|
本文闡述了一種基于MEMS 技術(shù)的芯片ADXL202 的應(yīng)用設(shè)計(jì)與集成。介紹了ADXL202 的測(cè)試原理和主要參數(shù)設(shè)計(jì)原則,然后利用其集成了一種無線加速度傳感器并進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)的測(cè)量;利用ADXL202 所構(gòu)成的無線加速度傳感器,易安裝拆除,適合在土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用。 MEMS芯片ADXL202 測(cè)量原理與參數(shù)設(shè)計(jì) 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(jī)電傳感器和信號(hào)控制環(huán)路進(jìn)行開環(huán)測(cè)量,測(cè)量結(jié)果直接以模擬信號(hào)形式或者將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬占空比的數(shù)字信號(hào)輸出。ADXL202 可測(cè)量正負(fù)加速度,其最大測(cè)量范圍為±2 g. ADXL202 可測(cè)量靜態(tài)加速度,也可用作斜度測(cè)量。 測(cè)量原理 ADXL202 利用先進(jìn)的MEMS 技術(shù)構(gòu)成了基于單塊集成電路的雙軸加速度測(cè)量系統(tǒng)。傳感器采用在硅片上經(jīng)表面微加工的多晶硅結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)是通過由獨(dú)立的固定極板和附在移動(dòng)物體上的中央極板組成的可變電容來測(cè)量的,加速度計(jì)受到加速度力后中央極板與固定極板之間距離產(chǎn)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(diào)技術(shù)用來提取信息,判斷加速方向。 解調(diào)器的輸出是通過功能模塊中的32 kΩ的固定電阻來實(shí)現(xiàn)的,然后再利用一個(gè)可以設(shè)定帶寬的濾波電路實(shí)現(xiàn)濾波,來提高測(cè)量的精度并有效地防止頻率混疊。經(jīng)過低通濾波后,輸出的模擬電壓信號(hào)通過DCM(脈寬占空比解調(diào)器) 轉(zhuǎn)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(gè)電阻Rset設(shè)定。這個(gè)方波可以直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理,從而得到加速度的值。用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí),可以使用計(jì)數(shù)器或其他方法測(cè)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(shù)設(shè)計(jì) 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(jì)算出加速度a : 式中: u0g為0 g 對(duì)應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中,不必每次都測(cè)量T2 ,只需在溫度變化后適時(shí)修正。T2由占空比調(diào)制器外接電阻Rset確定,見式(2) ,可在周期0.5～10 ms 范圍內(nèi)運(yùn)行。 帶寬設(shè)計(jì) ADXL202 的帶寬選擇決定測(cè)量精度。ADXL202的模擬信號(hào)輸出具有典型的5 kHz 帶寬,需對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理以減少頻率混疊。同時(shí),為了使脈寬占空比的誤差最小,模擬帶寬應(yīng)比脈寬占空比的頻率低1/10 。在實(shí)際應(yīng)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(dǎo)致脈寬占空比的動(dòng)態(tài)誤差增大。ADXL202 有Xfilt和Yfilt引腳,可外接電容來設(shè)定頻帶。 電容CX和CY可由式(3) 確定: 模擬帶寬亦可進(jìn)一步減小,從而降低噪聲,提高分辨率。ADXL202 的噪聲特點(diǎn)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(jì)算,單位是mg. 在研究中,主要考慮應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)工程中所采集的信號(hào)屬于低頻信號(hào),依據(jù)實(shí)際需要,設(shè)計(jì)模擬帶寬為50 Hz ,此時(shí)噪聲為1. 8 mg. 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出檢測(cè)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(shè)計(jì),圖3 是無線加速度傳感器的集成框圖。其中檢測(cè)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(gòu)成,用來檢測(cè)結(jié)構(gòu)加速度變化并將輸出傳輸至微處理單元;微處理單元實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)采集、預(yù)處理,同時(shí)可與無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸;無線模塊用于將傳感器數(shù)據(jù)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(dòng)力單元進(jìn)行能量供應(yīng)。 程序設(shè)計(jì) ADXL202 的數(shù)據(jù)采集處理程序嵌入在微處理單元中。程序一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)ADXL202 進(jìn)行校正、采集和預(yù)處理;一方面對(duì)處理后的數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī),利用相關(guān)軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理。具體程序流程為:上電初始化時(shí)對(duì)加速度傳感器進(jìn)行校正,然后軟件一直處于等待接收計(jì)算機(jī)握手協(xié)議狀態(tài),一旦接收到協(xié)議,分析接收數(shù)據(jù)類型,依據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行相應(yīng)操作。 實(shí)驗(yàn)分析 對(duì)基于ADXL202 構(gòu)成的無線傳感器進(jìn)行了測(cè)試,主要是測(cè)試了動(dòng)態(tài)加速度變化情況,利用動(dòng)態(tài)加速度模型來模擬土木結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)信號(hào),該模型可以產(chǎn)生設(shè)定的加速度波形,以作為無線加速度傳感器測(cè)量的參考波形。設(shè)計(jì)該模型產(chǎn)生頻率為1 Hz 的正弦波加速度,從模型參考與測(cè)試時(shí)序波形圖4 看出,二者吻合較好。圖5 給出了模型參考和測(cè)試頻域特性:模型實(shí)際的加速度峰值頻率為0. 9825 Hz ,模型測(cè)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)需求的。 結(jié)論 通過對(duì)無線加速度傳感器反復(fù)調(diào)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(jié)構(gòu)的測(cè)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(gòu)成的無線加速度傳感器,具有測(cè)量準(zhǔn)確、易安裝拆除的特點(diǎn)。 |
