基于mems海洋湍流传感器实验研究

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1、基于MEMS海洋湍流传感器实验研究摘要：运用压阻式的基本原理和MEMS技术共同应用于海洋湍流传感器中。首先分析MEMS传感器的基本原理，重点研究了对MEMS传感器性能的实验测试。在风洞实验中，设计有风没风交替作用于传感器和不同风速下作用于传感器的实验；在水下实验中，设计了不同流速下水流作用于传感器的实验。通过实验能够得到MEMS传感器在不同响应下的结果。关键词：MEMS；海洋湍流传感器；惠斯通电桥；风洞实验中图分类号：TN61?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2016）01?0137?03海洋湍流[1

2、?2]对整个海洋系统是非常重要的，影响着海洋生产力、生物种群的分布和海洋能量传递[3?5]。目前常使用的海洋湍流传感器是加拿大SPM系列和德国的PNS系列剪切流传感器，它们主要由压电陶瓷作为主要的传感器元件[6]。随着人们对海洋观测技术的不断发展，MEMS技术也逐渐进入海洋观测技术研究领域[7]。MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器，随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展，MEMS传感器以体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、易于集成等特点，迅速在消费电子产品、汽车工业、机械和化工等各领域得到应用[8

3、]。海洋湍流也是物理海洋的重要研究方向，对海洋湍流的观测离不开传感器的应用，因此，应用MEMS的优点设计MEMS海洋湍流传感器。本文介绍了MEMS海洋湍流传感器芯片测量基本原理，重点对传感器芯片进行试验研究。61传感器芯片的基本原理传感器芯片采用压阻式的设计，基本结构如图1所示，它由中央硅膜、敏感梁和支撑基构成梁膜结构。敏感梁作为主要敏感部位，上面布置一个惠斯通电桥[9]。当外界响应作用于中央硅膜时，使中央硅膜产生形变，从而带动敏感梁发生形变。这种形变使得布置在敏感梁上的惠斯通电桥的电阻变形从而发生电阻变化，打破惠斯

4、通电桥的平衡状态，输出电压信号。图2是由MEMS传感器芯片制作的实物。2传感器芯片的测试实验2.1风洞实验实验的主要设备有供电电源、传感器、万用表、鼓风机以及传感器的采集电压设备，采集设备使用的是NationalInstruments公司的PXle?6368采集卡，分辨率为16位，输入阻抗是100GΩ。图3是实验现场的照片，可以清楚地看到实验设备的放置。风洞实验中采取两种测试方式：第一种是有风无风交替时对MEMS传感器和剪切流传感器作用的实验；第二种是不同风速下对MEMS传感器作用的实验。第一种有风无风交替时对MEM

5、S传感器和剪切流传感器作用的实验步骤：（1）设置NI采样频率为1kHz，采集30s（30000个电压值）。（2）在30s内，开始先堵住出风口，让风无法通过剪切流传感器和MEMS传感器的时间为5s。（3）然后打开出风口5s，让剪切流传感器和MEMS传感器有风通过。（4）剪切流传感器和MEMS传感器无风通过56s后再让剪切流传感器和MEMS传感器有风通过5s。（5）30s后记录完整输出电压。图4是MEMS传感器与剪切流传感器有风无风时交替实验对比结果，图中上方是剪切流传感器，下方是MEMS传感器。从图中可以明显看到有风和

6、无风时两种传感器输出电压的变化。从实验结果可以看出MEMS传感器有着良好的特性，当外界激励作用于传感器时，传感器输出响应有着明显变化。第二种是不同风速下对MEMS传感器作用的实验步骤：（1）实验器材放置与图3相同，设置NI采样频率为1kHz，采集3000个电压值。（2）调节不同风速的大小，用NI采集不同风速下MEMS传感器的输出电压值。（3）将记录的数据画成横轴为风速，纵轴为电压的图像。在每一种风速下MEMS传感器输出电压值有3000个值，把3000个值用下式的方法拟合成一个值。其中[U1，U2，…，Un]代表300

7、0个电压值的每一个电压值，[U]代表3000个电压值最后的计算结果。[U=U21+U22+…+U2nn，，n=1，2，…，3000]每一种风速下3000个电压值使用上式计算得到的电压值与风速画成的曲线如图5所示，并对实验数据做了三次多项式拟合[10]，把实验数据拟合成曲线。从图中可以得知拟合的曲线平滑而且比较线性。2.2水下实验6为了测试MEMS传感器水下的性能，设计了在恒流速水槽中的实验。实验主要设备有供电电源、传感器、万用表、恒流速水槽、流速计以及传感器的采集电压设备，采集电压设备使用的是NationalInst

8、ruments公司的PXle?6368采集卡，采集卡的分辨率为16位，输入阻抗是100GΩ。图6是MEMS传感器在恒流速水槽中的实验照片。在水下实验中水中静态实验即在0m/s流速下MEMS传感器的输出响应和动态实验。动态实验步骤为：（1）调整流速，设置NI采样频率为1kHz，采集30s（30000个电压值）。（2）在30s内，开始先让MEMS传