传感器设计论文范文
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第1篇
1.弹性元件的虚拟模型根据导体材料的应变电阻效应，电阻的相对变化与应变之间的关系。为了获得电桥输出与载荷的关系，需要构建弹性元件的数学模型。电阻式传感器的弹性元件结构有圆筒式、柱环式、悬梁式和轮辐式四种基本类型，各种不同的结构型式的弹性元件应变ε与载荷F的关系如下所示。（1）柱筒式弹性元件其中E为弹性模量，A为横截面积。（2）柱环式弹性元件其中R0为内环半径，b为柱环宽度，h为柱环厚度，E为弹性模量。（3）悬梁式弹性元件其中l为有效长度，b为悬梁宽度，h为悬梁厚度，E为弹性模量。（4）轮辐式弹性元件其中b为轮辐条厚度，h为轮辐条宽度，G为剪切模量。将四种弹性元件类型设计在一个子VI中，通过操作“弹性元件类型”下拉列表进行选择。
2.虚拟电桥模型电桥是目前常用的电阻式传感器测量电路，整个电桥电路由四个桥臂组成，当桥臂接入应变电阻时则成为应变电桥。当有一个臂被接入应变电阻时，被称为单臂电桥；两个臂被接入应变电阻时则为双臂电桥（也称半桥）；四个臂均被接入应变电阻时则称为全桥。在桥路中均未接入应变电阻时。
3.电阻属性和接桥方式设计前面板（如图1所示）上电桥部分的电阻属性分为固定电阻、应变电阻和平衡电阻三种，应变电阻的贴片方式分为受拉应力和受压应力。（1）电阻属性。图1中的电阻R1的属性只有两种：应变电阻和固定电阻。该属性通过操作“R1”设置开关进行选择。若R1为应变电阻属性，其阻值会随载荷F的增减而产生相应的ΔR1以及因温度变化产生的ΔR1t。电阻R2的属性与R1相同。通过操作“R2”设置开关可以选择R2的属性。若R2作为应变电阻，则会随载荷F的增减而产生相应的ΔR2以及因温度变化产生的ΔR2t。若操作“差动设置”开关，则可使R2的受力方式为受压应力，从而会随载荷F的增减而产生相应的-ΔR2以及因温度变化产生的ΔR2t。R3，R4需要参与调平电路的设计，因此接线也会相对复杂。通过操作“R3”和“R4”设置开关对该电阻进行属性操作。图中出现的Rr显示框为调零电路中的R5的右半部分与R6串联然后再与R3并联后的阻值。Rl显示框为R5的左半部分与R6串联后再与R4并联后的阻值。（2）接桥方式的设计。虚拟前面板上的电桥工作方式分别为：不工作、单臂工作，半桥工作和全电桥工作方式四大类型。对于半桥和全桥方式，其中应变片又分为差动和非差动两种布片方式。不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都设置成固定电阻。该方式无论怎样施加外力，输出始终为零。单臂工作时将R1设置为应变电阻，R2、R3、R4设置为固定电阻。此时，按“R1”按钮，“R1”按钮变绿，图中应变电阻R1如果显示向上的箭头，表明该应变电阻受拉应力，对应电阻值增大；如果应变电阻R1显示向下的箭头，表明该应变电阻受压应力，对应电阻值减小。半桥非差动工作时，R1、R2设置为应变电阻，R3、R4设置为固定电阻。按下“R1”、“R2”两个按钮，两者均变绿表示接入工作臂，同时电阻R1、R2上的箭头方向一致，表示应变片受到相同性质的应力，此时电桥输出基本为零。半桥差动工作时，R1、R2设置为应变电阻，R3、R4设置为固定电阻。按下“R1”、“R2”两个按钮，两者均变绿表示接入工作臂，同时电阻R1显示向上箭头，R2显示向下的箭头，表示对应的应变片受到拉应力和压应力。全桥非差动工作时R1、R2、R3、R4属性均为应变电阻，此时，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按钮，均变为绿色。四个电阻上的箭头方向一致，表明四个电阻受相同性质的应力，此时电桥输出基本为零。全桥差动工作时，“R1”、“R3”电阻箭头向上，表示受拉应力；“R2”“R4”箭头向下，表示受压应力。
4.温度误差计算及补偿在讨论应变计的工作特性时通常是以温度恒定为前提的，但在实际应用过程中，工作温度可能会发生变化，从而导致应变电阻的阻值发生变化。设工作温度变化为Δt℃，则由此引起粘贴在试件上的应变电阻的相对变化为。将公式（11）代入公式（7）-（10），即可以计算出温度变化时的电桥输出，该输出即为温度误差。单臂工作时，采用补偿块法进行温度误差补偿，该方法利用两块参数相同的应变计R1、R2，R1贴于试件上并接入工作臂，R2贴于与试件材料相同温度环境的补偿块上，但该补偿块不参与机械应变，同时接入电桥相邻臂作为补偿臂。当接通电源并施加负载时，补偿臂产生的热输出与工作臂产生的热输出相同，则可达到温度误差补偿的目的。对于半桥差动和全桥差动工作方式，根据公式（10）的和差特性即能进行温度误差补偿。5.非线性误差计算及补偿公式（10）是对公式（9）进行线性化后的输出。对于单臂工作时，非线性误差可以通过在电路中加入补偿臂（该臂不受外加应力作用）。对于半桥差动和全桥差动工作方式，不需要外接补偿电路，因为差动工作方式具有很好的非线性补偿作用。
二、虚拟操作面板的设计
用LabVIEW软件开发虚拟仪器，用户能“量身定制”仪器的操作面板。本实验根据真实的电阻式传感器实验电路接线图作为虚拟仪器的操作面板，能直观地阐述电阻式传感器实验原理及操作方式，虚拟面板如图1所示，主要包括虚拟弹性元件选择、应变电阻布片方式选择、电桥接法选择、电桥调零模块、差动放大模块、直流电源模块。此外前面板还包括电阻、外力、温度的赋值等。
三、远程虚拟实验的演示步骤
电阻式传感器实验的远程操作分别由DataSocket技术与Web网络工具来实现。DataSocket技术以及网络化技术的结合使虚拟仪器的远程控制成为可能，可在若干计算机上对传感器虚拟实验进行操作及数据处理。这为传感器虚拟实验的互动教学提升了便捷性。电阻式传感器虚拟实验的远程操作过程如下：第一步，打开服务器网页。第二步，输入R1、R2、R3、R4的阻值。第三步，选择弹性元件类型。第四步，设置接桥和布片方式。第五步，打开电源开关。第六步，调节调零电位计，直至电桥近似达到初始平衡状态。第七步，点击“施力F”按钮。第八步，查看客户端网页，查看电桥输出曲线。第十步，点击服务器面板中的“复位键”，使所有选项、开关及输入数据均清零和初始化。第十一步，关闭电源开关。
四、结束语
第2篇
1．1气压传感器的结构设计
压阻效应于1865年由LordKelvin首先发现，现在这个原理广泛应用于传感器原理中。当传感器薄膜结构上的压敏电阻受到外界压力作用时会产生形变，使电阻率发生变化从而引起电信号的改变，这就是压阻式压力传感器的工作原理。由此可见，压敏电阻的变化与受到的压力大小和压阻系数有关。本文中的气压传感器是基于硅的压阻效应设计的，制备的气压传感器芯片结构截面图。传感器结构由一个单晶硅弹性薄膜和集成在膜上的4个压敏电阻组成，4个电阻形成了惠斯通电桥结构，当有气压作用在弹性膜上时电桥会产生一个与所施加压力成线性比例关系的电压输出信号。
1．2气压传感器制作工艺流程
整个流程主要是采用硅表面微加工工艺。与传统的压阻式压力传感器的加工方法相比，该工艺流程采用了外延单晶硅硅膜的工艺进行真空腔密封，这种方法可以克服传统的湿法刻蚀工艺的缺点，加工出的单晶硅膜具有很好的机械性能。①首先，对硅衬底采用各向异性干法刻蚀，刻蚀出一道道约5μm深的浅槽。然后采用各向同性干法刻蚀，使浅槽下方形成一个连通的腔。②采用外延工艺，在衬底上进行单晶硅外延，并利用外延的硅材料将浅槽完全封住，从而在下面形成一个接近真空的密封腔。外延工艺如下:温度为1135℃，采用的是H2，PH3等气体，外延时的真空度为80torr。③在对外延硅层的局部区域进行小剂量硼离子注入。该部工艺主要是为了制作压敏电阻，压敏电阻主要位于膜四边的中央。④对局部区域进行大剂量硼离子注入。该步工艺主要是要实现压敏电阻条之间的欧姆连接，并为压敏电阻的引出做准备。⑤在硅片表面生长一层氧化层及氮化层，用作绝缘介质层。⑥对氧化层和氮化层光刻并图形化，形成接触孔。⑦溅射金属层并光刻图形化，形成引线及压焊块。
2测试电路设计
此压阻式气压传感器，压敏电阻初始电阻值为163Ω，满量程输出电阻变化最大为9Ω，针对此微小阻值变化量，本文中设计了一款专用接口测试电路。该测试电路主要包括STM32系列单片机及ADS1247模/数转换模块和液晶显示模块。电路应用时将惠斯通电桥输出节点与测试电路连接起来，通过硬件和软件的结合实现外界气压信号的检测并转化为数字电信号进行输出，读数在LCD显示屏上进行显示，测试电路板的说明如图4所示，针对部分重要模块的电路设计在下文说明。
2．1电源电路设计
测试系统中需要用到3．3V和5V两种电压(选用的STM32单片机规定工作电压为2．0V～3．6V，ADS1247数/模转换模块模拟电源部分供电电压为5V)，根据测试电路元件的需求，采用国产LM2940－5和LM1117－3．3两个稳压模块来进行电源供电的设计。
2．2ADS1247模/数转换电路设计
ADS1247是TI公司推出的一种高性能、高精度的24位模拟数字转换器。ADS1247单片集成一个单周期低通数字滤波器和一个内部时钟、一个精密(ΔΣ)ADC与一个单周期低通数字滤波器和一个内部时钟。内置10mA低漂移电源参考和两个可编程电流型数字模拟转换器(DAC)。通过程序设置，在输出电压裕度内，DACS可为外部提供多种强度的电流，分别为50μA、100μA、250μA、500μA、750μA、1000μA、1500μA。除此之外，ADS1247还具有一个可编程放大器(PGA)，放大倍数可设置为1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍。
3气压传感器性能测试分析
气压传感器作为一种高空探测的工具，它的性能好坏直接影响到高空探测的准确性，针对本传感器结构进行测试并从数据中对气压传感器的灵敏度、线性度、测试精度进行了分析及拟合修正。
4结束与讨论
第3篇
关键词：微机电系统（MEMS）微机械陀螺（MMG）检测
随着科学技术的发展，许多新的科学领域相继涌现，其中微米/纳米技术就是诸多领域中引人注目的一项前沿技术。20世纪90年代以来，继微米/纳米技术成功应用于大规模集成电路制作后，以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础的各种微传感器和微机电系统（MEMS）脱颖而出，平均年增长率达到30%。微机械陀螺是其中的一个重要组成部分。目前，世界各个先进工业国家都十分重视对MMG的研究及开发，投入了大量人力物力，低精度的产品已经问世，正在向高精度发展。
1微机械振动陀螺仪的简要工作原理
陀螺系统组成见图1，它由敏感元件、驱动电路、检测电路和力反馈电路等组成。在梳状静电驱动器的差动电路上分别施加带有直流偏置但相位相反的交流电压，由于交变的静电驱动力矩的作用，质量片在平行于衬底的平面内产生绕驱动轴Z轴的简谐角振动。当在振动平面内沿垂直于检测轴的方向（X方向）有空间角速度Ω输入时，在哥氏力的作用下，检测质量片便绕检测轴（Y轴）上下振动。这种振动幅度非常小，可以由位于质量片下方、淀积在衬底上的电容极板检测，并通过电荷放大器、相敏检波电路和解调电路进行处理，得到与空间角速度成正比的电压信号。
在科研及加工过程中，一个重要的内容就是检测陀螺仪的特性，如工作状态谐振频率、带宽增益、Q值等，于是就提出了微机械惯性传感器检测平台的研制任务。根据陀螺仪的工作原理，整个仪器包括两大部分：驱动信号发生部分和表头的输出信号检测部分。驱动信号发生部分对待测的惯性传感器给予适当的驱劝信号，使传感器处于工作状态。信号检测部分要求检测出微小电容变化，经过放大、解调处理后，将模拟量转换成数字量采集到PC机中，分析输出信号，以确定惯性表的特性。
2微电容检测技术
在MMG检测技术中，利用电容传感器敏感试验质量片在哥氏力作用下的振动角位移，获取输入角速率信号。由于陀螺仪的尺寸微小，为了得到10°/h的中等精度，要求电容测量分辨率达到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，对于微机械加速度计和向机械陀螺仪来说，检测试验质量和基片之间的电容变化是一个关键技术。目前在MMG中采用的微电容检测方案有三种：开关电容前在MMG中采用的微电容检测方案有三种：开关电容电路、单位增益放大电路和电荷放大电路。
2.1开关电容电路
其基本原理是利用电容的充放电将未知电容变化转换为电压输出。该测量电路包括一个电荷放大器、一个采样保持电路以及控制开关的时序，如图2所示。
在测量过程中，先将未知电容（C1、C2）充电至已知电压Vref，然后让其放电。充、放电过程由一定时序控制，不断重复，使未知电容总处于动态的充放电过程。C1、C2连续地放电，电流脉冲经过电荷放大器转换为电压。再经过采样保持器，得到输出Vc。将公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得电容检测电路的传递函数为：
Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]
2.2单位增益放大器电路
AD公司与U.C.Berkeley联合开发的ADXL50（5g的微机械加速度计）采用了单位增益放大电路。
图3是单位增益放大器的等效电路。图3中，Cp为分布电容，Cgs为前置级输入电容，Rgs为输入电阻。当载波频率在放大器的通频带以内时，前置级输入电阻可忽略不计。由图3可午，前置级有用信号输出为：
（Vs-Vout）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）
=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs
Rgs∞
Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs
分布电容Cp约为10pF，
输入电容Cgs约为1～10pF，一般都大于传感器标称电容C0(1pF左右)。可以看出，它们的存在都极大地降低了电容检测灵敏度。要提高电路灵敏度，就必须消除Cp、Cgs的影响，通常采用的措施等电位屏蔽。
2.3电荷放大器电路
电荷放大器电路如图4所示。它采用具有低输入阻抗的反相输入运算放大器。其中Cp表示分布电容，Cf为标准反馈电容，Rf用来为放大器提供直流通道，保持电路正常工作。应选取Rf，使时间常数RfCf远大于载波周期，以避免输出波形畸变。但Rf过大为今后电路集成带来不便。可以使用小阻值的电阻组成T型网络，替代大阻值电阻。
若运算放大器具有足够的开环增益，反相输入端为很好的虚地，那么，两输入端点之间的电位差为零。因此，反相输入端对地的分布电容Cp和放大器的输入电容Cgs对电路测量不会造成影响。电荷放大电路相对于单位增益放大电路来说，结构要简单，不需考虑等电位屏蔽问题；只需将杂散电容的影响转化为对地的分布电容，即进行合理的对地屏蔽，就能获得较好的效果。
尽管在电荷放大电路中，可以忽略掉输入电容及反相输入端对地的分布电容，但是在检测微小电容变化时，输出还是有很大的衰。这是由放大器输入输出端分布电容Cio造成的。当载波电压频率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止频率时，输出电压Vout应该表示为：
Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs
3检测平台的系统构成及工作原理
该系统的工作原理如图5所示。对惯性传感器施以适当的激励信号后，传感器的动片即处于振动状态，上下极板间的电容发生周期变化，采用电荷放大器电路将该信号提取出来，经交流放大、解调后通过A/D转换变成数字量采集到微机中，观察传感器的输出响应，为下一步利用软件方法分析微机械惯性传感器的时域、频域特性打下基础。
3.1激励信号发生器
根据微机械轮式振动陀螺仪的工作原理，最多需要4路激励信号。激励信号为正弦波，每两路相位相反。为了测量陀螺仪的频率特性，需要不断改变激励信号的频率。目前不同设计的陀螺仪谐振频率在几百赫兹到10千赫兹之间，激励信号也需要在这个范围内进行调节。另外，陀螺仪的驱动力矩等于驱动信号的交流分量与直流分量的乘积，所以还要施加正或负的直流偏置，使陀螺能处于正常工作状态。交流相位和直流偏置组合见表1。
表1交流相位和直流偏置组合
直流偏置：++--交流信号：+-+-
一般的RC振荡电路生成的正弦波频率靠改变R、C值来调节，不能连续大范围调节。所以，设计中采用数字方法合成模拟波形，其原理见图6。图6中8254为软件可编程计数器。其包含3个独立的16位计数器，计数最高频率可达8MHz，设计中输入3MHz的时钟，将2个计数器串连使用，这样可以增加频率控制范围。8254产生的方波信号作为后面并行计数器的计数脉冲输入。并行计数器由2片74LS161组成8位二进制循环计数器。74LS161计数到最大值时会自动清零，重新开始计数，其输出可作为E2PROM2817A的地址信号（即每个正弦周期内采样点数为256个）。2817A的数据读取时间为150ns。设计电路时将它的片选和读信号均设为有效，以提高数据读取速度。D/A转换采用DAC-08电流输出型D/A转换器。电路输出时间85ns，放大器采用高速高精度运放OP-37，同理，D/A转换器的片选和转换开始信号总为有效，其输出跟随输入变化，提高转换速度。实验结果表明，此信号发生器完全可以生成10kHz以内可调频的正弦波。而且使用可编程计数器8254，输出正弦波的频率可以用软件方法调节。如果想输出非正弦波形，只要修改E2PROM的数据，就可以输出任意形状的周期波形。
3.2低通跟踪滤波器
数字信号发生器具有控制灵活的优点，但是输出信号不够平滑，其中会有台阶波。在对信号要求比较高的场合，还需要进行滤波。本设计中信号的频率变化范围很大：几百赫兹到10千赫兹。为了进一步提高信号质量，采用AD633模拟乘法器构成低通跟踪滤波器，其原理如图7。
通带的截止频率是由电压Ec控制的，输出是OUTPUTA，截止频率：
fc=Ec/[(20V)πRC]
OUTPUTB处是乘法器的直接输出端，截止频率与RC滤波器相同：
f1=1/(2πRC)
这种滤波器结构简单，没有开关电容，噪声小，一般采用数模转换器控制Ec，控制通带频率也比较容易。
3.3交流放大器
微机械惯性传感器在施加激励信号后，即处于振动状态。传感器有差动微电容量变化C0+ΔC和C0-
ΔC。采用电荷放大器电路提取出ΔC，此电压信号仍然很弹，需要进一步放大处理，于是采用图8所示的交流放大器。
交流放大器由4个放大倍数为-1、-2、-5、-10的运算放大器级联组成，进一步放大被测信号，同时调整幅值以便适应解调器的输入。图8中的开关选用ADG211模拟开关，通过控制模拟开关的开合，可以任意选择某级或某几级放大器参加工作，实现对放大倍数正负1、2、5、10、20、50、100的整倍数调整。例如，将模拟开关S0、S2、S8、S13闭合，其他开关全部打开，交流放大器的总放大器数即为：（-1）×（-2）×（-10）=-20。
3.4数据采集系统
使用计算机总线，与外设之间必须有接口。本系统采用双端口RAM作为数据缓存。先将信号采样并存储其中，然后成组地向主机传送，从而有效地发挥了主、从、资源的效率，且设计也相对简单。
3.4.1系统工作原理
系统基本组成原理如图9。主要有双端口RAM、逻辑控制模块、A/D转换器组、计算机接口。机通过接口启动逻辑控制模块后，CPU资源向其他请求开放，逻辑控制模块发控制信号启动A/D转换器并进行采样，并将转换结果存入双端口RAM。当RAM中的数据达到一定数量时，逻辑控制模块向计算机发出中断请求。主机接到请求后进入中断服务程序，向逻辑控制模块发出命令，决定是否继续采样，并将RAM内的数据读入内存。
3.4.2硬件设计
本设计使用Cypress公司的CY7C136（2k×8bit）双端口RAM。其两个端口都有独立的控制信号、片选CE、输出允许OE和读写控制R/W。这组控制信号使得两个端口可以像独立的存储器一样使用。使用这种器件要注意当两个端口访问同一个单元时，有可能导致数据读出结果不正确。解决这个问题的方法有两个：一种是监测busy信号输出，当检测到busy信号有效，就使访问周期拉长，这是从硬件上解决；另一种方法是软件上保证两个端口不同时访问一个单元，即将双端口RAM进行分块。本系统采用后者，将busy信号输出通过上拉电阻接到电源正极。
在系统中，逻辑控制模块的作用非同小可，是控制采样、存储、与计算机接口的核心。本系统为方便对采样速率等参数进行设置，在该模块中采用了MCS-51单片机。这样可以通过编程设定采样速率。
与主机的信息交换包括：
（1）接收主机控制信号，以决定是否开始采样；
（2）在存储区满后，向主机发中断请求。
本系统使用AT89C51的地址总线来选通RAM的存储单元，对其进行写操作，将采样结果存入相应的单元。
3.4.3软件设计
系统软件包括主机程序和逻辑控制模块中89C51程序。软件的关键是单片机控制A/D转换器和存储器部分，软件流程见图10。
