基于MEMS壓阻傳感器的低功耗高過載測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

韓 帥,馬游春,秦 麗,王悅凱,丁 寧

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051；2. 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051;3.北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

基于MEMS壓阻傳感器的低功耗高過載測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

韓 帥1,2,3,馬游春1,2,秦 麗1,2,王悅凱1,2,丁 寧1,2

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051；2. 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051;3.北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

為了檢驗(yàn)彈體在高沖擊環(huán)境下的工作情況，提出了一種基于壓阻傳感器的高過載、低功耗的測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)可承受2×105g的過載沖擊測試，且具有采樣率高、體積小、功耗低的特點(diǎn)。通過打靶實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在過載測試過程中該系統(tǒng)具有承受高沖擊的能力，并能精確地采集到信號微弱變化，保證了彈體在飛行中記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

爆炸力學(xué)；低功耗隨彈測試系統(tǒng)；高沖擊；壓阻式微加速度計(jì)

隨著信息時(shí)代的不斷發(fā)展，由科學(xué)技術(shù)引領(lǐng)的軍事發(fā)展格外引人矚目，人工智能漸漸成為當(dāng)今時(shí)代的主題。有人甚至預(yù)言“未來將是高技術(shù)戰(zhàn)場，誰能在人工智能領(lǐng)域中取勝，誰就能取得未來戰(zhàn)爭的主導(dǎo)權(quán)”。因此，各國軍事專家開始在武器裝備上朝著靈巧、簡單、智能的方向發(fā)展，不斷推陳出新并在實(shí)際中應(yīng)用，例如小型無人機(jī)、水下小型潛艇等小型武器系統(tǒng)的出現(xiàn)[1-2]。但隨著系統(tǒng)尺寸趨于減小，受到的限制也越來越大，而系統(tǒng)功耗、可靠性等問題也就成了大家需要攻克的難題。

為了解決上述問題，本文中提出一個(gè)基于MEMS壓阻傳感器的高過載、低功耗測試系統(tǒng)的研究方案[3-8]，該系統(tǒng)具有精度高、體積小、功耗低、抗高過載等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中可以準(zhǔn)確測量彈體運(yùn)動(dòng)時(shí)的相關(guān)參數(shù)，為武器的研制、使用壽命、安全性能等方面研究提供重要科學(xué)的依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 General layout of system design

過載測試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，主要由以下幾部分組成：壓阻傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路、FPGA控制單元以及存儲(chǔ)單元。該系統(tǒng)的工作原理：壓阻傳感器把采集的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并以差分形式輸出；?jīng)調(diào)理電路再把電信號放大到AD可采集的范圍內(nèi)(0～2.5 V)；最后，由FPGA控制Flash單元存儲(chǔ)采集到的測試數(shù)據(jù)。另外，系統(tǒng)使用串口讀數(shù)裝置讀取數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)軟件完成數(shù)據(jù)分析與處理。

為了體現(xiàn)系統(tǒng)低功耗、高過載的性能特點(diǎn)，接下來將分別對系統(tǒng)使用的傳感器與電源管理模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹，以及對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明。

1.1 壓阻傳感器

1.1.1 壓阻傳感器設(shè)計(jì)

圖2 全橋差動(dòng)電路Fig.2 Full-bridge differential circuit

由于壓阻式傳感器的制作工藝成熟、信號處理可行性高、數(shù)據(jù)測試相對簡單，所以選用壓阻式加速度傳感器作為數(shù)據(jù)采集的前端。其工作原理如圖2所示，圖中U+為正向輸出電壓、U—為反向輸出電壓、Ui為傳感器的電壓輸入、GND為參考地、R1、R2、R3、R4為可變電阻。根據(jù)惠斯通原理由4個(gè)電阻元件組成電橋，當(dāng)傳感器受到外部作用時(shí)，傳感器輸出的電壓會(huì)隨阻值的變化而變化。由于全橋差動(dòng)電路構(gòu)成的傳感器的靈敏度是單一電阻變換的4倍，所以在設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)部采用全橋差動(dòng)電路。同時(shí)，為使4個(gè)變化的電阻阻值不相互抵消，設(shè)計(jì)時(shí)還需滿足以下要求：相鄰阻值變化相反，對鄰阻值變化相同，具體公式為：

(1)

令：R1=R+ΔR1,R2=R-ΔR2,R3=R+ΔR3,R4=R-ΔR4,其中ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4為相應(yīng)電阻增量，則化簡公式(1)得到：

(2)

式中:U+為正向輸出電壓；U—為反向輸出電壓；Uin為輸入電壓；Uout輸出電壓；

由于MEMS工藝制作的壓阻式微加速度計(jì)具有可靠性好、集成度高的特點(diǎn)，可以很好地完成高過載測試。所以，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有MEMS工藝技術(shù)制作壓阻式微加速度計(jì)，其結(jié)構(gòu)主要由懸臂梁和質(zhì)量塊構(gòu)成，如圖3所示。當(dāng)加速度計(jì)感知加速度變化時(shí)，懸臂梁就會(huì)發(fā)生形變從而改變梁上的應(yīng)力分布，所以布置在懸臂梁根部的壓敏電阻就會(huì)發(fā)生變化，壓阻式微加速度計(jì)就會(huì)有電壓輸出。

圖3 壓阻式微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)受力模型Fig.3 Structural force model of piezoresistive micro accelerometer

如圖3所示，當(dāng)系統(tǒng)受到加速度作用時(shí)，在懸臂梁上距根部為X的點(diǎn)的撓度為：

(3)

在懸臂梁上距根部為X的點(diǎn)所受應(yīng)力為：

(4)

1.1.2 可靠性模擬

在進(jìn)行高過載測試實(shí)驗(yàn)時(shí)傳感器的瞬態(tài)受力非常大，且微加速度計(jì)的懸臂梁上各點(diǎn)受力強(qiáng)度也有所不同。因此，采用應(yīng)力-強(qiáng)度隨機(jī)變量模型進(jìn)行模擬分析。

當(dāng)微加速度計(jì)受到外部沖擊時(shí)，根據(jù)沖擊載荷振動(dòng)方程

(5)

可以推導(dǎo)出加速度計(jì)的應(yīng)力和應(yīng)變方程，其表達(dá)式分別為：

(6)

(7)

并可得出以下結(jié)論：在脈沖時(shí)間的中點(diǎn)(即強(qiáng)迫振動(dòng)階段)，微加速度計(jì)受到?jīng)_擊的加速度的值達(dá)到最大，且微加速度計(jì)的懸臂梁所受應(yīng)力最大，即梁的根部X=0處。

為了分析微加速度計(jì)在高沖擊的惡劣環(huán)境下的工作情況，采用ANSYS軟件對傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析，預(yù)測加速度計(jì)的抗過載能力。在外形尺寸為：質(zhì)量塊邊長300 μm，梁長300 μm，梁寬230 μm的加速度計(jì)上施加2×105g的沖擊加速度載荷。微加速度計(jì)的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖如圖4所示。模擬結(jié)果顯示：在2×105g的沖擊載荷作用下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變?yōu)?.177 μm、最大應(yīng)力為32.8 MPa。

圖4 加速度計(jì)應(yīng)力應(yīng)變ANSYS模擬圖Fig.4 ANSYS simulation diagram of accelerometer stress and strain

1.2 采集電路模塊

圖5 信號采集模塊電路設(shè)計(jì)圖Fig.5 Signal acquisition circuit

由于傳感器輸出電壓非常微弱，所以在進(jìn)行A/D采集轉(zhuǎn)換前，需要將信號進(jìn)行放大處理，信號采集模塊的電路設(shè)計(jì)如圖5所示。系統(tǒng)采用寬電源電壓、低噪聲、外圍電路簡單的AD8226芯片進(jìn)行前級精度放大，然后經(jīng)過AD8606運(yùn)放跟隨最終輸出給A/D芯片。電壓放大倍數(shù)由下式給出：

(8)

式中：G為放大倍數(shù)，RG為增益電阻阻值。

雖然調(diào)理電路可以把電壓信號放大，但是有些關(guān)鍵信號仍是毫伏級，若選用低精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，就不能區(qū)分轉(zhuǎn)換誤差與信號之間的差別。所以選用高精度ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理，通過增加芯片寄存器的位數(shù)，從而提高A/D芯片的分辨率，最終實(shí)現(xiàn)提高采樣精度目的。A/D的分辨率計(jì)算公式如下：

(9)

式中：Umax為A/D采集最高電壓，N為A/D采集精度，F(xiàn)為A/D的分辨率。

通過上述兩種方法的結(jié)合，可以提高采樣精度，最終實(shí)現(xiàn)測量100g的加速度信號。

1.3 電源管理模塊

為了保證測試數(shù)據(jù)的完整性，在傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中大多采用電源長期供電的方法，這種方法不僅使系統(tǒng)一直處于工作的狀態(tài)，而且大大降低了電池的使用壽命、減少了系統(tǒng)的使用次數(shù)。同時(shí)，由于外形結(jié)構(gòu)的限制，只能選用容量、體積小的鋰電池作為系統(tǒng)供電。所以，為了達(dá)到降低系統(tǒng)功耗、智能上電的目的，本系統(tǒng)選用了74HC74作為D觸發(fā)器控制器、74LX1G08作為與門控制單元，其工作電路圖如圖6所示。

圖6 電源控制電路Fig.6 Circuit of power management

系統(tǒng)采用D觸發(fā)器和與門組合的方法，靈活、便捷地實(shí)現(xiàn)了電源智能管理，達(dá)到降低系統(tǒng)電量損耗的目的，其工作原理如圖7所示。工作前，先將觸發(fā)信號線ST接地(即彈體),電源信號線BATVCC與鋰電池正極相連，觸發(fā)前電平狀態(tài)如圖7(a)所示：D觸發(fā)器的管腳5為高電平、9為低電平，電源使能信號線EN輸出低電平，此時(shí)電源模塊不供電；當(dāng)彈體被射出瞬間外部連線斷開，ST觸發(fā)時(shí)的電平狀態(tài)如圖7(b)所示：ST產(chǎn)生一個(gè)上升沿，D觸發(fā)器的管腳5為高電平、9為高電平，EN輸出高電平，系統(tǒng)開始供電；當(dāng)系統(tǒng)采集完數(shù)據(jù)后通過軟件觸發(fā)，F(xiàn)PGA給出一個(gè)短暫的高電平，PDWN觸發(fā)時(shí)的電平狀態(tài)如圖7(c)所示：PDWN產(chǎn)生一個(gè)上升沿,D觸發(fā)器的管腳5為低電平、9為高電平，EN輸出低電平,系統(tǒng)供電關(guān)閉；最后對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，此時(shí)電平狀態(tài)如圖7(d)所示，各管腳的電平恢復(fù)到初始態(tài)，(其中，黃線：ST信號線，藍(lán)線：PDWN信號線，紫線：D觸發(fā)器5腳，綠線：D觸發(fā)器9腳)。

圖7 電源模塊工作原理Fig.7 Working principle of power-supply module

2 系統(tǒng)工作

圖8 系統(tǒng)控制流程圖Fig.8 Flow chart of system control

由于受到環(huán)境和尺寸的影響，所以選擇Actel公司推出的AGL030芯片作為FPGA[9]中心控制單元，該系列FPGA采用Flash架構(gòu)，具有上電即運(yùn)行、結(jié)構(gòu)尺寸小的特點(diǎn)。系統(tǒng)工作原理如圖8所示，首先，系統(tǒng)完成硬件連接，并進(jìn)行初始化；當(dāng)彈體出膛瞬間完成觸發(fā)上電，系統(tǒng)開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；其次，在數(shù)據(jù)采集完之后，由FPGA給出一個(gè)系統(tǒng)關(guān)閉信號結(jié)束數(shù)據(jù)采集。其中，為了避免誤觸發(fā)而采集的錯(cuò)誤信號，在FPGA程序中寫入閾值判斷程序，連續(xù)完成3次有效判斷后，方可打開Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3 模擬與實(shí)踐

為檢測系統(tǒng)功能是否正常工作，在進(jìn)行硬件功能調(diào)試時(shí)使用信號發(fā)生器模擬模擬信號。在傳感器的輸入端加入一個(gè)頻率為100 Hz，振幅為80 mV的正弦模擬信號，通過對比示波器抓取的輸入信號(見圖9(a))與測試系統(tǒng)采集到的信號(見圖9(b))，可知：系統(tǒng)所采集的信號與示波器采集的信號基本一致，本測試系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

圖9 模擬信號數(shù)據(jù)對比圖Fig.9 Comparison chart of simulation signal data

圖10 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.10 Image of actual model

為了真正檢測系統(tǒng)的可靠性，還需對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)彈實(shí)驗(yàn)。在靶場測試前的系統(tǒng)實(shí)物如圖10所示，在彈體飛行中為防止硬件電路的損壞，需在安裝時(shí)進(jìn)行防護(hù)處理。在傳感器部分使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封保護(hù)，這樣既能保證該部分的剛性，又能對傳感器起到固定的作用。在進(jìn)行過載測試時(shí)，使用聚氨酯或硅膠對采集電路進(jìn)行保護(hù)，這樣可以減少?zèng)_擊力對電路的損害。

在靶場進(jìn)行實(shí)彈實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要過載測試系統(tǒng)加裝在彈體后部，并且引出觸發(fā)線。完成實(shí)彈發(fā)射后，使用串口讀數(shù)裝置讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后使用MATLAB軟件繪制原始數(shù)據(jù)曲線。彈體的出膛過載數(shù)據(jù)曲線如圖11(a)所示和侵徹過載數(shù)據(jù)曲線如圖11(b)所示，通過數(shù)據(jù)曲線我們可以看出：彈體在出膛瞬間主要受到的過載加速度最高可以達(dá)4×103g，而受到的外界空氣阻力相對較??；彈體在侵徹的20 ms過程中受到靶壁的阻力逐漸減弱，最大可以受到1.5×105g左右的過載沖擊。

圖11 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)曲線Fig.11 Curve of system test data

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)出了一個(gè)基于MEMS壓阻傳感器的低功耗、高沖擊過載測試系統(tǒng)，它可實(shí)現(xiàn)106s-1的數(shù)據(jù)采樣率、智能上電或掉電。通過實(shí)踐證明：該系統(tǒng)具有采樣精度高、抗過載能力強(qiáng)、功耗小等特點(diǎn)，能準(zhǔn)確無誤地完成數(shù)據(jù)采集，為武器系統(tǒng)的研究工作提供一個(gè)可靠的技術(shù)手段。

[1] 徐鵬,祖靜,李樂.CPLD芯片抗高g值沖擊性能分析[J].振動(dòng)與沖擊,2007,26(1):148-150. Xu Peng, Zu Jing, Li Le. Analysis of anti-multi-g-shock capability of a CPLD chip[J]. Journal of Vibration and Shock, 2007,26(1):148-150.

[2] 董勝飛,石云波,周智君,等.差分式MEMS面內(nèi)加速度計(jì)設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014,27(7):893-897. Dong Shengfei, Shi Yunbo, Zhou Zhijun, et al. Design of in-plane differential MEMS accelerometer[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2014,27(7):893-897.

[3] 黃家蓉,劉瑞朝,何翔,等.侵徹過載測試信號的數(shù)據(jù)處理方法[J].爆炸與沖擊,2009,29(5):555-560. Huang Jiarong, Liu Ruichao, He Xiang, et al. A new data processing technique for measured penetration overloads[J]. Explosion and Shock Waves, 2009,29(5):555-560.

[4] 鮑愛達(dá),陳員娥,李長龍,等.彈載加速度記錄儀在沖擊環(huán)境下的失效研究[J].振動(dòng)與沖擊,2013,32(13):182-186. Bao Aida, Chen Yuane, Li Changlong, et al. Failure study on a missile accelerometer recorder under shock environment[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013,32(13):182-186.

[5] Forrestal M J, Frew D J, Hickerson J P, et al. Penetration of concrete targets with deceleration-time measurements[J]. International Journal of Impact Engineering, 2003,28:479-497.

[6] 景鵬.高g值沖擊測試關(guān)鍵技術(shù)研究[D].太原:中北大學(xué),2008.

[7] 朱仕永,祖靜,范錦彪.基于CPLD的彈載加速度存儲(chǔ)測試儀[J].探測與控制學(xué)報(bào),2009,31(3):43-45. Zhu Shiyong, Zu Jing, Fan Jinbiao. Missile-borne storage measurement and test instrument of acceleration based on CPLD[J]. Journal of Detection and Control, 2009,31(3):43-45.

[8] 徐浩,芮筱亭,王國平,等.彈引系統(tǒng)膛內(nèi)縱向過載測試與仿真[J].火力與指揮控制,2013,38(4):169-173. Xu Hao, Rui Xiaoting, Wang Guoping, et al. Research of measurement and simulation for bullet-fuze system longitudinal overload in bore[J]. Fire Control and Command Control, 2013,38(4):169-173.

[9] 楊會(huì).基于ARM彈底壓力測試及校準(zhǔn)技術(shù)的探索性研究[D].太原:中北大學(xué),2012.

(責(zé)任編輯 曾月蓉)

MEMS piezoresistive sensor based design of low-power consuming and high-overloaded testing system

Han Shuai1,2,3, Ma Youchun1,2, Qin Li1,2, Wang Yuekai1,2, Ding Ning1,2

(1.NationalKeylaboratoryforElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,Shanxi,China;2.KeylaboratoryofInstrumentScience&DynamicMeasurementofMinistryofEducation,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,Shanxi,China;3.BeijingNationalRailwayResearch&DesignInstituteofSignal&CommunicationGroupCompanyLimited,Beijing100070,China)

To investigate the working conditions of a missile in a high-impact environment, this paper presents a design scheme for low-power consuming and high-overload testing system based on an MEMS apiezoresistive sensor. The system is capable of withstanding tests with a 2×105goverloaded impact and possesses such characteristics as a high sampling rate, a small volume, and a low-power consumption. As validated by our targeting experiments, the system was able not only to withstand a high overloaded impact but also to accurately capture the slight variations of a weak signal, which ensures the accuracy of the data recorded by the missile in flight.

mechanics of explosion; low-power consumption with missile test system; high-impact; piezoresistive micro-accelerometer

10.11883/1001-1455(2016)05-0721-07

2015-01-20； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-02-10

2015-02-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(91123036, 61178058)

韓 帥(1987— )，男，碩士,idyujinxiang@163.com。

O389;TJ713 <國標(biāo)學(xué)科代碼：13035 class="emphasis_bold"> 國標(biāo)學(xué)科代碼：13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A國標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A