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PVDF性能研究及微力传感器设计

作　者: 刘丹
导　师: 郝丽娜
学　校: 东北大学
专　业: 机械电子工程
关键词: PVDF 调理电路 微力传感器
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


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。但是与目前较为成熟的压阻式微力传感器相比,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。在文中提出了一种简单新颖的对于IPMC、 PVDF驱动器与感知方法—使IPMC与PVDF结合在一起。由于IPMC和PVDF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；本文中我们介绍将PVDF薄膜和探针合在一起,构成微力传感生物操作系统,通过对薄膜的标定,可以实现微力的检测。本文系统分析了悬臂梁传感原理,并用ANSYS软件对PVDF进行了力与位移分析,并推出PVDF悬臂梁形变、力、感应电压之间的关系,为微力信号检测电路的设计及IPMC/PVDF驱动感知一体化的设计提供了理论依据,奠定了微悬梁传感元件的力信号检测基础。利用NI的PCI6221数据采集卡,通过LabVIEW虚拟仪器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。设计了一套PVDF/IPMC传感实验平台,主要包括：前置放大器设计、差分电路设计、提压电路,最后提出一种新颖的IPMC/PVDF联合驱动／感知的结构和方法。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。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-17
  1.1 传感器  11
  1.2 悬臂梁式力传感器国内外研究现状  11-14
    1.2.1 课题来源及意义  11-12
    1.2.2 国外研究现状  12-13
    1.2.3 国内研究现状  13-14
  1.3 IPMC简介  14-15
  1.4 本文主要研究内容  15-17
第2章 PVDF薄膜压电特性  17-27
  2.1 PVDF材料的结构  17-18
  2.2 压电薄膜传感机理  18-20
    2.2.1 压电效应  18
    2.2.2 应变传感机理  18-20
  2.3 PVDF压电薄膜特性的分析  20-23
  2.4 IPMC的驱动特性  23-27
第3章 调理电路的设计  27-39
  3.1 电荷放大电路的设计  27-30
    3.1.1 电荷放大电路  27-29
    3.1.2 AD549运算放大器  29-30
  3.2 积分电容、反馈电阻的选择  30-33
    3.2.1 积分电容的选择  31-32
    3.2.2 反馈电阻的选择  32-33
  3.3 电压放大电路的设计  33-36
  3.4 信号采集模块设计  36-39
    3.4.1 信号采集电路设计  36-39
第4章 PVDF压电传感器的制作与分析  39-55
  4.1 PVDF压电传感器的制作  39-40
  4.2 PVDF传感器电学模型的建立  40-43
    4.2.1 电压与位移的计算  41-42
    4.2.2 挠度与力的关系  42-43
  4.3 IPMC/PVDF混合传感器的制作  43-46
    4.3.1 PVDF/IPMC的安装方法  43-44
    4.3.2 传感器性能指标  44-46
  4.4 实验分析  46-48
  4.5 PVDF压电传感器ANSYS有限元分析  48-55
    4.5.1 有限单元法的基本原理和基本思路  49-51
    4.5.2 有限元分析流程  51-52
    4.5.3 PVDF材料有限元模型的建立方法  52-55
第5章 PVDF微力传感器系统实现  55-67
  5.1 PVDF与探针的结构  56-57
  5.2 力传感器的标定及实验分析  57-60
  5.3 DSP系统软件总体设计  60
  5.4 DSP特点  60
  5.5 DSP软件需求分析  60-63
    5.5.1 主程序流程  61-62
    5.5.2 DSP信号幅值采集程序  62-63
  5.6 数据处理  63-67
    5.6.1 电压信号滤波和数值转化  63
    5.6.2 信号的提取和零漂的处理  63-64
    5.6.3 LCD1602简介  64-65
    5.6.4 液晶显示程序设计  65-67
第6章 总结与展望  67-69
参考文献  69-75
致谢  75-77
个人简历  77

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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