基于MEMS悬臂梁压阻桥式传感器的检测仪的研制
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摘要
随着科学技术的发展，微悬臂梁压阻桥式传感器的应用越来越广泛。由于微悬臂梁传感器所输出的信号通常十分微弱，而且经常伴有大量噪声的干扰，因此设计一款能在强噪声背景下对传感器进行微弱信号检测的仪器显得十分必要。
论文研究了MEMS悬臂梁传感器的制备工艺，并通过对传感器检测仪功能指标进行分析，提出了检测仪的设计方案。针对普通的惠斯通电桥调零不精确的缺点，设计了高精度电桥调零电路，在电桥的一个桥臂上添加一个差分运算放大器，通过调整差分运放的输入端与参考端电压，可实现电桥电路的高精度调零。运用锁定放大技术，对调零以后的电桥信号进行锁定放大操作，可有效提取强噪声背景下的微弱信号。以单片机MSP430F149作为中心控制器，对检测仪的电桥调零模块、两级放大模块、锁定放大模块、液晶显示模块等进行控制，同时通过串口通信模块与完成与上位机之间的通讯。上位机利用VB软件将采集到传感器输出的电压信号以波形方式直观的显示，也可以通过串口发命令的方式控制检测仪进行系统重新调零、放大倍数调整等操作。该系统具有硬件电路简单、增益可调、电桥自动调零、功耗低、界面友好等优点。
With the development of the technology, the microcantilever piezoresistance sensor hasbeen used more widely. Because of the microcantilever sensor’s output is usually very weak,and there are lots of noises in it, it is necessary to design a detector to pick up the weak signalunder the strong interference of the noise.
Through the analysis of the requirement of the sensor detector, the paperpresents the design of the detector. A high-precision bridge zero circuit has been designedafter the Wheatstone bridge circuit has been improved according to its existing shortcoming.Use the lock in amplifier, the weak signal can be effectively extracted from the backgroundof strong noise. The paper use MSP430F149 to control the amplifier module, lock in amplifiermodule, LCD module. Through the serial communication module to communicate with theupper computer. The upper computer collects the voltage signal output by the sensor usingVB software, then displaying it in waveform. It can restart zero setting and adjust theamplification of the system by the way of sending command via serial port. This system hasadvantages like simple hardware circuit, low power consumption and friendly interface, etc.
论文研究了MEMS悬臂梁传感器的制备工艺，并通过对传感器检测仪功能指标进行分析，提出了检测仪的设计方案。针对普通的惠斯通电桥调零不精确的缺点，设计了高精度电桥调零电路，在电桥的一个桥臂上添加一个差分运算放大器，通过调整差分运放的输入端与参考端电压，可实现电桥电路的高精度调零。运用锁定放大技术，对调零以后的电桥信号进行锁定放大操作，可有效提取强噪声背景下的微弱信号。以单片机MSP430F149作为中心控制器，对检测仪的电桥调零模块、两级放大模块、锁定放大模块、液晶显示模块等进行控制，同时通过串口通信模块与完成与上位机之间的通讯。上位机利用VB软件将采集到传感器输出的电压信号以波形方式直观的显示，也可以通过串口发命令的方式控制检测仪进行系统重新调零、放大倍数调整等操作。该系统具有硬件电路简单、增益可调、电桥自动调零、功耗低、界面友好等优点。
With the development of the technology, the microcantilever piezoresistance sensor hasbeen used more widely. Because of the microcantilever sensor’s output is usually very weak,and there are lots of noises in it, it is necessary to design a detector to pick up the weak signalunder the strong interference of the noise.
Through the analysis of the requirement of the sensor detector, the paperpresents the design of the detector. A high-precision bridge zero circuit has been designedafter the Wheatstone bridge circuit has been improved according to its existing shortcoming.Use the lock in amplifier, the weak signal can be effectively extracted from the backgroundof strong noise. The paper use MSP430F149 to control the amplifier module, lock in amplifiermodule, LCD module. Through the serial communication module to communicate with theupper computer. The upper computer collects the voltage signal output by the sensor usingVB software, then displaying it in waveform. It can restart zero setting and adjust theamplification of the system by the way of sending command via serial port. This system hasadvantages like simple hardware circuit, low power consumption and friendly interface, etc.
引文
[1]赵磊.Stewart结构六维大力传感器的研究.硕士学位论文.山东：大连理工大学. 2008
[2]蔡洁.RF MEMS并联膜开关的研究.硕士学位论文.江苏：东南大学.2006
[3]余黎煌.现代汽车传感器的应用及发展前景.科技信息.2010.32：95-99.
[4]Oaks,Richard W.Digital electronics assembly for a true-launched missile.US Patent：5082199.1992.
[5]朱长纯等.微机械传感器的现状与发展.电子元器件应用.2003.4：35-39.
[6]王忠顺.压电微悬臂梁共振检测系统的研究.硕士学位论文.天津：天津大学.2006.
[7]于春霞.基于ARM的前向散射式能见度仪的设计.硕士学位论文.山东：中国海洋大学.2009.
[8]于晓梅,江兴流,J.Thaysen,O.Hansen,A.Boisen.硅压阻输出微传感器的1/f噪声.CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORS. 2001.09：1182-1188.
[9]李树民.微悬臂梁品质因数调控模块研究.硕士学位论文.天津：天津大学.2007.
[10]黄斌,陈尚松,郭庆.强噪声干扰下的微弱信号检测系统设计.电子测量与仪器学报.2006.12:998-1001.
[11]周英平.数字动态应变仪的研究与设计.硕士学位论文.上海：复旦大学.2006.
[12]倪家升,刘统玉等.用于痕量检测微弱信号提取的锁相放大电路设计及实现.山东科学.2009.10:48-56.
[13]刘强,于涌川,綦慧.电感式扭矩传感器在电动助力转向系统中的应用.工业仪表与自动化装置.2009.05:37-39.
[14]刘晓冬.光纤甲烷传感技术研究.硕士学位论文.北京：北京交通大学.2006.
[15]徐春梅.基于激光二级管和光声法检测甲烷气体研究.硕士学位论文.四川：西南科技大学.2007.
[16]Soufiane Bendaoud, Giampaolo Marino. Practical techniques to avoid instability due tocapacitive Loading. Analog Dialogue.2004,38.6:84-86.
[17]曲秋红.实用太赫兹光谱仪信号锁相放大新技术研究.硕士学位论文.天津：天津大学.2010.
[18]芮祥新.自制数字锁频紫外-可见吸收谱仪及应用.硕士学位论文.浙江：浙江大学.2002.
[19]Loren Siebert. Application of current feedback op amps for high-speed I/O. ElectronicEngineering＆Product Word.2005,17：5.
[20]肖旸.基于电阻应变式传感器的测力系统.湖北第二师范学院学报.2010.02:92-96.
[21]汪彦君,张杰等.基于数字相关的弱信号检测方法的研究.计量与测试技术.2008.08:38-40.
[22]包敬民,李向仓,微弱信号的检测技术.现代电子技术.2006.21:65-66.
[23]蔡光杰,沈延钊.一种适合集成传感器的微弱信号读出放大器.微电子学.2004.02:97-100.
[24]陈仁兵.用于AFM的纳米位移传感器信号的采集处理与实现研究.硕士学位论文.北京：中国科学技术大学.2010.
[25]邢佳.基于系统比例测量的非接触式微弱电流检测系统及其应用.硕士学位论文.天津：天津大学.2010.
[26]郭攀.微传感器微弱电压信号读出电路芯片设计.硕士学位论文.北京：中国科学技术大学.2010.
[27]韩佳鸣.用于微弱信号检测的数字相关解调器设计.硕士学位论文.上海：上海交通大学.2008.
[28]高洁.微弱信号检测和处理的若干问题研究.硕士学位论文.河北：华北电力大学.2009.
[29]朱清溢,李志刚.微悬臂梁传感器及其在生化领域的应用.电子工业专用设备.2008.06:10-15.
[30]杨艳.高温超导电阻测量中微弱信号检测技术研究.硕士学位论文.辽宁:沈阳工业大学.2009.
[31]梁庆山.便携式局部放电检测仪的设计.硕士学位论文.陕西：西安电子科技大学.2010.
[32]曾磊,周嘉,黄维宁,黄宜平.基于微悬臂梁的生化传感器.传感器技术.2004.06:76-80.
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[34]于光平,陈娜.电流互感器高压侧数据采集系统研究.2009.20:50-51.
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[36]王灿,吴菲菲.基于参比电容和锁定放大的微电容测量仪.湖南电力.2011.02:14-18.
[37]Low Power, Precision FET—Input OPERATIONAL Amplifier，OPA4130．1998
[38]高晋占．微弱信号检测．北京：清华大学出版社，2004．87-116
[39]刘俊，张斌珍等．微弱信号检测技术．北京：电子工业出版社，2005，10．
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