諧振式傳感器是直接將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為物體諧振特性變化的裝置，其工作原理基于諧振技術(shù)，利用諧振子的振動(dòng)頻率、相位和幅值作為敏感參數(shù)，達(dá)到對(duì)壓力，位移，密度等被測(cè)參數(shù)的測(cè)量。利用諧振元件把被測(cè)參量轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)的傳感器，又稱頻率式傳感器。當(dāng)被測(cè)參量發(fā)生變化時(shí)，振動(dòng)元件的固有振動(dòng)頻率隨之改變，通過相應(yīng)的測(cè)量電路，就可得到與被測(cè)參量成一定關(guān)系的電信號(hào)。

　　70年代以來諧振式傳感器在電子技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高、精度高以及便于數(shù)據(jù)傳輸、處理和存儲(chǔ)等。按諧振元件的不同，諧振式傳感器可分為振弦式、振筒式、振梁式、振膜式和壓電諧振式等（見振弦式傳感器、振筒式傳感器、振梁式傳感器、振膜式傳感器、石英晶體諧振式傳感器）。諧振式傳感器主要用于測(cè)量壓力，也用于測(cè)量轉(zhuǎn)矩、密度、加速度和溫度等。

　　以機(jī)械式諧振傳感器為例，振子的諧振頻率 可近似用下式表示：

　　式中：──振子材料的剛度；──振子的等效振動(dòng)質(zhì)量。可見，振子的諧振頻率與其剛度和等效振動(dòng)質(zhì)量有關(guān)。設(shè)其初始諧振頻率為，當(dāng)振子受力或其中的介質(zhì)質(zhì)量等發(fā)生變化時(shí)，振子的等效剛度或等效振動(dòng)質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化，從而使其諧振頻率發(fā)生變化。

　　要使振子產(chǎn)生振動(dòng)，就要外加激振力（激振元件），要測(cè)量振子的振動(dòng)頻率則需要拾振元件。由激振元件激發(fā)振子振動(dòng)，由拾振元件檢測(cè)振子的振動(dòng)頻率，另外將此信號(hào)經(jīng)放大后輸送到激振元件中形成閉環(huán)系統(tǒng)，以維持振子持續(xù)振動(dòng)。圖1給出了諧振傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖：

　　圖1中，由ERD組成的電—機(jī)—電諧振子環(huán)節(jié)，是諧振式傳感器的核心；由ERDA組成的閉環(huán)自激環(huán)節(jié)，是構(gòu)成諧振式傳感器的條件；由RDO（C）組成的信號(hào)檢測(cè)、輸出環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)被測(cè)量的手段。

　　諧振式傳感器的類型及其優(yōu)缺點(diǎn)

　　諧振式傳感器的類型

　　諧振式傳感器的種類很多，大體分為兩類：一類是基于機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)諧振式傳感器；另一類是MOS環(huán)振式諧振傳感器。其中機(jī)械式諧振式傳感器應(yīng)用最廣。機(jī)械式諧振傳感器的振子可以有不同的結(jié)構(gòu)形式，圖所示為常見的a 張絲狀、b 膜片狀、c 筒狀、d 梁狀等，相應(yīng)的有振動(dòng)弦式、振動(dòng)膜式、振動(dòng)筒式、振動(dòng)梁式等諧振傳感器之分。

　　通常振子的材料采用諸如鐵鎳恒彈合金等具有恒彈性模量的所謂恒模材料。但這種材料較易受外界磁場(chǎng)和周圍環(huán)境溫度的影響。石英晶體在一般應(yīng)力下具有很好的重復(fù)性和最小的遲滯，其諧振子的品質(zhì)因素Q值極高，并且不受環(huán)境溫度影響，性能長(zhǎng)期穩(wěn)定，因此采用石英晶體作為振子可制成性能更加優(yōu)良的壓電式諧振傳感器。其振子通常采用振膜或振梁形狀，但按振子上下表面形狀它又分為e 扁平形、f 平凸形和g 雙凸形三種，如圖2所示。表1給出了各種類型機(jī)械式諧振傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。

　　諧振式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域

　　諧振式傳感器的設(shè)計(jì)

　　諧振式傳感器的振子是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為頻率變化的關(guān)鍵元件，它對(duì)傳感器的精度、靈敏度和穩(wěn)定性等有很大影響，因此對(duì)它的設(shè)計(jì)要求較高，主要可從下述幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

　　（1） 減小非線性

　　諧振式傳感器的特性曲線幾乎都是非線性的。選擇合適的工作點(diǎn)和最佳工作頻段對(duì)減小非線性非常重要。為獲得較高的測(cè)量精度，必須在轉(zhuǎn)換電路中進(jìn)行非線性校正。

　　（2） 提高靈敏度

　　可通過適當(dāng)選擇下面振子有關(guān)參數(shù)來提高靈敏度：密度、彈性模量、泊松比等材料物理特性參數(shù)；厚度、半徑、長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)；初始諧振頻率，預(yù)加載荷等。壓電式諧振傳感器采取圍壓加載方式時(shí)，其靈敏度最高。

　　（3） 提高穩(wěn)定性

　　首先，應(yīng)選擇強(qiáng)度高、參數(shù)穩(wěn)定的振子材料，如石英晶體，琴鋼絲，鐵鎳橫彈合金等；其次，應(yīng)選擇Q值較大的振子，Q值越大，諧振頻率的穩(wěn)定性越高，傳感器的工作也越穩(wěn)定，抗外界干擾的能力越強(qiáng)，其重復(fù)性也就越好；再次，要盡量提高材料的彈性極限，保證在最大載荷下，材料彈性變形為材料彈性極限的1/3～1/2以下；最后，結(jié)構(gòu)上最好作成一體的，否則振子與其它部分的連接必須具有很強(qiáng)的抗滑能力。

　　（4） 減小溫度誤差

　　由于構(gòu)成傳感器的材料受溫度影響，均將產(chǎn)生溫度變形，造成輸出信號(hào)的不穩(wěn)定。為減小溫度的影響，可采取下面措施：采用零溫度系數(shù)的材料，或溫度系數(shù)恒定的材料，而且其彈性模量受溫度影響小；采用線路補(bǔ)償；采取恒溫措施；傳感器設(shè)計(jì)成封閉系統(tǒng)，使傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)自身達(dá)到熱補(bǔ)償；對(duì)因溫度變化而影響振子諧振頻率變化的傳感器部分，通過選取適當(dāng)?shù)某叽绾蜏囟认禂?shù)，保持脹縮平衡。

　　諧振式傳感器的應(yīng)用

　　諧振式傳感器因輸出為頻率信號(hào)而具有高精度、高分辨率、高抗干擾能力、適于長(zhǎng)距離傳輸、能直接與數(shù)字設(shè)備相連接的優(yōu)點(diǎn)；又因無活動(dòng)部件而具有高穩(wěn)定性和高可靠性，并可能制造出精度極高的傳感器（目前可以做到精度超過萬分之一）。它的缺點(diǎn)是，要求材料質(zhì)量較高，加工工藝復(fù)雜，所以生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本較高；另外，其輸出頻率與被測(cè)量往往是非線性關(guān)系，需進(jìn)行線性化處理才能保證良好的精度。

　　由于諧振式傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)，已迅速發(fā)展成為一個(gè)新的傳感器家族，可用于多種參數(shù)的測(cè)量，例如壓力、位移、加速度、扭矩、密度、液位等。諧振式傳感器主要用于航空、航天、計(jì)量、氣象、地質(zhì)、石油等行業(yè)中。