基于MEMS加速度傳感器的位移檢測系統(tǒng)

李光偉， 董林璽

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

MEMS加速度傳感器具有精度高、靈敏度高、功耗低、體積小和線性度好等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于振動位移檢測、系統(tǒng)定位、機(jī)械測量等領(lǐng)域。如文獻(xiàn)[2]分析了MEMS加速度傳感器直接用于位移測量的可行性，并給出了一種濾波處理測量噪聲的方法。文獻(xiàn)[3]采用MEMS加速度傳感器，利用模擬二次積分電路實(shí)現(xiàn)對橋梁橫向動位移的檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性好，可靠性高，但位移測量范圍較小，只有mm級。文獻(xiàn)[4]采用MEMS加速度傳感器對平面定位系統(tǒng)進(jìn)行研究，系統(tǒng)的定位誤差為5 %左右。

為了提高位移的測量范圍和減小測量誤差,本文設(shè)計了一種以中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所設(shè)計的高精度MEMS電容式加速度傳感器MSCA3002為核心的位移檢測系統(tǒng)，結(jié)合積分算法，實(shí)現(xiàn)了對物體運(yùn)動位移的實(shí)時檢測。

1 硬件電路設(shè)計

本位移檢測系統(tǒng)采用MEMS加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對物體運(yùn)動加速度的采集，并將產(chǎn)生的模擬電壓信號進(jìn)行除雜和轉(zhuǎn)換，通過24位高精度A/D轉(zhuǎn)換，主控制器選用基于Cortex—M3內(nèi)核的32位微處理器LM3S2B93，主要負(fù)責(zé)對A/D的控制和位移積分算法的實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動位置的實(shí)時檢測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 傳感器的選用

為了實(shí)現(xiàn)對位移的檢測，系統(tǒng)中采用MEMS加速度傳感器MSCA3002對運(yùn)動時的加速度信號進(jìn)行采集。MSCA3002加速度傳感器由電容式加速度敏感元件、混合信號閉環(huán)ASIC電路等在印制電路板上多芯片組裝而成。該傳感器性能與國外同類產(chǎn)品SF1500相當(dāng)，具有大動態(tài)范圍、優(yōu)異的帶寬、抗高沖擊等特性[5]。

1.2 信號調(diào)理電路設(shè)計

由于加速度傳感器輸出的電壓信號很容易受到各種噪聲的干擾，特別是由于傳感器的動態(tài)范圍大，當(dāng)輸出的信號很小時，環(huán)境中存在強(qiáng)烈的工頻干擾時不可忽略的，因而在A/D轉(zhuǎn)換前需對模擬電壓信號進(jìn)行處理，去除各種干擾，使測量結(jié)果更加精確。模擬電壓信號的調(diào)理電路如圖2。

圖2 信號調(diào)理電路

系統(tǒng)中采用儀表放大器INA118 完成差動放大，它具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，最小共模抑制比為110 dB，能很好地消除共模的工頻干擾，且可通過外置不同大小的電阻實(shí)現(xiàn)不同的增益(1～1000)[6]。

由于加速度傳感器的輸出電壓為范圍-3～+3 V，而ADS1255采用差分輸入，且模擬輸入端的能檢測到的電壓范圍為AGND-0.1 V～AVDD+0.1 V，超過電壓范圍將對器件造成損壞[7]。因而,需將儀表放大器的輸出進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換以滿足與只有5V差分輸入范圍的ADS1255的級聯(lián)[8]。

1.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

由于加速度傳感器的動態(tài)范圍大，為滿足測量精度要求，系統(tǒng)中采用低噪聲、高分辨率24位A/D轉(zhuǎn)換器ADS1255對模擬信號進(jìn)行模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換。

ADSl255是TI推出針對工業(yè)應(yīng)用、具有業(yè)界最高性能的A/D轉(zhuǎn)換器。由模擬多路開關(guān)(MUX)、輸入緩沖器(BUF)、可編程增益放大器(PGA)、四階Δ-∑調(diào)制器再加一個可編程數(shù)字濾波器組成。數(shù)據(jù)輸出速率最高可達(dá)30×103采樣點(diǎn)/s；可配置為二路單極輸入或一路差動輸入；具有低噪聲可編程增益放大器(PGA)，PGA的值在1～64之間，增益步長為2；帶有可編程數(shù)字濾波器與串行外設(shè)接口(SPI)，非常適用于科學(xué)儀器、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域[9]。圖3為ADS1255典型應(yīng)用電路。

圖3 ADS1255典型應(yīng)用電路

ADS1255轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)據(jù)為24位，其中最高位為符號位，低23位表示轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的有效值，符號位為0表示輸入為正，正的滿量程輸出為7FFFFFh；符號位為1表示輸入為負(fù)，負(fù)的滿量程輸出為800 000 h。在量程范圍內(nèi)，測量的輸入電壓值和轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系是[7]

數(shù)據(jù)輸出為正時：

(1)

數(shù)據(jù)輸出為負(fù)時：

(2)

2 軟件算法設(shè)計

在通過ADS1255對產(chǎn)生的電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以根據(jù)加速度傳感器的靈敏度，利用ARM處理器采用積分算法將數(shù)字加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為位移數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中位移的軟件算法設(shè)計如圖4所示，其原理主要是采用梯形求積的數(shù)值積分法。

圖4 傳感器的運(yùn)動曲線圖

圖4中以加速度傳感器從靜止，經(jīng)加速、勻速、減速運(yùn)動，最后停止的一個運(yùn)動過程為例。在加速區(qū)域，傳感器做變加速運(yùn)動，假定從時間t0開始采樣，根據(jù)積分原理，從時間t0到時間tn位移s與速度v的關(guān)系為[2]

(3)

其中,v為t時刻的速度，s0和s為初始位移和t時刻的位移。為了簡化算法，程序中可設(shè)置采樣的間隔相等，此處設(shè)置為Δt，因而，位移可由下式推導(dǎo)求出[10]

(4)

根據(jù)速度與加速度的公式v=a×t可知，當(dāng)i≥1時，vi與v0的關(guān)系為

vi=vi-1+ai-1·Δt=v0+(ai-1+ai-2+…+a0)Δt.

(5)

將式(5)代入式(4)可得位移的推導(dǎo)結(jié)果如下

an-2)Δt2+nv0Δt.

(6)

在勻速區(qū)域，加速度a為0，速度v不變，此時位移s與速度v的關(guān)系為

s=v×t.

(7)

在減速區(qū)域，傳感器做變加速運(yùn)動，此時對位移的推導(dǎo)方法跟加速區(qū)域類似。不同的是加速運(yùn)動時，加速度a為正；減速運(yùn)動時，加速度a為負(fù)。

在傳感器實(shí)際運(yùn)動中應(yīng)通過對加速度的方向、大小進(jìn)行分析，確定其運(yùn)動狀態(tài)，采用不同的算法以實(shí)現(xiàn)對位移的檢測。

3 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

該系統(tǒng)是采用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對物體運(yùn)動位移的測量，通過將傳感器運(yùn)動時輸出的電壓轉(zhuǎn)換成加速度，再利用位移算法計算出運(yùn)動位移。表1為利用ADS1255對傳感器輸出電壓的轉(zhuǎn)換結(jié)果；表2為系統(tǒng)對物體運(yùn)動位移的測量結(jié)果。

表1 ADS1255對電壓的轉(zhuǎn)換結(jié)果

表1的結(jié)果顯示，ADS1255能實(shí)現(xiàn)對電壓的精確轉(zhuǎn)換，與實(shí)際輸入電壓間的誤差在0.4 %以內(nèi)，為后續(xù)對位移的檢測提供了保障。

表2結(jié)果顯示測量值與實(shí)際值的誤差較小，系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動位移的檢測。

4 結(jié)束語

本文針對以一種國產(chǎn)MEMS加速度傳感器為核心的位移檢測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并給出了具體的硬件電路和軟件算法設(shè)計。根據(jù)傳感器的最大可測范圍和動態(tài)范圍，選用24位A/D轉(zhuǎn)換器ADS1255對模擬電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)驗(yàn)中對電壓的轉(zhuǎn)換誤差在0.4 %以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對模擬電壓的精確測量。根據(jù)傳感器的靈敏度，可將傳感器的輸出電壓轉(zhuǎn)換為其運(yùn)動加速度，根據(jù)加速度的大小、方向，采用不同的位移算法，計算出物體移動的位移，實(shí)驗(yàn)中對物體位移測量的誤差約為3 %，很好地實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)動位移的準(zhǔn)確測量。

表2 系統(tǒng)對位移的測量結(jié)果

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