5,6章微型传感器的测试系统

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1、2.微型传感器的测试系统⑴测试系统的作用和特性一般来说，传感器采集的信息有两个用途：一是用于显示、记录及存储；二是用来进行自动控制。传感器无论实现哪一个用途，都必须由其测试系统来完成。测试系统的作用就是完成对信号的采集、处理、显示、存储及传输。测试系统必须具备两个特性：一是客观性，就是说测量结果是对被测对象的客观反映，而不能参杂观测者的主观意愿。二是实验性，就是说测量结果必须以实验为依据，必须通过实验方式获取。⑵微型传感器系统的特点测试系统的组成我们已经讲过，测试系统的第一个环节是传感器，第二个环节是信号调理，第三个环节是信号的显示、记录

2、、存储及传输。不论是传统传感器的测试系统，还是微型或智能传感器的测试系统，其组成和工作原理基本是相同的，只不过对于智能传感器来说，第二和第三个环节的功能更加强大；对于微型传感器来说，其特点是系统的微型化，这就是前面介绍的微机电系统。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

3、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

4、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

5、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14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

6、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

7、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

8、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