谐振式硅微结构传感器综合测试分析仪

提出了一种谐振式硅微结构传感器综合测试分析仪器,用于微机械谐振式传感器各关键环节的测试、分析与评估.主要解决测试对象特性模型、微弱信号处理、测试数据分析评估等问题,并将有关理论和技术集成为一台模块化的、具一定开放性的测试仪器.该测试仪器对于深入掌握谐振式硅微结构传感器谐振子和闭环系统的特性和优化方法,实现高性能微传感器具有重要意义.     

硅微机械谐振压力传感器技术发展

硅微机械谐振压力传感器是目前精度最高、长期稳定性最好的压力传感器之一,是航空航天、工业过程控制和其他精密测量领域压力测试的最佳选择。系统阐述30年来国内外硅微机械谐振压力传感器技术的研究成果,简单介绍硅微机械谐振压力传感器的分类及工作原理,针对压力敏感膜片与谐振器复合结构和振动膜结构两种主要的芯体结构形式,详细论述硅微机械谐振压力传感器的研究历史、主要研究机构、国内外发展现状以及最新的研究成果,重点根据不同激励与检测方式对各种硅微机械谐振压力传感器的芯体结构进行深入分析比较。在此基础上,总结归纳不同芯体结构及其激励与检测方式的特点,并对硅微机械谐振压力传感器的未来发展趋势进行展望。     

高g值加速度环境微结构动态特性

为研究微机电系统(Microelectro-mechanical systems,MEMS)中微结构在高g值加速度环境中的动态特性,研究高g值加速度环境微结构动态测试技术,建立高g值环境微结构动态测试装置,研制适用于高g值加速度环境的压电陶瓷底座激励装置,制备集成压阻元件的典型梁-质量块微结构,测试典型MEMS微结构在从常态到10 000 g加速度环境中动态特性及其变化规律.测试结果显示,在高g值加速度作用下,当微结构发生大变形处于非线性状态时,微结构谐振频率随加速度的增大而提高;而当微结构处于线性小变形状态时,微结构谐振频率不随外部加速度作用发生变化;在大变形及小变形状态下,外部高g值加速度载荷对微结构阻尼比均不产生明显影响.测试结果与采用应力刚化非线性有限元模型分析结果具有很好的一致性.     

硅微谐振压力传感器自动增益控制与相位补偿研究

硅微谐振压力传感器检测信号的幅值稳定性与频率跟踪性对其性能至关重要,但目前幅值控制与频率跟踪方法的非线性特征会造成谐振器振动频率的非线性变化,限制了传感器综合精度的进一步提升。为降低谐振器振动频率非线性变化的影响,基于自动增益控制(Automatic gain control,AGC)的线性化分析理论,建立高Q值硅微谐振压力传感器自动增益控制和相位补偿模型,分析AGC幅值控制和频率跟踪线性化的控制特性,以及相位补偿对闭环控制性能的影响。基于自动增益控制(AGC)的自激驱动被证实可使谐振器稳定工作于谐振频率,且保持幅值稳定,通过Simulink/PSpice建模仿真,验证非线性系统线性化分析的准确性。同时基于自动增益控制与相位补偿模型设计与制作的硅谐振压力传感器控制电路,经测试可使整表频率稳定性优于±0.05 Hz@采样周期5 ms,综合精度优于±0.02%FS,实现自动增益控制在谐振压力传感器的工程化应用,解决了谐振器频率跟踪非线性引起的传感器性能下降问题,可广泛应用于高Q值谐振器闭环控制。     

热激励硅谐振式压力传感器的研制

介绍了基于表面微加工工艺和多孔硅牺牲层技术，设计并制作出梁膜一体化的热激励硅谐振梁压力传感器，给出了制作的工艺过程和参数，测试了传感器在真空中开环状态下的谐振频率一压力特性及幅频特性，其灵敏度达到54．89Hz／kPa，Q值大于20000，0～300kPa范围内线性相关系数为0．9997。     

振动筒压力传感器开环测试特征参数分析

文中介绍了振动筒压力传感器谐振敏感元件特征参数的测试方法。利用传感器谐振敏感元件拾振信号特征参数分析了谐振敏感元件的性能。通过研究检测信号特征参数的规律,给出了构建谐振式压电激励压力传感器闭环自激系统的依据。     

集成硅微悬臂梁融合式传感器制造技术

简要地描述了以各种微结构的硅悬臂梁作为敏感元件构成的不同用途的新型融合式传感器及其列阵；介绍了硅微悬臂梁融合式传感器的设计和制造工艺；对笔者正在研究的硅微悬臂梁与光纤组合式列阵感器作了初步的报道。研究结果表明这是一种很有前途的技术。     

电容式微加速度传感器微结构的拓扑优化

采用均匀化方法,以电容式微加速度传感器微结构的第一阶谐振频率为目标函数,以微结构的体积作为约束条件,建立了微结构的拓扑优化模型,对叉指式微加速度传感器微结构进行了拓扑优化设计,经计算获得满足体积约束并使第一阶谐振频率最大的微结构拓扑形式。计算结果表明该方法可以很好地解决微加速度传感器灵敏度和谐振频率这一对矛盾,在满足灵敏度的要求下提高微加速度传感器的测量范围上限,不失为一种先进的、有效的电容式微加速度传感器微结构的设计方法。     

微机械谐振传感器的闭环恒幅驱动电路研究

本文分析了微机械谐振传感器的闭环工作特性,在此基础上研究了微机械谐振传感器的闭环恒幅驱动电路的设计原则,研制出闭环恒幅驱动电路,并在微谐振式真空传感器和双框架微谐振陀螺上得到应用。     

用压电方法激励的硅梁力传感器

1.引言 1983年以来在Twente大学就有关硅谐振结构进行了研究。这些结构的一个应用是谐振梁力传感器。这些传感器可作为微型机械传感器或电子精密微量仪一类的一种谐振应变仪,在没有力转换机构下通常有范围1N和100ppm或更好的分辨率。整个传感器的设计如图1。为了确保安全的使用,传感器梁用原片厚度的两个梁支撑。在传感器梁上制做了一种多层结构以便利用ZnO层的压电效应电激励和检测传感器梁的振动。底电极是一种高掺杂硼(P~(++)-)的硅层而顶电极是一个铝层。     

等效非线性阻尼控制的准零刚度振动传感系统

为准确测量移动平台的绝对振动位移并进一步扩展测量频带,采用等效非线性阻尼控制方法设计了一种准零刚度（QZS）传感器。为使QZS传感器具有准零刚度特性,建立了传感器的动力学模型,并对其结构和静态特性进行分析;讨论了在不同预压缩量下传感器的幅频特性和相频特性,分析了不同等效非线性阻尼和激励对测量信号的精度影响。结果表明,等效非线性阻尼控制有效拓宽了准零刚度传感器系统的测量频带范围,该系统能够精确测量移动平台的绝对位移,满足工程实践要求。     

Dynamic characteristics and optimization research on PVDF piezoelectric film force sensor for steel ball cold heading machine

According to cold heading process with overloaded craft, high-impact dynamic real-time measurement requirements, this paper presents researches on dynamic characteristics and optimization of PVDF piezoelectric film force sensor for steel ball cold heading forming quality monitoring, through the combination method of mechanism analysis, mathematical modeling, numerical simulation and experimental validation. The motivation and strategic objectives are to breakthrough dynamic time-varying impacting load measuring fundamental technologies in steel ball forging process. The structure of piezoelectric film force sensor is proposed. The theoretical calculation formula of natural frequency is deduced and calculated by using MATLAB software. The mechanical performance analysis on dynamic model and structural optimization simulation by FEM is carried out. In order to study the validity of the proposed method, a prototype of the sensor is fabricated. The static and dynamic calibration devices are designed to realize calibration experiments on the fabricated PVDF piezoelectric film force sensor. The differences among experimental value, simulation value and the theoretical value are given. The nonlinear error of the fabricated sensor is 0.197%. The sensor’s first order natural frequency value is 5238 Hz. It is proved that the PVDF piezoelectric film force sensor has superior dynamic performance and high accuracy for measuring deformation in steel ball. The paper will provide important scientific basis and technical foundation to achieve superior performance steel ball.     

用于电容式传感器的静电激振台的研究

提出了用静电力激振法确定电容式加速度传感器的动态特性，并分析了其静电力的非线性、频率误差及补偿传感器本身寄生电容的方法。给出的静电振动台结构简单、经济实用，具有很宽的低频测量范围(可达1Hz)和较低的静电力非线性系数，输出端具有较高的信噪比，可广泛用于电容式传感器频率特性的测试及结构优化。本文给出了传感器在静电振动台上的测试结果。结果表明：传感器可动系统的几何参数直接影响频率特性曲线，随着传感器平均空气间隙的减小，可动系统的阻尼比增加。     

Auto-calibration and -compensation of a capacitive pressure sensor using multilayer perceptrons

Using multilayer perceptrons (MLPs), a smart model for a capacitive pressure sensor (CPS) is proposed. When the ambient temperature changes, the nonlinear response characteristics of a CPS may vary widely. Under such conditions, calibration of the sensor and compensation of the nonlinear sensor characteristics to obtain correct readout becomes a difficult task. The proposed MLP model can provide automatic nonlinear compensation and calibration of the CPS characteristics. A microcontroller unit (MCU)-based implementation scheme for this model is also considered. Simulation results show that this model can estimate the pressure with a maximum full-scale error of +/- 1% over a variation of temperature from -50 to 150 degrees C.     

微型热敏传感器系统动态特性理论研究

通过分析用于检测流体参数的微型热敏传感器的工作原理，针对恒流和恒温驱动电路驱动的此类传感器组成的系统，提出了对微型热敏传感器系统动态特性分析的依据和计算设计方法。并且通过对一阶恒流电路驱动传感器系统的时间常数和二阶恒温电路驱动传感器系统的响应频率的计算和分析，得到基于MEMS技术的热敏传感器系统的时域、频域参数的计算和设计依据，为此类传感器的器件设计和性能分析提供了重要的参考依据。     

基于纳米定位的压电陶瓷执行器控制方法的研究进展

压电陶瓷执行器在较高电场的作用下将产生严重的非线性，迟滞和蠕变，从而大大降低了它的定位精度。从控制方式，驱动方式和控制算法上，分析，总结了国内外关于纳米定位中压电陶瓷执行器的各种控制方法，进而提出：压电陶瓷执行器在静态或对频响要求不高的场合下，应采用电压驱动，电容传感器反馈并同优良控制算法相结合的控制方法；而在对频响要求较高的场合下，应采用电荷驱动、电容传感器反馈并同优良控制算法相结合的控制方法。     

Dynamic calibration method of high-pressure transducer based on quasi-δ function excitation source

This paper presents a dynamic calibration method of frequency response characteristics of high-pressure sensor. In this method, the pressure sensor was under high hydrostatic pressure in advance, then use the bullet impacted Hopkinson bar and generated quasi-δ function signal with small amplitude, which excited the sensor being calibrated. The excitation signal of sensor are collected, at the same time, output signal of the sensor are collected, and at last, the collected data are processed according to calibration principle and calculated the frequency response of the sensor being calibrated. This calibration method realized dynamic calibration of high pressure sensor under actual working pressure; it can realize the low limit frequency of the calibrated frequency range strictly reaches to zero frequency. This method can also be applied to acceleration sensor, transient high-temperature sensor, and other types of sensors. In this paper, the calibration principle of quasi-δ function dynamic calibration method is introduced. The relationship among pulse width of excitation signal, frequency range that can be calibrated and calibration precision is analyzed. The experimental results are also shown.     

A Radio-Frequency High-Temperature Superconducting Magnetometer

A radio-frequency high-temperature superconducting magnetometer is described. It is based on the generation of combination frequencies in a nonlinear ceramic-superconductor sensor with a resonance circuit at its input. Measurements at the combination frequency allows for an improvement of the noise and frequency characteristics as compared to a magnetometer based on the generation of the second harmonic in the superconductor. The instrument has a level of intrinsic noise of (2–4) × 10^–8 Oe/Hz^1/2 within a frequency range of 17 kHz.     

神经网络加速度传感器在振动压实中应用研究

在车载式振动压路机压实度检测中利用加速度传感器对信号的检测,由于加速度传感器受自身性能、安装位置、方向、土壤压实度和振动压路机振动轮振动量等随机性、不确定性和模糊性的环境因素的影响。使得加速度传感器的信号输出是一种典型的非线性系统。RBF神经网络因具有较强的自组织性、自学习能力和自适应性等优势,更适合对加速度传感器的输出进行仿真与预测。基于Matlab程序建立了加速度传感器的神经网络模型,通过神经网络的优势性能对加速度传感器在信号检测中进行预测。     

智能涡街流量计的设计与实现

涡街流量计众多的优点使其跻身通用流量计之一,但是当流速较低时,会存在测量不稳定的缺点。针对涡街流量传感器的非线性特性,本系统采用16位微处理器M SP430F435为核心,将传感器特性曲线存储在F lash存储器中,实现了对涡街传感器的非线性校正,从而扩大了涡街流量计的使用范围。同时该仪表还具有频率输出、4—20m A电流输出以及R S485通信功能,便于和传统仪表兼容。