2′5′0.3mm，采用简支式结构，两支点距离为10mm；中间受力，应力应变方式为N区受压应力；条状P铜弹性体，厚度为0.2mm；试验环境温度为25.4℃。测试数据如表2所示。
表2 输出频率与力载荷关系测试数据
序号
力载荷F(g)
加载输出频率(kHz)
卸载输出频率(kHz)
样件1#
样件2#
样件1#
样件2#
1
0
1.476
1.480
1.475
1.474
2
50
1.482
1.486
1.484
1.480
3
100
1.491
1.489
1.491
1.483
4
150
1.493
1.494
1.490
1.487
5
200
1.505
1.502
1.503
1.490
6
250
1.511
1.509
1.511
1.492
7
300
1.515
1.516
1.511
1.502
8
350
1.520
1.516
1.518
1.510
9
400
1.527
1.527
1.526
1.526
10
450
1.529
1.533
1.529
1.535
11
500
1.538
1.538
1.544
1.538
12
550
1.540
1.547
4.543
1.541
13
600
1.544
1546
1.544
1.546
按表2，样件2#﹙加载﹚所测数据，经计算机绘图可得回归线如图14所示。由于封装结构尚未定型测试数据有一定误差，但初步实验表明，在这种施力方式下，输出频率f与力载荷成正比，在一定施力范围内近似呈线性关系，且回差较小。随力载荷量程加大，非线性度要增加。回归处理后，力的平均频率灵敏度SF为：
Hz/g
约每10g 改变1Hz。力灵敏度和回差是力敏Z-元件的重要技术指标。需要指出的是：灵敏度和回差与力敏Z-元件的特征参数、形状与尺寸、弹性体材质与厚度、封装结构以及受力方式等诸多因素有关。许多问题也需进一步研究与探讨。需按用户需求进行结构定型与标准化生产。
四、新型V/F转换器
1．概述
目前正在研制或在线使用的各种传统传感器，因只能输出模拟电压或模拟电流信号，应称为模拟传感器。模拟传感器是模拟仪表或模拟信讯时代的产物，主要缺点是输出幅值小，灵敏度低，不能与数字计算机直接通讯。人类进入数字信息化时代后，以数字技术支撑的数字计算机已十分普及，现代数字计算机要求处理数字信号，而模拟传感器因受材料、器件的限制，仍只能输出低幅值的模拟信号，不能与计算机直接通讯，已成为制约信息产业发展的瓶颈问题。为了使模拟传感器能与计算机实现通讯，目前是采取把输出信号进行放大再加以A/D转换，即把现行的模拟传感器加以数字化的方法来与数字计算机相适应。虽然在信息采集与处理过程中电路复杂，硬件成本增加，但由于目前能直接输出数字信号的数字传感器为数不多，这种模拟传感器数字化的方法仍发挥着巨大的作用。
本部分利用Z-元件构成一种新型的V/F转换器，它能把模拟传感器输出的电压信号变成能被数字计算机识别的频率信号，提供了一种模拟传感器数字化的新方法。该方法与采用A/D转换器方案相比，具有电路简单、成本低、体积小、输出幅值大、灵敏度高、输出线性度好、能与计算机直接通讯等一系列优点，可做为模拟传感器与计算机之间的重要接口，在信息产业中具有广泛的应用前景。
2．电路组成与工作原理
Z-元件是一种新型的半导体开关元件，当其两端电压达到一定阈值(即阈值电压Vth)时，可从高阻状态跳变到低阻状态；而当其两端电压小于一定阈值(即导通电压Vf)时，又可从低阻状态跳变到高阻状态。利用这一特性可方便地开发V/F转换器。
由Z-元件构成的V/F转换器如图15(a)所示，图15(b)为其中Z-元件的电路符号。在图15(a)所示电路中以电压E为输入，由于RL、C和Z-元件之间的充、放电作用，使电路始终处于自激振荡状态，其振荡频率f与输入电压E成正比，波形为锯齿波，其输出幅值可以很大，由选定的Z-元件参数而定。实现了模拟信号(电压E)到数字信号(频率f)的转换，可用于数字系统的触发。由于输出幅值大，它不需放大就可实现与计算机的直接通讯。
3．V/F转换器的传输特性
当基准温度TS=20℃时，输入电压E与输出频率f之间的传输特性如图16所示。由图16可知该传输特性具有良好的线性关系，其中Emin~Emax(相应于MN区间)是工作电压的极限范围，AB区间为可靠的工作量程范围，它决定于模拟传感器的输出和V/F转换电路的参数设计。
由于Z-元件是半导体开关元件，构成V/F转换器时，对温度也具有一定的灵敏度，即温度漂移。该温度漂移具有正温度系数，一般小于10Hz∕°C，当环境温度变化较大时，将引起检测误差。
如果该误差在允许范围内，可不做温度补偿。如果要求检测精度较高，特别是在高精度计量使用时，应考虑温度补偿技术。
由温漂引起的相对误差与输出频率范围(即量程)有关。若输出频率较高，相对误差较小，若输出频率较低，则相对误差较大。如果假定环境温度有±10℃的变化，引起输出频率变化的绝对误差为Df=100Hz，按全量程输出频率的平均值为f=2000Hz设计，这时由温漂引起的相对误差d=±0.5%/℃，可满足一般计量精度要求。为进一步提高计量精度，必须采取温度补偿技术。
参考文献：
. 傅云鹏等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(1)Z-元件及其应用开发综述，传感器世界，2001．2
. 周长恩等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(2)Z-元件的研制实践与工作机理的定性分析，传感器世界，2001．4
. 王健林等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(3)温敏Z-元件及其应用，传感器世界，2001．6
. 傅云鹏等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(5)Z-元件的温度补偿技术，传感器世界，2001．10
The Review of Z-element - (6)
Extension of Z-element’s Characteristics and Applications
Abstract：The Z-elements possess potential ability for further development . By researching the characteristics deeply, some new application can be developed. In this paper , some new type sensitive semiconductor are introduced such as impure gold g-Si thermistor, force-Z-sensor and V/F converter, which are developed by researching the work mechanism of Z-element deeply on the basis of Z-thermistor, photo-Z-element and magnito-Z-element. These elements possess many advantages such as simpler manufacturing technique, smaller volume and lower cost. In this paper, the characteristics, typical circuits and work principles of these new products are thoroughly introduced too.
Keywords：Thermistor, Impure gold g-Si thermistor, Z-element, Force-Z-sensor, V/F converter..
作者简介：
周长恩：哈尔滨诺威克传感技术公司高级工程师，哈尔滨市南岗区美顺街38号（150090），电话：0451-2333284
付佳晖：哈尔滨电缆厂
王一丁：哈尔滨自动化仪表研究所
作者：周长海 付佳晖 王一丁
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