### 谐振式传感器：关键技术与发展趋势 #### 引言 谐振式传感器作为一种将外部物理或化学变化转换为可测量的谐振频率变化的设备，在精密测量领域展现出巨大潜力。这种传感器的核心优势在于其高精度、高稳定性和易于数字化处理的能力。然而，其性能在很大程度上依赖于传感器的品质因素Q值，尤其是当Q值较低时，信号的微弱性和噪声的影响成为技术挑战。 #### 国内外研究现状 **1.1 高Q值传感器的谐振频率测量** 对于具有高Q值的谐振式传感器，测量谐振频率相对直接。通常采用的方法是频率扫描，通过生成随时间线性变化的正弦波（Chirp信号）来激励传感器。这种技术类似于阻抗分析仪的工作原理，通过计算输入信号的自功率谱密度和输入输出信号的互相关性，最终获得传感器的频率响应。这种方法原理清晰，实现便捷，在国内外得到广泛应用。 **1.2 低Q值传感器的谐振频率测量** 对于低Q值传感器，传统的扫频方法由于信号微弱和噪声干扰，难以直接获取准确的谐振频率。此时，需要先通过微弱信号处理技术提高信号与噪声的比值，常见的处理技术包括： - **锁相放大（相干检测）**：利用信号与信号之间的完全相关性，以及信号与噪声之间的不相关性，通过互相关运算从强噪声中提取信号的振幅和相位信息。 - **取样积分法**：通过取样门和积分器对信号进行逐次取样和同步积累，有效筛除噪声，恢复被噪声淹没的快速变化周期性信号。 - **信号平均**：采用实时多点取样和周期平均技术，从噪声中提取和复制低频信号波形，输出特性表现为梳状滤波器。 **1.3 闭环自激系统** 另一种有效的测量策略是构建闭环自激系统，将传感器作为闭环系统的一部分，直接获取稳定的数字信号输出。闭环控制系统能够通过反馈机制调整输出，从而消除偏差，确保系统的精确运行。对于谐振式传感器而言，闭环系统可以显著提高其性能，尤其是在低Q值条件下。 #### 关键技术成果 谐振式传感器的研究主要集中在改进其频率测量的准确性和稳定性。**前端信号处理方法**关注于如何增强信号质量，减少噪声干扰，而**后端谐振频率测量**则侧重于优化算法和硬件设计，提高测量精度和速度。 #### 存在的问题 尽管谐振式传感器展现出卓越的性能，但低Q值传感器的频率测量仍然面临挑战，如信号处理复杂度增加和成本上升。此外，如何在保持高性能的同时降低成本，实现大规模商业化应用，是当前研究亟需解决的关键问题。 #### 发展趋势 随着微电子技术和信号处理技术的进步，谐振式传感器有望实现更小体积、更高灵敏度和更低功耗。未来的研究方向可能包括： - **集成化技术**：将信号处理电路与传感器一体化，简化系统结构，降低生产成本。 - **智能化算法**：开发更高效的信号处理算法，提高传感器的智能识别和适应能力。 - **新材料应用**：探索新型材料，如石墨烯和纳米材料，以提高传感器的Q值和稳定性。 #### 结论 谐振式传感器凭借其独特的性能优势，在多个领域展现出广阔的应用前景。然而，面对低Q值传感器的测量难题，需要综合运用先进的信号处理技术和创新的系统架构，以实现更高效、更经济的频率测量方案。随着技术的不断进步，谐振式传感器有望成为未来精密测量领域的核心技术之一。

提出了一种新颖的微机械谐振式微流量传感器。该传感器采用电磁激励方式。传感器主要由1个3μm厚H型谐振器、1个40μm厚的悬臂梁平板(2000μm×5000μm)以及连接平板和框架的2根40μm厚的支撑梁组成。谐振器采用低应力富硅氮化硅SiN制作,可以方便地使用湿法腐蚀释放谐振器,从而简化工艺流程,提高成品率。文中分析了理论模型、有限元仿真(FEA)、工艺制造和测试结果。测试结果显示,传感器在1 SLM(标准L/min)流量下,频率漂移为500 Hz,分辨率达到5/1000。但在输出(谐振器频率漂移)和输入(气体流量)间存在二次曲线关系。

近些年人们对磁耦合谐振式无线充电电能传输的研究相当火热，传统的电路拓扑结构的研究已经相当地完善，本文基于较为新颖的LCC-P电路拓扑结构展开研究，依据电路相关理论推导出了系统传输效率的表达式。通过ANSYS Maxwell仿真软件，建立了线圈模型，分析了线圈参数，再将模型导入ANSYS Simplorer仿真软件，对磁耦合谐振式无线电能传输系统进行联合仿真。结果表明：电能传输效率随着负载的增大而减小；随着发射端串联谐振电感的增大而增大，且变化趋势较明显。仿真实验验证了理论的正确性。

基于谐振式光纤陀螺差频检测的高精度频率计设计_陀螺.docx

新型E类功放谐振式无线电能传输系统，唐治德，杨帆，由于谐振式无线电能传输系统的整体性能受功率源所约束，本文提出以最佳频率为参数，通过综合分析后选择E类功放作为功率源，因元�

针对传统接触式供电模式的不足，设计了一种小功率磁耦合谐振式无线供电系统，以此研究该系统的传输特性。主要利用电路耦合理论，建立系统的等效电路模型，并借助MATLAB仿真分析系统参数对传输特性的影响，包括谐振频率、负载阻值和耦合系数，最终搭建了小功率无线供电系统试验平台，对系统的传输特性进行了试验验证。传输特性试验结果与MATLAB仿真分析结果具有较高的吻合度，表明设计的小功率磁耦合谐振式无线供电系统能够进行良好的无线能量传输，同时也为小功率无线充电设备的发展提供新思路。

针对在磁耦合谐振式无线输电系统中发射线圈和接收线圈之间发生平行不共轴的水平侧移问题,分别采用互感耦合理论和二端口网络理论对其进行建模分析,并通过数学推导得出用s参数表示的归一化功率和传输效率表达式。运用HFSS软件仿真了系统在过耦合、临界耦合和欠耦合状态下,水平侧移量对系统传输性能的影响;提出一种用于改善系统的优化结构。最后,通过实验验证了仿真结果,并验证所提出的优化结构可有效消除侧移所带来的负面影响,改善系统传输效率。

应用于谐振式光纤陀螺的双相位锁相放大器的设计

针对磁耦合谐振式无线电能传输系统存在负载特性差、传输效率低的问题，本文提出一种基于LCC-P（LCC-并联）型复合拓扑结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统，利用电路理论和互感耦合理论计算出系统的传输效率和输出功率表达式，并给出参数配置方法。通过Matlab软件分析系统传输效率和输出功率随负载电阻、耦合系数、频率变化的三维关系图。最后利用PSIM进行相关实验验证，结果表明LCC-P型磁耦合谐振式无线电能传输系统的负载特性较好，频率特性一般，具有较高的输出功率和传输效率。

分析了4种磁耦合谐振式无线电能传输拓扑结构模型的输出功率、传输效率与频率、负载、距离的关系,得出结论:发射线圈电感电容串联、接收线圈电感电容并联的拓扑结构更适用于低频率、大负载、远距离的情况;发射线圈和接收线圈电感电容均串联的拓扑结构更适用于较近距离、较高频率、较小负载的情况。通过Matlab仿真得出在相同参数下4种拓扑结构模型的输出电压、电流波形,验证了理论分析的正确性。