无线传感网用振动加速度传感器实用电路的几点探索-4

1、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，实践上比照了 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开展的一个热点，尤其

2、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

3、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：单电源电源。 输出信号：为基准，上下差分模拟信号。灵敏度： 1000mV/g/V 。模块功耗：额定电流w 1.5毫安。功耗w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

4、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鼓励，方能将物体的振动加速度信号精确的转换为电信 号。本传感器鼓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，采用多路反响电压控制二阶有源低通滤 波器。该低通滤波器有通

5、频带平坦，线性度好的优点。为满足电脑接口的要求，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根本上都是低功耗，微功耗器件。3开环电路设计电路图R27图2,开环电路设计框图具体电路：RS1 RS2 RS3 RS4是传感器将振动加速度信号转变为电信号，光刻在MEMS悬臂梁上的四可变电阻；R*是零位调整电阻；仪表放大器 AD620和C2组成前 置级 交流放大器，放大原始信号；AD708是高精度 双运放 芯片，IC2/A和R2，R3组 成反相比例放大器，目的是调准中间级放大倍数；IC/2B和R4，R5，C4, C5组成多路反 馈，压控，二节低通 有源滤波器，滤除高频干扰波；IC/3

6、A和R7，R8组成反相比例放 大器，调整整个电路的输出，也称满足刻输出；因为该套电路要和电脑接口，需要设计中 心电压，本中心电压为 1.65V，IC3/B和R9，R10组成跟随电压稳压电路，使 IC3/B运 放输出电路接口电位为1.65V,从而保持整个电路的中心电压为 1.65V。经过制作电路板，调试电路；本电脑对振动加速度信号采集的前置系统，即用MEMS压阻式振动加速度传感器制作的前置系统，能很好的满足前面提到的无线传感网要求的各 项技术指标。二 压阻式和动圈式振动加速度传感器幅频特性和相频特性图比照1，下面是压阻式和动圈式振动加速度传感器幅频特性比照表1，压阻式振动加速度传感器灵敏度表：灵

7、敏度袤:"50100，120150<170180-1902007.2b7.2b7 217如?.177.092102収22雄“2702B02903007.0牴妙&伽6 61 j&伽6 49-氐站6.2S203 了皿Jg4如5OCM800&釘5 65,5.20鼻l(k4WV753狂LW表2，动圈式振动加速度传感器灵敏度表频率(Hz)1020304060100200灵敏度(mV/g/5V)30002370164012608954752683005007001000147856050010010007 6 5 4 3 2幅频特性曲线图频率(Hz)OV度敏灵Fre

8、quency (Hz)图4,动圈式振动加速度传感器幅频特性曲线图3,压阻式振动加速度传感器幅频特性曲线从图3,图4两幅频特性曲线图上可明显的看出二者的差异。压阻式振动加速度传感 器，在3 0 0 Hz通频带内平坦，线信度好，能真实的反响振动信号的大小；而动圈式振动 加速度传感器 带宽缺乏3 0 0 Hz，且 通频带极不平坦，线信度不好，放大后，反映的 是畸变的振动信号。典型的，动圈式振动加速度传感器对10 0 Hz以上的振动信号已没有了采集作用，后面的幅频特性图比照更能说明这一点。2，压阻式和动圈式振动加速度传感器计信号采集特性和幅频特性比照图5,动圈式振动加速度传感器计信号采集特性曲线:K

9、10MEMS2no 123456789M ID5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lg输出1伏 时的信号采集特性曲线 图比照。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，后者有明显的信号丧失；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 上比照图上也可明显的反

10、响了出来，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，后面的幅频特性比照曲线将说到这一点。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。曹賈豆U葺mechrtics33 IDO 1ED 壬口口 23Q3Q) 35CI4口40口 5DI IFretiuancy (Hz)8060-1.图7,动圈式振动加速度传感器计幅频特性曲线2cooBa60JO-1- rtlE0 03L 20IVIE MS>ii【I150 1DO 1CO 200230 XD 3GD 40D450 5ODFrmquoncY (Hz)8OR14OJ 41- 1图8,

11、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lg输出1伏时的幅频特性曲线图比照。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。从比照可明显的看出，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2 5 0 Hz开始下降，而后者在15 0Hz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，它的传感器性能相一致的，这科学地映 证了我们做的动圈式振动加速度传感器的

12、 幅频特性的真实性。从图例上看 信号，噪声关系。动圈式振动加速度传感器计噪声在8 0以 下，压阻式振动加速度传感器计噪声在8 0附近，略高于动圈式。但两者信噪声比， 压阻式比动圈式高约6 DBv，即相差约一倍。从信噪比来看，压阻式远高于动圈式传感器。三MEMS电容式振动加速度传感器用于无线传感网电路探讨电容式振动加速度传感器因其分辨率高，在 MEMS传感器家族中占有重要的地位。本所李昕欣老师和笔者曾多方尝试着将其应用到无线传感网上。但无线传感网对其上 应用的传感器有二先天限制条件，即传感器不仅要求精度高，复杂性低，还须低功耗、微功 耗，尤其是功耗限制。从电容式振动加速度传感器，MEMS结构上看

13、，其输出阻抗特别大，相当于开路。 如将电容式振动加速度传感器当作无源传感器使用。即需经外部鼓励，电荷转移，才能将振 动加速度信号精确地转化为电信号。因电容传感器内阻相当开路，故只能采用交流鼓励。如 采用 幅度3 .3V，频率 10 0K，交流信号源鼓励，不仅增加了电路的复杂度，光直交流转换产生交流驱动信号源 和 鼓励传感器，所需功耗就远大于1毫瓦。1毫瓦对无线节 点干电池供电系统而言负荷很重。如想将电容式振动加速度传感器应用到无线传感网上，只能将电容式振动加速度传感器当有源传感器使用。即不用外鼓励电路，将振动变化会引起电容量的变化通过电荷转移为电 压变化，该电压变化信号反映振动加速度大小。从专

14、业角度来看，这是一个非常难处理的信号，不仅信号量幅度小，且传感器输出阻抗 特别大。需经前置放大电路阻抗匹配后信号才能作为有效信号。可见 非一般的电容检测电路可将 MEMS电容式振动加速度传感器应用到无线传感网 上。MEMS电容式振动加速度传感器前置放大电路的设计是电容式振动加速度传感器能否应 用到无线传感网上的关键。以下图是精心设计的MEMS电容式振动加速度传感器前置放大电路：U0注：可能要改变R2,R3的阻值图9，MEMS电容式振动加速度传感器前置放大器电路图：图9，该电路总体上说是一个自给偏压式射极输出器。T ：，T 2为的是低功耗，采用3 DJO绝缘栅场效应管。T2为射极输出器，T】为T

15、2集电极负载。选用 同型管是为了使静态 电路对称，中心输出点电压为Vcc/20R 2 R3为分压电阻，保证T 1工作在饱和状态。C3为反响电容，稳定输出信号，扩展通频带。R 1和后续电路组成自给分压电路，确保T 2 工作在放大态。以下图为MEMS电容式振动加速度传感器幅频特性图，这一点和压电式振动加速度传感 器原理根本一致，幅频特性也根本一致。从幅频特性曲线图10上看，中频段线性度良好，缺点20Hz下低频段衰减强烈，失真率大。表3,幅频特性表：幅频特性表：加速度频率Hz20406080输出V ：0. 10. 50. 550. 65频率Hz100120140160输出V0. 650. 650. 650. 65频率Hz :180200220240输出V0. 50. 450. 40. 35幅频