仿生毛发传感器测控电路设计与实验研究
发布时间：2021-08-26 10:28
近年来,仿生技术的发展为传感器设计带来越来越多的灵感,仿生传感器的发展也取得不断突破。本文研究的仿生毛发传感器正是借鉴动物毛发结构设计而成,用于空气流速的测量。风速测量在气象测试、环境保护、工农业生产等领域具有重要意义,而仿生毛发传感器的研究目的就是为了提升风速测量的精度。毛发传感器的结构决定了其测量精度的上限,而测控电路是实现测量功能的关键。因此,本文主要对毛发传感器的测控电路进行研究,主要研究内容如下:（1）毛发传感器流速敏感机理研究首先针对毛发传感器的机械结构,介绍了谐振器动力学模型以及圆柱体毛发在空气流速下的受力模型,得到了谐振器频率变化与空气流速大小的关系。其次,分析了毛发传感器的静电驱动和电容检测原理,为电路设计提供理论基础。（2）毛发传感器驱动电路设计与分析设计了基于锁相环的驱动电路,包括频率控制回路和幅度控制回路两个部分。分析了频率控制电路中的鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和幅度控制回路中的整流电路、低通滤波器。最后,对基于锁相环的驱动回路进行了MATLAB仿真,并验证了分析的正确性。（3）流速激励产生电路和麦克风校准电路的设计首先,介绍了扬声器产生空气流速的机理,并设...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
毛发加速度计测试平台
东南大学硕士学位论文有加速度输入时，毛发底部形成差动电容。在底部电极处给差动电容施加 1MHz 交流载波信号来进行差动电容信号的提取。顶部电极连接电荷放大器，经过解调、滤波后，传感器响应可以在示波器上显示出来。测试结果显示，该加速度计谐振频率为 367Hz，检测阈值为 0.63m/s2,可测量最大加速度可达 1g。图 1.2 显示了毛发流速传感器测试平台，其原理与加速度计测试平台类似，通过使用驱动扬声器来产生空气流速。测试结果表明，在施加信号频率为 250Hz时，敏感的最小幅度为 1.06mm/s。与此同时，测量结果还显示了传感器较好的八字指向性。
图 1.1 毛发加速度计测试平台 图 1.2 毛发流速传感器测试平台该团队还对毛发传感器阵列展开了研究[9-10]，如图 1.3 显示了毛发阵列传感器。测控电用频分复用技术（FDM）来实施并行信号的采集，有效地减少电路端口数量，能够在多感器位置同时测量流速信号，克服了时分复用（TDM）对时间传播敏感的缺点。图 1.4了采用频分复用技术的阵列毛发传感器的原理。实验结果表明，使用 FDM 处理技术成功少了阵列毛发传感器所需的电极连接数，这开辟了使用毛发传感器阵列来测量空间流场布以及各种流动特征的可能性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]MEMS传感器现状及应用[J]. 王淑华. 微纳电子技术. 2011(08)
[2]基于CORDIC算法的NCO[J]. 张科峰,彭帅,蔡梦. 现代雷达. 2008(06)
[3]数字PID控制器的FPGA实现及软硬件协同仿真[J]. 陈晋炜,周玉洁. 信息技术. 2005(09)
[4]精密整流电路的分析与应用[J]. 景海云. 河北建筑工程学院学报. 2004(03)
[5]微机械陀螺数字读出系统及其解调算法[J]. 周斌,高钟毓,陈怀,张嵘,陈志勇. 清华大学学报(自然科学版). 2004(05)
[6]脉冲热线风速仪的研制[J]. 李庆,马大为,乐贵高. 气动实验与测量控制. 1996(04)
博士论文
[1]仿生蜘蛛振动感知的硅微加速度传感器研究[D]. 汪延成.浙江大学 2010
硕士论文
[1]新型仿生毛发流速微传感器结构设计与优化[D]. 胡迪.东南大学 2017
[2]差分型MEMS矢量水听器的研制[D]. 王续博.中北大学 2016
[3]基于STM32高频响热线风速仪的研制[D]. 钟志鹏.南京理工大学 2016
[4]基于FPGA的硅微陀螺仪数字测控电路关键技术研究[D]. 柳小军.南京信息工程大学 2015
[5]基于MEMS技术的仿生三轴向压阻矢量水听器的研制[D]. 李振.中北大学 2014
[6]三轴谐振式加速度计测控电路的设计[D]. 赵辉.南京理工大学 2014
[7]微风速矢量测量系统[D]. 姚炜.合肥工业大学 2012
[8]采用MEMS技术研制硅气体流速传感器[D]. 林定选.黑龙江大学 2009
[9]硅微MEMS仿生矢量水声传感器研究[D]. 陈尚.中北大学 2008
本文编号：3364071
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
毛发加速度计测试平台
东南大学硕士学位论文有加速度输入时，毛发底部形成差动电容。在底部电极处给差动电容施加 1MHz 交流载波信号来进行差动电容信号的提取。顶部电极连接电荷放大器，经过解调、滤波后，传感器响应可以在示波器上显示出来。测试结果显示，该加速度计谐振频率为 367Hz，检测阈值为 0.63m/s2,可测量最大加速度可达 1g。图 1.2 显示了毛发流速传感器测试平台，其原理与加速度计测试平台类似，通过使用驱动扬声器来产生空气流速。测试结果表明，在施加信号频率为 250Hz时，敏感的最小幅度为 1.06mm/s。与此同时，测量结果还显示了传感器较好的八字指向性。
图 1.1 毛发加速度计测试平台 图 1.2 毛发流速传感器测试平台该团队还对毛发传感器阵列展开了研究[9-10]，如图 1.3 显示了毛发阵列传感器。测控电用频分复用技术（FDM）来实施并行信号的采集，有效地减少电路端口数量，能够在多感器位置同时测量流速信号，克服了时分复用（TDM）对时间传播敏感的缺点。图 1.4了采用频分复用技术的阵列毛发传感器的原理。实验结果表明，使用 FDM 处理技术成功少了阵列毛发传感器所需的电极连接数，这开辟了使用毛发传感器阵列来测量空间流场布以及各种流动特征的可能性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]MEMS传感器现状及应用[J]. 王淑华. 微纳电子技术. 2011(08)
[2]基于CORDIC算法的NCO[J]. 张科峰,彭帅,蔡梦. 现代雷达. 2008(06)
[3]数字PID控制器的FPGA实现及软硬件协同仿真[J]. 陈晋炜,周玉洁. 信息技术. 2005(09)
[4]精密整流电路的分析与应用[J]. 景海云. 河北建筑工程学院学报. 2004(03)
[5]微机械陀螺数字读出系统及其解调算法[J]. 周斌,高钟毓,陈怀,张嵘,陈志勇. 清华大学学报(自然科学版). 2004(05)
[6]脉冲热线风速仪的研制[J]. 李庆,马大为,乐贵高. 气动实验与测量控制. 1996(04)
博士论文
[1]仿生蜘蛛振动感知的硅微加速度传感器研究[D]. 汪延成.浙江大学 2010
硕士论文
[1]新型仿生毛发流速微传感器结构设计与优化[D]. 胡迪.东南大学 2017
[2]差分型MEMS矢量水听器的研制[D]. 王续博.中北大学 2016
[3]基于STM32高频响热线风速仪的研制[D]. 钟志鹏.南京理工大学 2016
[4]基于FPGA的硅微陀螺仪数字测控电路关键技术研究[D]. 柳小军.南京信息工程大学 2015
[5]基于MEMS技术的仿生三轴向压阻矢量水听器的研制[D]. 李振.中北大学 2014
[6]三轴谐振式加速度计测控电路的设计[D]. 赵辉.南京理工大学 2014
[7]微风速矢量测量系统[D]. 姚炜.合肥工业大学 2012
[8]采用MEMS技术研制硅气体流速传感器[D]. 林定选.黑龙江大学 2009
[9]硅微MEMS仿生矢量水声传感器研究[D]. 陈尚.中北大学 2008
本文编号：3364071
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