无线加速度传感器的MEMS芯片ADXL202应用设计与集成

发布时间：2010-7-24 21:03 发布者：lavida

本文阐述了一种基于MEMS 技术的芯片ADXL202 的应用设计与集成。介绍了ADXL202 的测试原理和主要参数设计原则,然后利用其集成了一种无线加速度传感器并进行了测试。实验结果表明:ADXL202 非常适合于频率变化较为缓慢、加速度不太大的土木工程结构的测量;利用ADXL202 所构成的无线加速度传感器,易安装拆除,适合在土木工程结构监测中应用。

MEMS芯片ADXL202 测量原理与参数设计

ADXL202 是一种低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感器。它以多晶硅为表面的微机电传感器和信号控制环路进行开环测量,测量结果直接以模拟信号形式或者将模拟信号转换为脉宽占空比的数字信号输出。ADXL202 可测量正负加速度,其最大测量范围为±2 g. ADXL202 可测量静态加速度,也可用作斜度测量。

测量原理
　　
ADXL202 利用先进的MEMS 技术构成了基于单块集成电路的双轴加速度测量系统。传感器采用在硅片上经表面微加工的多晶硅结构,用多晶硅的弹性元件支撑它并提供平衡加速度所需的阻力。结构偏转是通过由独立的固定极板和附在移动物体上的中央极板组成的可变电容来测量的,加速度计受到加速度力后中央极板与固定极板之间距离产生变化,从而改变了它们可变电容的平衡,使输出方波的振幅与加速度成正比,而相位解调技术用来提取信息,判断加速方向。

解调器的输出是通过功能模块中的32 kΩ的固定电阻来实现的,然后再利用一个可以设定带宽的滤波电路实现滤波,来提高测量的精度并有效地防止频率混叠。经过低通滤波后,输出的模拟电压信号通过DCM(脉宽占空比解调器) 转换为占空比与加速度成正比的方波,方波的周期T2可以通过一个电阻Rset设定。这个方波可以直接送到单片机进行处理,从而得到加速度的值。用单片机进行数据处理时,可以使用计数器或其他方法测量方波的周期T2以及脉冲的宽度T1 ,其中T1 、T2如图1 所示。

参数设计

脉宽占空比周期选择

脉宽占空比如图1 所示。

将T1 , T2带入式(1) 可以计算出加速度a :

式中: u0g为0 g 对应的占空比,其典型值是50 %;μ1g为1g 加速度变化引起的占空比变化值。

实际应用中,不必每次都测量T2 ,只需在温度变化后适时修正。T2由占空比调制器外接电阻Rset确定,见式(2) ,可在周期0.5～10 ms 范围内运行。

带宽设计
　　
ADXL202 的带宽选择决定测量精度。ADXL202的模拟信号输出具有典型的5 kHz 带宽,需对信号进行滤波处理以减少频率混叠。同时,为了使脉宽占空比的误差最小,模拟带宽应比脉宽占空比的频率低1/10 。在实际应用中,模拟带宽可提高至脉宽占空比频率的1/ 2 ,但这可能导致脉宽占空比的动态误差增大。ADXL202 有Xfilt和Yfilt引脚,可外接电容来设定频带。　

电容CX和CY可由式(3) 确定:

模拟带宽亦可进一步减小,从而降低噪声,提高分辨率。ADXL202 的噪声特点是在所有频率下都是同样大的白色高斯噪声,以μg/ Hz为单位,典型噪声值可用式(4) 计算,单位是mg.

在研究中,主要考虑应用于土木结构工程中所采集的信号属于低频信号,依据实际需要,设计模拟带宽为50 Hz ,此时噪声为1. 8 mg. 设计T2为1 ms ,即脉宽占空比输出频率为1 kHz ,完全满足模拟带宽低于脉宽占空比带宽10 倍以上的要求。这样,就可以设计出检测单元的电路,其电路原理如图2 所示,图2中输出端直接与微处理器IO 口相连。

无线加速度传感器的集成

硬件集成
　　
无线传感器采用模块化设计,图3 是无线加速度传感器的集成框图。其中检测单元是无线加速度传感器的重要组成部分,由ADXL202 及其附属电路构成,用来检测结构加速度变化并将输出传输至微处理单元;微处理单元实现对传感器信号采集、预处理,同时可与无线模块进行数据交换,实现数据传输;无线模块用于将传感器数据通过无线通信方式传输;无线加速度传感器采用了带有充电电路的锂电池作为动力单元进行能量供应。

程序设计
　　
ADXL202 的数据采集处理程序嵌入在微处理单元中。程序一方面实现对ADXL202 进行校正、采集和预处理;一方面对处理后的数据传到计算机,利用相关软件进行进一步处理。具体程序流程为:上电初始化时对加速度传感器进行校正,然后软件一直处于等待接收计算机握手协议状态,一旦接收到协议,分析接收数据类型,依据数据类型进行相应操作。

实验分析

对基于ADXL202 构成的无线传感器进行了测试,主要是测试了动态加速度变化情况,利用动态加速度模型来模拟土木结构低频振动信号,该模型可以产生设定的加速度波形,以作为无线加速度传感器测量的参考波形。设计该模型产生频率为1 Hz 的正弦波加速度,从模型参考与测试时序波形图4 看出,二者吻合较好。图5 给出了模型参考和测试频域特性:模型实际的加速度峰值频率为0. 9825 Hz ,模型测试的加速度峰值频率为0. 9766 Hz ,这种微小的差异是可以满足土木结构健康监测需求的。