MEMS检波器动态参数及测试方法的研究

实际工程勘探中传感器通称检波器,常规的加速度和速度型传感器的检测量是静态参数,而石油勘探等领域检测的是动态参数,也就是频率和波形。MEMS检波器主要动态参数有:频率响应也称频率范围、失真系数、动态范围。本文主要研究MEMS检波器动态参数及测试方法,通过对地震勘探MEMS检波器进行动态性能分析,介绍频率范围、失真度系数、动态范围的测试方法,实际的测量结果证明了测试方法的正确性和可行性。     

微谐振式压力传感器的系统级建模与仿真

具有微型化、多域耦合等特点的MEMS传感器对设计具有高精度、高效率、迭代设计、结构与电路联合设计等要求。基于组件库或集总参数的MEMS系统级设计方法虽然满足了这些要求,但在面向特定器件的定制化设计方面却略显不足。以一MEMS谐振式压力传感器为例,提出了一种全参数化系统级建模与仿真方法。在建立的详细数学模型基础上,通过硬件描述语言对传感器谐振子按照详细拓扑结构进行了建模与仿真。仿真结果和实验结果的对比显示这是一种满足MEMS设计要求的建模与仿真方法。     

石油勘探MEMS加速度传感器在煤田勘探的应用

介绍了一种石油勘探MEMS加速度传感器，该传感器是一种适应石油、煤田地震勘探设备向小型化、高分辨率、智能化方向发展的一种新产品。对石油勘探MEMS加速度传感器与传统检波器的特点进行了比较分析，介绍了该传感器已达到的技术指标和与国外同类产品的比较情况，同时介绍了数据采集及多传感器融合技术、地震勘探系统接口技术等应用方面的研究，最后介绍了该传感器在煤田勘探的实验情况。     

提高MEMS检波器技术指标的研究

通过对石油勘探领域应用的电容式MEMS加速度检波器的研究,重点提出提高MEMS检波器的动态、静态、稳定性指标的方法及理论根据,并通过试验进一步证明方法的正确性及可行性。     

电容式高频振动幅值测量方法研究

针对超声疲劳试验中20 kHz以上的高频振动幅值的测量问题,提出一种电容式高频振动幅值测量方法,并构建了基于该方法的测量系统。文中以振动信号处理为主线,设计基于调幅式的振动解调电路,实现传感器信号的高精度解调;设计频率自适应数字滤波器实现解调信号的动态滤波;设计基于Hilbert变换实现数字包络检波器完成振动信号幅值的精确求解。对基于此方法测量系统的精度和测量范围进行了实验验证,实验结果证明,此系统具有较高的精度和较大的测量范围,其精度优于0.3%F.S.,振幅测量范围最大可至100μm,动态频响超过20 kHz。     

基于MEMS传感器的三分量检波器定向方法

针对三分量地震勘探的功能需求,以三轴电子罗盘、三轴加速度计和三轴陀螺仪构成的惯性传感器组为基础,提出了一种三分量检波器的定向方法。主要与检波器3个分量对应组合,由电子罗盘和加速度计实现方位和倾角测量,并采用陀螺仪对两者进行误差补偿,采用快速的互补滤波方式进一步提高测量精度。检测方法已经成功应用于VSP系统中,野外应用效果显示,在复杂的施工环境下,测量误差可以控制在2°以内。     

激光测距传感器的设计与研制

利用三角测距原理成功地研制了一套激光测距传感器系统,精度为0.5%以上,分辨率为0.1%F·S,可输出模拟和数字量.本文介绍了该系统原理、结构、设计及指标,并给出了部分实验结果.     

基于超小GRIN光纤镜头的MEMS光纤声传感器及性能测试方法

研究一种MEMS膜片与超小GRIN光纤镜头相结合的MEMS光纤声传感器,以及基于扫频OCT(Swept Source Optical Coherence Tomography,SS-OCT)解调系统的MEMS光纤声传感器性能测试方法。在进行建模分析的基础上,设计并研究MEMS膜片与超小GRIN光纤镜头相结合的MEMS光纤声传感器的制作工艺,搭建基于SS-OCT的声振测量系统,通过开展单频声信号、混频声信号、频率响应、声压灵敏度和系统稳定性测量实验,进行传感器的性能测试与标定。结果显示,所研究的MEMS光纤声传感器样品的频响范围为50 Hz～4.5 kHz,在频率为300 Hz时传感器声压灵敏度21.63 nm/Pa,信噪比（SNR）为44.1 dB,线性度为98.97%,重复性标准偏差为0.003。结果表明所研究的MEMS光纤声传感器可行,而且利用SS-OCT解调系统可对其传感性能进行有效测量。     

基于MEMS技术微型静电场传感器系统设计与研制

针对基于MEMS技术的微型静电场传感器的输出信号微弱、信噪比低等特点,采用高精度运算放大器和直接数字合成器芯片设计出了一种基于封装小但没有浮点运算器的单片机的微型静电场传感器系统,并通过一定的算法解决了单片机运算能力弱的问题,最终整个系统的测试精度能达到5%,分辨率能达到500 V/m,检测时间小于1 s.     

汽车电子传感器简述

介绍了汽车电子传感器的现状,以及传感器在汽车电子控制系统中的应用概况,阐述了现代汽车发展对电子传感器的一些要求,现代汽车电子传感器总的发展趋势是:微型化、多功能化、集成化以及智能化,其技术发展方向是开展基础研究、发现新现象、采用新原理、开发新材料和采用新工艺;扩大传感器的功能与应用范围.以MEMS技术为基础的传感器将成为汽车传感器的主流.     

压电力传感器晶片与电极接触刚度影响研究*

以压电力传感器为核心的多分量测量系统是航空、航天等领域重要的力学测量装置。压电力传感器中晶片与电极结合面接触刚度是基础性能参数,对压电力传感器的分载效应及灵敏度,多分量测量系统的整体刚度及静、动态性能有直接影响。由于尚无对该参数的研究,导致在设计封装压电力传感器过程中缺少相应的理论依据,在使用多分量测量系统时存在标定困难等问题。针对以上问题,研究晶片与电极结合面接触刚度的影响因素,建立基于分形理论的接触刚度模型,优化了晶面表面形貌、压电材料、电极材料、预紧力等参数。在此基础上,研究接触刚度对传感器性能——刚度、灵敏度、固有频率等影响,提出一种以接触刚度为约束的晶片表面形貌优化方法。基于结构函数法,建立分形理论与实际工程测量参数的联系,通过两种压电晶体——石英与硅酸镓镧,四种电极材料——钛合金、不锈钢、黄铜、铝,试验验证了理论模型。试验表明,优化晶片表面分形参数、提高预紧力、选用弹性模量小的电极有助于提高晶片与电极接触刚度,进而提高传感器的整体刚度、灵敏度和固有频率。研究为高性能压电力传感器的设计提供了理论参考。     

软支撑动平衡系统设计

开发出一种基于试重标定法原理的新型软支撑动平衡机.以MSP430系列混合数字处理器为数据采集单元,以嵌入式工控机为主控单元,以转速和MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)三轴加速度传感器为传感单元,自主开发信号调理电路板、数据采集处理程序和上位机应用软件.该系统可实现传动轴单、多面的不平衡量大小及角度的精确测定,以便进行配平,并具有较好的人机界面.     

同心多尺度成像模式下的高分辨子成像系统设计

以同心多尺度成像模式为基础,结合人眼视网膜凹成像思想,提出了一种宽视场与双分辨率成像组合的新型同心多尺度成像系统,在广域视场范围内实现了对关注的感兴趣目标区域的高分辨动态注视。介绍了同心多尺度双分辨率成像系统的工作方式;使用一个单透镜和一个双胶合透镜为初始结构,结合二轴微机电系统(MEMS)扫描微镜组合形成光路;利用ZEMAX光学设计软件,优化设计了成像波段为0.486~0.656μm,在单个分通道视场内(30°)可对关注的小视场区域(6°)高分辨注视跟踪的子成像系统。对成像系统的像质以及点列图、调制传递函数(MTF)曲线、场曲、畸变曲线进行了评价。结果表明设计的子成像系统在全视场内成像均匀,接近衍射极限,场曲和畸变较小,最大场曲不超过0.6mm,最大畸变小于1.5%,能够满足同心多尺度双分辨率成像系统对子成像系统性能的要求。     

基于修正粒子滤波的MEMS传感器飞行器姿态解算（英文）

针对单一采用MEMS传感器解算飞行器姿态无法克服系统非线性噪声干扰的问题,提出了一种基于修正粒子滤波的MEMS传感器飞行器姿态解算方法。首先,利用共轭梯度法减小陀螺仪漂移误差,然后,利用加权粒子构造概率密度函数以更新粒子权值,得到优化状态估计值;再将共轭梯度法与修正粒子滤波进行融合,确定加权因子,同时以STM32与MEMS传感器为核心设计姿态解算系统。实验结果表明,该方法优化了飞行器静态与动态性能,姿态解算性能良好,系统过渡时间短,跟踪特性较好,且增强了系统的鲁棒性与稳定性。     

高频响MEMS压力传感器设计与制备

高频响MEMS压力传感器,常用于各项高速冲击波动态测试,能够完整地呈现和评估测试当场下的动态效果.高频高压高温芯片的加工与刚性封装外壳是高频响MEMS压力传感器的研究难点.文中通过设计仿真、工艺加工试验及封装测试,设计加工出一种齐平式倒装封装的高频响MEMS压力传感器.完成220℃的温度-压力复合场动态性能测试,补偿后...     

基于修正粒子滤波的MEMS传感器飞行器姿态解算

针对单一采用 MEMS传感器解算飞行器姿态无法克服系统非线性噪声干扰的问题,提出了一种基于修正粒子滤波的 MEMS传感器飞行器姿态解算方法.首先,利用共轭梯度法减小陀螺仪漂移误差,然后,利用加权粒子构造概率密度函数以更新粒子权值,得到优化状态估计值;再将共轭梯度法与修正粒子滤波进行融合,确定加权因子,同时以 STM32与 MEMS传感器为核心设计姿态解算系统.实验结果表明,该方法优化了飞行器静态与动态性能,姿态解算性能良好,系统过渡时间短,跟踪特性较好,且增强了系统的鲁棒性与稳定性.     

特种微机电系统压力传感器

通过对微机电系统(Micro-electro-mechanical systems,MEMS)压力传感器设计方法与封装制作工艺问题的研究,针对不同应用环境下对压力传感器的性能、尺寸及封装要求,提出相应的传感器力学结构模型——微压结构、梁膜结构及倒杯结构,通过相应的FEM有限元建模方法对传感器结构进行仿真分析并优化结构尺寸,建立合理的力学结构;进行MEMS工艺设计及封装工艺满足传感器微小尺寸、耐高温冲击响应及高过载能力等要求。其中,针对微压传感器在测量过程中高灵敏度与非线性矛盾问题进行力学分析及仿真,分析不同结构的传感器的力学特性及结构尺寸对传感器输出特性的影响,提出新型梁膜结构微压传感器结构,对新型结构传感器进行MEMS工艺研究;根据空气动力学试验、航空测试及火药爆破试验等对高温压力传感器的动态特性要求,采用倒杯式高频响压力传感器及齐平膜封装方式,提高传感器的动态响应特性,满足10 kHz到1 MHz的频响要求;通过有限元分析耐高温冲击封装结构,采用梁膜封装结构提高了耐高温压力传感器的可靠性。通过压力传感器仿真验证、静态特性试验及动态冲击响应试验验证传感器力学结构建模方法、MEMS工艺设计及封装设计的正确性。     

陀螺仪动态角度测量系统的设计

针对动态环境下载体角度测量,采用双陀螺仪设计动态角度测量系统,实现大型风力发电机运行中风机叶片振动角度的监测。设计的系统由双陀螺仪传感器模块和主控模块构成,均采用ARM Cortex-M0内核微控制运算器对数据进行处理。陀螺仪传感器模块采用MPU6050,针对该MEMS器件特性引起的低精度和数据易发散的问题,通过卡尔曼滤波器进行数据处理,改善其鲁棒性。测量系统采用模块化设计,提高了动态测量过程中抗干扰性能。实验结果表明,设计的系统测量动态角范围大,角度测量响应速度快,具有较高的测量精度。     

基于智能PI算法的自动纠偏系统的研究

论述自动纠偏控制系统的硬件设计、软件编程和系统仿真。文章以带钢卷取纠偏为例,研究的边缘位置控制系统主要是由光电传感器、全数字智能PI控制器、液压站及卷取机组成的计算机位置控制系统。光电传感器采集位置信号后经计算机处理,再将处理后的信号经放大传给液压装置,最后推动卷取机进行带钢纠偏。仿真结果表明,此自动纠偏系统具有很好的动态和稳态性能。     

MEMS宽带电化学地震检波器

针对深部油气勘探的需要,研制了基于微机电系统(MEMS)的宽带电化学地震检波器。仿真分析了影响该检波器频带的结构参数,并对其MEMS实现及封装方法进行了研究。利用有限元软件分析绝缘层厚度和阴极孔径对检波器幅频特性的影响,得到了优化的几何参数。基于仿真结果,利用MENS工艺加工硅基的Pt电极和Su-8的绝缘层,然后用物理紧固的方法进行器件封装。最后,分别在水平振动台和基岩上进行了检波器的性能测试和微震监测实验。实验结果表明:无需进行频率补偿,由20μm孔径阴极和200μm厚绝缘层封装的器件的频带可扩展到3~90 Hz,低频扩展到60S的补偿额度小于30dB,检波器的动态范围不小于130dB。实验显示:这种改进的检波器可以作为宽带地震检波器用于深部或海底的油气勘探。