基于Labview的多驱动皮拉尼信号处理系统设计与实现
这是一篇关于传感器,驱动电路,Labview,温度补偿的论文, 主要内容为传感器是物联网系统中数据来源的重要组成部分,微机电系统(MEMS)技术的发展带动了微型真空传感器的研发,在制作过程中通过将敏感元件与电路集成在同一芯片,缩小了体积的同时,更能兼顾应用于不同的测量环境中。传统热传导型真空计扩展量限的方法主要以芯片结构的改进为主,其往往采用单一的驱动构建方式,对集成驱动电路的探索较为匮乏且缺乏适配的上位机信号处理模块。针对以上问题,本文以MEMS型皮拉尼真空传感器做为研究对象,在分析皮拉尼传感器理论以及原理的基础上,完成了对传感器驱动电路设计、模拟信号采集系统设计、上位机系统软件设计以及温度补偿算法在内的一体化开发设计。本文的研究内容如下:(1)以传感器传的敏感元件部分入手,介绍了皮拉尼传感器的工作原理。针对不同物理参数特征的器件结构,基于集总参数分析法建立了微尺度下皮拉尼传感器的导热模型,为薄膜型真空规结构优化设计提供理论指导。(2)借助Tina-TI软件和Multisim软件完成了电路稳定性分析以及仿真设计,搭建皮拉尼传感器的多驱动切换电路、读出电路以及通信电路并结合Labview虚拟仪器软件建立了模拟信号与数字信号的接口,实现了器件复用、电路切换、参数读取的功能。(3)分析了不同偏置下皮拉尼芯片的输出特性曲线,总结了皮拉尼传感器灵敏度的特征变化并使用Matlab进行了数学分析,建立了皮拉尼电信号-真空度的rational32关系模型,提出了一种适用于皮拉尼传感器的非线性反拟合的方法。(4)编写上位机信号处理模块,结合上位机软件通过搭建的真空测试环境完成了传感器的标定实验;讨论并设计了皮拉尼传感器的Newton-rational温度补偿模型。实验结果表明:恒温驱动在0.1Torr～200Torr内最大测量误差为22.6%,恒流驱动在0.004Torr～3Torr内最大测量误差为25%,而采用多驱动组合方式的皮拉尼传感器可以实现在0.004Torr～200Torr内低于25%绝对误差范围的测量;温度补偿模型对35℃以及55℃下恒温驱动电路输出结果预测的最大误差为6.24%,解决了采用单一硬件补偿效果不理想的问题。
矿用风压传感器高精度温度补偿技术研究
这是一篇关于风压传感器,温度补偿,麻雀搜索算法,支持向量回归的论文, 主要内容为矿井通风阻力的精准测定是矿山通风与安全技术管理工作的重要内容之一,对矿井通风系统的故障诊断、优化和应急控制有重大意义。通风压降的精准测量对矿井通风阻力的测定至关重要,压阻式风压传感器作为煤矿安全生产和计量管理的重要设备,被广泛应用于矿井压差监测,其测量精度将直接影响矿井通风阻力的精准测定。然而,压阻式风压传感器在实际应用中常常受到环境温度的影响,需要采取适当措施进行温度漂移的补偿和修正。为了解决风压传感器易发生温漂的问题,本文对风压传感器温度特性展开研究,设计了一种温度补偿智能算法用于提升风压传感器的测量精度。首先,本文对风压传感器的工作原理及内部构造展开介绍,并对风压传感器温度漂移现象产生的原因进行了深入研究,重点分析了零点漂移和灵敏度漂移问题,总结了常用的温度漂移补偿方法并分析了各自的优缺点。其次,遵循本安和抗干扰的设计原则,提出了风压传感器的总体设计方案并对重要元件进行选型。在传感器设计制作完成后,搭建了实验系统平台对其进行温度特性实验,得到相关实验数据为后续温度补偿算法提供训练样本。再次,针对压阻式风压传感器的温度漂移现象,借助支持向量回归模型(SVR)对温度进行补偿。由于惩罚参数C和核函数参数gamma的选取对SVR的预测效果有较大影响,本文引入Cubic混沌映射、自适应参数控制和柯西-高斯变异策略对麻雀搜索算法进行多策略改进(Multi-strategy Sparrow Search Algorithm,MSSA),用于SVR的最优参数选择。通过实验数据对MSSA-SVR温度补偿算法进行仿真验证,仿真结果表明,经算法补偿后的风压传感器最大引用误差从8.4%下降至0.86%,灵敏度漂移系数降低了一个数量级,表明温度补偿算法对风压传感器的温度漂移起到很好的抑制作用。最后,将温度补偿算法移植进风压传感器中,并在温度实验平台上进行测试。经测试,风压传感器在0～40℃范围内的最大误差为1.6 Pa,测试结果表明风压传感器能够满足在矿井环境温度影响下精准测量风压的需求。本论文共有图42幅,表11个,参考文献94篇。
振弦式传感器信号采集系统设计与研究
这是一篇关于振弦式传感器,信号采集系统,不确定度评定,温度补偿的论文, 主要内容为振弦式传感器在监测工程系统的安全性与可靠性上发挥着重要作用,因而与其配套使用的振弦式采集系统也被更为广泛的应用。但目前振弦式采集系统售价较高、功能单一,传统激振方法在采集传感器频率数据时效率较低,评定振弦采集系统的方法较为局限,同时在测量应变参数时,测量人员也存在忽视温度影响或在计算温度补偿系数中采用参考值的现象。因此,在设计出一款低成本、快速准确、评价完善的网联振弦式信号采集系统的基础上进行温度补偿实验,修订温补系数,实现对应变值的准确计算,将具有重要的理论与现实意义。本文针对振弦式传感器原理、激振方法原理、系统硬件及软件设计、改进型区间扫频方法、GUM与MCM方法测量不确定度评定、传感器标定、温度补偿实验修订温补系数等关键技术进行研究,设计了振弦式传感器信号采集系统并对其进行不确定度评定,重新修正了温度补偿系数,使被测物体的应变计算更加贴合工程实践的需要,实现了工程数据监测的快速化、精准化以及智能化,进一步保障了基础建设工程的安全。在研究设计振弦式传感器信号采集系统的过程中:首先,设计信号采集系统的硬件电路,包括激振拾取模块、主控模块、通信模块、供电模块以及进行了温度补偿的温度采集电路;同时对激振拾取模块进行了Multisim仿真,确保电路设计的正确性。其次,设计信号采集系统各部分软件,提出基于低压扫频方法的改进型区间扫频方法,提高了传感器的测量速度与精度。接着,完成信号采集系统的系统调试验证并分析验证测试结果。最后,运用GUM方法与MCM方法对设计出的振弦式传感器信号采集系统频率和温度数据进行不确定度评定,并对评定结果进行对比,其中MCM方法解决了传统“以静代动”的测量不确定度评定方式的缺陷;在对传感器进行标定实验获得传感器标定参数的情况下,进行温度补偿实验,重新修订温度补偿系数。该系统的研究不仅在理论上完善了激振策略方法,丰富了采集系统动态测量过程中的测量不确定度评定方式,还在实践中提高了计算应变值的准确程度,优化了振弦式传感器采集系统,具有一定的理论与现实意义。
矿用风压传感器高精度温度补偿技术研究
这是一篇关于风压传感器,温度补偿,麻雀搜索算法,支持向量回归的论文, 主要内容为矿井通风阻力的精准测定是矿山通风与安全技术管理工作的重要内容之一,对矿井通风系统的故障诊断、优化和应急控制有重大意义。通风压降的精准测量对矿井通风阻力的测定至关重要,压阻式风压传感器作为煤矿安全生产和计量管理的重要设备,被广泛应用于矿井压差监测,其测量精度将直接影响矿井通风阻力的精准测定。然而,压阻式风压传感器在实际应用中常常受到环境温度的影响,需要采取适当措施进行温度漂移的补偿和修正。为了解决风压传感器易发生温漂的问题,本文对风压传感器温度特性展开研究,设计了一种温度补偿智能算法用于提升风压传感器的测量精度。首先,本文对风压传感器的工作原理及内部构造展开介绍,并对风压传感器温度漂移现象产生的原因进行了深入研究,重点分析了零点漂移和灵敏度漂移问题,总结了常用的温度漂移补偿方法并分析了各自的优缺点。其次,遵循本安和抗干扰的设计原则,提出了风压传感器的总体设计方案并对重要元件进行选型。在传感器设计制作完成后,搭建了实验系统平台对其进行温度特性实验,得到相关实验数据为后续温度补偿算法提供训练样本。再次,针对压阻式风压传感器的温度漂移现象,借助支持向量回归模型(SVR)对温度进行补偿。由于惩罚参数C和核函数参数gamma的选取对SVR的预测效果有较大影响,本文引入Cubic混沌映射、自适应参数控制和柯西-高斯变异策略对麻雀搜索算法进行多策略改进(Multi-strategy Sparrow Search Algorithm,MSSA),用于SVR的最优参数选择。通过实验数据对MSSA-SVR温度补偿算法进行仿真验证,仿真结果表明,经算法补偿后的风压传感器最大引用误差从8.4%下降至0.86%,灵敏度漂移系数降低了一个数量级,表明温度补偿算法对风压传感器的温度漂移起到很好的抑制作用。最后,将温度补偿算法移植进风压传感器中,并在温度实验平台上进行测试。经测试,风压传感器在0～40℃范围内的最大误差为1.6 Pa,测试结果表明风压传感器能够满足在矿井环境温度影响下精准测量风压的需求。本论文共有图42幅,表11个,参考文献94篇。
振弦式传感器信号采集系统设计与研究
这是一篇关于振弦式传感器,信号采集系统,不确定度评定,温度补偿的论文, 主要内容为振弦式传感器在监测工程系统的安全性与可靠性上发挥着重要作用,因而与其配套使用的振弦式采集系统也被更为广泛的应用。但目前振弦式采集系统售价较高、功能单一,传统激振方法在采集传感器频率数据时效率较低,评定振弦采集系统的方法较为局限,同时在测量应变参数时,测量人员也存在忽视温度影响或在计算温度补偿系数中采用参考值的现象。因此,在设计出一款低成本、快速准确、评价完善的网联振弦式信号采集系统的基础上进行温度补偿实验,修订温补系数,实现对应变值的准确计算,将具有重要的理论与现实意义。本文针对振弦式传感器原理、激振方法原理、系统硬件及软件设计、改进型区间扫频方法、GUM与MCM方法测量不确定度评定、传感器标定、温度补偿实验修订温补系数等关键技术进行研究,设计了振弦式传感器信号采集系统并对其进行不确定度评定,重新修正了温度补偿系数,使被测物体的应变计算更加贴合工程实践的需要,实现了工程数据监测的快速化、精准化以及智能化,进一步保障了基础建设工程的安全。在研究设计振弦式传感器信号采集系统的过程中:首先,设计信号采集系统的硬件电路,包括激振拾取模块、主控模块、通信模块、供电模块以及进行了温度补偿的温度采集电路;同时对激振拾取模块进行了Multisim仿真,确保电路设计的正确性。其次,设计信号采集系统各部分软件,提出基于低压扫频方法的改进型区间扫频方法,提高了传感器的测量速度与精度。接着,完成信号采集系统的系统调试验证并分析验证测试结果。最后,运用GUM方法与MCM方法对设计出的振弦式传感器信号采集系统频率和温度数据进行不确定度评定,并对评定结果进行对比,其中MCM方法解决了传统“以静代动”的测量不确定度评定方式的缺陷;在对传感器进行标定实验获得传感器标定参数的情况下,进行温度补偿实验,重新修订温度补偿系数。该系统的研究不仅在理论上完善了激振策略方法,丰富了采集系统动态测量过程中的测量不确定度评定方式,还在实践中提高了计算应变值的准确程度,优化了振弦式传感器采集系统,具有一定的理论与现实意义。
高性能微压阻式压力传感器的设计与校准
这是一篇关于压阻式压力传感器,CMOS温度传感器,校准,工艺误差,温度补偿的论文, 主要内容为基于半导体的压阻效应设计的MEMS压阻式压力传感器,具有尺寸小、线性度高、灵敏度高、集成度高、成本低等特点,在相关行业得到广泛应用。然而由于半导体材料本身的属性以及MEMS加工过程中的随机误差等的影响,实际制造的压阻式压力传感器一致性较差,容易出现零点不归零、线性度较低和温度漂移严重等问题。近年来,相关应用领域对压力传感器的精度提出越来越高的要求,因此研究压力传感器的校准技术,进而提高传感器的精度和可靠性具有十分重要的意义和应用价值。本论文基于对压阻式压力传感器温度校准的研究,首先设计并实现了一款SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器,并对其主要特性以及测量误差进行了分析;由于压力传感器温度校准系统需要获取压力传感器精确的温度信息,因此设计了一款带校准功能的基于BJT的CMOS温度传感器,并提出了相应的晶圆级三步校准技术;在开展压力传感器的测量误差校准中,设计了压力传感器的温度校准架构,包含所设计的CMOS温度传感器,并提出了一种新型的校准算法。本论文的主要研究内容包括以下几个部分:(1)针对传统压阻式压力传感器存在的线性度差、灵敏度低、温度特性差等问题,在传感器的设计阶段,从传感器敏感薄膜的结构以及压敏电阻的材料、尺寸和芯片布局等方面进行优化,设计并实现了一款高性能SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器,实测结果表明,室温下,在0～40 k Pa微压测量范围内所设计的传感器检测灵敏度可达0.45m V/(kPa·V),非线性度达到0.108%F.S。在-40℃～125℃的工作温度范围内,温度稳定性好,零点温度漂移系数与灵敏度温度漂移系数分别为0.0047%F.S与0.089%F.S。(2)针对压力传感器温度校准系统中的外置温度传感器精度不高的问题,设计了一款带校准功能的基于BJT的CMOS温度传感器,该传感器基于所提出的三步校准技术在晶圆级实现校准。实验结果表明,校准后的传感器在-40°C至125°C的温度范围内,可实现±0.3°C范围内的误差(±3δ)。这种校准技术可以有效地消除在批量制造中的工艺误差引起的传感器输出的误差带。(3)针对压阻式压力传感器存在的零点不归零、非线性、零点温度漂移和灵敏度温度漂移等问题,首先设计了压力传感器的温度校准架构,并介绍了该系统的校准流程。然后提出了一种新型的压力传感器校准算法。该算法通过测试三个温度点,四个压力点,得到九个校准系数,将求解出的九个校准系数代入校准公式,对适用压力和适用温度范围内的任意一个校准前的输出电压,都可以求解出对应的校准后的输出电压。
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