振动传感器设计
电容式振动传感器谐波失真自检测接口ASIC设计
电容式振动传感器谐波失真自检测接口ASIC设计刘晓为;尹亮;陈伟平;王庆一;周治平【摘要】为实现电容式振动传感器的谐波失真测量,针对电容式振动传感器表头设计出一种开关电容型接口ASIC芯片,采用相同电极分时复用的方法,从而避免电容敏感与静电力反馈的馈通现象.对传感器敏感电容上下极板与中间质量块间的杂散电容导致的谐波失真进行了原理分析,可知传感器二次谐波与寄生电容成正比,三次谐波与寄生电容无关.提出采用电容阵列补偿、静电力平衡反馈式闭环电路结构进行传感器谐波失真抑制,并基于静电力原理提出一种新的电容式振动传感器谐波失真自检测方法,该方法无需精密振动台,仅需要低失真度电压信号源.实际测试结果显示,谐波失真检测精度可达到-83 dB.ASIC芯片采用2 μm CMOS工艺流片,刻度因子为1.2 V/g(g为重力加速度,g=9.8 m/s2),量程为±2g,噪声密度为3×10-6g/Hz,静态功耗为40 mW.测试结果证明,该电路达到高精度微加速度计系统设计要求,可以应用到地震监测、石油勘探等领域中.【期刊名称】《纳米技术与精密工程》【年(卷),期】2010(008)006【总页数】8页(P537-544)【关键词】振动传感器;谐波失真;开关电容;专用集成电路(ASIC)【作者】刘晓为;尹亮;陈伟平;王庆一;周治平【作者单位】哈尔滨工业大学MEMS中心,哈尔滨,150001;微系统与微结构教育部重点实验室,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学MEMS中心,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学MEMS中心,哈尔滨,150001;微系统与微结构教育部重点实验室,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学MEMS中心,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学MEMS中心,哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TN492微机械电容式振动传感器与传统地震检波器相比，具有噪声低、动态范围大等特点，在地震检波器中已广泛使用.微机械电容式振动传感器中电容检测接口ASIC(专用集成电路)芯片一直是国际研究热点，其中对ASIC芯片的噪声特性[1-3]、多轴检测[4-6]和芯片稳定性[7-8]等已进行深入的研究，但缺少对电容式振动传感器谐波失真原理的分析，而该参数是MEMS检波器优越于传统模拟速度检波器的最大区别.其次，提高电容式振动传感器的谐波失真测试精度一直是一个国际上的难题.目前国内的低频标准振动台的谐波失真(约-60 dB)远远高于电容式振动传感器的谐波失真(理论值-100 dB以下)，无法对电容式振动传感器的谐波失真参数进行准确标定.美国IO公司SYSTEM FOUR数字检波器、法国SERSEL公司的DSU3数字检波器的最低谐波失真皆为-90 dB，其主要原因是标定用的高质量振动台自身产生的谐波失真就接近-100 dB，限制了对电容式振动传感器谐波失真的检测能力[9-10].本文在上述背景下，针对电容式振动传感器设计出一种开关电容接口ASIC芯片，并对振动传感器敏感表头中杂散电容在传感器谐波失真参数引起的影响进行了理论分析，提出采用电容阵列补偿、闭环静电力平衡方法进行谐波失真抑制.针对谐波失真参数难以标定的现状，提出一种新的静电力谐波失真检测方法.该方法无需精密振动台即可进行电容式振动传感器的谐波失真自检测分析，实际测试结果显示：谐波失真测量可达到-83 dB.1 工作原理图1是振动传感器敏感表头结构，该结构由3层半导体材料组成.上下两层镀有金属电极，中间为质量体，其表面也有金属电极，上中下3层构成两个电容器CS1、CS2，其中CP1、CP2为电极间的杂散电容.当外界加速度ain发生变化时，中间质量块将垂直与上下盖板产生位移，从而导致电容CS1、CS2发生变化，通过检测上述两电容的变化，可以间接测量出外界加速度信号.上下电极分别施加正负电源电压+VS、-VS，通过电容检测电路将中间质量块的位移转换为电压输出Vf，同时将Vf反馈到质量块上，其闭环工作原理如图2所示.图2中d为电容两极板间距；ε为机械电容的介电系数；A为机械电容极板面积；Cf为电荷敏感放大器的电荷敏感电容；AV为接口电路的开环放大倍数.图1 闭环振动传感器敏感表头结构图2 闭环振动传感器静电力反馈原理框图当系统稳定时，在质量块上施加的反馈静电力近似等于输入加速度ain与质量块质量M的乘积，即(1)当系统的开环增益较大时，质量块的位移可以近似为零.近似认为CS1=CS2=CS，从而闭环电容振动传感器的刻度因子为(2)式中：CS为静态电容；VS为电源电压.2 电容式振动传感器谐波失真原理分析2.1 电容式振动传感器开环模式谐波失真分析电容式振动传感器接口电路原理如图3所示.当开关S7始终断开时，传感器为开环模式，得到开环检测电压输出为(3)式中：VOS为极板间非对称杂散电容导致的输出失调电压；Δd为振动信号输入引起的质量块位移；A0为开环增益.由于上下极板与中间质量块间存在非对称的杂散电容，导致位置敏感电压输出产生失调，如式(3)所示.当输入加速度信号较小时，即Δd较小时，可以近似认为Δd≈ainM/k.当输入ain为aINcos ωt时，三次谐波失真为(4)式中：k为传感器刚度；ωn为传感器无阻尼固有谐振频率.由式(4)可见，开环模式下传感器输出的谐波失真与寄生电容影响无关.然而高动态范围的电容式振动传感器通常情况下采用高灵敏度的机械表头，即相同加速度信号输入时质量块位移Δd较大，导致位移Δd与ain呈非线性关系，使谐波失真加剧.由于上述原因，高动态范围的振动传感器采用闭环工作模式.图3 电容式振动传感器接口ASIC芯片原理框图2.2 电容式振动传感器静电力闭环谐波失真分析当模拟开关S7工作时，传感器为闭环工作模式.振动传感器通过闭环静电力减小了质量块的位移Δd，提高了位移Δd与ain的线性度，降低了传感器的谐波失真.机械敏感电容的中间质量块相对中间位置发生位移时，其产生的反馈静电力为(5)式中：af为反馈等效加速度.将式(3)代入式(5)，由于传感器工作于闭环模式，因此Δd<<d，近似忽略高次项，可以近似认为Δd≈aeM/k，其中ae为反馈静电力等效的质量块加速度值，得到反馈等效加速度信号为(6)式中对af采用了泰勒展开，由于传感器为闭环结构，ae较小，因此忽略了ae的高阶项.闭环振动传感器的非线性输出反馈原理如图4(a)所示，当系统失调c0相对较小时，闭环反馈系统的输出计算函数(将af表示为ain的级数形式，并忽略高次项，结合模型1并利用系数对比)可以得到(7)根据式(3)、式(7)及图4(b)原理，得到输出电压为Vf≈γ0+γ1(aIN-af)=(8)根据图2所示的电容式闭环振动传感器工作原理，若输入信号为aINcos ωt，根据式(2)、式(8)及表1的振动传感器表头和电路参数，得出二次谐波失真为(9)三次谐波失真为(10)式中CP为寄生电容|CP1-CP2|(见图1).将表1参数代入式(9)和式(10)可知：传感器输出的三次谐波失真与传感器的寄生电容无关，当输入加速度幅值aIN小于±0.2g(g为重力加速度，g=9.8 m/s2)时，三次谐波失真将小于-100 dB.传感器输出的二次谐波失真与传感器的寄生电容有关，由于开环增益A0过大导致稳定性问题，电源电压受集成电路工艺限制，因此消除二次谐波失真最简单的方法是减小VOS，即消除极板间的非对称杂散电容CP.当采用电容阵列补偿方法(该方法详细描述见第3.2节)将杂散电容CP匹配至小于0.001CS时，其电容式振动传感器的二次谐波失真理论上将小于-120 dB.图4 电容式闭环振动传感器非线性反馈原理表1 电容式振动传感器表头及电路参数物理量数值静态电容CS/pF150质量块质量M/mg40传感器刚度k/(N·m-1)4000极板间距d/μm2电荷放大器反馈电容Cf/pF5位移电压转换系数A0200电源电压VS/V53 谐波失真自检测ASIC芯片设计3.1 电容式振动传感器接口ASIC芯片原理设计电容式振动传感器接口ASIC芯片原理如图3所示.电路采用调制解调、分时复用检测电极方式完成静电力平衡电容振动传感器的工作过程.电容检测电路采用CMOS开关电容检测方式有效提高电荷检测能力，利用大面积输入P管、相关双采样等电路结构降低电荷放大器的1/f低频噪声；利用PID反馈控制结构提高系统稳定性.其模拟开关的工作时序如图5所示，各个开关周而复始地执行该工作时序，完成电容式振动传感器的闭环工作过程.芯片整个工作周期T包括4个时间相位：放大器误差拾取相位(P1)、电荷放大器准备相位(P2)、电荷采样相位(P3)和静电力闭环反馈相位(P4).图5 闭环振动传感器ASIC芯片工作时序不同相位下的电路结构如图6所示.在相位P1，电荷放大器将失调电压与低频噪声电压(通称为误差电压Vn)施加于节点Vx，此时该节点的电荷量为Qx=(Vx-VS)CS1+(Vx+VS)CS2(11)在相位P2，开关S6断开，电荷放大器处于电荷检测准备状态，其节点Vx的电荷量与相位P1时相同.在相位P3，机械敏感电容CS1、CS2的驱动端接地，节点Vx 的电荷量保持不变，此时节点Vx的电荷总量满足方程Vn(CS1+CS2)+(Vn-VOUT)Cf=(Vn-VS)CS1+(Vn+VS)CS2(12)此时电荷放大器输出电压Vout被保持到采样电容CH，则Vout电压幅值为(13)在时钟相位P3，电路完成振动传感器机械表头电容量变化的检测.在时钟相位P4，开关S5、SH断开、S7闭合，电路结构如图6(d)所示，采样保持电压Vhold通过PID电路反馈至机械表头质量块Vx处，从而实现静电力反馈.然后，时序从时钟相位P1重新开始，并无限循环下去.本方案对机械表头质量块采用分时复用(检测、反馈分时)原理，减小电容检测、静电力反馈之间的馈通现象，实现振动传感器的静电力闭环反馈工作.图6 ASIC芯片中模拟开关工作原理3.2 电容阵列失调补偿工作原理考虑电容式振动传感器的寄生电容时，实际电路如图7所示.当输入加速度信号为0时，开关SA1、SA2断开，CS1=CS2，CP1-CP2=CP≠0时，电容敏感检测电路输出产生失调电压，由于反馈是通过PID电路进行的，积分器的作用将迫使电压节点Vhold = 0，即静电力反馈将迫使质量块位置发生变化Δd，使得CS2-CS1= CP，当Δd较小时，可以近似认为Δd≈afM/k.此时电路节点Vf的输出失调为(14)此时的VOS造成了式(9)所示的传感器输出二次谐波失真.为消除寄生电容造成的二次谐波失真，采用电容阵列进行补偿，即将阵列CA1或阵列CA2并列连接于CS1或CS2上，使得当输入aIN为0时，CS1+CP1+CA1=CS2+CP2+CA2，消除电容振动传感器的输出失调VOS.3.3 谐波失真自检测工作原理采用周期施加静电力的方法等效输入加速度信号，从而进行电容式振动传感器的谐波失真检测，该方法可以避免高精度振动台的使用，其检测原理如图3所示，在接口电路的PID反馈控制结构Vin处施加自检测电压VT，该信号经PI电路传输至模拟开关S7输入端，模拟开关按数字时序分别闭合S5、S7，分别进行质量块位置检测、静电力平衡负反馈、自检测静电力施加功能，整个周期T小于100μs(采样频率fs大于10 kHz).其自检测电压为低频正弦电压信号(信号频率fs<100 Hz).中间电极对输入自检测信号的采样结果为(15)式中τ为模拟开关S7在单位周期T内闭合的时间.对式(15)进行傅里叶变换，结果为(16)式中ωs=2πfs.根据工作时序图5，为常数并不引入失真项.此外，根据抽样原理，电路采样频率fs远大于奈奎斯特采样频率，不会出现频谱混叠现象，并可重现输入信号的频谱特性.传感器开环工作时，在量程范围内Δd<0.05d，系统环路增益>5，因此传感器闭环工作时Δd<0.01d，其施加自检测静电力近似为(17)图7 电容阵列失调补偿工作原理由电路原理(图3)可知，反馈结构采用的是PID反馈结构，因此节点Vhold的直流电压应为0，可近似认为(18)将式(18)带入式(17)，得到自检测等效输入加速度幅值aIN及电压输出Vhold分别为(19)(20)式中L为传感器的环路增益，其传感器输出Vhold二次谐波失真为(21)该方法产生的等效加速度信号如式(19)所示，由于所施加的自检测电压信号与等效加速度信号呈非线性关系，因此该自检测信号本身就存在谐波失真，影响最终测试精度.且由式(21)可知：自检测静电力的二次谐波与输入自检测电压VT、杂散电容CP成正比，三次谐波可近似忽略.根据式(19)～式(21)，要提高传感器谐波失真的自检测精度，可通过提高电源电压VS，或采用电容阵列补偿杂散电容CP来实现.4 测试结果与分析电容式振动传感器接口ASIC芯片采用2 μm模拟CMOS工艺，实际芯片照片如图8所示，芯片面积为4.2 mm×3.8 mm.电容式振动传感器的混合封装如图9所示，机械敏感部分采用瑞士COLIBRYS公司SF1500传感器的真空封装电容式机械表头.图8 电容式振动传感器接口ASIC芯片照片图9 电容式振动传感器混合封装测试照片4.1 电容式振动传感器性能测试电容式振动传感器在实验室条件下的性能测试结果如表2所示.测试噪声时，将振动传感器悬挂并处于0g状态进行减震，并采用动态分析仪HP35670A进行噪声频谱测试，其噪声频谱如图10所示.表2 电容式振动传感器测试结果静态功耗/mW刻度因子/(V·g-1)噪声密度/Hz-12量程401.23×10-6g±2g图10 电容式振动传感器噪声频谱4.2 谐波失真自检测功能测试在实验室测试环境下，采用动态分析仪HP35670A进行传感器谐波失真测试，电容传感器电源采用±5 V，传感器实际使用时的量程为±0.2g，对应输出电压为±240 mV.利用HP35670A的信号源输出40 Hz、480 mVpp正弦电压信号(等效0.4gpp加速度输入信号)，该信号源的谐波失真为-90 dB，将该信号输出施加于电容式振动传感器自检测输入端，其传感器输出频谱如图11所示.图11(a)和图11(b)分别对应敏感电容偏差2%、20%时传感器输出谐波失真.由图11可知，二次谐波清晰可见，且电容偏差较大时，二次谐波也较大，其中三次谐波已被传感器输出噪声所淹没，对传感器谐波失真影响较小，可近似忽略，符合第3.3节的分析.表3描述了不同电容偏差导致的二次谐波理论值(据式(21)计算所得)与实测值的对比，由于信号源的谐波失真为0.003%，导致传感器实测值略高于理论值0.006%，而二次谐波与电容偏差呈线性关系且斜率相同，符合式(21)的分析.图11 电容失调导致的电容传感器谐波失真测试结果图12为不同幅值加速度信号输入的传感器输出频谱，输入幅值分别为240 mVpp、480 mVpp，对应输入等效加速度信号为0.1g、0.2g.谐波失真测试结果分别为-83 dB、-79 dB，二次谐波为主要谐波分量，输入信号幅值增加一倍，二次谐波失真约增加一倍，说明传感器二次谐波与输入幅值呈线性关系，符合式(21)的分析.表3 不同电容偏差下二次谐波理论值和实测值对比电容偏差CP/CSHD2理论值/%HD2实测值/%0.010.00150.0070.020.0030.0090.040.0060.0120.060.0090.0150.200.0300 .042图12 电容式振动传感器谐波失真测试频谱根据上述测试结果可知：(1)针对电容式振动传感器表头设计出一种基于静电力平衡原理的开关电容式接口ASIC芯片，该芯片对传感器表头中间检测电极分时进行静电力反馈、质量块位置检测功能.整体ASIC芯片采用自动清零、相关双取样、闭环反馈等方式抑制CMOS芯片噪声，最终与表头匹配后的噪声密度为3×10-6g/.(2)利用静电力自检测原理可以完成传感器谐波失真自检测，该方法无需精密振动台，通过周期施加静电力、并调整电容阵列的原理，谐波失真检测精度达到-83 dB，与理论分析基本相符.5 结语对闭环电容式振动传感器的谐波失真进行了理论分析，认为电容敏感结构间的杂散电容将导致位置检测输出失调，从而出现谐波失真现象.设计了一种电容式振动传感器接口ASIC芯片，芯片采用2 μm CMOS工艺实现，测试结果表明，与真空封装电容表头匹配后，刻度因子为1.2 V/g，噪声密度为3×10-6g /.芯片采用电容阵列、闭环结构进行谐波失真抑制，理论分析谐波失真可降至-120 dB.利用静电力原理，提出一种电容式振动传感器谐波失真自检测方法，提供了理论分析结果.在等效输入信号为0.4gpp时，检测精度达到-83 dB，与理论分析结果相符.【相关文献】[1] Amini Babak Vakili, Abdolvand Reza, Ayazi Farrokh. 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机械振动传感器的设计与制造
机械振动传感器的设计与制造一、引言机械振动传感器是一种用来检测和测量物体振动的装置。
它广泛应用于工程、科研和日常生活中，可用于故障诊断、结构健康监测、地震预警等方面。
本文将探讨机械振动传感器的设计与制造过程，并介绍一种常用的工作原理。
二、机械振动传感器的工作原理机械振动传感器主要采用压电效应或电磁感应原理来检测振动。
其中，压电式振动传感器是最常见的一种。
1. 压电式振动传感器压电式振动传感器利用压电材料的压电效应来转换振动信号为电信号。
压电材料可以是晶体、陶瓷或聚酯等材料。
当材料受到外力振动时，内部的准晶结构将发生微小的变形，导致材料表面产生电荷。
通过电极将这些电荷转化为电信号，实现对振动的检测。
2. 电磁感应式振动传感器电磁感应式振动传感器则利用电磁感应原理来检测振动。
传感器内部包含一个线圈以及与线圈相连的惯性质量。
当惯性质量振动时，线圈在磁场的作用下会产生感应电动势。
通过测量这个电动势的大小来确定振动的幅度。
三、机械振动传感器的设计机械振动传感器的设计过程中需要考虑以下几个关键因素：1. 振动范围不同的应用场景要求不同的振动范围。
例如，汽车发动机的振动较大，需要设计更高灵敏度的传感器；而一般工业机械的振动较小，则可以采用更低灵敏度的传感器。
设计时需要根据实际需求选择合适的灵敏度范围。
2. 频率响应机械振动传感器对不同频率的振动信号的响应能力也是设计考虑的重要因素。
不同应用场景对频率响应的要求各不相同，因此需要根据具体需要选择合适的传感器。
3. 尺寸和重量机械振动传感器通常需要安装在被测物体上，因此尺寸和重量的设计也是非常关键的。
传感器应该尽可能小巧轻便，便于安装和移动。
四、机械振动传感器的制造机械振动传感器的制造过程中需要经历以下几个步骤：1. 选择合适的材料传感器的材料选择直接影响到传感器的性能，包括灵敏度、频率响应等。
常用的材料有陶瓷、晶体、聚酯等。
根据具体需求选择合适的材料。
2. 制备传感器元件根据设计需求，将所选材料进行相应加工，制备出传感器所需的元件。
(完整word版)振弦式传感器
基于振弦式传感器测频系统的设计白泽生(延安大学物理与电子信息学院陕西延安716000)利用振弦式传感器测量物理量是基于其钢弦振动频率随钢丝张力变化，输出的是频率信号，具有抗干扰能力强，对电缆要求低，有利于传输和远程测量的特点。
因此，可获得非常理想的测量效果。
1 振弦式传感器的工作原理振弦式传感器由定位支座、线圈、振弦及封装组成。
振弦式传感器可等效成一个两端固定绷紧的均匀弦，如图1所示。
振弦的振动频率可由以下公式确定：其中S为振弦的横截面积，ρv为弦的体密度(ρv=ρ/s)，△l为振弦受张力后的长度增量，E为振弦的弹性模量，σ为振弦所受的应力。
当振弦式传感器确定以后，其振弦的质量m，工作段(即两固定点之间)的长度L，弦的横截面积S，体密度ρv及弹性模量E随之确定，所以，由于待测物理量的作用使得弦长有所变化，而弦长的变化可改变弦的固有振动频率，由于弦长的增量△l与振弦的最长驻波波长的固有频率存在确定的关系，因此只要能测得弦的振动频率就可以测得待测物理量。
2 测频系统的设计2.1 基本原理振弦式传感器工作时由激振电路驱动电磁线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦迅速达到共振状态，振动产生的感应电动势通过检测电路滤波、放大、整形送给单片机，单片机根据接收的信号，通过软件方式反馈给激振电路驱动电磁线圈。
通过反馈，弦能在电磁线圈产生的变化磁场驱动下在本振频率点振动。
当激振信号撤去后，弦由于惯性作用仍然振动。
单片机通过测量感应电动势脉冲周期，即可测得弦的振动频率，最后将所测数据显示出来。
测频原理框图如图2所示。
2.2 系统硬件电路设计根据以上的基本原理和思想，设计的测频系统的整体电路如图3所示。
主要由激振电路、检测电路、单片机控制电路和显示电路等几部分组成。
工作过程是由单片机产生某一频率的激振信号，经放大后激励振弦振动，拾振线圈中产生的感应电动势经几级放大后送给单片机处理，最后送显示电路显示。
2.2.1 激振电路激振电路采用扫频激振技术，就是用一个频率可以调节的信号去激励振弦式传感器的激振线圈，当信号的频率和振弦的固有频率相接近时，振弦能迅速达到共振状态。
传感器课程设计(论文)
第1章绪论1.1 传感器的定义能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
1.2 温度传感器的组成通常，温度传感器由敏感元件和转换元件组成。
但是由于温度传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式。
随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。
因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器的组成部分。
常见的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，它1.3 传感器的分类可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。
大多数传感器是以物理原理为基础运作的。
化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。
1.3.1 传感器按照其用途分类压力敏和力敏传感器位置传感器液面传感器能耗传感器速度传感器加速度传感器射线辐射传感器热敏传感器24GHz雷达传感器1.3.2 传感器按照其原理分类振动传感器湿敏传感器磁敏传感器气敏传感器真空度传感器生物传感器等。
一种无线智能振动传感器的设计与实现
87电子技术Electronic Technology电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering飞行器在飞行过程中会遇到复杂的动力学环境，能够准确的测量飞行器动力学环境对其安全飞行有重要意义[1-3]。
传统的有线传感器+数据采集设备的方式，受制于采集设备体积较大、不易供电，传感器布线困难等因素，很难满足飞行过程中测量需求[4-6]。
本文设计一种基于MEMS 技术的无线智能振动传感器，体积小，内置锂电池实现自供电。
数据采集状态下，无线数据传输的同时，传感器内部大容量Flash 进行存储备份，保证了测量数据的可靠性，为飞行状态下的测试测量提供一种有效解决方案。
1 系统整体方案无线智能振动传感器系统组成如图1所示。
系统主要由无线智能振动传感器节点、无线基站和上位机软件组成。
无线智能振动传感器采集到振动信号后，通过2.4G 无线方式将数据传输至无线基站，无线基站收到数据后通过以太网接口将数据传输至上位机软件。
空中应用时，无线基站也可通过RS422方式接入遥测系统。
2 无线智能振动传感器节点无线智能振动传感器主要包含数据采集模块、核心处理器模块，无线传输模块，存储模块和电源模块，其组成结构框图如图2所示。
2.1 硬件电路设计2.1.1 数据采集模块数据采集模块主要实现模拟振动信号的采集和调理。
MEMS 传感器选用意法半导体公司（ST ）生产的LIS344ALH 芯片，其具有高精度、高性能、低功耗、耐冲击的特点。
传感器量程可通过处理器IO 管脚程控，在±2g 和±6g 之间灵活切换测量范围。
传感器输出三路相互独立的模拟电压信号。
传感器信号经过二阶巴特沃兹低通抗混滤后输入AD 采集电路。
为保证数据的同步性，采用3路相互独立的AD 并行数据采集，并采用菊花链方式级联，对外仅有一个SPI 接口。
2.1.2 核心处理器无线智能传感器的核心处理器采用意法半导体公司的基于ARM Cortex TM -M4内核32位的超低功耗微控制器处理器STM32L476RGT7，该芯片工作频率可达80MHz ，具有丰富的外设接口，STM32L476微控制器运用全新的低功耗技术，优化电源管理模式，最低功耗仅30nA 。
基于STM32地震动信号检测识别传感器系统设计
基于STM32地震动信号检测识别传感器系统设计岳辉【期刊名称】《《粘接》》【年(卷),期】2019(040)009【总页数】5页(P117-121)【关键词】震动信号; BP神经网络; 模式识别; 传感器【作者】岳辉【作者单位】中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安 710077【正文语种】中文【中图分类】P315.62地震动传感器的主要价值，在于能够通过对运动目标引起的震动进行远距离检测，实现设备对该目标的识别[1]。
国内针对局部禁区范围内人、车活动的监视主要采用预埋传感器的方式。
但是由于布设传感器需要的线路和处理系统过于复杂，预埋式传感器的监测范围很有限[2]。
同时，中央处理器需要对数量庞大的传感器同时进行信号的筛选、处理，造成整个监测系统过高的误报警频率以及较高的整体功耗[3]。
为满足实际工作中对震动信号传感器的需要，主要针对一种震动传感器的系统进行了重新设计，提高了传感器系统对人和车辆的识别能力和效率，基本满足了24h户外无人值守的需求。
1 相关原理综述地表介质质点的震动来自于外界运动目标对地面的激励，产生激励的原因，来自于运动目标在地面上的运动[4]。
鉴于地表介质的非刚体特性，运动目标在地面上的运动则必然会引起地表介质的形变[5]。
运动带来的形变会不断传播形成地震波。
进行震动信号识别传感器的系统设计，要确保系统可以高效地对地震动信号进行测量，因此，对地震动信号的产生原理和传播原理进行分析是我们进行系统设计的第一步。
1.1 地震动信号的产生与传播地面上的入侵人员、车辆、建筑噪声等运动目标是地震动传感器最主要的检测目标。
这些运动目标的运动过程会对地面不断施加激励，最终通过地表介质的形变和传播形成地震波。
按照地表介质质点的运动以及震动波的传播规律，将地震波分为体波和面波两种，体波又被分为纵波（P波）和横波（S波）两种[6]。
纵波（P波）的传播方向始终与地表介质质点的振动方向相同，因此，纵波（P波）属于地表介质的体积形变；横波（S波）的传播方向始终与地表介质质点的振动方向呈90°，因此，横波（S波）属于地表介质的剪切形变[7]。
基于加速度传感器的围界振动探测器的设计
够测量加速力的电子设备 。 本设计采用Ａ ｎ ａ ｌ ｏ ｇ 公司的ＡＤ Ｉ Ｓ １ ６ ２ ２ ８ 振
度传感器 ， 可提供方 向感测和频谱分 析 ， 识别每个振动源并加 以归 类。 ＡＤ Ｉ Ｓ １ ６ ２ ２ ８ 振动监控器噪声性能额 定值仅为２ ４ ８ ｕ ｇ ／ ， ． ／ Ｈ ｚ ， 动态 范 围为 ±１ ８ ｇ ， 可设定为 至ｌ ｇ ／ ５ ｇ ／ １ ｏ ｇ ／ ２ Ｏ ｇ 。 该传感器 采用 ３ ． ０ ～
围界 振动探测器是一种能将非法入侵者破坏 、 攀越钢筋 围栏 、 ２硬件电路设计 铁栅栏的振动信号变为 电信号 的传感器 ， 电信号经过模／ 数转换器 ２ ． １ 加 速度 传 感 器 转换成二进制数据 、 进行数据组 织、 存储 、 运算处理 。 围界振动探测系统的核心部件为ＡＤ Ｉ Ｓ １ ６ ２ ２ ８ ， 该部件为是加速
动传感器来实现振动探测系统 的设计， 其具有信号调理、 温度补偿 、
自测 ， 以及可配置到检测 或脉冲检 测快速运动等功Fra bibliotek ， 产 品具有
３ ． ６ Ｖ 单 电源供 电， 工作温度范 围为 ０ ℃～＋１ ２ ５ ℃， 完全可以满足
围界 振 动 探 测 器 １
图 １ 围界 振 动 探 测 系 统 架 构 图
设 计 开 发
＿ ＿ 鞲 ｌ ｝ １ 数 ＇ － 字 技 术
基于加速度传感器的围界振动探测器的设计
杜 棋 漳
（ 上海民航新 时代机场设计研 究院有限公司广州分公 司 广 东广州 ５ １ ０ ４ ０ ５ ）
摘要： 围界振 动探 测 器是 安 装 于小 区 围栏的 安 防设施 ， 本 设计 采 用加 速度 传感 器 和单 片机 相结 合 ， 可 实现 对振 动类 型 的分 类 ， 大 大减 少 了 误 报 警 的 几率 ， 具有 较 大 经济 意 义和 社 会 意 义 。 关键 词 ： 振 动探测 加速 度传 感器 围界安 防 中 图分 类号 ： Ｔ Ｎ９ ２ ９ 文献 标 识 码 ： Ａ
介绍振动传感器的设计
介绍振动传感器的设计
2. 电路设计
振动传感器的电路设计通常包括一个敏感元件的接口电路和信号处理电路。接口电路通常 包括一个阻抗匹配网络和一个前置放大器，用于将敏感元件的输出信号转换为适合后续处 理的信号。信号处理电路通常包括一个滤波器和一个放大器，用于提取感兴趣的振动信号 并对其进行放大 为了提高传感器的性能，通常需要优化电路设计。例如，可以通过选择具有较高增益和较 低噪声的放大器来提高传感器的信噪比。此外，还可以通过设计具有特定频率响应的滤波 器来抑制不需要的噪声并提高传感器的频率响应范围
介绍振常包括一个去噪算法和一个特征提取算法。去噪算法通常用 于抑制传感器输出信号中的噪声，例如通过使用数字滤波器或小波变换等技术。特征提取 算法通常用于提取感兴趣的振动特征，例如通过使用快速傅里叶变换或经验模态分解等技 术 为了提高传感器的性能，通常需要优化信号处理算法。例如，可以通过改进去噪算法来抑 制更多的噪声并提高传感器的信噪比。此外，还可以通过改进特征提取算法来提取更准确 的振动特征并提高传感器的分辨率和精度
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介绍振动传感器的设计
汇报人：xxx
目录
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01 1. 机械结构 02 2. 电路设计 03 3. 信号处理算法 04 4. 封装和校准
介绍振动传感器的设计
1
振动传感器是一种用于测量物体振动状态的装置
它们被广泛应用于各种领域，包括工程测试、地震监
2
测、车辆驾驶辅助系统等
3
下面将介绍一种简单的振动传感器设计
介绍振动传感器的设计
1. 机械结构
振动传感器的机械结构通常包括一个敏感元件(如质量 块)和一个支撑结构。敏感元件通常是一个质量块，它 可以在支撑结构的约束下相对于固定点移动。当物体振 动时，质量块会相对于固定点移动，从而引起传感器的 输出信号变化
小型振动电容式静电传感器的设计
晶 赵 佳龙 李凤 玲 韩光 照 ， ， ，
１０ ０ ；． ５０ １２ 中国船舶重工集团公司第 ７３研 究所 ， ０ 黑龙江哈尔滨 １０ ０ ） ５ ０１
摘 要 ： 中介 绍 了一 种基 于振 动 电容 式 静 电传 感 器 的设 计 原 理 ， Ｓ８处 理 器 为控 制核 心 ， 用 静 电场 对 电 荷 产 生静 文 以 ０ 利
ｅ ｔｂ ｉｈ ｄ ｕ ｄ ｒｔ ｉ ｃ ｍｐ ｓ ｅ ｆｒ ｅ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｔ ｇ ｔ ｅｏ ｇｎ ｌｓｇ ａ ｍｐｉ ｅ ｔ ｎ， ｅ Ａ Ｄ ｏ ｖ ｒｉ ｎ ａ ｄ ｅ ｅ ｄ ｄ ｗＣ ＯＳ ｓａ ｌ ｅ ｎ ｅ ｈ ｓ ｏ ｏ ｉ ｏ ｃ ， ｎ ｏ ｕ ｉ ｈ ｒ ｉａ ｉ ｎ ａ ｌ ａｉ ｔ ／ ｃ ｎ ｅ ｓｏ ｎ ｍｂ ｄ ｅ ／ ｓ ｔ ｎ ｉ ｌ ｉ ｆ ｏ ｈ ＭＣ ｌ — ｓ ｐ ｒ ｔ ｎ ， ｅ ｅ ｉ ｉｎ ｙ ｏ ｅ ｍｉｒ ｃ ｎ ｒｌ ｒｗ ｓｉ ｒ ｖ ｄ Ｉ ｒ ａｉｅ ｏ － ｏ ｔｃ ａ ｕ ｎ ｔ ｏ ｎ ｔ ｅｃ ｌ Ｕ ｍｕ ｔ ｔ ｋ ｏ ｅ ａｉ ｓ ｔ ｆ ｃｅ ｃ ｆ ｃ ｏ ｏ ｔｏｌ ａ ｍｐ ｏ ｅ ． ｔ ｅ ｚ ｄ ｎ ｎ ｃ ｎａ ｔ ｉａ ｏ ｈ ｈ ｔ ｅ ｌ ｍｅ ｓ ｒ ｇｍｅｈ ｄ ｉ ａ ｉ ｉ ｈ — ｂ ａｉ ｎ ｚ ｎ ｆｔｅ ｅｅ ｔ ｓａｉ ｅ ｄ ｓｒ ｎ ｔ ｙ ｔｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｔ ｆｔ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｄ ｐ ｙ ｉａ ｕ ｎ ｉ ｎ ｅ ｗ ａ ｌ ｕ ｒ ｎ ｏ ｒ ｔ ｏ ｅ ｏ ｌ ｃｒ ｔ ｔ ｆ ｌ ｔ ｇ ｈ ｂ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｏ ａ ｕ ｅ ｈ ｓｃ ｑ ａ ｔ ｙ ｉ ｖ ￣ ｅ ｋ ｙ ｃ ｒｅ ｔ ｗ． ｏ ｈ ｏ ｃｉ ｅ ｉ ｃ ｈ ｌ ｔ ｌ ｆ
基于DSP总线的振动传感器信号采集系统设计
基于DSP总线的振动传感器信号采集系统设计作者：戈大龙等来源：《电脑知识与技术》2013年第34期摘要：以TMS320F2808控制的CAN模块为核心，设计了CAN总线节点模块，以实现对ICP振动传感器的振动信号进行实时检测和处理[1]。
通过描述系统的硬件设计原理和软件框架流程，介绍系统的设计和实现方法。
该系统能够满足传感器系统对实时性的要求，方便、易携，并且具有可重构性，能够实现不同的算法。
关键词：ICP振动传感器；数据采集；DSP中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）34- 7737-04随着工业智能化的发展，多传感器系统得到了广泛的应用。
为克服传统节点存在的一对一结构、可靠性差等缺点，越来越多的仪表采用现场总线设计。
CAN总线作为多节点互联的现场总线之一，它以其独特的设计以及结构简单、实时性强、可靠性高等优点，逐步成为应用最广泛和最有前途的现场总线之一。
本文介绍了一种基于DSP的CAN总线信息采集及通信系统。
随着数字信号处理技术与信息科学技术的融合，DSP凭借其较强的数字信号处理能力，强大的事件管理能力和嵌入式控制能力，广泛应用于工业自动化、智能化仪器仪表、电机控制系统等。
设计该系统，选择DSP 芯片是一个非常重要的环节，一般情况下，运算速度是DSP一个重要的性能指标，也是选择是考虑的主要因素。
该文选用的是TMS320F2808。
1 系统设计本文根据DSP最小系统及CAN通信模块，设计了硬件包括信号调理模块、A/D模块、CAN通信模块。
信号调理模块是指对被测系统的加速度通过ICP加速度传感器后的模拟信号到达A/D采集之前进行的预处理，A/D转换模块把预处理后的模拟信号转换成数字信号，CAN通信模块把数字信号发送到上位机。
上位机主要负责接受下位机CAN通信发送采集的数据，对数据存储、图形显示及对数据处理分析等功能。
系统硬件结构如图1所示。
2 系统硬件设计2.1 ICP加速度传感器恒流源供电电路设计ICP传感器就是指内置了集成电路的压电传感器。
闸门振动监测加速度传感器设计
• 196•闸门振动是闸门系统中最为关键的水力学问题；在闸门运行中，其振动特性与闸门结构自振特性及流体力学紧密相关，尤其是在闸门开启、闭合进程中由于流体冲击与闸门启闭设备的相互作用会引起闸门无规律振动，是导致闸门疲劳损坏的关键因素，将直接影响闸门的运行、甚至危机水利枢纽安全。
本文针对闸门振动特性，设计了一种基于ADXL356的高灵敏度加速度传感器，重点分析、研究了新型MEMS 电容式三轴加速度传感器的工作原理，设计了其外围电路，并对实际工程中传感器隔水、防腐蚀和防水压等传感器封装进行了分析、研究和设计，实际工程应用验证了该设计的工程应用的有效性。
重大水利工程是强化水旱灾害防治、优化水资源配置、改善水生态环境、促进流域区域协调发展的重要手段，由于闸门在开启过程中水流冲击与启闭机的相互作用极易引起闸门无规律振动，这将导致闸门疲劳损坏，影响闸门寿命，因此，闸门振动实时监测是水库安全运行的重要工程问题。
随着微机电系统（MEMS ）技术的飞速发展,基于MEMS 的三轴传感器具有较高的灵敏度,且重量轻、功耗低、耐用性好，将其应用于大型钢闸门振动监测具有天然优势。
本文分析、设计了适用于水下监测的基于MEMS 的低频加速度传感器，对传感器进行了特定工程需求的封装、校准和标定，以满足实际工程应用的要求。
1 加速度传感器的工作原理加速度传感器是感知加速度物理信号、并将其转换为可测量电信号的器件，基本加速度计的组成元素包含：质量块、弹性件、阻尼元件和限位件。
本文设计采用基于ADXL356芯片的加速度传感器，利用通过改变极距来改变电容，从而改变电压的输出来测量加速度的值。
有绝缘介质分开的两个平行金属板组成平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：(1)式中：ε-电容极板间介质的介电常数，ε = ε0εr ，其中ε0为真空的介电常数，εr 为极板间介质相对介质常数：A -两平行板所覆盖的面积；d -两平行板之间的距离。
振动式报警器设计报告
振动式报警器设计报告1. 引言报警器是一种广泛应用于安防领域的设备，主要用于监测并提示人们发生异常事件的存在。
其中，振动式报警器是一种常见的设计方案，其通过感知物体的振动来判断是否发生了入侵等异常情况，并通过发出响亮的警报声来警示周围的人们。
本报告旨在介绍振动式报警器的设计原理和关键技术。
2. 设计原理振动式报警器的设计原理基于物体振动特性的感知和声音信号的输出。
其主要由以下组件构成：2.1 振动感应器振动感应器是振动式报警器的核心部件，用于感知物体的振动。
常见的振动感应器包括压电传感器和加速度传感器等。
当物体发生振动时，振动感应器会产生相应的电信号。
2.2 振动信号处理电路振动信号处理电路负责接收振动感应器产生的电信号，并对信号进行放大和滤波等处理，以提取出有效的振动信号。
这些振动信号可以是低频的人体步伐振动或高频的敲击振动等。
2.3 声音发生器声音发生器是振动式报警器的输出部件，其通过转换电信号为声音信号来发出警报声。
常见的声音发生器包括扬声器、蜂鸣器等。
声音发生器通常具有一定的音量调节功能，以满足不同环境下的警报需求。
2.4 控制电路控制电路负责协调振动感应器、振动信号处理电路和声音发生器之间的工作。
在发生振动时，控制电路会触发声音发生器发出警报声，同时也可以根据需要触发其他事件，如发送报警信号给安防系统等。
3. 关键技术在实际设计中，振动式报警器需要考虑以下几个关键技术：3.1 振动感应器的选择和布局振动感应器的选择和布局直接影响到报警器对振动的感知能力。
选用灵敏度较高的振动感应器，并将其合理布置在需要监测的位置上，能够提高报警器的准确性和可靠性。
3.2 振动信号的处理和分析振动信号处理是振动式报警器设计中的一个关键环节。
通过合适的滤波和放大技术，能够提取出有效的振动信号，并将其转换为方便后续处理的电信号。
3.3 声音发生器的设计和控制声音发生器作为报警器的输出部件，其设计和控制需要考虑音量、频率等因素。
振动传感器的设计与性能分析
振动传感器的设计与性能分析一、引言振动传感器是一种能够感知物体振动运动并将其转化为电信号的设备。
它在工业、医疗、交通等领域中得到广泛应用，具有重要的意义。
本文将从设计和性能分析两个方面探讨振动传感器的相关内容。
二、振动传感器的设计1. 振动传感器的结构设计振动传感器的结构设计一般包括灵敏元件、信号处理电路以及输出接口等部分。
其中，灵敏元件是核心组成部分，常见的有压电式、电磁式等。
在设计中需考虑灵敏元件的稳定性、可靠性以及信号转换的精确性等因素。
2. 灵敏元件的选取不同应用场景对振动传感器的要求不同，因此在选取灵敏元件时需根据具体情况进行选择。
压电式振动传感器具有体积小、频率响应快等特点，适用于高频振动检测；而电磁式振动传感器则适用于低频振动检测。
3. 信号处理电路设计信号处理电路主要负责将灵敏元件感知到的振动信号进行放大、滤波和转换等处理，以便后续分析和应用。
常用的信号处理电路包括运算放大器、滤波器和模数转换器等。
设计时需根据信号特点进行相应的选择和设计。
三、振动传感器的性能分析1. 灵敏度分析振动传感器的灵敏度是指其对单位振动的响应程度。
通过实验测量和计算可以获得振动传感器的灵敏度。
灵敏度的高低直接影响到传感器的检测精度和可靠性。
2. 频率响应分析频率响应是指传感器对不同频率振动的检测能力。
在实际应用中，经常会遇到不同频率的振动信号，因此，了解传感器的频率响应特性十分重要。
通过绘制频率响应曲线和进行频域分析，可以对传感器的频率响应进行评估和分析。
3. 温度特性分析温度对振动传感器的性能具有很大影响。
温度变化会导致传感器的灵敏度、线性度以及稳定性发生改变。
因此，在性能分析中需要对传感器的温度特性进行评估和研究，以保证传感器在不同温度环境下的稳定性和准确性。
四、结论本文综合讨论了振动传感器的设计与性能分析。
振动传感器的设计应考虑灵敏元件的选取和信号处理电路的设计，以满足不同应用场景的需求。
性能分析则包括灵敏度、频率响应和温度特性等方面，以确保传感器具有较高的检测精度和可靠性。
MEMS加速度传感器的工程振动监测系统设计
86传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)2021年第40卷第4期DOI ： 10.13873/J. 1000-9787(2021)04-0086-04MEMS 加速度传感器的工程振动监测系统设计潘兆马，王壬旬，袁焦，刘 勇，杨学锋，姚书琴(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)摘要：为解决高速铁路工程结构服役性能下降，影响列车运营安全与舒适性问题，提出了一种基于微机 电系统(MEMS)加速度计和单片机、数据云存储结合的工程结构物振动监测系统。
系统主要包括加速度信号同步采集模块、振动信号拾取与实时传输模块、服务器数据压缩与存储模块,通过无线接入点(AP)传 输振动加速度信号至本地工控机，供远程中控室进行实时结构安全等级评判。
实验表明：当振动产生时,设计的监测系统能够实时精确采集加速度信号,有效评估结构物安全状态。
关键词：微机电系统(MEMS)传感器；振动监测；同步采集；结构物状态监测中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1000-9787(2021)04-00864)4Design of engineering vibration monitoring system forMEMS acceleration sensor **收稿日期：2020-07-15*基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0802203)；四川省科技支撑计划资助项g (2018GZ0057);成都市重点研发支撑计划资助项目(2019-YF08-00160-GX )PAN Zhaoma, WANG Xun, YUAN Jiao, LIU Yong, YANG Xuefeng, YAO Shuqin(China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd. ,Chengdu 610031,China)Abstract : In order to solve the problem that the service performance of high-speed railway engineering structuredeclines and affect the safety and comfort of train operation , a vibration monitoring system of engineering structurebased on micro-electro-mechanical system ( MEMS ) accelerometer , single-chip microcomputer and data cloudstorage is proposed ・ The system mainly includes acceleration signal synchronous acquisition module, vibration signal pick-up and real-time transmission module , server data compression and storage module , The vibrationacceleration signal is transmitted to the local industrial computer through wireless access point ( AP) , which can beused for real-time structural safety evaluation in the remote central control room. The experimental results show that when the vibration occurs,the designed monitoring system can accurately collect the acceleration signal in realtime and effectively the safety status of the structure ・Keywords : micro-electro-mechanical system ( MEMS ) sensor ； vibration monitoring ； synchronous acquisition ；structure condition monitoring0引言我国铁路交通基础设施建设取得了跨越式的发展，一些重点工程如桥梁、边坡支挡结构会受到风、地震、交通荷载等外部因素影响，不可避免地导致结构的损伤积累和服役能力下降，对基础设施安全运营带来严重威胁。
振弦传感器读数仪的改进设计
（下转第150页）时代农机TIMES AGRICULTURAL MACHINERY第45卷第3期Vol.45No.32018年3月Mar.2018作者简介：杜锋，主要研究方向：电子工程。
振弦传感器读数仪的改进设计杜锋，范英龙(,223003)摘要：随着振弦传感器的发展，现有的固态便携式的传感器已不在适用于现在的工程需求，为减少人力资源浪费及避免恶劣的工作环境，对此，文章对振弦传感器做了改进的设计，提出振弦传感器的硬件、软件以及数据传输工具设计思想和改进的方面。
研制基于ARM 单片机为核心，网络数据传输为辅助的远程便捷式读数仪。
改进后的传感器具有以下特点：①信号采集实现了频率与温度补偿同步采集处理；②通过移动网络进行数据传输、监测，便于实时发现被测物体的状况；③电源开关采用冷启动控制电路；④提高了频率采集的精度等级，增加了方干扰模块。
体积小，可适应恶劣环境，可大规模使用，适用于大工程的监测。
关键词：振弦传感器的改进；移动网络数据传输；开关冷启动1项目背景振弦式传感器是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种非电量电测的传感器。
由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐震动、寿命长等特点。
与工程、科研中普遍应用的电阻应变计相比，有着突出的优越性。
振弦传感器能直接以频率信号输出，因此，较电阻应变计模拟量输出能更为简单方便地进行数据采集、传输、处理和存储，实现高精度的自动测试。
为此，振弦传感器得到了迅速的发展和应用。
在国外，德国的MAlHAK、法国的TELEMAL、美国的SINCO 等多家公司，都有振弦传感器的系列产品。
广泛应用于港口工程、土木建筑、道路桥梁、矿山冶金、机械船舶、水库大坝、地基基础等测试，已成为工程、科研中一种不可缺少的测试手段，显示出了其广阔应用和发展的前景。
2改进方案谐振式压力传感器被更多的应用在工程中。
这种传感器利用压力的变化来改变谐振频率，从而通过频率的变化来间接的测量压力。
传感器测试方案的设计
传感器测试方案的设计概述本文档旨在设计一个传感器测试方案，以确保传感器在不同条件下的准确性和稳定性。
测试方案将包括以下几个关键步骤：传感器选择、测试环境设定、测试流程和数据分析。
传感器选择在设计测试方案之前，我们首先需要选择合适的传感器。
选择传感器应考虑以下因素：应用领域、测量参数、精度和耐用性。
根据具体需求，评估市场上可用的传感器，并选择最适合项目的传感器。
测试环境设定测试环境的设定对于传感器测试至关重要。
我们需要模拟真实应用场景，并确保测试环境的稳定性和准确性。
以下是一些测试环境设定的关键要点：1. 温度控制：确保测试环境的温度稳定，并在测试过程中记录温度变化。
可以使用恒温器或温度控制器来控制温度。
2. 湿度控制：根据实际应用需求，控制测试环境的湿度。
可以使用加湿器或除湿器来达到所需的湿度水平。
3. 噪音控制：消除测试环境中的噪音干扰，并确保测试结果的准确性。
可以使用声音隔离设备或降噪器来控制噪音。
4. 震动控制：防止测试环境中的震动对传感器测试结果产生干扰。
可以使用振动隔离平台或防震台来控制震动。
测试流程在测试方案中，明确的测试流程是必不可少的。
以下是测试流程的一般步骤：1. 校准传感器：在测试之前，需要对传感器进行校准以确保准确性。
校准过程应遵循传感器制造商提供的指南。
2. 测试样本准备：准备适合测试的样本，并确保其与实际应用场景相似。
样本的数量和特性应该能够覆盖所需测试范围。
3. 数据采集：在测试过程中，使用数据采集设备记录传感器的输出数据。
确保采样频率和采样精度满足测试要求。
4. 数据分析：对采集到的数据进行分析和处理，评估传感器在不同条件下的准确性和稳定性。
使用统计方法来验证测试结果的可靠性。
数据分析数据分析是测试方案中的最后一步，用于评估传感器的性能。
以下是一些数据分析方法的例子：1. 统计分析：使用统计工具和方法来分析传感器的输出数据。
计算平均值、标准差和相关性等，评估测试结果的可靠性。
仿真震动频率如何计算公式
仿真震动频率如何计算公式引言。
在工程和科学领域中，震动频率是一个非常重要的参数，它可以用来描述物体在振动过程中的频率和周期。
在仿真和模拟实验中，计算震动频率是十分必要的，因为它可以帮助工程师和科学家更好地了解物体的振动特性，从而进行合理的设计和分析。
本文将介绍如何计算仿真震动频率的公式，并探讨一些相关的实际应用。
一、简介。
在物体振动的过程中，震动频率是指单位时间内振动的次数，通常用赫兹（Hz）作为单位。
震动频率与振动周期之间有着密切的关系，振动周期是指一个完整的振动循环所需要的时间，它与震动频率的倒数成正比。
因此，震动频率和振动周期是可以相互转换的。
在实际的工程和科学应用中，我们通常会遇到需要计算震动频率的情况，比如在振动传感器设计、机械振动分析、声学工程等领域。
二、计算公式。
在进行仿真和模拟实验时，计算震动频率的公式可以根据具体的振动系统和振动类型来确定。
一般来说，对于简单的单自由度振动系统，可以使用以下的公式来计算震动频率：f = 1/2π√(k/m)。
其中，f表示震动频率，k表示系统的刚度，m表示系统的质量。
这个公式是根据简谐振动的特性推导出来的，它描述了系统的固有频率与系统的质量和刚度之间的关系。
在实际的工程设计和分析中，可以通过测量系统的质量和刚度来计算系统的固有频率，从而得到系统的震动频率。
对于复杂的多自由度振动系统，可以使用有限元分析等方法来计算系统的固有频率和震动频率。
有限元分析是一种常用的工程仿真方法，它可以通过离散化系统的结构和材料来计算系统的固有频率和模态形式，从而得到系统的震动频率。
有限元分析可以有效地模拟复杂的振动系统，比如机械结构、建筑物、汽车、飞机等，从而帮助工程师和科学家更好地了解系统的振动特性。
三、实际应用。
计算震动频率的公式在工程和科学领域中有着广泛的应用，下面将介绍一些实际的应用案例。
1. 振动传感器设计。
在振动传感器的设计中，需要计算传感器的固有频率和灵敏度，以确保传感器可以有效地检测系统的振动。
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振动传感器的设计研究王翔 19920111152779（物理与机电工程学院）摘要：本文目的是设计一款要求参数的振动传感器，其主要是利用差分电容的原理进行设计。
根据差分电容的特点建立其力学和电路特性然后应用三明治结构实现设计。
在对三明治结构进行了ansys仿真确定了其振动的模态从而调节参数时敏感器件符合要求，使用matlab对其输出的位移和电压进行了仿真模拟得到相应的结论。
关键字：振动传感器、三明治结构、仿真1引言众所周知，振动是广泛存在于自然界和人类社会生活中的一种物理现象，直观地形容，振动是一种动态现象，是我们观察到的某一平衡位置上的往复运动。
振动是一种或多种力的作用导致结构中的能量的传递和储存引起的。
有些振动是我们需要的，在工农业生产、社会生活、医疗保健等方面均有广泛的应用。
比如在建筑工地，用机器将水泥沙浆捣实，利用超声振动进行清洗、焊接等。
有些振动又是需要避免的，比如环境噪声、桥梁谐振等。
通过振动测量可以提供振动加速度、速度和位移，为工业生产提供依据，保证仪器设备的安全、可靠，还可以为仪器工作过程中提供各振动参数数据，使控制系统根据测试数据对仪器的工作状态进行控制，保证正确的工作状态，以便提高工作效率。
本文通过差动电容的原理设计了一种振动传感器，测量振动中的加速度。
主要技术指标为：检测限为 0.1 mg, 频率范围100-10,000Hz2 电容式振动传感器的工作基础2.1工作原理本传感器测量原理是基于牛顿第二定律，加速度作用在敏感质量上形成惯性力，间接测量加速度。
加速度传感器的微结构包括弹性梁、惯性质量块等，其基本力学模型是一个质量块加弹簧构成的阻尼系统，加速度通过敏感质量块形成惯性力作用于系统。
如图2.1所示：图2.1 基本力学模型根据牛顿第二定律建立振动微分方程：)()(22t ma t F ky dtdyR t d y d m ==++ （2-1） 式中m 为振动物体质量，R 为动态阻尼系数，k 为弹簧系数，a 为输入加速度，y为质量相对壳体的位移；td yd m 22表示惯性力，dt dyR表示动态阻力，F(t)表示支撑梁的弹性力。
将式（2.1）进行零初始条件下拉普拉斯变换，得：)()()()(2s A m s KY s sY R s Y s m ⋅=+⋅+⋅由此可以得到系统的传递函数为：（2-2）其中其中，mkr =ω为振动质量块的固有频率，Q=km /c=m r ω/c 为品质因子。
Q 5.0=ξ阻尼因子。
上式是研究电容式加速度传感器系统特性的基础，它完成了a →x ，即外界加速度到质量块位移x 的转换。
当r ωω<<时式（2-2）可以写成（2-3）由式(2-3)可见看出，r ωω<<时位移量与加速度呈近似的线性关系;传感器的机械灵敏度x/a 与固有频率的平方成反比，降低固有频率，能够提高加速度传感器的检测灵敏度，但带宽会因此收到影响，而且固有频率受到机械结构以及制造条件的限制，不可能很低。
又因为mkr =ω，代入式(2-3)可得： （2-4）从式(2-4)可以得到以下的结论:增大弹性系数或减小惯性质量块的质量可以增加固有频率。
2.2电路模型图2-2给出了电容式加速度传感器敏感元件的电路模型。
可动极板与上下固定极板形成电容C 1和C 2。
初始状态下，加速度为零，此时中间的可动极板位于正中部时，这两个电容的电容值相同，即C 1=C 2=C 0。
当外界有加速度a 时，可动极板产生与加速度方向相反的位移x ∆，使一个电容值增大，另一个电容值减小。
C 1与C 2的差值定义为差分电容:C ∆（2-5）其中ε为电容介质的介电常数，S 为固定极板和可动极板的正对面积，x 0为固定极板和可动极板间的初始间距。
考虑到电容变化的线性度要求，可动电极的位移通常被限制在很小的范围内，在x ∆<<x 0的条件下，式(2-5)可改写为：（2-6）图2.2等效电路图由式(2-6)可以看出，x ∆<<x 0时，x C ∆∝∆。
又由式(2-3)可知，r ωω<<时，位移的变化正比于外界加速度的变化。
所以可动极板的位移量远远小于可动极板和固定极板之间的初始间距，而且待测加速度的频率远小于传感器的固有频率时，差分电容正比于外界加速度，其值与加速度的强度和方向有关。
通过测量电容差的变化量，就可以得到加速度信号a 的相关信息。
如图2.2，若上下固定极板上的电压分别为+Vs 和-Vs ，那么可动极板上输出的电压为:(2-7)假定外界加速度方向向下，则可动极板向上运动，那么)/(01x x S C ∆-=ε，)/(02x x S C ∆+=ε,代入式(2-7)可得:(2-8)由式(2一8)可以得Vo ∝∆x ，即可动电极上的输出电压正比于可动电极的位移变化。
从上面的分析可知r ωω<<时，a x ∝∆。
从而可以得到r ωω<<时，a V ∝0即可动电极上的输出电压正比于外界加速度。
从上面的分析可知电容式加速度传感器的设计中，固有频率的设计极为重要。
满足待测加速度的频率远远小于固有频率的条件时，可以使可动电极上的输出电压与外界加速度呈线性关系。
可动电极上的输出电压再通过后续的读出电路读出，使传感器最终输出的电压与待测加速度成线性关系。
2.3 敏感元件的等效电学模拟电容式加速度传感器可以等效为一个二阶弹簧阻尼系统，如图2.1 式2-1给出了电容式加速度传感器的振动微分方程，重写如下：（2-9）将阻尼系数c、弹性系数k、可动极板的位移x、振动块质量m和外界加速度a都用相应的等效电学参数来代替，电容式加速度传感器的敏感元件就可以转换为如图2.3所示RLC谐振电路。
该RLC谐振电路的微分方程为：（2-10）图2.3等效电路传感器敏感元件的机械参数与其等效电路的电学参数对应关系如表2-1所示：该电路模型用电容两端的电压模拟加速度传感器的位移，故差分电容的表达式(2-6)可以重写如下：（2-11）利用敏感元件的等效RLC电学模型，可以在同一环境下对加速度传感器进行系统仿真设计，从而优化微机电系统;能够方便研究其振动位移响应，对敏感元件的机械参数进行优化设计。
3 结构设计:设计方案如图3.1与图3.2所示。
由于己经确定质量块的大小与悬臂梁的厚度即为SOI片器件层的厚度，所以为了达到要求的固有频率以及第一阶为需要的振动模式，需要改变悬臂梁的宽度来达到。
如图3.3所示，即只需要改变D大小。
根据要求设计敏感器件的结构如下：3.1 整体结构图上玻璃板硅悬臂梁下玻璃板可动电极固定电极悬臂梁质量块3.2 质量块悬臂梁简图3.3结构尺寸图结构关键尺寸如图所示：X=2mm,X1=0.1mm,X2=0.675mm,Y=0.685,Z=2,D=0.3mm而可动电极到固定电极的初始位置d0设置为d0=1mm4 软件仿真根据结构设计进行仿真首先求解敏感元件的各阶模态，然后根据要求调节结构参数.使用ansys分析结构建模划分网格如下图4.1图4.1建模图形设置参数如下表所示：单晶硅杨氏模量泊松比密度结构单元MKS 1.65*10110.3 2.33*103solid45X X1X2Y Z D20.10.6750.685 2 0.3根据上表数据进行ansys仿真的到结果如下：SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE1 3294.9 1 1 12 3883.6 1 2 23 4791.2 1 3 34 5594.1 1 4 45 6221.2 1 5 5位移结果如下图所示：4.1器件振动Z轴方向的位移图由结果可知其一阶模态时最大位移约为:0.220284mm.由以上的结果可以看出器件的频率为3294.9Hz与要求的频率10000Hz不相符所以改变器件的尺寸以增加其固有频率的大小达到要求的结果下表为修改后的器件参数，再次进行仿真。
改变后的参数设置：单晶硅杨氏模量泊松比密度结构单元MKS 1.65*10110.3 2.33*103solid45X X1X2Y Z D20.30.6550.685 2 0.1可已看出减少D，增加梁的厚度可以增加其频率。
得到的结果如下表：SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE1 16631 1 1 12 19492. 1 2 23 25074. 1 3 34 27070. 1 4 4得到的Z 轴方向上的振动位移图如下图所示：其最大的位移为：0.854485mm 。
为了避免动极板碰到定极板所以设置d 0为1mm 且设置阻隔物防止过载时发生碰撞。
图4.2器件Z 轴位移图图4.3器件位移侧视图下面使用matlab 软件仿真器件的输出：上文给出了电容式加速度传感器敏感元件的力平衡方程，经过拉普拉斯变换如下：（4-1） 其中，k m w r =为振动质量块的固有频率，c m w c km Q r //==为品质因子，Q /5.0=ξ为阻尼因子。
由前面的分析得到了敏感元件的传输函数，为了分析外界加速度作用下的电极的位移，对敏感元件进行了MAILAB模拟，如图4.4所示图4.4电极的位移matlab模拟图当选取频率为500Hz，a=1，a=2，a=10，a=20及当频率为1000Hz时a=1，a=2，a=10，a=20时的位移：图4.5 f=500Hz，a=1，a=2时位移图图4.5 f=500Hz，a=10，a=20时位移图图4.5 f=1000Hz，a=1，a=2时位移图图4.5 f=1000Hz，a=10，a=20时位移图从以上仿真可以看出位移的输出与加速度呈正比而频率影响输出时的密度。
根据第2章的式（2-5）到式（2-11）进行传感器的输出电压以及C的输出仿真：图4.6 simulink模拟框图当选取频率为500Hz，a=1，，a=10，及当频率为1000Hz时a=1，，a=10，时的输出电压为：图4.7 f=500Hz，a=1，a=10时输出电压图图4.8 f=1000Hz，a=1，a=10时位移图仿真发现，加速度的频率越高，敏感元件的位移越小，为获得较高的灵敏度要求待测加速度的频率远离敏感元件的固有频率。
敏感元件的位移输出与阻尼因子ξ的大小有关。
从上仿真结果还可以看出经过电路放大后电压的输出在mV级可以被检测而且输出的电压为交流电，经过电路处理可以得到相应的加速度经过积分可以得到速度及位移等相关信息。
5 结论研究表明差分电容的灵敏度和线性度均优于单电容，在此基础上，选定本文的敏感结构为典型的差分电容结构，具体的结构参数如下：X=2mm,X1=0.1mm,X2=0.675mm,Y=0.685,Z=2,D=0.3mm而可动电极到固定电极的初始位置d0设置为d0=1mm。