傳感器設(shè)計(jì)論文范文

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第1篇

1.彈性元件的虛擬模型根據(jù)導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變之間的關(guān)系。為了獲得電橋輸出與載荷的關(guān)系，需要構(gòu)建彈性元件的數(shù)學(xué)模型。電阻式傳感器的彈性元件結(jié)構(gòu)有圓筒式、柱環(huán)式、懸梁式和輪輻式四種基本類(lèi)型，各種不同的結(jié)構(gòu)型式的彈性元件應(yīng)變?chǔ)排c載荷F的關(guān)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(huán)式彈性元件其中R0為內(nèi)環(huán)半徑，b為柱環(huán)寬度，h為柱環(huán)厚度，E為彈性模量。（3）懸梁式彈性元件其中l(wèi)為有效長(zhǎng)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(lèi)型設(shè)計(jì)在一個(gè)子VI中，通過(guò)操作“彈性元件類(lèi)型”下拉列表進(jìn)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(cè)量電路，整個(gè)電橋電路由四個(gè)橋臂組成，當(dāng)橋臂接入應(yīng)變電阻時(shí)則成為應(yīng)變電橋。當(dāng)有一個(gè)臂被接入應(yīng)變電阻時(shí)，被稱(chēng)為單臂電橋；兩個(gè)臂被接入應(yīng)變電阻時(shí)則為雙臂電橋（也稱(chēng)半橋）；四個(gè)臂均被接入應(yīng)變電阻時(shí)則稱(chēng)為全橋。在橋路中均未接入應(yīng)變電阻時(shí)。

3.電阻屬性和接橋方式設(shè)計(jì)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(yīng)變電阻和平衡電阻三種，應(yīng)變電阻的貼片方式分為受拉應(yīng)力和受壓應(yīng)力。（1）電阻屬性。圖1中的電阻R1的屬性只有兩種：應(yīng)變電阻和固定電阻。該屬性通過(guò)操作“R1”設(shè)置開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇。若R1為應(yīng)變電阻屬性，其阻值會(huì)隨載荷F的增減而產(chǎn)生相應(yīng)的ΔR1以及因溫度變化產(chǎn)生的ΔR1t。電阻R2的屬性與R1相同。通過(guò)操作“R2”設(shè)置開(kāi)關(guān)可以選擇R2的屬性。若R2作為應(yīng)變電阻，則會(huì)隨載荷F的增減而產(chǎn)生相應(yīng)的ΔR2以及因溫度變化產(chǎn)生的ΔR2t。若操作“差動(dòng)設(shè)置”開(kāi)關(guān)，則可使R2的受力方式為受壓應(yīng)力，從而會(huì)隨載荷F的增減而產(chǎn)生相應(yīng)的-ΔR2以及因溫度變化產(chǎn)生的ΔR2t。R3，R4需要參與調(diào)平電路的設(shè)計(jì)，因此接線也會(huì)相對(duì)復(fù)雜。通過(guò)操作“R3”和“R4”設(shè)置開(kāi)關(guān)對(duì)該電阻進(jìn)行屬性操作。圖中出現(xiàn)的Rr顯示框?yàn)檎{(diào)零電路中的R5的右半部分與R6串聯(lián)然后再與R3并聯(lián)后的阻值。Rl顯示框?yàn)镽5的左半部分與R6串聯(lián)后再與R4并聯(lián)后的阻值。（2）接橋方式的設(shè)計(jì)。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(lèi)型。對(duì)于半橋和全橋方式，其中應(yīng)變片又分為差動(dòng)和非差動(dòng)兩種布片方式。不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都設(shè)置成固定電阻。該方式無(wú)論怎樣施加外力，輸出始終為零。單臂工作時(shí)將R1設(shè)置為應(yīng)變電阻，R2、R3、R4設(shè)置為固定電阻。此時(shí)，按“R1”按鈕，“R1”按鈕變綠，圖中應(yīng)變電阻R1如果顯示向上的箭頭，表明該應(yīng)變電阻受拉應(yīng)力，對(duì)應(yīng)電阻值增大；如果應(yīng)變電阻R1顯示向下的箭頭，表明該應(yīng)變電阻受壓應(yīng)力，對(duì)應(yīng)電阻值減小。半橋非差動(dòng)工作時(shí)，R1、R2設(shè)置為應(yīng)變電阻，R3、R4設(shè)置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個(gè)按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時(shí)電阻R1、R2上的箭頭方向一致，表示應(yīng)變片受到相同性質(zhì)的應(yīng)力，此時(shí)電橋輸出基本為零。半橋差動(dòng)工作時(shí)，R1、R2設(shè)置為應(yīng)變電阻，R3、R4設(shè)置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個(gè)按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時(shí)電阻R1顯示向上箭頭，R2顯示向下的箭頭，表示對(duì)應(yīng)的應(yīng)變片受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。全橋非差動(dòng)工作時(shí)R1、R2、R3、R4屬性均為應(yīng)變電阻，此時(shí)，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按鈕，均變?yōu)榫G色。四個(gè)電阻上的箭頭方向一致，表明四個(gè)電阻受相同性質(zhì)的應(yīng)力，此時(shí)電橋輸出基本為零。全橋差動(dòng)工作時(shí)，“R1”、“R3”電阻箭頭向上，表示受拉應(yīng)力；“R2”“R4”箭頭向下，表示受壓應(yīng)力。

4.溫度誤差計(jì)算及補(bǔ)償在討論應(yīng)變計(jì)的工作特性時(shí)通常是以溫度恒定為前提的，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，工作溫度可能會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致應(yīng)變電阻的阻值發(fā)生變化。設(shè)工作溫度變化為Δt℃，則由此引起粘貼在試件上的應(yīng)變電阻的相對(duì)變化為。將公式（11）代入公式（7）-（10），即可以計(jì)算出溫度變化時(shí)的電橋輸出，該輸出即為溫度誤差。單臂工作時(shí)，采用補(bǔ)償塊法進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償，該方法利用兩塊參數(shù)相同的應(yīng)變計(jì)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(huán)境的補(bǔ)償塊上，但該補(bǔ)償塊不參與機(jī)械應(yīng)變，同時(shí)接入電橋相鄰臂作為補(bǔ)償臂。當(dāng)接通電源并施加負(fù)載時(shí)，補(bǔ)償臂產(chǎn)生的熱輸出與工作臂產(chǎn)生的熱輸出相同，則可達(dá)到溫度誤差補(bǔ)償?shù)哪康摹?duì)于半橋差動(dòng)和全橋差動(dòng)工作方式，根據(jù)公式（10）的和差特性即能進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。5.非線性誤差計(jì)算及補(bǔ)償公式（10）是對(duì)公式（9）進(jìn)行線性化后的輸出。對(duì)于單臂工作時(shí)，非線性誤差可以通過(guò)在電路中加入補(bǔ)償臂（該臂不受外加應(yīng)力作用）。對(duì)于半橋差動(dòng)和全橋差動(dòng)工作方式，不需要外接補(bǔ)償電路，因?yàn)椴顒?dòng)工作方式具有很好的非線性補(bǔ)償作用。

二、虛擬操作面板的設(shè)計(jì)

用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)虛擬儀器，用戶能“量身定制”儀器的操作面板。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)真實(shí)的電阻式傳感器實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yīng)變電阻布片方式選擇、電橋接法選擇、電橋調(diào)零模塊、差動(dòng)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(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)的演示步驟

電阻式傳感器實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程操作分別由DataSocket技術(shù)與Web網(wǎng)絡(luò)工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。DataSocket技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的結(jié)合使虛擬儀器的遠(yuǎn)程控制成為可能，可在若干計(jì)算機(jī)上對(duì)傳感器虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作及數(shù)據(jù)處理。這為傳感器虛擬實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)教學(xué)提升了便捷性。電阻式傳感器虛擬實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程操作過(guò)程如下：第一步，打開(kāi)服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)。第二步，輸入R1、R2、R3、R4的阻值。第三步，選擇彈性元件類(lèi)型。第四步，設(shè)置接橋和布片方式。第五步，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)。第六步，調(diào)節(jié)調(diào)零電位計(jì)，直至電橋近似達(dá)到初始平衡狀態(tài)。第七步，點(diǎn)擊“施力F”按鈕。第八步，查看客戶端網(wǎng)頁(yè)，查看電橋輸出曲線。第十步，點(diǎn)擊服務(wù)器面板中的“復(fù)位鍵”，使所有選項(xiàng)、開(kāi)關(guān)及輸入數(shù)據(jù)均清零和初始化。第十一步，關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。

四、結(jié)束語(yǔ)

第2篇

1．1氣壓傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓阻效應(yīng)于1865年由LordKelvin首先發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在這個(gè)原理廣泛應(yīng)用于傳感器原理中。當(dāng)傳感器薄膜結(jié)構(gòu)上的壓敏電阻受到外界壓力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生形變，使電阻率發(fā)生變化從而引起電信號(hào)的改變，這就是壓阻式壓力傳感器的工作原理。由此可見(jiàn)，壓敏電阻的變化與受到的壓力大小和壓阻系數(shù)有關(guān)。本文中的氣壓傳感器是基于硅的壓阻效應(yīng)設(shè)計(jì)的，制備的氣壓傳感器芯片結(jié)構(gòu)截面圖。傳感器結(jié)構(gòu)由一個(gè)單晶硅彈性薄膜和集成在膜上的4個(gè)壓敏電阻組成，4個(gè)電阻形成了惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，當(dāng)有氣壓作用在彈性膜上時(shí)電橋會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與所施加壓力成線性比例關(guān)系的電壓輸出信號(hào)。

1．2氣壓傳感器制作工藝流程

整個(gè)流程主要是采用硅表面微加工工藝。與傳統(tǒng)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(jìn)行真空腔密封，這種方法可以克服傳統(tǒng)的濕法刻蝕工藝的缺點(diǎn)，加工出的單晶硅膜具有很好的機(jī)械性能。①首先，對(duì)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(gè)連通的腔。②采用外延工藝，在襯底上進(jìn)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(gè)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(shí)的真空度為80torr。③在對(duì)外延硅層的局部區(qū)域進(jìn)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(duì)局部區(qū)域進(jìn)行大劑量硼離子注入。該步工藝主要是要實(shí)現(xiàn)壓敏電阻條之間的歐姆連接，并為壓敏電阻的引出做準(zhǔn)備。⑤在硅片表面生長(zhǎng)一層氧化層及氮化層，用作絕緣介質(zhì)層。⑥對(duì)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(cè)試電路設(shè)計(jì)

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(duì)此微小阻值變化量，本文中設(shè)計(jì)了一款專(zhuān)用接口測(cè)試電路。該測(cè)試電路主要包括STM32系列單片機(jī)及ADS1247模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和液晶顯示模塊。電路應(yīng)用時(shí)將惠斯通電橋輸出節(jié)點(diǎn)與測(cè)試電路連接起來(lái)，通過(guò)硬件和軟件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)外界氣壓信號(hào)的檢測(cè)并轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)進(jìn)行輸出，讀數(shù)在LCD顯示屏上進(jìn)行顯示，測(cè)試電路板的說(shuō)明如圖4所示，針對(duì)部分重要模塊的電路設(shè)計(jì)在下文說(shuō)明。

2．1電源電路設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)中需要用到3．3V和5V兩種電壓(選用的STM32單片機(jī)規(guī)定工作電壓為2．0V～3．6V，ADS1247數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊模擬電源部分供電電壓為5V)，根據(jù)測(cè)試電路元件的需求，采用國(guó)產(chǎn)LM2940－5和LM1117－3．3兩個(gè)穩(wěn)壓模塊來(lái)進(jìn)行電源供電的設(shè)計(jì)。

2．2ADS1247模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

ADS1247是TI公司推出的一種高性能、高精度的24位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。ADS1247單片集成一個(gè)單周期低通數(shù)字濾波器和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘、一個(gè)精密(ΔΣ)ADC與一個(gè)單周期低通數(shù)字濾波器和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘。內(nèi)置10mA低漂移電源參考和兩個(gè)可編程電流型數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)。通過(guò)程序設(shè)置，在輸出電壓裕度內(nèi)，DACS可為外部提供多種強(qiáng)度的電流，分別為50μA、100μA、250μA、500μA、750μA、1000μA、1500μA。除此之外，ADS1247還具有一個(gè)可編程放大器(PGA)，放大倍數(shù)可設(shè)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(cè)試分析

氣壓傳感器作為一種高空探測(cè)的工具，它的性能好壞直接影響到高空探測(cè)的準(zhǔn)確性，針對(duì)本傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試并從數(shù)據(jù)中對(duì)氣壓傳感器的靈敏度、線性度、測(cè)試精度進(jìn)行了分析及擬合修正。

4結(jié)束與討論

第3篇

關(guān)鍵詞：微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）微機(jī)械陀螺（MMG）檢測(cè)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新的科學(xué)領(lǐng)域相繼涌現(xiàn)，其中微米/納米技術(shù)就是諸多領(lǐng)域中引人注目的一項(xiàng)前沿技術(shù)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，繼微米/納米技術(shù)成功應(yīng)用于大規(guī)模集成電路制作后，以集成電路工藝和微機(jī)械加工工藝為基礎(chǔ)的各種微傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）脫穎而出，平均年增長(zhǎng)率達(dá)到30%。微機(jī)械陀螺是其中的一個(gè)重要組成部分。目前，世界各個(gè)先進(jìn)工業(yè)國(guó)家都十分重視對(duì)MMG的研究及開(kāi)發(fā)，投入了大量人力物力，低精度的產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世，正在向高精度發(fā)展。

1微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀的簡(jiǎn)要工作原理

陀螺系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1，它由敏感元件、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅(qū)動(dòng)器的差動(dòng)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(qū)動(dòng)力矩的作用，質(zhì)量片在平行于襯底的平面內(nèi)產(chǎn)生繞驅(qū)動(dòng)軸Z軸的簡(jiǎn)諧角振動(dòng)。當(dāng)在振動(dòng)平面內(nèi)沿垂直于檢測(cè)軸的方向（X方向）有空間角速度Ω輸入時(shí)，在哥氏力的作用下，檢測(cè)質(zhì)量片便繞檢測(cè)軸（Y軸）上下振動(dòng)。這種振動(dòng)幅度非常小，可以由位于質(zhì)量片下方、淀積在襯底上的電容極板檢測(cè)，并通過(guò)電荷放大器、相敏檢波電路和解調(diào)電路進(jìn)行處理，得到與空間角速度成正比的電壓信號(hào)。

在科研及加工過(guò)程中，一個(gè)重要的內(nèi)容就是檢測(cè)陀螺儀的特性，如工作狀態(tài)諧振頻率、帶寬增益、Q值等，于是就提出了微機(jī)械慣性傳感器檢測(cè)平臺(tái)的研制任務(wù)。根據(jù)陀螺儀的工作原理，整個(gè)儀器包括兩大部分：驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生部分和表頭的輸出信號(hào)檢測(cè)部分。驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生部分對(duì)待測(cè)的慣性傳感器給予適當(dāng)?shù)尿?qū)勸信號(hào)，使傳感器處于工作狀態(tài)。信號(hào)檢測(cè)部分要求檢測(cè)出微小電容變化，經(jīng)過(guò)放大、解調(diào)處理后，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量采集到PC機(jī)中，分析輸出信號(hào)，以確定慣性表的特性。

2微電容檢測(cè)技術(shù)

在MMG檢測(cè)技術(shù)中，利用電容傳感器敏感試驗(yàn)質(zhì)量片在哥氏力作用下的振動(dòng)角位移，獲取輸入角速率信號(hào)。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(cè)量分辨率達(dá)到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，對(duì)于微機(jī)械加速度計(jì)和向機(jī)械陀螺儀來(lái)說(shuō)，檢測(cè)試驗(yàn)質(zhì)量和基片之間的電容變化是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前在MMG中采用的微電容檢測(cè)方案有三種：開(kāi)關(guān)電容前在MMG中采用的微電容檢測(cè)方案有三種：開(kāi)關(guān)電容電路、單位增益放大電路和電荷放大電路。

2.1開(kāi)關(guān)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(zhuǎn)換為電壓輸出。該測(cè)量電路包括一個(gè)電荷放大器、一個(gè)采樣保持電路以及控制開(kāi)關(guān)的時(shí)序，如圖2所示。

在測(cè)量過(guò)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(guò)程由一定時(shí)序控制，不斷重復(fù)，使未知電容總處于動(dòng)態(tài)的充放電過(guò)程。C1、C2連續(xù)地放電，電流脈沖經(jīng)過(guò)電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓。再經(jīng)過(guò)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(cè)電路的傳遞函數(shù)為：

Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]

2.2單位增益放大器電路

AD公司與U.C.Berkeley聯(lián)合開(kāi)發(fā)的ADXL50（5g的微機(jī)械加速度計(jì)）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(jí)輸入電容，Rgs為輸入電阻。當(dāng)載波頻率在放大器的通頻帶以內(nèi)時(shí)，前置級(jí)輸入電阻可忽略不計(jì)。由圖3可午，前置級(jí)有用信號(hào)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(biāo)稱(chēng)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(cè)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(yùn)算放大器。其中Cp表示分布電容，Cf為標(biāo)準(zhǔn)反饋電容，Rf用來(lái)為放大器提供直流通道，保持電路正常工作。應(yīng)選取Rf，使時(shí)間常數(shù)RfCf遠(yuǎn)大于載波周期，以避免輸出波形畸變。但Rf過(guò)大為今后電路集成帶來(lái)不便?？梢允褂眯∽柚档碾娮杞M成T型網(wǎng)絡(luò)，替代大阻值電阻。

若運(yùn)算放大器具有足夠的開(kāi)環(huán)增益，反相輸入端為很好的虛地，那么，兩輸入端點(diǎn)之間的電位差為零。因此，反相輸入端對(duì)地的分布電容Cp和放大器的輸入電容Cgs對(duì)電路測(cè)量不會(huì)造成影響。電荷放大電路相對(duì)于單位增益放大電路來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，不需考慮等電位屏蔽問(wèn)題；只需將雜散電容的影響轉(zhuǎn)化為對(duì)地的分布電容，即進(jìn)行合理的對(duì)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(duì)地的分布電容，但是在檢測(cè)微小電容變化時(shí)，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(dāng)載波電壓頻率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止頻率時(shí)，輸出電壓Vout應(yīng)該表示為：

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

3檢測(cè)平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

該系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。對(duì)慣性傳感器施以適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)后，傳感器的動(dòng)片即處于振動(dòng)狀態(tài)，上下極板間的電容發(fā)生周期變化，采用電荷放大器電路將該信號(hào)提取出來(lái)，經(jīng)交流放大、解調(diào)后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量采集到微機(jī)中，觀察傳感器的輸出響應(yīng)，為下一步利用軟件方法分析微機(jī)械慣性傳感器的時(shí)域、頻域特性打下基礎(chǔ)。

3.1激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器

根據(jù)微機(jī)械輪式振動(dòng)陀螺儀的工作原理，最多需要4路激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)為正弦波，每?jī)陕废辔幌喾?。為了測(cè)量陀螺儀的頻率特性，需要不斷改變激勵(lì)信號(hào)的頻率。目前不同設(shè)計(jì)的陀螺儀諧振頻率在幾百赫茲到10千赫茲之間，激勵(lì)信號(hào)也需要在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，陀螺儀的驅(qū)動(dòng)力矩等于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的交流分量與直流分量的乘積，所以還要施加正或負(fù)的直流偏置，使陀螺能處于正常工作狀態(tài)。交流相位和直流偏置組合見(jiàn)表1。

表1交流相位和直流偏置組合

直流偏置：++--交流信號(hào)：+-+-

一般的RC振蕩電路生成的正弦波頻率靠改變R、C值來(lái)調(diào)節(jié)，不能連續(xù)大范圍調(diào)節(jié)。所以，設(shè)計(jì)中采用數(shù)字方法合成模擬波形，其原理見(jiàn)圖6。圖6中8254為軟件可編程計(jì)數(shù)器。其包含3個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)最高頻率可達(dá)8MHz，設(shè)計(jì)中輸入3MHz的時(shí)鐘，將2個(gè)計(jì)數(shù)器串連使用，這樣可以增加頻率控制范圍。8254產(chǎn)生的方波信號(hào)作為后面并行計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖輸入。并行計(jì)數(shù)器由2片74LS161組成8位二進(jìn)制循環(huán)計(jì)數(shù)器。74LS161計(jì)數(shù)到最大值時(shí)會(huì)自動(dòng)清零，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，其輸出可作為E2PROM2817A的地址信號(hào)（即每個(gè)正弦周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為256個(gè)）。2817A的數(shù)據(jù)讀取時(shí)間為150ns。設(shè)計(jì)電路時(shí)將它的片選和讀信號(hào)均設(shè)為有效，以提高數(shù)據(jù)讀取速度。D/A轉(zhuǎn)換采用DAC-08電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器。電路輸出時(shí)間85ns，放大器采用高速高精度運(yùn)放OP-37，同理，D/A轉(zhuǎn)換器的片選和轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)總為有效，其輸出跟隨輸入變化，提高轉(zhuǎn)換速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此信號(hào)發(fā)生器完全可以生成10kHz以內(nèi)可調(diào)頻的正弦波。而且使用可編程計(jì)數(shù)器8254，輸出正弦波的頻率可以用軟件方法調(diào)節(jié)。如果想輸出非正弦波形，只要修改E2PROM的數(shù)據(jù)，就可以輸出任意形狀的周期波形。

3.2低通跟蹤濾波器

數(shù)字信號(hào)發(fā)生器具有控制靈活的優(yōu)點(diǎn)，但是輸出信號(hào)不夠平滑，其中會(huì)有臺(tái)階波。在對(duì)信號(hào)要求比較高的場(chǎng)合，還需要進(jìn)行濾波。本設(shè)計(jì)中信號(hào)的頻率變化范圍很大：幾百赫茲到10千赫茲。為了進(jìn)一步提高信號(hào)質(zhì)量，采用AD633模擬乘法器構(gòu)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有開(kāi)關(guān)電容，噪聲小，一般采用數(shù)模轉(zhuǎn)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(jī)械慣性傳感器在施加激勵(lì)信號(hào)后，即處于振動(dòng)狀態(tài)。傳感器有差動(dòng)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(hào)仍然很彈，需要進(jìn)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(gè)放大倍數(shù)為-1、-2、-5、-10的運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)組成，進(jìn)一步放大被測(cè)信號(hào)，同時(shí)調(diào)整幅值以便適應(yīng)解調(diào)器的輸入。圖8中的開(kāi)關(guān)選用ADG211模擬開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)合，可以任意選擇某級(jí)或某幾級(jí)放大器參加工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)放大倍數(shù)正負(fù)1、2、5、10、20、50、100的整倍數(shù)調(diào)整。例如，將模擬開(kāi)關(guān)S0、S2、S8、S13閉合，其他開(kāi)關(guān)全部打開(kāi)，交流放大器的總放大器數(shù)即為：（-1）×（-2）×（-10）=-20。

3.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

使用計(jì)算機(jī)總線，與外設(shè)之間必須有接口。本系統(tǒng)采用雙端口RAM作為數(shù)據(jù)緩存。先將信號(hào)采樣并存儲(chǔ)其中，然后成組地向主機(jī)傳送，從而有效地發(fā)揮了主、從、資源的效率，且設(shè)計(jì)也相對(duì)簡(jiǎn)單。

3.4.1系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)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(zhuǎn)換器組、計(jì)算機(jī)接口。機(jī)通過(guò)接口啟動(dòng)邏輯控制模塊后，CPU資源向其他請(qǐng)求開(kāi)放，邏輯控制模塊發(fā)控制信號(hào)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器并進(jìn)行采樣，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入雙端口RAM。當(dāng)RAM中的數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，邏輯控制模塊向計(jì)算機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。主機(jī)接到請(qǐng)求后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，向邏輯控制模塊發(fā)出命令，決定是否繼續(xù)采樣，并將RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。

3.4.2硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用Cypress公司的CY7C136（2k×8bit）雙端口RAM。其兩個(gè)端口都有獨(dú)立的控制信號(hào)、片選CE、輸出允許OE和讀寫(xiě)控制R/W。這組控制信號(hào)使得兩個(gè)端口可以像獨(dú)立的存儲(chǔ)器一樣使用。使用這種器件要注意當(dāng)兩個(gè)端口訪問(wèn)同一個(gè)單元時(shí)，有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀出結(jié)果不正確。解決這個(gè)問(wèn)題的方法有兩個(gè)：一種是監(jiān)測(cè)busy信號(hào)輸出，當(dāng)檢測(cè)到busy信號(hào)有效，就使訪問(wèn)周期拉長(zhǎng)，這是從硬件上解決；另一種方法是軟件上保證兩個(gè)端口不同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)單元，即將雙端口RAM進(jìn)行分塊。本系統(tǒng)采用后者，將busy信號(hào)輸出通過(guò)上拉電阻接到電源正極。

在系統(tǒng)中，邏輯控制模塊的作用非同小可，是控制采樣、存儲(chǔ)、與計(jì)算機(jī)接口的核心。本系統(tǒng)為方便對(duì)采樣速率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在該模塊中采用了MCS-51單片機(jī)。這樣可以通過(guò)編程設(shè)定采樣速率。

與主機(jī)的信息交換包括：

（1）接收主機(jī)控制信號(hào)，以決定是否開(kāi)始采樣；

（2）在存儲(chǔ)區(qū)滿后，向主機(jī)發(fā)中斷請(qǐng)求。

本系統(tǒng)使用AT89C51的地址總線來(lái)選通RAM的存儲(chǔ)單元，對(duì)其進(jìn)行寫(xiě)操作，將采樣結(jié)果存入相應(yīng)的單元。

3.4.3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主機(jī)程序和邏輯控制模塊中89C51程序。軟件的關(guān)鍵是單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器部分，軟件流程見(jiàn)圖10。