无线传感网用振动加速度传感器实用电路的几点探索-4.docVIP

无线传感网用振动加速度传感器几点探索

郭斌李昕欣

（中科院上海微系统与信息研究所传感器国家重点实验室）

摘要：通过对无线传感网?的深入研究，实践上对比了MEMS压阻式、动圈式、MEMS电容式、压电式、等振动加速度传感器在无线传感网上应用的优劣。用?MEMS压阻式振动加速度传感器设计了一套符合无线传感网用振动加速度的检测电路。

关键词：MEMS压阻式、动圈式、MEMS电容式、压电式振动加速度传感器、幅频特性、相频特性。

引言：无线传感网?是具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的无线传感器节点协同组织起来形成无线传感器网络。无线传感网是当今社会发展的一个热点，尤其在军事应用上。无线传感网，对所应用的传感器有一些严格的限制条件。首先是功耗限制。无线传感网系统采用的是电池供电,系统中各硬件模块,如信号采集模块,信号转换和传输模块,数据存储模块等都有明确的功率分配。传感器须是低功耗传感器。其次是精度限制。无线传感网起点较高，表现为其数据采集器精度很高，其中A/D转换精度为１６位精度。传感器须是高精度传感器。但提高系统精度和降低系统功耗往往是一对矛盾，是系统设计难点。此外是传感器的体积的限制。无线传感网上各无线传感器节点在满足功能要求的前提下，总期望体积越小越好。一般而言无线传感网总是优先使用微型传感器，只是在微型传感器功能不能满足的条件下才考虑传统的机械式传感器。目前较常用的振动加速度传感器；MEMS振动加速度传感器有压阻式和电容式两种；机械式振动加速度传感器有动圈式传感器；此外压电、光纤式振动加速度传感器。光纤式振动加速度传感器虽然精度高，但体积大，电路复杂，不适合现场应用。

一、MEMS压阻式振动加速度传感器电路设计

１）无线传感网用振动加速度传感器技术指标：

供电电压：单电源+3.3V电源。

输出信号：1.65V为基准，上下差分模拟信号。

灵敏度：1000mV/g/3.3V。

模块功耗：额定电流≤1.5毫安。功耗≤1.5*3.3毫瓦，(约5毫瓦)。

分辨率：--75db。

带宽：300Hz。

２）开环电路设计框图：

图1，开环电路设计框图

压阻式振动加速度传感器是有四个可变电阻连接成为惠斯通桥式的无源传感器。既然是无源传感器，须经外部电流或电压的激励，方能将物体的振动加速度信号精确的转换为电信号。

本传感器激励电源直接取之于无线传感网系统电源，因整个无线传感网用的是电池供电，电池精度能满足电路的要求。采用经稳压后的稳压源是因稳压源的结构较恒流源简单。前置级采用是差分输入仪表放大器，目的是去除无用的共模信号，只放大反映振动加速度大小的差模电信号。缓冲调整作用于前置级和放大级的阻抗匹配为信号滤波做准备。滤波电路目标是将有用信号和无用信号分开，此处滤波电路设计，采用多路反馈电压控制二阶有源低通滤波器。该低通滤波器有通频带平坦，线性度好的优点。为满足计算机接口的要求，系统加了满刻度调整电路和中心电压调整电路。本电路系统选用的器件基本上都是低功耗，微功耗器件。

３）开环电路设计电路图

图2，开环电路设计框图

图6，压阻式振动加速度传感器计信号采集特性曲线:

上二幅信号采集特性曲线图，图5，图例，横轴单位为时间秒，纵轴每格为10毫伏，两传感器计在灵敏度相同的情况下，即本案灵敏度为每１ｇ输出１伏时的信号采集特性曲线图对比。此时两传感器计所处外环境相同，测量的是同一个人的步行振动信号。

从图例上可明显看出,压阻式振动加速度传感器计采集到的振动信号比动圈式振动加速度传感器计采集到的振动信号内容丰富，后者有明显的信号丢失；而前者的信号幅度在环境等同条件下明显增强。虽然作为无源传感器的机械动圈式振动加速度传感器的优点是噪音低，这上对比图上也可明显的反应了出来，但信噪比，压阻式振动加速度传感器计比动圈式振动加速度传感器计却大的多，有6DBV，后面的幅频特性对比曲线将说到这一点。提高信噪比是非电量和弱电信号电检测技术人员奋斗的最主要的指标之一。

图7，动圈式振动加速度传感器计幅频特性曲线:

图8，压阻式振动加速度传感器计幅频特性曲线:

上二幅幅频特性曲线图，图7，图8是两传感器计在灵敏度相同的情况下，即本案灵敏度为每１ｇ输出１伏时的幅频特性曲线图对比。此时两传感器计所处外环境相同，测量的是同一个人的步行振动信号。从对比可明显的看出，压阻式振动加速度传感器计和动圈式振动加速度传感器计相比，３００Ｈｚ通频带内平坦。压阻式振动加速度传感器计线性优良，前者在２５０Ｈｚ开始下降，而后者在１５０Ｈｚ时，信号基于没于噪声中了。

动圈式振动加速度传感器计线性不平坦，尤其是低频段，出显明显的下滑。这是和前面提到过的，它的传感器性能相－致的，这科学地映证了我们做的动圈式振动加速度