稱這種感測器為靈巧感測器（SmartSensor），在太空船上這種感測器是非常重要的。我國在這方面的研究與開發還很落後，主要是因為我國半導體積體電路工藝水準有限。

传感器的发展日新月异，特别是人类由高度工业化进入信息时代以来，传感器技术向更新、更高的技术发展。美国、日本等发达国家的传感器技术发展最快，我国由于基础薄弱，传感器技术与这些发达国家相比有较大的差距。因此，我们应该加大对传感器技术研究、开发的投入，使我国传感器技术与外国差距缩短，促进我国仪器仪表工业和自化化技术的发展。

光纖感測器的最新發展世界上光纖傳感領域的發展可分為兩大方向：原理性研究與應用開發。隨著光纖技術的日趨成熟，對光纖感測器實用化的開發成為整個領域發展的熱點和關鍵。由於光纖傳感技術並未如光纖通信技術那樣迅速地獲得產業化，許多關鍵技術仍然停留在實驗室樣機階段，距商業化有一定的距離，因此光纖傳感技術的原理性研究仍處於相當重要的位置。由於很多光纖感測器的開發是以取代當前已相當成熟，可靠性和成本已得到公認，並已經被廣泛採用的傳統機電傳感系統為目的，所以儘管這些光纖感測器具有如電磁絕緣、高靈敏度、易複用等諸多優勢，其市場滲透所面臨的困難和挑戰是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纖感測器則在競爭中佔有明顯優勢，FBG和其他的光柵類感測器就是一個最好的例證。當前的原理性研究熱點集中於光纖光柵（FBG和LPG）型感測器和分佈式光纖傳感系統兩大板塊。對於光纖傳感技術的應用研究主要有以下四大類：光（纖）層析成像技術（OCT，OPT）;智能材料（SMARTMATERIALS）;光纖陀螺與慣導系統（IFOG，IMIU）和常規工業工程感測器。另外，由於光纖通信市場需求的帶動以及傳感技術的特殊要求，新型器件和特種光纖的研究成果也層出不窮。二、光纖感測器的原理性研究1、光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵FBG於1978年問世[1]，這種簡單的固有傳感元件，可利用矽光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內，圖1描述了光纖光柵的基本原理。常見的FBG感測器通過測量布拉格波長的漂移實現對被測量的檢測，光柵布拉格波長(λB)條件可以表示：

式中，∧—光柵週期；n—折射率。光柵感測器可拓展的應用領域有許多，如將分佈式光纖光柵感測器嵌入材料中形成智能材料，可對大型構件的載荷、應力、溫度和振動等參數進行即時安全監測；光柵也可以代替其他類型結構的光纖感測器，用於化學、壓力和加速度傳感中。圖3為傳統阻抗計與FBG感測器測試結果的比較2、分佈式光纖傳感系統在世界範圍內，由於對工民建和工業設施安全性和效益要求的不斷提高，對集成的安全檢測系統的需求逐步攀升。具備可連續、無間斷、長距離測量並與被測量介質有極強的親和性的分佈式光纖傳感系統似乎正是為此而量身定做的。分佈式光纖傳感系統通常有三種類型：拉曼型、布裏淵型和FBG型。拉曼型分佈式光纖傳感系統是基於光纖拉曼散射效應的連續型感測器，其工作原理見圖6。三種類型的傳感系統的應用都已見諸於報導。其中尤以拉曼型分佈式傳感系統最為成熟，已成功地裝載於A340運輸機上（圖7）。FBG型分佈式傳感系統在應力多點分佈式測量中有獨到的優點，並可同時完成溫度和應力的雙參量測量，為FBG應用開闢了更為廣闊的前景。圖8介紹了採用WDM/TDM解調的FBG陣列的拓撲結構。三、光纖感測器產品的應用與開發光纖感測器的應用開發根據當前的應用熱點領域和技術類型可大致分為四個大的方向：光（纖）層析成像分析技術OCT、光纖智能材料（SMARTMATERIAL）、光纖陀螺與慣導系統、以及常規工業工程感測器。1、光層析成像技術光纖層析技術分為光相干層析成像分析(OCT)和光過程層析成像分析技術(OPT)。光層析成像技術源於X射線層析成像分析（CT），其基本原理如圖9所示。當X射線或光線傳輸經過被測樣品時，不同的樣品材料對射線的吸收特性有不同，因此對經過樣品的射線或光線進行測量、分析，並根據預定的拓撲結構和設計進行解算就可以得到所需要的樣品參數。光纖相干層析成像技術（OCT）主要應用於生物、醫學、化學分析等領域，如視網膜掃描、胃腸內視和用於實現彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。其工作原理基於光的相干檢測原理，基本系統結構如圖10所示。OCT為生物細胞和機體的活性檢測提供了一種有效的方式，世界上有許多國家都開發出相應的產品。圖11為視網膜的CT掃描圖像。德國的科學家近期推出了一臺可用作皮膚癌診斷的OCT設備。此外，利用OCT可以實現深度測量（~1mm）的優勢，已有實例應用於對生長中的細胞進行觀察和監測中。而OPT則面向工業工程－油井、管線等場所，高精度地解決流體的過程測量問題。由於OPT所關心的是光線路徑上的積分過程，因此相關的系統集成設計、測量理論分析中的單元分割與信號處理都是關鍵。圖12簡單描繪了傳統OPT的測量原理，由於OPT具有適用於狹小的或不規則的空間、安全性高、測量區域不受電磁干擾以及可組成測量網路的多項長處，為工業過程的安全測量提供了一種優良的手段。2、智能材料智能材料的提出和研究已有相當長的一段時間，為業內人士所熟悉。智能材料是指將敏感元件嵌入被測構件機體和材料中，從而在構件或材料常規工作的同時實現對其安全運轉、故障等的即時監控。其中，光纖和電導線與多種材料的有效結合是關鍵問題之一，尤其是實現與紡織材料的自動化編織。美國南卡羅來那州立大學、佛吉尼亞理工大學和費城紡織學院都在此方面進行了大量工作。圖13展示了一件嵌入光纖和電導線的背心。智能材料作為橋樑、大壩等混凝土大型建築的監測系統已在國外多處工程中通過安裝測試並付諸應用。此外，智能材料在航空航太領域的應用也日趨廣泛，尤其是採用光纖光柵和光纖分佈式應力、溫度測量系統進行惡劣環境條件－高溫、變形的多參量監測取得了明顯的效果。圖14勾勒出分佈式感測器在航太領域多參量監測中的應用方案。3、光纖陀螺及慣性導航系統光纖陀螺（I-FOG）及慣導系統歷經25年的發展，目前已進入實用階段。從1976年Vali和Shorthill首次提出並實驗驗證I-FOG原理之後[2]的五年間，世界範圍內的主要工作集中於基本結構的研究、結構小型化、開環和閉環結構的討論等。圖15顯示出光纖陀螺的標準結構。

圖16是日本MitsubishiPrecision公司和空間及宇航所為日本M-V火箭系統設計製造的慣導系統。4、工業工程類感測器傳統的工業工程類感測器包括應用光纖的電光和磁光效應進行測量的電力工業用大電壓、電流感測器。圖17為加拿大BC水電站所安裝NXVCT的照片。利用光纖的彈光效應和FBG器件的應力感測器已被廣泛應用於應力監測中。圖18中為法國Alstom公司的鐵路部TransportS.A.領導研製的一種安裝了FBG的智慧型新型複合材料的轉向架。四、新型光纖材料與器件

以SiO2材料為主的光纖，工作在0.8μm～1.6μm的近紅外波段，目前所能達到的最低理論損耗在1550nm波長處為0.16dB／km，已接近石英光纖理論上的最低損耗極限，成為滿足超寬頻寬、超低損耗、高碼速通信需要新型基體材料的光纖。氟化物玻璃光纖是當前研究最多的超低損耗遠紅外光纖，其最低損耗在2.5μm附近為1×10-3dB／km，無中繼距離可達到1×105km以上。硫化物玻璃光纖具有較寬的紅外透明區域（1.2μm~12μm），有利於多通道複用，其溫度對損耗的影響較小，其損耗水準在6μm波長處為0.2dB／km，是非常有前途的光纖。。而且，硫化物玻璃光纖具有很大的非線性係數，用它製作的非線性器件，可以有效地提高光開關的速率，使開關速率達到數百Gb／s以上。重金屬氧化物玻璃光纖具有優良的化學穩定性和機械物理性能，若把鹵化物玻璃與重金屬氧化物玻璃的優點結合起來，製造成性能優良的鹵-重金屬氧化物玻璃光纖，將具有重要意義.特殊的應用環境對光纖有特殊的要求，石英光纖的纖芯和包層材料具有很好的耐熱性，耐熱溫度達到400℃～500℃，所以光纖的使用溫度取決於光纖的塗覆材料。目前，梯型矽氧烷聚合物（LSP）塗層的熱固化溫度達400℃以上，600℃時的光傳輸性能和機械性能仍然很好。採用冷的有機體在熱的光纖表面進行非均勻成核熱化學反應（HNTD），然後在光纖表面進行裂解生成碳黑，即碳塗覆光纖。碳塗覆光纖的表面緻密性好，具有極低的擴散係數，而且可以消除光纖表面的微裂紋，解決了光纖的“疲勞”問題。另一方面，光纖的結構決定了光纖的傳輸性能，合理的折射率分佈可以減少光的衰減和色散的產生，並增加光能量的傳輸。隨著光纖通信系統的迅速發展，出現了DFF（色散平坦光纖）。為了DWDM系統能夠在盡可能寬的可用波段上進行波分複用，各個公司都致力於消除OH-吸收峰，已開發出的“無水峰光纖”，可實現1350nm～1450nm第五窗口的實際應用。美國Lucent公司開發出的AllWave光纖，克服了OH-的諧波吸收，從而實現了1280nm～1625nm範圍內完整波段的利用。為了適應相干通信系統的要求，已經研製出了“熊貓”型、“蝴蝶結”型和“扁平”型的高雙折射保偏光纖，另外具有“邊坑”型的單模單偏振保偏光纖，以及正在研究中的蜂窩型波導光纖、液晶光纖（見圖20）等等，這些都將為光纖感測器的發展提供更加廣泛的選擇。隨著光電子技術近年來突飛猛進的發展，光纖傳感技術經過二十餘年的發展也已獲得長足的進步，其主要體現在：1、進入實用化階段，逐步形成傳感領域的一個新的分支不少光纖感測器以其特有的優點，替代或更新了傳統的測試系統，如光纖陀螺、光纖水聽器、光纖電流電壓感測器等；出現一些應用光纖傳感技術的新型測試系統，如分佈式光纖測溫系統，以光纖光柵為主的光纖智能結構；改造了傳統的測試系統，如以光纖構成的新型光譜儀；利用電/光轉換和光/電轉換技術以及光纖傳輸技術，把傳統的電子式測量儀錶改造成安全可靠的先進光纖式儀錶等等。2、新的傳感原理不斷出現，促進了科學技術的發展光纖傳感網路的出現，促進了智能材料和智能結構的發展；波長調製型光纖光柵多參量測試系統的出現，促進了多參量傳感系統的發展；光子晶體光纖（多孔光纖PhotonicCrystalfiber）用於傳感的可能性促進了光子晶體的發展等等。①感測器的實用化研究。提高傳感系統，尤其是感測器的性價比；②感測器的應用研究。在現有的科研成果基礎上，大力開展應用研究和應用成果宣傳；③新傳感機理的研究，開拓新型光纖感測器；④感測器用特殊光纖材料和器件的研究。例如：增敏和去敏光纖、螢光光纖、電極化光纖的研究等。諧振式感測器一、概述

自從人類創造了音樂，諧振技術就問世了。遠古石器時代的人已會應用長度和直徑不同的樂管吹奏不同的音調，即其諧振頻率不同。後來發展了絃樂器和樂鼓，改變弦的粗細和長度，或者改變鼓皮的張緊度和厚度，就可改變它們的發聲頻率。然而，在感測器上利用諧振技術卻是從上世紀七十年代才開始的。一、概述

基於諧振技術的諧振式感測器，自身為週期信號輸出（准數字信號），只用簡單的數字電路即可轉換為微處理器容易接受的數字信號。分為兩類：基於機械諧振結構諧振式感測器和MOS環振式諧振感測器。本課主要介紹基於機械諧振結構的諧振式感測器。它們可以利用振動頻率、相位和幅值作為敏感資訊的參數。一、概述諧振感測器的優勢：輸出信號是週期的，便於與電腦連接和遠距離傳輸；感測器系統是一個閉環結構，處於諧振狀態，決定了感測器系統的輸出自動跟蹤輸入；諧振子固有的諧振特性，決定其具有高的靈敏度和解析度；相對於諧振子的振動能量，系統的功耗是極小量。表明感測器系統的抗干擾性強，穩定性好。一、概述

諧振式感測器適於多種參數測量，如壓力、力、轉角、流量、溫度、濕度、液位、粘度、密度和氣體成分等。使得這類感測器已發展成為一個新的感測器家族。一、概述

目前的諧振式感測器種類很多。包括以精密合金用精密機械加工製成的諧振筒、諧振梁、諧振膜、諧振彎管；以及利用微機械加工技術，以矽和石英為基底制出的微結構諧振式感測器；另外，聲表面波感測器是一種基於高的機械振動頻率的諧振式感測器。上述諧振式感測器的頻率範圍是從音頻到100MHz。二、基礎理論R為諧振敏感元件又稱諧振子。是感測器的核心元件，工作時以其自身固有的振動模態持續振動。諧振子的振動特性直接影響諧振式感測器的性能。諧振子有多種：諧振梁、複合音叉、諧振筒等。D、E分別為信號檢測器和激勵器，實現機電轉換，提供閉環自激的條件。激勵方式有：電磁、靜電、（逆）壓電效應等；檢測方式有：磁電、電容、（正）壓電效應、光電檢測等。A是放大器，用於調節信號的幅值和相位，使系統可靠穩定地工作於閉環自激狀態。O是系統檢測輸出裝置。用於檢測週期信號的頻率、幅值或相位。C是補償裝置，主要對溫度誤差的補償。六個主要部件構成了諧振式感測器的三個重要環節：（１）由ERD組成的電－機－電諧振子環節，核心；（２）由ERDA組成的閉環自激環節，構成的條件；（３）由RDO(C)組成的信號檢測、輸出環節，實現檢測被測量的手段。諧振子的Q值由定義可見Q值表示阻尼的大小及消耗能量快慢的程度。從幅頻曲線上可以看，Q值表示了曲線陡峭程度。

二、基礎理論:如上圖所示，對應幅值增益為，稱為半功率點Q值計算對於諧振子來說，Q值越大，選擇頻率能力越大，頻率穩定度越好。Q值的兩種定量的計算：（1）:系統的阻尼係數（2）:系統的固有頻率二、基礎理論Q對諧振子自激振盪的影響Q值越高，相對於儲存的能量來說所需付出的能量就少，儲能效率就越高。諧振頻率穩定度越好，傳感器也就越穩定，抗外界振動干擾的能力越強，感測器的重複性就越好。對於弱阻尼系統：

所以Q增大，起振的幅值條件易於滿足。

二、基礎理論對於一個二階系統，相頻關係：

二、基礎理論

當P＝1時，,，考慮以為中心的相角範圍當時，隨Q單調增加。

表明，相同的頻率變化所引起的相角變化值隨Q值的增大而增加，反過來講就是需要相同的相角變化時，Q值大的，對即在相同的幅值增益下，Q值大的諧振子所提供的相角範圍大，從而易於構成閉環自激系統。二、基礎理論的相對偏差小。近於諧振子的固有頻率；感測器自激頻率Q對感測器精度的影響由二階系統的相頻關係：

可得：

所以對於給定的，Q值大時，的隨機漂移就越小，系統的振動狀態就越穩定，精度就越高。二、基礎理論就越接

由以上分析可知:諧振式感測器有一個最佳激勵點。即系統的振動頻率就是諧振子的固有頻率，不受Q值影響。高Q值的諧振子對於構成閉環自激系統及提高系統的性能是有利的，應採取各種措施提高諧振子的Q值。影響諧振子Q值的主要因素：材料自身的特性，加工工藝，諧振子的結構以及使用環境等。二、基礎理論

振動筒壓力感測器是一種典型的諧振式感測器，利用振動筒的固有頻率來測量壓力。1.絕對壓力測量振動筒壓力感測器結構圖：三、振動筒式感測器結構特點：大致分五個部分

1振動圓筒為感測器的敏感元件，通和常為是只壁厚僅為0.08mm左右的薄壁圓筒。改變筒壁的厚度，可以獲得不同的測壓範圍。圓筒材料必須是能夠構成閉環磁路的磁性材料，應具有很底的彈性溫度係數。

2激振線圈

3拾振線圈激振線圈和拾振線圈在筒內相隔一定距離成十字交叉排列，以防止或儘量減少兩只線圈的耦合作用。

4基座

基座上安裝有振動筒和線圈組件，並有通入被測壓力的進氣孔。

5遮罩與外殼

避免外界電磁場的干擾，要加遮罩，有時外殼也可代替遮罩。三、振動筒式感測器三、振動筒式感測器工作過程在被測壓力為零時，要使內振動筒工作在諧振狀態，必須從外部提供電激勵能量，而系統本身是一個滿足自激振盪的正回饋閉環系統，其線路方塊圖如下圖。三、振動筒式感測器三、振動筒式感測器

任何彈性體被激振後都可能出現多種振動波型。一般情況下，對彈性體系統只考慮其最低固有頻率下的共振波型，這稱為“基本振型”

。薄壁圓筒的振動可以分為兩個方向來考慮：軸向截面的振動和徑向截面的振動。三、振動筒式感測器幾種軸向振形：三、振動筒式感測器幾種徑向振形：三、振動筒式感測器當m＝n＝4時，較容易起振，抗干擾能力強，具有很高的靈敏度。

當振筒不受壓力時，筒內外的壓力相等，如果忽略介質品質、金屬內摩擦，以及氣體介質的粘滯阻尼，則振筒在零壓力下的固有頻率為：三、振動筒式感測器

如果暫不考慮材料的彈性溫度係數影響，則頻率的高低應決定於圓筒內外氣體壓力之差，諧振頻率與被測壓力成單值函數關係。可是，頻率與壓力不是線性關係，近似成拋物線關係。三、振動筒式感測器三、振動筒式感測器滿足一定條件時，可以得到感測器輸出頻率與壓力的關係式為：

三、振動筒式感測器

電磁方式激勵、拾振最突出的優點是與殼體無接觸。但電磁轉換效率低，磁性材料的穩定性差，易產生電磁耦合等。壓電方式激勵

克服電磁激勵的效率低，激勵信號中需引入較大的直流分量，磁性材料的長期穩定性差，易產生電磁耦合等不足，發展了一種採用壓電激勵、壓電拾振的新方案，如圖所示：三、振動筒式感測器

壓電陶瓷元件直接貼於圓柱殼的波節處，筒內完全形成空腔。優點：結構簡單，機電轉換效率高，易於小型化，功耗低，便於構成不同方式的閉環系統等缺點：遲滯誤差較電磁方式略大些三、振動筒式感測器應變式感測器的應用應變式感測器的非線性誤差分析應變式感測器在千斤頂檢測中應用電阻應變式稱重感測器的

滯後補償機器人指端應變式觸覺感測器提高應變式感測器性能的方法採用差動電橋改變激勵電源頻率採用恒流源品質流量計中的測量技術流量測量流量測量原理簡介品質流量測量的秘密感測器敏感管為什麼要振動？感測器如何檢測品質流量？什麼是流量標定因數？品質流量與其是如何相關聯的？簡介什麼是流量？暫態流量累計流量

簡介品質流量與體積流量

由於流體的密度隨工況條件而變化，即當溫度和壓力等變化時，其密度也發生變化，則體積流量也隨之發生變化。而品質是國際標度，品質流量是不隨工況條件變化的，因此品質流量是表示流量的最好方法。簡介流量的主要檢測方法體積式：節流式、速度式、容積式等品質式：直接式、間接式、補償式等

品質流量測量的秘密品質流量測量秘密——科氏效應流量計如何測量品質流量品質流量測量的基本條件：

轉動速度

感測器敏感管為什麼要振動？實際中，旋轉的參考系是由感測器敏感管的振動來實現的，因此工作中感測器的敏感管是上下振動的。感測器敏感管為什麼要