驱动感知一体化的混合式微力传感器设计

论文摘要

压电式微力传感器的低能耗、高灵敏度、易于与压电微执行器集成等优点使其具有良好的应用前景。压电式微力传感器的研究尚处于起步阶段,本文以基于PVDF薄膜的微力传感器为研究对象,以提高压电微力传感器的灵敏度,实现与压电微执行器的集成为目的,对PVDF薄膜悬臂梁式微力传感器的设计、制作、测试进行了系统的研究。提出一种IPMC/PVDF联合驱动/感知的结构和方法。由于IPMC和PVDF位置接近,激励信号和感知信号产生了馈通耦合问题,提出了一个在实时操作上的巨大的挑战。本文系统分析了悬臂梁传感原理,基于压电效应进行了模态分析,推导出PVDF悬臂梁形变、力、感应电压之间的白箱模型。利用NI的PCI6221数据采集卡,通过LabVIEW系统分析压电薄膜的传感特性和频率特性,并在此基础上设计并调试了压电悬臂梁差分电荷放大电路及微电流放大电路。开发了一套完整的传感实验平台,同时由于检测的力信号非常微小,设计了传感器探头,主要包括：前置放大器设计、差分电路设计、限幅设计和抗干扰设计。为便于微力传感器的小型化,选用DSP数字信号处理器作为MCU,实时采集力信号并予以显示。设计并调试了压电悬臂梁微力信号检测系统软件,结合设计的电路对压电悬臂梁进行检测试验,并用曲线拟合算法对实验结果作分析和讨论。所设计的微力传感器灵敏度：6.4mV/uN,分辨力：0.11uN,线性度：3.83%,动态范围：0.4552Hz-50Hz.

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.2 悬臂梁式力传感器国内外研究现状
• 1.2.1 基于PVDF悬臂梁的微力传感器
• 1.2.2 基于力平衡的PVDF悬臂梁微力传感器
• 1.2.3 基于IPMC悬臂梁结构微力传感器
• 1.2.4 驱动/感知一体化的混合式微力传感器
• 1.3 微力传感器的研究特点
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 压电材料传感原理与特性分析
• 2.1 压电薄膜传感机理
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 应变传感机理
• 2.2 压电智能悬臂梁感知模型建立
• 2.2.1 压电传感方程
• 2.2.2 模型变换
• 2.3 微悬臂梁的电学检测方案
• 2.3.1 虚拟仪器开发与信号处理平台
• 2.3.2 位移信号测量
• 2.3.3 基于LabVIEW虚拟仪器的数据采集与信号分析
• 2.3.4 IPMC的感知性能分析
• 2.3.5 PVDF压电薄膜制作传感器的分析
• 第3章 悬臂梁式力传感器硬件系统设计
• 3.1 系统总体设计方案
• 3.2 微力传感器测量探头设计
• 3.2.1 压电薄膜等效电路
• 3.2.2 电荷放大器和微电流放大器
• 3.2.3 前置运算放大器
• 3.3 信号采集模块设计
• 3.3.1 信号采集电路设计
• 3.3.2 数字信号处理器
• 3.4 抗干扰设计
• 3.4.1 干扰源、干扰种类及干扰现象
• 3.4.2 抗干扰措施
• 3.5 IPMC/PVDF致动/传感一体化装置的设计
• 3.5.1 PVDF/IPMC结构和感知电路
• 3.5.2 集成驱动的感知系统设计
• 第4章 悬臂梁式力传感器系统软件实现
• 4.1 DSP系统软件总体设计
• 4.1.1 DSP特点
• 4.1.2 DSP软件需求分析
• 4.1.3 主程序流程
• 4.1.4 DSP信号幅值采集程序
• 4.2 数据处理
• 4.2.1 电压信号滤波和数值转化
• 4.2.2 信号的提取和零漂的处理
• 4.2.3 液晶显示程序设计
• 第5章 传感器系统标定
• 5.1 传感器标定及性能测试
• 5.1.1 标定方法
• 5.1.2 传感器标定误差来源分析
• 5.2 传感器性能指标测试
• 5.3 实验结果及讨论
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文