傳感器設計論文范文

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第1篇

1.彈性元件的虛擬模型根據導體材料的應變電阻效應，電阻的相對變化與應變之間的關系。為了獲得電橋輸出與載荷的關系，需要構建彈性元件的數學模型。電阻式傳感器的彈性元件結構有圓筒式、柱環式、懸梁式和輪輻式四種基本類型，各種不同的結構型式的彈性元件應變ε與載荷F的關系如下所示。（1）柱筒式彈性元件其中E為彈性模量，A為橫截面積。（2）柱環式彈性元件其中R0為內環半徑，b為柱環寬度，h為柱環厚度，E為彈性模量。（3）懸梁式彈性元件其中l為有效長度，b為懸梁寬度，h為懸梁厚度，E為彈性模量。（4）輪輻式彈性元件其中b為輪輻條厚度，h為輪輻條寬度，G為剪切模量。將四種彈性元件類型設計在一個子VI中，通過操作“彈性元件類型”下拉列表進行選擇。

2.虛擬電橋模型電橋是目前常用的電阻式傳感器測量電路，整個電橋電路由四個橋臂組成，當橋臂接入應變電阻時則成為應變電橋。當有一個臂被接入應變電阻時，被稱為單臂電橋；兩個臂被接入應變電阻時則為雙臂電橋（也稱半橋）；四個臂均被接入應變電阻時則稱為全橋。在橋路中均未接入應變電阻時。

3.電阻屬性和接橋方式設計前面板（如圖1所示）上電橋部分的電阻屬性分為固定電阻、應變電阻和平衡電阻三種，應變電阻的貼片方式分為受拉應力和受壓應力。（1）電阻屬性。圖1中的電阻R1的屬性只有兩種：應變電阻和固定電阻。該屬性通過操作“R1”設置開關進行選擇。若R1為應變電阻屬性，其阻值會隨載荷F的增減而產生相應的ΔR1以及因溫度變化產生的ΔR1t。電阻R2的屬性與R1相同。通過操作“R2”設置開關可以選擇R2的屬性。若R2作為應變電阻，則會隨載荷F的增減而產生相應的ΔR2以及因溫度變化產生的ΔR2t。若操作“差動設置”開關，則可使R2的受力方式為受壓應力，從而會隨載荷F的增減而產生相應的-ΔR2以及因溫度變化產生的ΔR2t。R3，R4需要參與調平電路的設計，因此接線也會相對復雜。通過操作“R3”和“R4”設置開關對該電阻進行屬性操作。圖中出現的Rr顯示框為調零電路中的R5的右半部分與R6串聯然后再與R3并聯后的阻值。Rl顯示框為R5的左半部分與R6串聯后再與R4并聯后的阻值。（2）接橋方式的設計。虛擬前面板上的電橋工作方式分別為：不工作、單臂工作，半橋工作和全電橋工作方式四大類型。對于半橋和全橋方式，其中應變片又分為差動和非差動兩種布片方式。不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都設置成固定電阻。該方式無論怎樣施加外力，輸出始終為零。單臂工作時將R1設置為應變電阻，R2、R3、R4設置為固定電阻。此時，按“R1”按鈕，“R1”按鈕變綠，圖中應變電阻R1如果顯示向上的箭頭，表明該應變電阻受拉應力，對應電阻值增大；如果應變電阻R1顯示向下的箭頭，表明該應變電阻受壓應力，對應電阻值減小。半橋非差動工作時，R1、R2設置為應變電阻，R3、R4設置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時電阻R1、R2上的箭頭方向一致，表示應變片受到相同性質的應力，此時電橋輸出基本為零。半橋差動工作時，R1、R2設置為應變電阻，R3、R4設置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時電阻R1顯示向上箭頭，R2顯示向下的箭頭，表示對應的應變片受到拉應力和壓應力。全橋非差動工作時R1、R2、R3、R4屬性均為應變電阻，此時，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按鈕，均變為綠色。四個電阻上的箭頭方向一致，表明四個電阻受相同性質的應力，此時電橋輸出基本為零。全橋差動工作時，“R1”、“R3”電阻箭頭向上，表示受拉應力；“R2”“R4”箭頭向下，表示受壓應力。

4.溫度誤差計算及補償在討論應變計的工作特性時通常是以溫度恒定為前提的，但在實際應用過程中，工作溫度可能會發生變化，從而導致應變電阻的阻值發生變化。設工作溫度變化為Δt℃，則由此引起粘貼在試件上的應變電阻的相對變化為。將公式（11）代入公式（7）-（10），即可以計算出溫度變化時的電橋輸出，該輸出即為溫度誤差。單臂工作時，采用補償塊法進行溫度誤差補償，該方法利用兩塊參數相同的應變計R1、R2，R1貼于試件上并接入工作臂，R2貼于與試件材料相同溫度環境的補償塊上，但該補償塊不參與機械應變，同時接入電橋相鄰臂作為補償臂。當接通電源并施加負載時，補償臂產生的熱輸出與工作臂產生的熱輸出相同，則可達到溫度誤差補償的目的。對于半橋差動和全橋差動工作方式，根據公式（10）的和差特性即能進行溫度誤差補償。5.非線性誤差計算及補償公式（10）是對公式（9）進行線性化后的輸出。對于單臂工作時，非線性誤差可以通過在電路中加入補償臂（該臂不受外加應力作用）。對于半橋差動和全橋差動工作方式，不需要外接補償電路，因為差動工作方式具有很好的非線性補償作用。

二、虛擬操作面板的設計

用LabVIEW軟件開發虛擬儀器，用戶能“量身定制”儀器的操作面板。本實驗根據真實的電阻式傳感器實驗電路接線圖作為虛擬儀器的操作面板，能直觀地闡述電阻式傳感器實驗原理及操作方式，虛擬面板如圖1所示，主要包括虛擬彈性元件選擇、應變電阻布片方式選擇、電橋接法選擇、電橋調零模塊、差動放大模塊、直流電源模塊。此外前面板還包括電阻、外力、溫度的賦值等。

三、遠程虛擬實驗的演示步驟

電阻式傳感器實驗的遠程操作分別由DataSocket技術與Web網絡工具來實現。DataSocket技術以及網絡化技術的結合使虛擬儀器的遠程控制成為可能，可在若干計算機上對傳感器虛擬實驗進行操作及數據處理。這為傳感器虛擬實驗的互動教學提升了便捷性。電阻式傳感器虛擬實驗的遠程操作過程如下：第一步，打開服務器網頁。第二步，輸入R1、R2、R3、R4的阻值。第三步，選擇彈性元件類型。第四步，設置接橋和布片方式。第五步，打開電源開關。第六步，調節調零電位計，直至電橋近似達到初始平衡狀態。第七步，點擊“施力F”按鈕。第八步，查看客戶端網頁，查看電橋輸出曲線。第十步，點擊服務器面板中的“復位鍵”，使所有選項、開關及輸入數據均清零和初始化。第十一步，關閉電源開關。

四、結束語

第2篇

1．1氣壓傳感器的結構設計

壓阻效應于1865年由LordKelvin首先發現，現在這個原理廣泛應用于傳感器原理中。當傳感器薄膜結構上的壓敏電阻受到外界壓力作用時會產生形變，使電阻率發生變化從而引起電信號的改變，這就是壓阻式壓力傳感器的工作原理。由此可見，壓敏電阻的變化與受到的壓力大小和壓阻系數有關。本文中的氣壓傳感器是基于硅的壓阻效應設計的，制備的氣壓傳感器芯片結構截面圖。傳感器結構由一個單晶硅彈性薄膜和集成在膜上的4個壓敏電阻組成，4個電阻形成了惠斯通電橋結構，當有氣壓作用在彈性膜上時電橋會產生一個與所施加壓力成線性比例關系的電壓輸出信號。

1．2氣壓傳感器制作工藝流程

整個流程主要是采用硅表面微加工工藝。與傳統的壓阻式壓力傳感器的加工方法相比，該工藝流程采用了外延單晶硅硅膜的工藝進行真空腔密封，這種方法可以克服傳統的濕法刻蝕工藝的缺點，加工出的單晶硅膜具有很好的機械性能。①首先，對硅襯底采用各向異性干法刻蝕，刻蝕出一道道約5μm深的淺槽。然后采用各向同性干法刻蝕，使淺槽下方形成一個連通的腔。②采用外延工藝，在襯底上進行單晶硅外延，并利用外延的硅材料將淺槽完全封住，從而在下面形成一個接近真空的密封腔。外延工藝如下:溫度為1135℃，采用的是H2，PH3等氣體，外延時的真空度為80torr。③在對外延硅層的局部區域進行小劑量硼離子注入。該部工藝主要是為了制作壓敏電阻，壓敏電阻主要位于膜四邊的中央。④對局部區域進行大劑量硼離子注入。該步工藝主要是要實現壓敏電阻條之間的歐姆連接，并為壓敏電阻的引出做準備。⑤在硅片表面生長一層氧化層及氮化層，用作絕緣介質層。⑥對氧化層和氮化層光刻并圖形化，形成接觸孔。⑦濺射金屬層并光刻圖形化，形成引線及壓焊塊。

2測試電路設計

此壓阻式氣壓傳感器，壓敏電阻初始電阻值為163Ω，滿量程輸出電阻變化最大為9Ω，針對此微小阻值變化量，本文中設計了一款專用接口測試電路。該測試電路主要包括STM32系列單片機及ADS1247模/數轉換模塊和液晶顯示模塊。電路應用時將惠斯通電橋輸出節點與測試電路連接起來，通過硬件和軟件的結合實現外界氣壓信號的檢測并轉化為數字電信號進行輸出，讀數在LCD顯示屏上進行顯示，測試電路板的說明如圖4所示，針對部分重要模塊的電路設計在下文說明。

2．1電源電路設計

測試系統中需要用到3．3V和5V兩種電壓(選用的STM32單片機規定工作電壓為2．0V～3．6V，ADS1247數/模轉換模塊模擬電源部分供電電壓為5V)，根據測試電路元件的需求，采用國產LM2940－5和LM1117－3．3兩個穩壓模塊來進行電源供電的設計。

2．2ADS1247模/數轉換電路設計

ADS1247是TI公司推出的一種高性能、高精度的24位模擬數字轉換器。ADS1247單片集成一個單周期低通數字濾波器和一個內部時鐘、一個精密(ΔΣ)ADC與一個單周期低通數字濾波器和一個內部時鐘。內置10mA低漂移電源參考和兩個可編程電流型數字模擬轉換器(DAC)。通過程序設置，在輸出電壓裕度內，DACS可為外部提供多種強度的電流，分別為50μA、100μA、250μA、500μA、750μA、1000μA、1500μA。除此之外，ADS1247還具有一個可編程放大器(PGA)，放大倍數可設置為1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍。

3氣壓傳感器性能測試分析

氣壓傳感器作為一種高空探測的工具，它的性能好壞直接影響到高空探測的準確性，針對本傳感器結構進行測試并從數據中對氣壓傳感器的靈敏度、線性度、測試精度進行了分析及擬合修正。

4結束與討論

第3篇

關鍵詞：微機電系統（MEMS）微機械陀螺（MMG）檢測

隨著科學技術的發展，許多新的科學領域相繼涌現，其中微米/納米技術就是諸多領域中引人注目的一項前沿技術。20世紀90年代以來，繼微米/納米技術成功應用于大規模集成電路制作后，以集成電路工藝和微機械加工工藝為基礎的各種微傳感器和微機電系統（MEMS）脫穎而出，平均年增長率達到30%。微機械陀螺是其中的一個重要組成部分。目前，世界各個先進工業國家都十分重視對MMG的研究及開發，投入了大量人力物力，低精度的產品已經問世，正在向高精度發展。

1微機械振動陀螺儀的簡要工作原理

陀螺系統組成見圖1，它由敏感元件、驅動電路、檢測電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅動器的差動電路上分別施加帶有直流偏置但相位相反的交流電壓，由于交變的靜電驅動力矩的作用，質量片在平行于襯底的平面內產生繞驅動軸Z軸的簡諧角振動。當在振動平面內沿垂直于檢測軸的方向（X方向）有空間角速度Ω輸入時，在哥氏力的作用下，檢測質量片便繞檢測軸（Y軸）上下振動。這種振動幅度非常小，可以由位于質量片下方、淀積在襯底上的電容極板檢測，并通過電荷放大器、相敏檢波電路和解調電路進行處理，得到與空間角速度成正比的電壓信號。

在科研及加工過程中，一個重要的內容就是檢測陀螺儀的特性，如工作狀態諧振頻率、帶寬增益、Q值等，于是就提出了微機械慣性傳感器檢測平臺的研制任務。根據陀螺儀的工作原理，整個儀器包括兩大部分：驅動信號發生部分和表頭的輸出信號檢測部分。驅動信號發生部分對待測的慣性傳感器給予適當的驅勸信號，使傳感器處于工作狀態。信號檢測部分要求檢測出微小電容變化，經過放大、解調處理后，將模擬量轉換成數字量采集到PC機中，分析輸出信號，以確定慣性表的特性。

2微電容檢測技術

在MMG檢測技術中，利用電容傳感器敏感試驗質量片在哥氏力作用下的振動角位移，獲取輸入角速率信號。由于陀螺儀的尺寸微小，為了得到10°/h的中等精度，要求電容測量分辨率達到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，對于微機械加速度計和向機械陀螺儀來說，檢測試驗質量和基片之間的電容變化是一個關鍵技術。目前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關電容前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關電容電路、單位增益放大電路和電荷放大電路。

2.1開關電容電路

其基本原理是利用電容的充放電將未知電容變化轉換為電壓輸出。該測量電路包括一個電荷放大器、一個采樣保持電路以及控制開關的時序，如圖2所示。

在測量過程中，先將未知電容（C1、C2）充電至已知電壓Vref，然后讓其放電。充、放電過程由一定時序控制，不斷重復，使未知電容總處于動態的充放電過程。C1、C2連續地放電，電流脈沖經過電荷放大器轉換為電壓。再經過采樣保持器，得到輸出Vc。將公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得電容檢測電路的傳遞函數為：

Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]

2.2單位增益放大器電路

AD公司與U.C.Berkeley聯合開發的ADXL50（5g的微機械加速度計）采用了單位增益放大電路。

圖3是單位增益放大器的等效電路。圖3中，Cp為分布電容，Cgs為前置級輸入電容，Rgs為輸入電阻。當載波頻率在放大器的通頻帶以內時，前置級輸入電阻可忽略不計。由圖3可午，前置級有用信號輸出為：

（Vs-Vout）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）

=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs

Rgs∞

Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs

分布電容Cp約為10pF，

輸入電容Cgs約為1～10pF，一般都大于傳感器標稱電容C0(1pF左右)。可以看出，它們的存在都極大地降低了電容檢測靈敏度。要提高電路靈敏度，就必須消除Cp、Cgs的影響，通常采用的措施等電位屏蔽。

2.3電荷放大器電路

電荷放大器電路如圖4所示。它采用具有低輸入阻抗的反相輸入運算放大器。其中Cp表示分布電容，Cf為標準反饋電容，Rf用來為放大器提供直流通道，保持電路正常工作。應選取Rf，使時間常數RfCf遠大于載波周期，以避免輸出波形畸變。但Rf過大為今后電路集成帶來不便。可以使用小阻值的電阻組成T型網絡，替代大阻值電阻。

若運算放大器具有足夠的開環增益，反相輸入端為很好的虛地，那么，兩輸入端點之間的電位差為零。因此，反相輸入端對地的分布電容Cp和放大器的輸入電容Cgs對電路測量不會造成影響。電荷放大電路相對于單位增益放大電路來說，結構要簡單，不需考慮等電位屏蔽問題；只需將雜散電容的影響轉化為對地的分布電容，即進行合理的對地屏蔽，就能獲得較好的效果。

盡管在電荷放大電路中，可以忽略掉輸入電容及反相輸入端對地的分布電容，但是在檢測微小電容變化時，輸出還是有很大的衰。這是由放大器輸入輸出端分布電容Cio造成的。當載波電壓頻率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止頻率時，輸出電壓Vout應該表示為：

Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs

3檢測平臺的系統構成及工作原理

該系統的工作原理如圖5所示。對慣性傳感器施以適當的激勵信號后，傳感器的動片即處于振動狀態，上下極板間的電容發生周期變化，采用電荷放大器電路將該信號提取出來，經交流放大、解調后通過A/D轉換變成數字量采集到微機中，觀察傳感器的輸出響應，為下一步利用軟件方法分析微機械慣性傳感器的時域、頻域特性打下基礎。

3.1激勵信號發生器

根據微機械輪式振動陀螺儀的工作原理，最多需要4路激勵信號。激勵信號為正弦波，每兩路相位相反。為了測量陀螺儀的頻率特性，需要不斷改變激勵信號的頻率。目前不同設計的陀螺儀諧振頻率在幾百赫茲到10千赫茲之間，激勵信號也需要在這個范圍內進行調節。另外，陀螺儀的驅動力矩等于驅動信號的交流分量與直流分量的乘積，所以還要施加正或負的直流偏置，使陀螺能處于正常工作狀態。交流相位和直流偏置組合見表1。

表1交流相位和直流偏置組合

直流偏置：++--交流信號：+-+-

一般的RC振蕩電路生成的正弦波頻率靠改變R、C值來調節，不能連續大范圍調節。所以，設計中采用數字方法合成模擬波形，其原理見圖6。圖6中8254為軟件可編程計數器。其包含3個獨立的16位計數器，計數最高頻率可達8MHz，設計中輸入3MHz的時鐘，將2個計數器串連使用，這樣可以增加頻率控制范圍。8254產生的方波信號作為后面并行計數器的計數脈沖輸入。并行計數器由2片74LS161組成8位二進制循環計數器。74LS161計數到最大值時會自動清零，重新開始計數，其輸出可作為E2PROM2817A的地址信號（即每個正弦周期內采樣點數為256個）。2817A的數據讀取時間為150ns。設計電路時將它的片選和讀信號均設為有效，以提高數據讀取速度。D/A轉換采用DAC-08電流輸出型D/A轉換器。電路輸出時間85ns，放大器采用高速高精度運放OP-37，同理，D/A轉換器的片選和轉換開始信號總為有效，其輸出跟隨輸入變化，提高轉換速度。實驗結果表明，此信號發生器完全可以生成10kHz以內可調頻的正弦波。而且使用可編程計數器8254，輸出正弦波的頻率可以用軟件方法調節。如果想輸出非正弦波形，只要修改E2PROM的數據，就可以輸出任意形狀的周期波形。

3.2低通跟蹤濾波器

數字信號發生器具有控制靈活的優點，但是輸出信號不夠平滑，其中會有臺階波。在對信號要求比較高的場合，還需要進行濾波。本設計中信號的頻率變化范圍很大：幾百赫茲到10千赫茲。為了進一步提高信號質量，采用AD633模擬乘法器構成低通跟蹤濾波器，其原理如圖7。

通帶的截止頻率是由電壓Ec控制的，輸出是OUTPUTA，截止頻率：

fc=Ec/[(20V)πRC]

OUTPUTB處是乘法器的直接輸出端，截止頻率與RC濾波器相同：

f1=1/(2πRC)

這種濾波器結構簡單，沒有開關電容，噪聲小，一般采用數模轉換器控制Ec，控制通帶頻率也比較容易。

3.3交流放大器

微機械慣性傳感器在施加激勵信號后，即處于振動狀態。傳感器有差動微電容量變化C0+ΔC和C0-

ΔC。采用電荷放大器電路提取出ΔC，此電壓信號仍然很彈，需要進一步放大處理，于是采用圖8所示的交流放大器。

交流放大器由4個放大倍數為-1、-2、-5、-10的運算放大器級聯組成，進一步放大被測信號，同時調整幅值以便適應解調器的輸入。圖8中的開關選用ADG211模擬開關，通過控制模擬開關的開合，可以任意選擇某級或某幾級放大器參加工作，實現對放大倍數正負1、2、5、10、20、50、100的整倍數調整。例如，將模擬開關S0、S2、S8、S13閉合，其他開關全部打開，交流放大器的總放大器數即為：（-1）×（-2）×（-10）=-20。

3.4數據采集系統

使用計算機總線，與外設之間必須有接口。本系統采用雙端口RAM作為數據緩存。先將信號采樣并存儲其中，然后成組地向主機傳送，從而有效地發揮了主、從、資源的效率，且設計也相對簡單。

3.4.1系統工作原理

系統基本組成原理如圖9。主要有雙端口RAM、邏輯控制模塊、A/D轉換器組、計算機接口。機通過接口啟動邏輯控制模塊后，CPU資源向其他請求開放，邏輯控制模塊發控制信號啟動A/D轉換器并進行采樣，并將轉換結果存入雙端口RAM。當RAM中的數據達到一定數量時，邏輯控制模塊向計算機發出中斷請求。主機接到請求后進入中斷服務程序，向邏輯控制模塊發出命令，決定是否繼續采樣，并將RAM內的數據讀入內存。

3.4.2硬件設計

本設計使用Cypress公司的CY7C136（2k×8bit）雙端口RAM。其兩個端口都有獨立的控制信號、片選CE、輸出允許OE和讀寫控制R/W。這組控制信號使得兩個端口可以像獨立的存儲器一樣使用。使用這種器件要注意當兩個端口訪問同一個單元時，有可能導致數據讀出結果不正確。解決這個問題的方法有兩個：一種是監測busy信號輸出，當檢測到busy信號有效，就使訪問周期拉長，這是從硬件上解決；另一種方法是軟件上保證兩個端口不同時訪問一個單元，即將雙端口RAM進行分塊。本系統采用后者，將busy信號輸出通過上拉電阻接到電源正極。

在系統中，邏輯控制模塊的作用非同小可，是控制采樣、存儲、與計算機接口的核心。本系統為方便對采樣速率等參數進行設置，在該模塊中采用了MCS-51單片機。這樣可以通過編程設定采樣速率。

與主機的信息交換包括：

（1）接收主機控制信號，以決定是否開始采樣；

（2）在存儲區滿后，向主機發中斷請求。

本系統使用AT89C51的地址總線來選通RAM的存儲單元，對其進行寫操作，將采樣結果存入相應的單元。

3.4.3軟件設計

系統軟件包括主機程序和邏輯控制模塊中89C51程序。軟件的關鍵是單片機控制A/D轉換器和存儲器部分，軟件流程見圖10。