|
本文闡述了一種基于MEMS 技術的芯片ADXL202 的應用設計與集成。介紹了ADXL202 的測試原理和主要參數設計原則,然后利用其集成了一種無線加速度傳感器并進行了測試。實驗結果表明:ADXL202 非常適合于頻率變化較為緩慢、加速度不太大的土木工程結構的測量;利用ADXL202 所構成的無線加速度傳感器,易安裝拆除,適合在土木工程結構監測中應用。 MEMS芯片ADXL202 測量原理與參數設計 ADXL202 是一種低成本、低功耗、功能完善的雙軸加速度傳感器。它以多晶硅為表面的微機電傳感器和信號控制環路進行開環測量,測量結果直接以模擬信號形式或者將模擬信號轉換為脈寬占空比的數字信號輸出。ADXL202 可測量正負加速度,其最大測量范圍為±2 g. ADXL202 可測量靜態加速度,也可用作斜度測量。 測量原理 ADXL202 利用先進的MEMS 技術構成了基于單塊集成電路的雙軸加速度測量系統。傳感器采用在硅片上經表面微加工的多晶硅結構,用多晶硅的彈性元件支撐它并提供平衡加速度所需的阻力。結構偏轉是通過由獨立的固定極板和附在移動物體上的中央極板組成的可變電容來測量的,加速度計受到加速度力后中央極板與固定極板之間距離產生變化,從而改變了它們可變電容的平衡,使輸出方波的振幅與加速度成正比,而相位解調技術用來提取信息,判斷加速方向。 解調器的輸出是通過功能模塊中的32 kΩ的固定電阻來實現的,然后再利用一個可以設定帶寬的濾波電路實現濾波,來提高測量的精度并有效地防止頻率混疊。經過低通濾波后,輸出的模擬電壓信號通過DCM(脈寬占空比解調器) 轉換為占空比與加速度成正比的方波,方波的周期T2可以通過一個電阻Rset設定。這個方波可以直接送到單片機進行處理,從而得到加速度的值。用單片機進行數據處理時,可以使用計數器或其他方法測量方波的周期T2以及脈沖的寬度T1 ,其中T1 、T2如圖1 所示。 參數設計 脈寬占空比周期選擇 脈寬占空比如圖1 所示。 將T1 , T2帶入式(1) 可以計算出加速度a : 式中: u0g為0 g 對應的占空比,其典型值是50 %;μ1g為1g 加速度變化引起的占空比變化值。 實際應用中,不必每次都測量T2 ,只需在溫度變化后適時修正。T2由占空比調制器外接電阻Rset確定,見式(2) ,可在周期0.5～10 ms 范圍內運行。 帶寬設計 ADXL202 的帶寬選擇決定測量精度。ADXL202的模擬信號輸出具有典型的5 kHz 帶寬,需對信號進行濾波處理以減少頻率混疊。同時,為了使脈寬占空比的誤差最小,模擬帶寬應比脈寬占空比的頻率低1/10 。在實際應用中,模擬帶寬可提高至脈寬占空比頻率的1/ 2 ,但這可能導致脈寬占空比的動態誤差增大。ADXL202 有Xfilt和Yfilt引腳,可外接電容來設定頻帶。 電容CX和CY可由式(3) 確定: 模擬帶寬亦可進一步減小,從而降低噪聲,提高分辨率。ADXL202 的噪聲特點是在所有頻率下都是同樣大的白色高斯噪聲,以μg/ Hz為單位,典型噪聲值可用式(4) 計算,單位是mg. 在研究中,主要考慮應用于土木結構工程中所采集的信號屬于低頻信號,依據實際需要,設計模擬帶寬為50 Hz ,此時噪聲為1. 8 mg. 設計T2為1 ms ,即脈寬占空比輸出頻率為1 kHz ,完全滿足模擬帶寬低于脈寬占空比帶寬10 倍以上的要求。這樣,就可以設計出檢測單元的電路,其電路原理如圖2 所示,圖2中輸出端直接與微處理器IO 口相連。 無線加速度傳感器的集成 硬件集成 無線傳感器采用模塊化設計,圖3 是無線加速度傳感器的集成框圖。其中檢測單元是無線加速度傳感器的重要組成部分,由ADXL202 及其附屬電路構成,用來檢測結構加速度變化并將輸出傳輸至微處理單元;微處理單元實現對傳感器信號采集、預處理,同時可與無線模塊進行數據交換,實現數據傳輸;無線模塊用于將傳感器數據通過無線通信方式傳輸;無線加速度傳感器采用了帶有充電電路的鋰電池作為動力單元進行能量供應。 程序設計 ADXL202 的數據采集處理程序嵌入在微處理單元中。程序一方面實現對ADXL202 進行校正、采集和預處理;一方面對處理后的數據傳到計算機,利用相關軟件進行進一步處理。具體程序流程為:上電初始化時對加速度傳感器進行校正,然后軟件一直處于等待接收計算機握手協議狀態,一旦接收到協議,分析接收數據類型,依據數據類型進行相應操作。 實驗分析 對基于ADXL202 構成的無線傳感器進行了測試,主要是測試了動態加速度變化情況,利用動態加速度模型來模擬土木結構低頻振動信號,該模型可以產生設定的加速度波形,以作為無線加速度傳感器測量的參考波形。設計該模型產生頻率為1 Hz 的正弦波加速度,從模型參考與測試時序波形圖4 看出,二者吻合較好。圖5 給出了模型參考和測試頻域特性:模型實際的加速度峰值頻率為0. 9825 Hz ,模型測試的加速度峰值頻率為0. 9766 Hz ,這種微小的差異是可以滿足土木結構健康監測需求的。 結論 通過對無線加速度傳感器反復調試表明:ADXL202 非常適合于頻率變化較為緩慢、加速度不太大的土工工程結構的測量。它的小型化、低功耗等適合無線傳感裝置的集成。利用ADXL202 所構成的無線加速度傳感器,具有測量準確、易安裝拆除的特點。 |
