谐振式传感器是传感技术中非常重要的一个研究方向，在压力、湿度、温度、加速度、质量流量、气体浓度、生物分子识别（如免疫传感器）、力（如原子力显微镜中的悬臂梁）的测量以及磁场检测等方面都有应用。本书系统地总结了谐振式传感器的基本原理、设计实现方法以及工程应用技术，包括谐振传感理论、谐振器的激励及检测方式、电子式与机电式谐振传感器的工作原理及实现技术等，并对谐振式传感器的信号获取技术进行了全面的总结概括与深入分析。

    本书可供从事传感器及测试系统研究开发工作的专业技术人员阅读，也可作为高等院校相关专业读者的参考用书。

    谐振是一种广泛存在的现象，不仅在单纯的机械、化学、光、磁、电系统中存在，而且在各种涉及上述多个能量域之间相互能量转换过程的系统中，也可以观察到谐振现象。谐振式传感器工作于系统的谐振状态，此时系统以最低的损耗维持输入能量，而对于工作于谐振状态的敏感系统，环境参数的微量变化对系统特性参数的调制作用得到增强，因此，谐振式传感器具有功耗低、输出信号的信噪比高、抗干扰性强等诸多优点。随着数字电路技术的快速发展及广泛应用，谐振式传感器成为传感技术中非常重要的一个研究方向。

    谐振式传感器大致可分为电子式与机电式两类。电子式谐振传感器包括电容谐振传感器、电感谐振传感器、电涡流谐振传感器。机电式谐振传感器包括机械式谐振传感器、压电谐振传感器以及近年来迅速发展起来的微型谐振式传感器。机械式谐振传感器相对比较成熟，如振弦、振筒、振膜式传感器等已经有了悠久的研究与应用历史。压电谐振传感器采用具有压电特性的材料制成压电谐振器作为敏感元件，这类传感器的工作频率较高，可以得到具有很高Q值的谐振式传感器，应用范围广泛。微型谐振式传感器利用微加工工艺制作谐振器，并进而形成谐振式微传感器，已经成为微传感器的主要实现形式之一。

    从应用角度来看，谐振式传感器的种类非常多，在压力、湿度、温度、加速度、质量流量、气体浓度、生物分子识别（如免疫传感器）、力（如原子力显微镜中的悬臂梁）的测量以及磁场检测等方面都有应用。谐振式传感器中的谐振器一般制成尺寸比较大的器件，利用各种物理或化学效应，被测参量被转换为谐振器的质量、弹性系数或其他参量的变化。常见的谐振器形状如悬臂梁、单端或双端音叉等。振动式陀螺工作于匹配良好的谐振驱动状态，因此也被归为谐振式传感器。

    本书系统地总结了谐振式传感器的基本原理、设计实现方法以及工程应用技术，包括谐振传感理论、谐振器的激励及检测方式、电子式与机电式谐振传感器的工作原理及实现技术等，并对谐振式传感器的信号获取技术进行了全面的总结概括与深入分析。书中在总结著者多年从事谐振式传感器研究的工作经验与科研成果的同时，尽可能全地收录了国内外文献报道中关于谐振式传感器的理论和成果，着力反映这一研究方向的当代发展水平，为读者全面了解谐振式传感器提供尽可能全面的资料。

    由于作者水平所限，书中难免存在不当之处，恳请读者不吝赐教。

1系统的谐振与谐振式传感器

1.1谐振系统对外界参量的敏感特性

1.1.1谐振式传感器的能量转换

1.1.2机械系统的谐振

1.1.3谐振传感系统的检测参数

1.2谐振传感系统的组成

1.2.1二阶系统的串联谐振与并联谐振

1.2.2基于闭环振荡电路的谐振式传感器

1.2.3谐振式传感器的其他检测方式

1.3几种常见的谐振式传感器

1.3.1振弦式传感器

1.3.2谐振筒式传感器

1.3.3科里奥利质量流量传感器

1.3.4压电谐振式传感器

1.3.5声表面波传感器

参考文献

2谐振传感系统的激励与检测

2.1谐振器的振动激励

2.1.1电磁激励

2.1.2静电激励

2.1.3压电激励

2.1.4电热激励

2.2谐振器的振动检测

2.2.1电容检测

2.2.2压电检测

2.2.3压阻检测

2.3谐振式传感器的激励与检测

2.3.1振动的激励与检测

2.3.2谐振器的设计参数

参考文献

3电子式谐振传感器

3.1电容谐振传感器

3.1.1电容测量原理

3.1.2电容检测电路

3.1.3电容谐振传感器的电路实现

3.2电感谐振传感器

3.2.1自感式电感传感器

3.2.2互感式电感传感器

3.2.3电涡流传感器

3.3电涡流谐振传感器

3.3.1电涡流位移传感器

3.3.2电涡流无损检测传感器

3.3.3几种新型电涡流传感器

参考文献

4石英晶体谐振器及其敏感特性

4.1石英晶体的物理性质

4.2石英晶体谐振器

4.2.1石英晶体谐振器的等效电路

4.2.2体声波石英晶体谐振器

4.2.3声表面波延迟线及声表面波谐振器

4.3石英晶体谐振器的敏感特性

4.3.1压电谐振式传感器的类型

4.3.2体声波谐振器的表面敏感特性

4.3.3声表面波谐振器的表面敏感特性

4.3.4石英谐振式传感器的参数检测

4.4石英谐振式传感器的典型应用

4.4.1温度传感器

4.4.2力、应力及压力传感器

4.4.3石英角速度传感器

4.4.4薄膜厚度及沉积速率检测

参考文献

5厚度剪切应变敏感型传感器

5.1厚度剪切石英晶体谐振器的力频特性

5.1.1石英晶体谐振器的力频特性

5.1.2压电薄板的运动微分方程

5.1.3带有电极石英晶片的运动方程

5.1.4厚度剪切振动石英晶体谐振器的力频系数

5.2石英谐振式力敏元件的设计

5.2.1加载力对谐振器能陷效应的影响

5.2.2力敏谐振器的参数设计

5.2.3非理想加载下的力敏谐振器

5.3组合结构的石英谐振式力传感器

5.3.1石英晶体谐振器的基本加载结构

5.3.2直接加载的石英谐振式力传感器

5.3.3间接加载的石英谐振式力传感器

5.4传感器的温度特性

5.4.1加力方向角与传感器的温度特性

5.4.2谐振器的双模式温度自测

参考文献

6石英谐振式质量敏传感器

6.1石英晶体谐振器的表面声负载敏感特性

6.1.1石英晶体微天平

6.1.2表面流体对谐振器参数的影响

6.1.3表面敏感膜对谐振器参数的影响

6.1.4谐振公式在传感器研制中的应用

6.2石英晶体谐振器在流体环境中的振荡行为

6.2.1石英晶体谐振器的检测电路

6.2.2石英晶体谐振器的特征阻尼

6.3石英晶体谐振器在气相检测中的应用

6.3.1表面敏感膜对气体分子的吸附

6.3.2气体检测装置

6.3.3用于气相检测的石英谐振式传感器

6.4石英晶体谐振器在液相检测中的应用

6.4.1液相检测时的频率偏移

6.4.2液相检测的典型应用

6.4.3电化学石英晶体微天平

参考文献

7声表面波传感器

7.1固体中的声表面波

7.1.1固体的应力、应变与压电效应

7.1.2压电材料中声波的传播

7.1.3声表面波的基本类型

7.2声表面波传感器的基本原理

7.2.1叉指换能器

7.2.2声表面波谐振器的等效电路

7.2.3石英晶体声表面波谐振器的设计

7.2.4声表面波谐振器的设计与制作实例

7.3声表面波传感器及其应用

7.3.1振荡电路

7.3.2声表面波物理量传感器

7.3.3声表面波化学量传感器

7.4无源无线声表面波传感器

7.4.1声表面波谐振器的无线访问

7.4.2声表面波延迟线的无线访问

参考文献

8谐振式微传感器

8.1微型谐振器

8.1.1谐振器材料

8.1.2谐振器的设计

8.1.3传感器中应用的谐振器

8.2硅谐振式压力传感器

8.2.1压力的测量

8.2.2基于单谐振梁的压力传感器

8.2.3基于谐振平板的压力传感器

8.3硅谐振式惯性传感器

8.3.1加速度微传感器的基本原理

8.3.2谐振式加速度微传感器

8.3.3 微陀螺

8.4硅谐振式化学生物量微传感器

8.4.1微悬臂梁传感器

8.4.2微悬臂梁传感器的特性参数

8.4.3基于微悬臂梁的化学生物量传感器

参考文献

9谐振式传感器的数据获取

9.1传感器中的准数字信号

9.1.1数字传感器中输出信号的类型

9.1.2准数字信号的基本形式

9.1.3被测参量到准数字信号的转换

9.2准数字信号的频率与周期测量方法

9.2.1频率测量法

9.2.2周期测量法

9.2.3频率的混合测量方法

9.2.4相位的测量

9.3准数字信号的软硬件协同测量

9.3.1基于傅里叶变换的频率测量系统

9.3.2基于现场可编程门阵列的频率测量方法

9.3.3高频率传感器信号的低速测量方法

9.4谐振式传感器的测量系统

9.4.1传感器的信号输入通道

9.4.2准数字信号的多通道数据获取系统

9.4.3多通道数据获取系统的主要误差

参考文献

Contents

1System resonation and resonant sensors

1.1Sensing characteristics of resonant system to environmental parameters

1.1.1Energy transduction of resonant sensors

1.1.2The resonation of mechanical systems

1.1.3The detection parameters of resonant sensing system

1.2The construction of resonant sensing system

1.2.1Series and parallel resonance of secondorder systems

1.2.2Resonant sensor based on closedloop oscillator

1.2.3Other measurement methods for resonant sensors

1.3Some conventional resonant sensors

1.3.1Vibrating wire sensors

1.3.2Vibrating cylinder sensors

1.3.3Coriolis flow meters

1.3.4Piezoelectric resonant sensors

1.3.5Surface acoustic wave sensors

References

2Excitation and detection of resonant sensing system

2.1Vibration excitation of resonators

2.1.1Magnetic excitation

2.1.2Electrostatic excitation

2.1.3Piezoelectric excitation

2.1.4Electrothermal excitation

2.2Vibration detection of resonators

2.2.1Capacitive detection

2.2.2Piezoelectric detection

2.2.3Piezoresistive detection

2.3Excitation and detection of resonant sensors

2.3.1Excitation and detection of Vibration

2.3.2Design parameters of resonators

References

3Electrical resonant sensors

3.1Capacitive resonant sensors

3.1.1Principles of capacitive measurement

3.1.2Measurement circuits for capacitance

3.1.3Electrical implementation of capacitive resonant sensors

3.2Inductive resonant sensors

3.2.1Selfinductiontype inductive sensors

3.2.2Mutualinductiontype inductive sensors

3.2.3Eddycurrent sensors

3.3Eddycurrent resonant sensors

3.3.1Eddycurrent displacement sensors

3.3.2Eddycurrent sensors in nondestructive detection 

3.3.3Some novel eddycurrent sensors

References

4Quartz crystal resonator and its sensing characteristics

4.1Physical characteristics of quartz crystal

4.2Quartz crystal resonators

4.2.1Equivalent circuits of quartz crystal resonators

4.2.2Bulk acoustic wave quartz crystal resonators

4.2.3Surface acoustic wave delayline and Surface acoustic wave resonators

4.3Sensing characteristics of quartz crystal resonators

4.3.1Type of piezoelectric resonant sensors

4.3.2Surface sensing characteristics of bulk acoustic wave resonators

4.3.3Surface sensing characteristics of surface acoustic wave resonators

4.3.4Parameter measurement for quartz resonant sensors

4.4Typical application of quartz resonant sensors

4.4.1Temperature sensors

4.4.2Force，stress and pressure sensors

4.4.3Quart angular velocity sensors

4.4.4Measurement of film thickness and deposition rate

References

5Thickness shear stresssensitive sensors

5.1Forcefrequency characters of thickness shear quartz crystal resonators

5.1.1Forcefrequency characters of quartz crystal resonators

5.1.2Movement differential equations of piezoelectric thin plates 

5.1.3Movement equations of quartz crystal plate with electrodes

5.1.4Forcefrequency coefficient of thickness shear vibrating quartz crystal resonators

5.2Design of quartz resonant forcesensitive elements 

5.2.1Influences of applied force to energytrap effect in resonators 

5.2.2Parameter design of forcesensitive resonators

5.2.3Forcesensitive resonators under nonideal loading

5.3Assembled structure quartz resonant force sensors

5.3.1Basic loading structures of quartz crystal resonators

5.3.2Directloaded quartz resonant force sensors

5.3.3Indirectloaded  quartz resonant force sensors

5.4Temperature characters of sensor

5.4.1Forceloading orientation and sensor temperature characters

5.4.2Dualmode temperature selfmonitoring of resonators

References

6Quartz resonant masssensitive sensors

6.1Surface acousticloading sensing characteristics of quartz crystal resonators

6.1.1Quartz crystal microbalance

6.1.2Influences of surface liquid to resonator parameters 

6.1.3Influences of surface sensitive films to resonator parameters 

6.1.4Application of resonant equations in sensor development

6.2Vibration performance of quartz crystal resonators in liquid environment

6.2.1Measurement circuits for quartz crystal resonators

6.2.2Specific damping of quartz crystal resonators

6.3Applications of quartz crystal resonators in gasphase measurement

6.3.1Adsorption of surface sensing film to gas molecules

6.3.2Devices for gas measurement

6.3.3Quartz resonant sensors for gasphase measurement

6.4Applications of quartz crystal resonators in liquidphase measurement

6.4.1Frequency shift in liquidphase measurement

6.4.2Typical applications of liquidphase measurement

6.4.3Electrochemical quartz crystal microbalance

References

7Surface acoustic wave sensors

7.1Surface acoustic wave in solid

7.1.1Stress，strain of solid and piezoelectric effect

7.1.2Acoustic wave propagation in piezoelectric materials

7.1.3Basic types of surface acoustic wave

7.2Basic principle of surface acoustic wave sensors

7.2.1Interdigital transducers

7.2.2Equivalent circuit of surface acoustic wave resonator

7.2.3Design of quartz crystal surface acoustic wave resonators 

7.2.4Examples of surface acoustic wave resonators 

7.3Surface acoustic wave sensor and its applications

7.3.1Oscillating circuits

7.3.2Surface acoustic wave physical sensors

7.3.3Surface acoustic wave chemical sensors

7.4Wireless passive surface acoustic wave sensors

7.4.1Wireless interrogation of surface acoustic wave resonators

7.4.2Wireless interrogation of surface acoustic wave delaylines

References

8Resonant microsensors

8.1Microresonators

8.1.1Materials for resonators

8.1.2Design of resonators

8.1.3Resonators utilized in sensors 

8.2Silicon resonant pressure sensors

8.2.1Pressure measurement

8.2.2Pressure sensors based on resonant beams 

8.2.3Pressure sensors based on resonant diaphragm 

8.3Silicon resonant inertia sensors

8.3.1Basic principles of acceleration microsensors

8.3.2Resonant acceleration microsensors

8.3.3Microgyro

8.4Silicon resonant biochemical microsensors

8.4.1Cantilever microsensors

8.4.2Parameters of Cantilever microsensors

8.4.3Biochemical sensors based on micro cantilevers 

References

9Data acquisition of resonant sensors

9.1Quasidigital signals in sensors

9.1.1Types of output signals in digital sensors

9.1.2Basic types of quasidigital signals

9.1.3Transduction from measurants to quasidigital signals

9.2Frequency and period measurement method for quasidigital signals

9.2.1Frequency measurement methods

9.2.2Period measurement methods

9.2.3Mixed measurement methods for frequency

9.2.4Phase measurement

9.3Software/hardware comeasurement of quasidigital signals

9.3.1Frequency measurement system based on Fourier transformation 

9.3.2Frequency measurement method based on Fieldprogrammablegatearray

9.3.3Lowrate measurement method for high frequency sensor signals

9.4Measurement system for resonant sensors

9.4.1Input channel for sensor signals

9.4.2Multichannel data acquisition system for quasidigital signals

9.4.3Main errors in multichannel data acquisition system

References