基于电泳分离的生物芯片的设计与改进

在一种低压驱动电泳分离的阵列电极模块基础上，设计制作了一款电泳分离用的基于1VIEMS技术的微流体沟道芯片，与电极模块及控制检测系统共同组成微全生物芯片系统。通过控制系统进行了一系列电泳实验，根据实验结果确定了沟道芯片的最佳尺寸参数。对阵列电极模块进行了改进，在上面增加了一对检测电极，通过比较几种检测方法选择对电泳分离实验进行阻抗检测，以实现检测系统的微型化。通过基于单片机的检测系统对电泳实验分离结果进行一系列的阻抗检测实验，实验结果证明检测电极的设计是可行的。     

一种曝光时间自适应宽动态行车记录仪设计

针对夜间行车环境中,行车记录仪后路摄像头处于逆光、强光或明暗反差大等复杂光线情况下不能清晰获取汽车后方影像的问题,提出一种像素单元曝光时间自适应技术来拓宽CMOS图像传感器的动态范围。在有源像素传感器像素单元电路基础上增加积分电容、电压比较器和时间-电压编码信号读入电路。其功能是当积分电容电压低于曝光时间阈值电压时,光电二极管停止积分,像素单元曝光时间短;当积分电容电压高于曝光时间阈值电压时,光电二极管曝光至固定时间,以此实现像素单元曝光时间自适应。在受到后方车辆远光灯照射情况下对两种行车记录仪摄像头进行测试,试验结果表明:与采用传统有源像素传感器的行车记录仪相比,安装有宽动态CMOS图像传感器的行车记录仪所拍摄的图像明亮区域图像不刺眼、阴暗区域图像不失真,降低了眩光、反射光、阴影对画面清晰度的影响,能够清晰、真实地还原拍摄环境图像信息。     

石英音叉液体密度传感器的阻抗谱测量

阐明了石英音叉液体密度传感器的工作原理,制备了石英音叉液体密度传感器探头,设计了以AD5933为核心的石英音叉密度传感器的阻抗谱测量系统,主要包括阻抗测量电路、信号调理电路、量程自动切换电路,结合人机交互模块,可以实现参数设置、数据处理和显示。最后测试实验表明,该阻抗谱测量系统具有较高的精度和稳定性。     

线阵CCD的高速信号采集与USB数据传输系统设计

介绍了一种用于线阵CCD高速位移传感器的信号采集与USB传输系统.系统以DSP为控制核心,采用高速AD转换器件AD9238和USB2.0接口控制芯片CY7C68013实现信号采集与高速数据传输的功能,给出了硬件电路和相关程序的设计方法.实验表明:在DSP的控制下,系统实现了CCD传感器信号的高速采集和实时传输.     

基于集成芯片的细胞生理参数自动分析仪的硬件设计

基于集成芯片的多功能细胞生理自动分析仪需要对微电极阵列传感器(Microelectrode Array Sensor, MEAS),光寻址电位传感器(Light-Addressable Potentiometric Sensor,LAPS)和细胞电阻抗传感器(Electric Cell Substrate Impedance Sensor, ECIS)3类传感器的输出信号进行检测.文中介绍了针对MEAS设计的专用前置放大电路;针对LAPS和ECIS,以AD5933集成阻抗转换芯片为核心,设计了电压衰减(增益)电路、电压偏置电路、频率扫描电路和偏压扫描电路,信号的放大采用了微弱电流采样技术.利用MSP430单片机编程实现了对整个系统的控制及与PC机的通讯.最后完成了对硬件系统的测试,结果表明文中的设计基本达到了系统检测的要求.     

基于ICA和BP网络的电流传感器相位差测量方法

提出了一种高精度在线测定电流传感器相位差的方法.在输入端加入测试信号,在输出端采用独立分量分析(ICA)将该测试信号与传感器正常工作的输出信号分离,通过比较该测试信号输出前后相位的变化确定传感器的相位差.但因ICA算法固有的局限性,同一混合信号每次分离结果误差不同,为了提高分离精度,利用BP网络学习分离结果中相位误差与最大似然指标和负熵的关系,提出了一个指示分离结果误差的评价量,以选取多次分离结果中的最优结果.实验结果证明该评价量的有效性.     

一种基于TMR的地磁场测试平台设计

针对微弱地磁场信号难以精确测量的问题,设计一种三维地磁信号测试平台。以STM32为主要控制芯片,采用隧道磁电阻(TMR)传感器采集微弱地磁信号,MPU6050传感器获取平台姿态角,经两级放大电路放大及失调补偿后进行A/D转换,最终由LCD实时显示电压值与姿态角并将其存入SD存储卡内。实验结果表明该地磁测试平台具有超高的灵敏度和信噪比、良好的低频特性等优点。该设计为微弱地磁信号的检测和获取提供一种可行的方法。     

基于正面光激励的LAPS控制和测试系统的研究

光寻址电位传感器(LAPS)是一种用于进行生物化学多参数测量的传感器系统.介绍一种采用激励光源正面照射的电化学三电极测量的LAPS控制和测试系统.该系统采用新型的可替换式LAPS芯片和新型的流通池;巧妙地在光输入窗内表面引入网格状Pt薄膜,起着与芯片平行的辅助电极以及耦合阵列光源的光栅作用.实验结果表明正面光照的光电流是背面光照的4倍,文中还讨论了光电流回路阻抗对光电流的影响.     

基于压缩感知的可视化环境监测系统研究

为了实现更加直观的环境监测,提出一种基于压缩感知的可视化监测系统,以实现图像信号的采集、处理和无线传输.系统将压缩感知理论与无线传感器网络相结合,以STM32F407芯片作为节点的主控芯片,增加OV5640图像采集模块、nRF24L01无线通信模块、红外感应模块等外围设备,实现环境的可视化监测.对系统性能进行测试,测试...     

利用波形比较法进行高量程加速度传感器横向响应的测试研究

提出一种高量程加速度传感器横向响应的测试方法--波形可识别的比较法,对高量程加速度传感器非敏感方向(横向)的输出特性进行测试研究.实验中采用自由落杆的方法,将已经标定过的传感器和带测试的传感器以背对背的方式进行安装,通过同时比较监控两通道的输出波形,可以确定器件的横向灵敏度.此方法简单可靠,并容易实施,对测试中产生的误差进行分析.     

基于虚拟示波器的涡流应力测量装置研制

为将涡流阻抗法应用于金属构件应力的快速测量,基于改进的矢量伏安法,采用虚拟示波器技术,研制出一套测量参数可控的便携式阻抗测量装置。实验测试了信号平均次数、电路采样电阻等对涡流传感器阻抗-频率特性曲线测量精度的影响规律,在优化参数条件下,研制的阻抗测量装置与Agilent 4294a的测试结果较为一致,相对偏差在±5%范围。将便携式装置应用于金属杆件的涡流应力测量:先后对45号钢杆和LY12铝合金直杆进行拉伸实验,测量粘贴于直杆上涡流传感器的阻抗变化,回归分析得到阻抗变化率与拉力的直线拟合方程(拟合优度大于0.9)。实验结果表明,基于虚拟示波器的阻抗测量装置可以基于涡流测力原理,实现金属构件应力的快速、有效测量。     

基于电化学阻抗法的油液在线监测传感器应用特性研究

大型机械装备润滑系统油况的在线监测是润滑故障诊断的关键技术之一,难点在于准确监测水分异常和润滑油老化失效临界点。根据油液老化过程缓慢且复杂、各种因素导致润滑油阻抗值变化的特性,研究基于电化学阻抗谱技术的油况传感器;通过连续在线监测不同润滑油状态下传感器的体相阻抗、界面阻抗和高频阻抗的变化趋势,发现体相阻抗、界面阻抗和高频阻抗的数据趋势可以用来判断油的状况,具体表现为润滑油状态影响传感器体相阻抗数值和界面阻抗数值,添加剂状态影响界面阻抗数值;油液使用时间越长,老化程度越高,体相阻抗值越高;污染物和分解产物影响高频阻抗数值。介绍油液状态传感器的实现原理,通过实验和工程论证油液状态传感器监测水分和润滑油老化失效临界点的可行性。结果表明,在特定应用场景下,电化学阻抗谱油液传感器能区分不同油液状态,能准确监测润滑系统水分异常和老化失效临界点,为设备润滑安全运维策略提供依据。     

基于阻抗变换的非接触电压测量自校准方法

电容耦合式非接触电压测量在实际测量中,探头-导线之间的耦合电容受导线线径、绝缘材质、相对位置偏差的影响,造成分压关系难以确定从而无法准确重构电压。本文提出一种基于阻抗变换的非接触电压测量自校准方法,以实现在实际测量中传感器增益的自标定。首先介绍电容耦合电压测量的基本原理,从中凝练存在的问题并提出基于阻抗变换的自校准方法,随后通过仿真对系统参数进行校准精度影响分析并给出参数选取原则。在此基础上,开发传感器探头及电路拓扑。最后进行传感器样机精度测试、抗干扰能力测试、场景适应性测试,精度测试显示电压幅值最大相对误差为0.59%,相位相对误差为0.76%,抗干扰能力测试表明同轴探头对周围耦合电场具有良好的屏蔽作用。场景适应性测试显示在进行不同类型线路的测试中,最大相对误差为1.24%。     

Frequency domain model reduction based on principal component analysis

A new frequency response-based model reduction technique is presented for use in the mid-frequency range. The reduction was designed to avoid the use of modal-based correlation metrics, which are known to fail in systems with high modal density. A transformation matrix based on a set of complex shapes extracted from the frequency response is used to reduce the impedance matrix to the sensor locations. The sensor locations are selected using the frequency domain effective independence sensor placement technique. Correlation measures that evaluate the test or finite element model (FEM) frequency response data directly with the reduced impedance matrix are used in the frequency domain model validation. The correlation metrics provide a consistency check between the measured response and the complete finite element model. Two numerical examples are included to illustrate the effectiveness of the new model reduction technique.     

适用于恶劣环境的MEMS压阻式压力传感器

为了消除潮湿、酸碱、静电颗粒等恶劣环境对压力传感器压敏电阻的影响,提出了一种新型结构的压阻式压力传感器.该传感器将压敏电阻置于应力薄膜的下表面并通过阳极键合技术密封在真空压力腔中,从而减少了外界环境对压敏电阻的影响.介绍了此种压力传感器的工作原理,使用ANSYS软件并结合有限元方法模拟了压敏薄膜在压力作用下的应力分布情况.最后,利用微机电系统(MEMS)技术成功制作出了尺寸为1.5 mm×1.5 mm×500 μm的压阻式压力传感器.用压力检测平台对该压力传感器进行了测试,结果表明,在25～125℃,其线性度小于2.73％,灵敏度约为20mV/V-MPa,满足现代工业使用要求.     

双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性

为了降低双通道MEMS微波功率传感器的回波损耗,提高传感器的测量精度,对MEMS悬臂梁的匹配特性进行了研究。首先,通过双通道MEMS微波功率传感器结构构建S参数的理论解析模型,分析了双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性,得到了MEMS悬臂梁的间距和回波损耗系数S11的关系;接着利用有限元软件HFSS进行仿真,并和理论结果比较;然后,设计并制作了双通道微波功率传感器;最后,对该传感器的匹配特性进行了测试和分析。实验结果表明:当MEMS悬臂梁的间距为1.6μm时,该传感器在测量8~12GHz频率内的微波信号时,回波损耗小于-19dB。理论和仿真结果较为相符,因此S参数的理论解析模型可以较好地反映双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性,对双通道MEMS微波功率传感器的设计具有一定的指导意义。     

数显涡流电导仪的研制

本文利用ANSYS软件通过涡流检测线圈阻抗的数值计算,表明涡流检测传感器相对于被测导体的提离效应在阻抗平面图上是近似为直线的轨迹,提出利用相位变换的方法实现提离干扰信号的抑制,并在此原理基础上,设计了以ARM9微处理器为核心的、基于幅相鉴别抑制提离效应的涡流电导仪硬件电路,并给出了系统的软件层次框架.最后对标准试块进行测量,分析了测量结果和提离抑制效果,为研制智能化数显涡流电导仪提供了良好的基础.     

黄铜全流量在线磨粒静电监测实验研究

为深入了解静电监测方法对黄铜的监测能力,采用自制的全流量在线磨粒静电传感器开展黄铜的静电监测方法研究。研究了润滑条件下轴承钢-黄铜滑动摩擦荷电磨粒的产生机理并设计了磨粒静电监测系统,开展了三种尺寸的轴承钢球和黄铜球的单颗粒注入实验、双颗粒注入实验以及相同载荷、不同滑动速度的轴承钢-黄铜滑动摩擦磨损实验,对摩擦因数、静电感应信号、静电信号均方根值进行相关性分析。研究结果表明:全流量在线磨粒静电传感器具有较好的检测一致性;静电监测方法对黄铜的监测能力强于对轴承钢的监测能力;摩擦因数与静电监测信号具有相关性,在磨损阶段,静电感应信号出现脉冲尖峰与持续上升。     

基于微螺线管电感式传感器的金属颗粒形态对输出特性影响的研究

基于电感测量技术与微流体技术的油液检测芯片, 不仅可以区分出铁磁性和非铁磁性金属颗粒, 还可以对油液中的颗粒进行计数统计和颗粒大小测量,从而判断金属颗粒污染物的来源及设备的磨损状态。通过理论分析、数值模拟及实验验证, 分析不同形态铁磁颗粒退磁场, 研究铁磁颗粒形态对电感式传感器的输出影响。建立理论模型描述不同形状颗粒的退磁因子、磁化场, 以及磁化的金属颗粒产生磁场从而导致线圈电感发生变化。基于模型计算并验证同体积下球形、不同轴长比的圆柱、椭球颗粒的磁场和电感输出, 分析结果显示颗粒越细长、退磁因子越小则越容易磁化, 因此细长颗粒引起传感器的电感变化更大, 另外圆柱形颗粒的电感变化大于旋转椭球型颗粒。     

Impedance frequency characterization of a vibrating wire viscosity sensor with multiharmonic signals

This paper presents a method to estimate the impedance frequency response of a vibrating wire viscosity sensor. The method is based on the application of a multiharmonic signal to the measurement circuit, which includes the sensor. The signal is composed by the harmonics that correspond to the frequencies at which the sensor’s impedance is to be estimated. The impedance is determined using least-squares (LS) multiharmonic fitting algorithms to obtain the amplitudes and phases of the harmonics of the impedance current and voltage. The stimulus generation, measurement and estimation procedure is performed by a dedicated developed measurement system. It includes a digital signal processor (DSP) to perform all the calculations, control the programmable gain instrumentation amplifiers (PGIAs) and communicate with the analog-to-digital converters (ADCs). The PGIAs and ADCs, respectively, amplify and acquire the signals across the sensor and a reference impedance which is used to limit and sample the current flowing through the wire of the sensor. An auxiliary processor connected to a digital-to-analog converter manages the stimulus generation. The system is connected by USB to a personal computer (PC) where the measurement results can be stored, interpreted and further processed.