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关键词： 微机电系统   谐振压力传感器   绝缘体上硅   微机械   谐振器   品质因数  

摘要： 基于 MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器是目前精度最高、长期稳定性最好的压力传感器之一，具有体积小、重量轻、功耗低、结构紧凑、准数字信号输出、温度响应快、抗冲击、抗干扰能力强、易于集成化和利于批量生产等众多优点。硅微机械谐振压力传感器非常适合于对精度和长期稳定性有着严格要求的航空航天、工业过程控制和其它精密测量场合，在军事和民用领域有着十分广泛的应用和巨大的市场。　　本文提出了一种常压封装的硅微机械谐振压力传感器，系统研究了硅微机械谐振压力传感器的基础理论、结构设计以及加工工艺等关键技术，并对制作的传感器样件进行了性能测试。论文的主要研究工作可概括如下：　　对谐振器受到的各种阻尼进行了深入研究，给出了Q值的预测公式，并优化了释放孔设计。推导了谐振器的固有频率和灵敏度，分析了轴向应力与谐振器满量程频率变化量、二次多项式拟合非线性的对应关系，同时确定了谐振梁非线性变形和静电力非线性成分对谐振器固有频率的影响。对谐振器二阶系统进行了动力学分析，对比了其振动位移、速度和加速度的频率特性曲线。研究了压力敏感膜片的力学行为，进而得到了支撑柱的最佳布置位置。　　设计了一种双端固支梳齿与中间耦合梁结合的力敏谐振器结构，采用静电激励/电容检测的工作方式，面内动平衡的振动模式，保证应力灵敏度和驱动能力的同时大幅提高了谐振器的Q值。其工作模态与压力敏感膜片的受压变形方向互相垂直且具有足够大的频率间隔，可以有效减小谐振器向压力敏感膜片的能量传递，谐振器振动更加稳定可靠。试验结果表明，常温常压下其Q值大于1200，5 Pa真空下Q值大于50000。而在温度为-20℃~60℃、外界待测压力为绝压1 kPa~300 kPa的范围内，常压封装硅微机械谐振压力传感器的谐振器Q值为999~1679，并且传感器基本不受同振质量的影响，介质敏感度非常低。　　为了抑制压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度变化，提出了一种基于悬置扭转梁的谐振器固定端结构。仿真与试验结果表明，压力敏感膜片受压变形时，与悬置扭转梁相连的谐振器最大高度变化仅为常规谐振器固定端结构的7.3％，保证了传感器驱动与检测的稳定性，降低了闭环控制的难度。同时基于悬置扭转梁的谐振器固定端结构采用4个对称布置的支撑柱，机械强度更高，压力敏感膜片受压变形时力的传递也更加稳定可靠。并且在基于悬置扭转梁的谐振器固定端结构中，支撑柱布置于谐振梁之间的空隙，传感器的芯片结构更加紧凑，版图面积利用率更高，体积更小。　　针对传感器检测信号微弱和同频干扰严重的特点，在芯体及接口电路设计中采用了提高谐振器Q值、添加屏蔽电极、降低交流驱动电压幅值、差动电容检测和高频载波调制解调方案等多项措施，有效抑制了同频干扰和漏电流，减小了基础检测电容和各种共模干扰信号的影响，提高了传感器微弱电容检测信号的信噪比。　　开发了基于SOI的硅微机械谐振压力传感器加工工艺，对材料选择、各向异性湿法腐蚀、SOI的DRIE、图形化SOI的划片、SOI结构的湿法释放、基于SOI的阳极键合和芯体器件级常压封装等关键工艺技术进行了详细研究，并进行了芯体版图设计和工艺误差分析。该加工工艺仅需要两层掩膜版，简单可靠，所需设备少，制作周期短，成品率高，一致性好，可以满足一般硅微机械谐振压力传感器快速芯体原型的制作需要。　　对制作的常压封装硅微机械谐振压力传感器样件进行了开环测试和闭环集成测试。测试结果表明，其基础谐振频率在34.5 kHz至35.5 kHz之间。在绝压3.5 kPa~280 kPa的压力范围内，其压力灵敏度为10.86 Hz/kPa，满量程频率变化量为8.27%。当采用二次多项式进行数据拟合后，其非线性为0.0138%FS，迟滞为0.0047%FS，重复性为0.0071%FS%FS，综合精度优于0.02%FS。而当采用五次多项式进行数据拟合后，其综合精度达到了0.01%FS级。同时进一步的测试表明，在-20℃~60℃的温度范围内其谐振器的平均温度系数为-0.029%/℃至-0.012%/℃，该传感器系统的预热时间约30 min，频率跳动约0.2 Hz，长期稳定性约0.264%FS/年，满足压力过载要求。

关键词： 锥形光纤   生物传感器   单粒子探测   微纳光纤耦合器   金纳米棒  

摘要： 光纤消逝场传感器具有灵敏度高、结构简单、体积小、成本低的优势,一直是生物传感领域研究的热点。在实验和理论上,光纤生物传感器都取得非常不错的研究成果。目前限制光纤生物传感器发展的主要问题是:重复性和特异性。本文深入研究锥形光纤生物传感器的原理和制作工艺,设计了微纳光纤耦合器的结构来提高传感器的重复性,提出了金纳米棒标记放大的方法增强纳米光纤生物传感器的特异性。论文的主要工作和结论如下:(1)从理论上分析锥形微纳光纤的模式传输特性,分析各因素对光纤传输光强的影响。采用工艺更为成熟的热拉伸法取代化学腐蚀法,搭建光纤拉锥平台,制备出形貌尺寸几何参数一致性好的锥形微纳光纤。(2)提出微纳光纤耦合器的结构提高光纤生物传感器的重复性。通过仿真计算得出此种传感器传输光强随外界折射率增大出现蓝移。将传感器用于PBS中前列腺特异抗原(PSA)的无标检测,检出限可达10 pg/mL,在测试范围内响应曲线具有较好的线性,易于定标,具有较好重复性。对10 ng/mL的羊IgG抗原进行传感器解离再生实验,证实传感器具有优良的再生性能,能够多次重复使用。(3)为提高锥形光纤生物传感器的灵敏度,特异性和信噪比,提出采用金纳米棒对锥形光纤进行修饰。从理论上分析了金纳米棒对锥形光纤传感器的信号放大机制。设计实验实现纳米光纤对单个20-50 nm金纳米棒粒子的探测。采用双抗夹心放大法,在PBS溶液中对羊IgG抗原检测,得到检测下限为0.02 ng/mL。金纳米棒标记放大的纳米光纤生物传感器增强了传感器的选择性和特异性,取得更高的信噪比。同时为多目标检测提供了一种解决方案,对锥形光纤生物传感器的实用化进程具有重大意义。

关键词： 预测性的设备维护   物联网技术   无线传输   传感器技术   故障检测  

摘要： 物联网的概念至上个世纪一经提出,就成了继互联网之后信息产业的第三次发展浪潮。世界各国都把对物联网的研究放到了国家战略高度,希望在这次新的产业“革命”中走在世界的前沿,占领这个关键技术的战略制高点。随着信息技术和互联网技术的不断发展,物联网已经在生产和生活领域取得了长足的发展,对制造行业也起到了极大的推动作用。在现代化的生产制造中,机械设备或电子系统在使用过程中,故障诊断和维护是必不可少的环节。传统的故障检测技术往往只停留在“故障检测和诊断”阶段,缺乏预测性的维护判断,停留在预防性维护的阶段。其中应用的互联网技术仅局限于进行数据传输,并没有进行现场的实时数据采集,不能实时对设备的关键参数状态经行监控。论文根据现有的设备故障诊断和维护系统存在的局限性,从三个方面对设备监控系统进行研究。论文以物联网模型为基础建立系统方案,从理论方面对传感器技术进行了数据采集的分析研究。在数据传输方面,设计了以网络协议为基础和基于无线信号的传输方案,并将其程序代码融入到Edison系统平台中。系统软件方面,采用以“B/S”架构为基础的软件结构,并且通过Visual Studio和C#编程实现了系统软件的功能。设备故障检测和预测方面,论文通过研究相关设备维护的理论,采用了基于设备监控参数如温度的工业门限算法方案。并通过在实验室建模拟测试环境,对系统进行功能检验与测试。本系统所有用到的软件和硬件技术都是经过IT和物联网业界多年考验的成熟方式和开源技术,同时,作为以物联网为基础的设备监控系统,具有数据响应迅速、工作模式简单实用等优点。系统设计初期就前瞻性的考虑可扩展性,Edison的开发板可以根据工厂的需求随时可以做出监控范围和预测性维护标准的调整,从温度,机械移动,声响到电流,电压等更加系统化的参数矩阵。可以适合未来更加智能和全面的设备监控需求,也使基于物联网技术的预测性的设备维护更加的精确和合理。

关键词： SPMSM   无位置传感器   脉振高频信号注入法   三相载波SPWM   非线性效应  

摘要： 近年来,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)的无位置传感器控制技术得到了广泛的关注和发展。由于PMSM无位置传感器技术的关键和难点集中在零速和低速阶段,并且表贴式永磁同步电机(Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor,SPMSM)作为应用最广的一类PMSM,其无位置传感器控制研究更为迫切。因此,本文基于脉振高频信号注入法,围绕SPMSM在零速和低速下的无位置传感器技术来展开研究。本文首先介绍了PMSM及其控制技术的发展现状,并对现有的PMSM无位置传感器控制技术做了重点介绍。其次分析了PMSM的数学模型和矢量控制的基本原理,选取了id=0的控制策略。对比分析了逆变器的调制策略,并为无位置传感器控制做准备,选取了三相载波SPWM的逆变器调制方式。搭建了有位置传感器SPMSM矢量控制仿真模型,仿真结果验证了系统具有良好的控制性能。然后研究了SPMSM的“饱和凸极性”和脉振高频信号注入法的基本原理,结合三相载波SPWM中的载波频率成分信号提出一种转子初始位置检测新方法,从而避免二次注入其它形式的信号来判别转子磁极,有效地改善了现有的无位置传感器初始位置检测方法中存在的算法执行时间长、实施过程复杂等缺点。实现了从初始位置检测到低速起动运行的无位置传感器控制。另外,考虑逆变器非线性效应对无位置传感器控制估计精度的影响,采用相电压补偿策略以提高无位置传感器控制的位置估计精度。分别搭建了初始位置检测、低速起动运行和非线性效应补偿的仿真模型,仿真结果验证了所提方案的正确性和合理性。最后介绍了本文所用实时控制系统实验平台,并详细介绍了软硬件的设计思路和流程。针对一台1.5k W的SPMSM进行了实验研究,实验结果验证了所提方案的可行性。

关键词： 传感器技术   一般发展   通信技术   技术需求   技术问题   技术产物   发展现状   智能化   微型化   转换   信号   规律  

摘要： 传感器是现代通信技术的重要技术产物，能够按需转换所需信号。本文首先分析了现代传感器技术的定义和发展现状。其次，从普遍技术的一般发展规律以及传感器技术的特殊需求出发，分析并总结了未来传感器发展的智能化、微型化和综合化方向，并讨论了每一个发展方向可能产生的技术问题以及技术需求。

关键词： 传感器技术   地铁机电一体化系统  

摘要： 传感器技术性水平直接决定着整个电机的自动化程度和信息系统整体反应水平。电机的自动化水平越高，对传感器的依赖性就越大，对传感器的要求就越高。传感器的精确度与敏锐度都是检验传感器水平的重要方面，在传感器中的地位也是关键性的。

关键词： 应变   差分算法   边坡稳定性   数值模拟   室内试验  

摘要： 边坡的失稳会导致建筑物的破坏,交通设施瘫痪,造成人员伤亡和经济损失,是相当严重的全球性自然灾害。为了尽可能地减小边坡失稳造成的危害,许多学者开始对边坡安全性实时监测、预报展开研究,取得了很好的成果。伴随光纤传感技术的迅猛发展,光纤光栅传感器技术开始被运用于边坡的稳定性监测。本文采用ABAQUS有限元软件分析了表面粘贴式光纤光栅传感器应变传递率的影响因素,得到了基体层和粘结层的厚度、弹性模量、泊松比,以及光栅长度对光纤光栅的应变传递率的影响。因此,为了消除基体材料和减小粘结层厚度的影响,本文选取裸光栅来进行分析。通过在测斜管表面合理地布设光纤光栅传感器来实现温度的自补偿。采用数值模拟与室内试验对中心差分计算位移的正确性进行了验证,并结合外推法提高了位移计算精度;同时对经典的位移积分算法进行了改进,发现分段位移叠加法的计算精度高于经典的位移积分算法。根据极限平衡理论得到了计算边坡稳定系数的积分求解方法,并且结合Geo Studio-slope/w和ABAQUS分析了影响边坡稳定性的各种因素,验证了积分算法的正确性。同时采用数值模拟对基于位移信息的边坡稳定性计算模型进行了数值分析。最后以测斜管为载体,结合位移计算方法,成功地将光纤光栅传感器应用边坡模型试验中,将监测到的位移与通过PIV技术获取的土体变形进行了对比分析;同时,结合位移增量目标函数搜索边坡的潜在滑裂面位置,进而对边坡稳定性进行了分析,其结果与Geo Studio-slope/w确定的边坡安全性情况相当。验证了基于光纤光栅测斜仪的边坡健康监测及安全性分析算法的可行性。

关键词： 传感器技术   机器人   视觉研究  

摘要： 人类在发展的过程中,科学技术不断发展,并且承担着重要的角色,在科学技术的带领下,研究机器人技术也在不断的发展,传感器技术目前是现代信息技术的三大主要支柱之一。将传感器技术应用到机器人上是主要的应用研究方向。传感器在机器人是作为重要的获取信息的一个重要组成部分,相当于人类的五官,本文主要研究的是传感器技术在机器人的视觉方面的应用。

关键词： 人机交互   老年健康   传感器技术   Arduino   Zig Bee  

摘要： 随着科技的不断发展和老龄化的不断加剧,各种老年健康服务系统(以下简称“老年系统”)应运而生。老年系统能够为老年人的日常生活提供帮助,及时获取老年人健康状况信息,当其健康状况出现问题时可以得到及时帮助或救治,基本可以替代看护人员的职责。用于养老院可以减轻看护人员的工作负荷;用于家庭可以使因工作等原因不能守在老年人身边的子女安心外出。老年系统尤其适合于当今的社会形势,有很大的发展前景。人机交互是研究人与计算机及他们相互影响的技术,是研究如何把人与计算机技术联系起来,使计算机技术达到最大人性化的技术。人机交互技术广泛应用于各种老年系统,对于人机交互技术的研究可以给老年系统设计在实用性、易用性、贴合老年人心理等方面提供很好的指导,使设计出来的老年系统更吸引老年人使用。本课题来源于美国印第安纳大学PHIT实验室的SOLACE项目,针对低经济老年群体设计一个老年系统,以解决不断增长的老年人的看护需求。本文首先对人机交互技术进行介绍,选用传感器技术和Arduino技术作为本系统的主要交互技术;其次对各种通信技术进行比较研究,选择ZigBee技术和Websocket技术实现系统内部通信;同时对于老年人的生理及心理特征进行分析,明确系统设计原则,为系统设计提供指导。然后对系统需求进行分析,明确系统功能,设计系统结构。最后分别在原理设计、硬件实现和软件实现方面介绍系统的具体实现,并给出设计成果。本课题实现的老年健康服务系统具有较强的实用性及易用性,能够实现老年人与系统之间的交互以及系统与护理人员的交互,为老年人的健康生活提供了极大的便利。

ISBN: (纸本)9787121269660