56章微型传感器的测试系统Word格式.docx

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⑶传感器的选择

传感器是测试系统的第一个环节，这里需要强调的是对传感器的选择。

选择包括两个方面：

一是要根据被测对象的具体情况来选择传感器。

例如，在用电高峰时，变压器经常超负荷运行，其内部油温可能超出设计极限，导致变压器工作不正常，甚至被毁坏，因此必须对变压器的油温进行监测。

但变压器内部电磁环境复杂，且易燃易爆，所以所采用的传感器必须具有很好的抗电磁干扰和耐腐蚀、耐高温特性，而且传感器本身最好不带电。

在这种情况下，光纤温度传感器比其它温度传感器就具有优势。

二是传感器要与相连接的仪表、设备在性能上相匹配。

⑷微型传感器电路的特点

信号调理是测试系统的重要组成部分，它的作用是将传感器输出的信号转换成适合于传输、显示或记录的信号，能更好的满足后续电路对输入信号的要求。

信号调理通常包括信号放大、滤波、阻抗匹配、信号的调制/解调等。

信号调理环节是微型传感器标准化的重要环节。

随着数字电路技术的发展，微型传感器的测试系统一般都采用了数字电路。

由于微型传感器采集和输出的信号均为模拟量，所以在微型传感器的测试系统中，模拟量与数字量的转换技术依然占据很重要的位置。

随着技术的发展，在同一个芯片上集成敏感元件、信号调理电路、信号处理电路乃至整个测试系统，已成为可能。

这种高集成度的微系统大量采用了数字电路技术，而电压/频率及频率/电压转换，由于容易实现，已成为模拟量与数字量之间进行转换的首选。

信号处理电路是测试系统的重要组成部分，随着电路集成度的不断提升，越来越多的数字信号处理算法，如人工神经网络、遗传算法等都可能被集成在测试系统中。

特别针对多传感器组成的微传感器阵列，各种模式识别算法、传感器信息融合算法等，已成为微型传感器领域研究的一个热点。

随着网络技术在测试领域的广泛应用，信息的存储及传输已成为测试系统的重要组成部分。

以现场总线为代表的各种数据传输协议、数据传输模块、以及蓝牙技术等，已成为微型传感器测试系统应用于实际测量的重要支撑技术。

2.4.2机械量微传感器

图2-15三种基本微机械结构

微传感器是微型传感器的简称。

以上介绍了微传感器的基本概念，下面给大家介绍一下机械量微传感器。

机械量是机械参量的简称。

在现有的微传感器中，机械量微传感器占居了非常重要的位置。

典型的如压力微传感器、加速度微传感器等，已经在工业控制、汽车安全等方面得到了广泛应用。

机械量所包含的范围非常广泛，如位移、速度、压力、黏度等都是机械量。

正因为机械量包含的范围非常广泛，所以相应的机械量微传感器的品种也最为丰富。

由于课时所限，我们不可能把每个品种的机械量微传感器都进行介绍，因此我们只介绍几种典型的机械量微传感器，主要目的是帮助大家建立起机械量微传感器的概念。

1.微机械元件

在微传感器中，一些重要的微机械结构，经常作为微传感器的基本元件出现。

这些微机械结构可简单分成三种类型：

悬臂梁、桥与膜（见图2-15）。

假设这些微结构是由均匀且各向同性的弹性材料制成的，当其受到力的作用时，微结构的形变可用静力学的理论进行分析。

图2-16悬臂梁的受力变形

例如，图2-16所示的悬臂梁。

梁的一端是固体支撑点，另一端无支撑（称为自由端），梁长为LC,当受力F作用时，梁的自由端在Y方向产生的位移与力的关系为

（2-8）

式中是悬臂梁的弹性系数，,其中为材料的弹性模量，和为悬臂梁截面的宽度和高度。

由式2-8可知，悬臂梁可以将机械参量力转换为位移，同样桥、膜等微结构也可以进行类似的转换。

由此可知，微结构悬臂梁、桥及膜都是一种敏感元件。

在前面的分析中没有考虑微结构本身的固有的应力，然而在实际中微结构本身都存在固有应力，但是在微结构中这种固有应力并不大，对传感器造成的影响可以忽略。

2.谐振式微传感器

谐振是一种广泛存在的现象，不仅在机械系统中存在，而且在各种能量转换过程的系统中也存在谐振现象。

因此谐振式微传感器在微传感器领域中占据了很重要的位置。

⑴谐振器

所谓谐振器，它是谐振式微传感器的敏感元件。

以谐振器作为敏感元件，可制作出对各种物理参量或化学参量敏感的微传感器。

谐振器是利用硅（Si）材料的各向异性刻蚀技术，对硅片进行微机械加工而制作成的，其几何尺寸通常在1毫米以下。

谐振器的基本结构形式有三种，即图2-15所示的悬臂梁、桥、膜三种微结构形式，桥有时也称为两端固支梁。

悬臂梁式谐振器的主要特点是一端与硅基片相连接，而另一端悬空为自由振动端。

桥式谐振器的特点为两端固定。

膜式谐振器的特点是为周边固定。

谐振器一般都具有多个不同的振动模态，如悬臂梁的三种基本振动模态是:

弯曲振动、扭转振动和纵向伸缩振动。

不同的振动模态分别对应不同的谐振频率，检测时谐振器必须稳定工作在某一振动模态；

被测参数的变化表现为谐振器的谐振频率的改变。

⑵传感器的结构及工作原理

谐振式传感器利用谐振器作为敏感元件，以谐振器振动频率的变化来测量被测参量的大小。

谐振式微传感器的结构和工作原理如图2-17所示。

图2-17谐振式微传感器结构和工作原理框图

由图2-17可以看出，谐振式微传感器主要由谐振器、激振器、拾振器及放大器组成，其连接方式如图所示，这是一个闭环振荡回路。

图中激振器用于谐振器振动的激励，它是作为谐振器振动的激励源，并使谐振器的振动保持在一个稳定的频率；

拾振器用于对谐振器振动信号的检测。

谐振式微传感器的工作原理是：

在激振器输出信号的激励下，谐振器进行振动，此时谐振器稳定在某一个振动模态下。

当有被测量输入时，谐振器的振动频率发生变化，拾振器对输入的振动信号进行检测并输出。

拾振器的输出信号有两个用途：

一是传输给后续电路，以便对拾振器的输出信号进行进一步的处理，或进行显示、记录、存储。

二是输入到放大器中，放大器对输入信号的幅值和相位进行调节，然后输出给激振器。

激振器将此信号作为激励，正反馈给谐振器，以维持谐振器的稳频振动。

谐振器振动状态的激励与检测是谐振式微传感器工作的重要环节，下面具体介绍一下谐振器振动状态激励与检测的具体方式、方法。

谐振器振动状态激励与检测的方法有多种，这些方法各有优缺点，下面介绍几种常见的激励和检测方法。

①压电激励与检测

ⅰ逆压电效应

我们在前次课给大家介绍过压电效应，就是说给石英晶体施加压力，石英晶体的相应表面会出现电荷。

研究发现，压电效应的逆效应也存在：

如果在石英晶体的压电元件两侧施加一个固定电压，发现压电元件中的石英晶体会发生变形；

如果给压电元件施加一个交变电压，则石英晶体会产生机械振动。

我们把这种效应成为逆压电效应。

后来又发现：

当外加的交变电压的频率为石英晶体的固有频率时，振幅会突然增加。

这种现象称为谐振，该频率也称为石英晶体的谐振频率。

ⅱ利用逆压电效应激励谐振器的原理

图2-18悬臂梁的压电激励

通过以上分析可以看出，逆压电效应可以用来激励谐振器。

图2-18为利用逆压电效应激励悬臂梁的情况。

由图可以看出，在悬臂梁的上表面固定着一层压电元件。

压电元件很薄，只有数微米。

为一激励电压源，在激励电压的作用下，压电元件产生变形，并作用于悬臂梁，若激励电压源为一个交变电压，则压电元件在交变电压的作用下会发生振动。

由于悬臂梁和压电元件固定在一起，所以悬臂梁也会随着压电元件一起振动。

由上面讨论可以看出，若悬臂梁是谐振器，那么压电元件就是激振器。

当然实际中的激振器是一个振荡电路，压电元件是振荡电路中的一个元件。

ⅲ压电激励的优缺点

压电元件的材料经常选用氧化锌（ZnO），这是因为氧化锌的压电系数高，用其做的压电元件激励效率非常高。

用氧化锌制作压电元件的不足是氧化锌薄膜的制作工艺与集成电路工艺的兼容性不好。

ⅳ谐振器振动状态的检测

施加激励电压可以使压电元件产生机械变形，而根据压电效应知道，压电元件的机械变形又可以在压电元件表面产生电荷，从而改变了压电元件表面的电荷分布，也就是改变了压电元件的电特性，利用机械变形而引起的压电元件的电特性改变，可以实现谐振器振动状态的检测。

②电热激励与压阻检测

ⅰ电热激励

●电热激励机理

电热激励是谐振式传感器最常见的激励方式之一，电热激励的工作机理是基于材料的热膨胀现象。

图2-19是基于材料的热膨胀现象激励悬臂梁的情况。

图中悬臂梁是硅（Si）材料制作的，在悬臂梁上表面固定这一层SiO2，在SiO2上固定着镍铁合金电阻丝。

图中表示直流电压源，表示交流电源，表示交流激励信号叠加在直流信号上。

当镍铁合金电阻丝和电源接通后，电阻丝将电能转换成热能，SiO2材料受热产生变形，并作用于悬臂梁，使悬臂梁变形。

若对SiO2进行周期性的脉冲加热，便可激励起谐振器的振动。

图2-19电热激励的悬臂梁

●电热激励中的能量转换

电热激励存在两种能量转换过程：

电能热能机械能。

在传感器技术中，把能够实现能量转换的器件称为换能器，那么可见电阻丝是一种换能器，它能将电能转换成热能；

SiO2也是一种换能器，它能将热能转换成机械能。

另外，我们也可以看出：

电阻丝和SiO2也分别是敏感元件，电阻丝可以把电信号转换成热信号，SiO2可以把热信号转换成机械信号（如振动、位移等）。

ⅱ压阻检测

经常利用压阻效应对电热激励后的谐振器的振动状态进行检测，下面首先看一下什么是压阻效应。

●压阻效应

单晶硅（Si）材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。

半导体硅的压阻效应可用下式表示：

（2-9）

式中，表示硅材料电阻的相对变化量，表示硅材料电阻率的相对变化量，是硅材料的压阻系数，表示应力。

式（2-9）表示了硅材料电阻变化与所施加的应力的关系。

半导体硅的压阻特性和优良的弹性特性，构成了力学量微传感器的基础。

在弹性变形范围内，硅的压阻效应是可逆的。

也就是说，在应力作用下硅的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值。

●惠斯登电桥

惠斯登电桥是将电阻变化转换成电压输出的一种测量电路，图2-20是电桥结构和原理示意图。

图中R1、R2、R3和R4是电阻，称为电桥的臂，且R1=R2=R3=R4=R；

Ex是激励电源，Eo是电路输出电压。

若R2、R3和R4的阻值已知，且不发生变化，那么当R1的阻值发生变化时，我们可以推出其变化值△R与输出电压的关系式：

（2-10）

由式（2-10）可以看出，电阻R1的变化与电桥输出电压呈线性关系。

图2-20惠斯登电桥结构及原理图

●压阻检测原理

由前所述，悬臂梁在热应力作用下产生与温度变化频率相同的机械振动，如果设计时将一块压阻（硅材料作成的电阻）元件制作在悬臂梁上（一般固定在离固支端不远处，因此处应力最大），并作为惠斯登电桥的一个臂，如图2-20中的R1。

那么当谐振器（即悬臂梁）振动时，压阻的阻值会随着振动发生变化，阻值变化的信息通过惠斯登电桥，以电压的方式输出（如图中的Eo）。

输出的电压信号可驱动指示仪表，也可接入后续电路，对电压信号作进一步的处理。

以上我们介绍了谐振式微传感器的一般原理，下面给大家介绍两种谐振式微传感器：

谐振式