周期測頻傳感器電子系統(tǒng)的設(shè)計及性能測試

楊玲玲

關(guān)鍵詞：傳感器；周期測頻；電子系統(tǒng)；性能測試

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A

0 引言

諧振式壓力傳感器作為一種高精度壓力傳感器，可以實現(xiàn)特定頻率的信號輸出，具有良好穩(wěn)定性[1-3]。

目前，實驗室中常見的測頻方法有兩種，分別為測周法和計數(shù)法[4]。其中，低頻信號通常適用于測周法，其測量精度隨信號頻率的不斷衰減而提高，但信號頻率的衰減會對響應速度產(chǎn)生影響；高頻信號通常適用于計數(shù)法，其測量精度隨信號頻率的提高而上升，兆赫茲級別的頻率信號適用于該方法[5]。孟凡飛等[6] 為提高響應速度和測量精度開展周期同步測頻研究。待測信號頻率主要參考兩種信號計算值實現(xiàn)，在實際計數(shù)的過程中，數(shù)字信號的偏差約為±1，因而存在一定誤差[7]。針對此問題，王永清等[8] 采用增加采樣時間與對樣本取平均值的方式消除誤差，響應時間設(shè)置為0.1 ～ 1.0 s，確保在測試過程中將誤差限制在一定范圍內(nèi)。

本文選擇電磁激勵諧振式壓力傳感器作為測試對象，設(shè)計的同步測頻方法以自適應周期為基礎(chǔ)，以對傳感器頻率進行高效測試，并完成所需測試設(shè)備的配置。為提高測量精度，需減少指令運行時間，充分發(fā)揮定時器的輸入捕獲效果；同時為確保傳感器測量精度可以達到相應條件，降低相對測量誤差，選用頻率自適應方法。

1 傳感器結(jié)構(gòu)

本文選擇的微傳感器芯體是通過微機電系統(tǒng)加工獲得，該芯片材質(zhì)為復合結(jié)構(gòu)，由玻璃與硅膜構(gòu)成。向傳感器硅膜施加壓力會使其變形，從而改變諧振梁頻率。壓力大小主要參考兩個梁的頻率信號，傳感器工作原理圖如圖1 所示[9]。

傳感器芯片配置的結(jié)構(gòu)為雙諧振器結(jié)構(gòu)，線性度在溫度自補償實現(xiàn)后將得到提升。采用標定擬合方法對信號數(shù)據(jù)進行處理，然后將計算結(jié)果存放在帶電可擦可編程只讀存儲器指定單元中，便于后續(xù)調(diào)用[10]。

為確保對傳感器輸出頻率進行精準測試，本文采取周期測頻方法，以頻率自適應方法為基礎(chǔ)，結(jié)合測周法與計數(shù)法的優(yōu)勢，以求獲得符合采樣時刻的最大采樣周期。

2 傳感器電子系統(tǒng)

本文設(shè)計的頻率測試系統(tǒng)是由STM32f3 型系列的單片機建立而成，其可以有效降低時間傳遞誤差。該單片機內(nèi)嵌入16 位計數(shù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)同步測試兩路頻率[11]。計數(shù)器數(shù)值在到達上升沿后，輸入捕獲寄存器完成自動鎖存，能夠有效避免時間傳遞誤差的產(chǎn)生，減少微控制單元運行時冗長指令帶來的影響[12]。指令運行時間隨著運行速度的提升而大大縮短，最高可支持72 MHz，從而達到高精度測量和高速測量的條件。

本文選用RS232 型工業(yè)模塊、微控制單元、電源及信號濾波共同組建形成該系統(tǒng)[13]。利用時基計數(shù)并中斷微控制單元定時器來達到頻率采集的目的。計數(shù)周期數(shù)在每次完成頻率測試后將重新配置，依據(jù)迭代方法修改主程序，再完成后續(xù)測量。

3 性能測試

本文選取的方波信號發(fā)生器型號為afG3022c，控制頻率為80 kHz [14]，實際測試時分別設(shè)定系統(tǒng)輸出不同時刻，系統(tǒng)誤差結(jié)果如表1 所示。

經(jīng)測試得出，系統(tǒng)響應時間在系統(tǒng)測量誤差小于0.1 Hz 的條件下大大縮短，符合測試要求。

在對系統(tǒng)頻率適應情況進行測試時，將采樣時刻設(shè)置為50 ms。表2 為不同頻率下的測量誤差，通過對比其中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)測試系統(tǒng)最大頻率在測量誤差范圍為±0.05 Hz，滿足精度使用要求。

根據(jù)響應速度要求完成頻率測量，頻率測量信號采樣周期的確定主要依據(jù)輸入信號最低頻率完成。采樣周期在采取固定周期測試模式時將達到最大頻率100 kHz。經(jīng)對比分析得出，選取自適應周期方式時，頻率改變后采樣獲取的測量誤差相對穩(wěn)定，由此可知該方法可有效采集壓力傳感器數(shù)據(jù)。

針對傳感器輸出波動開展分析。采樣時刻為50 ms，按照100 kPa 標準調(diào)節(jié)傳感器壓力，對傳感器頻率進行采樣。采用滑動濾波方法進行5 次測試，將獲取的數(shù)據(jù)取平均值。傳感器輸出壓力表現(xiàn)為圖2 波動狀態(tài)。通過分析得出，采樣時刻為50 ms 時，采取周期測頻傳感器電子系統(tǒng)可將壓力輸出波動控制在±0.1 MPa 內(nèi)，與傳感器的測試要求相符。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種周期測頻傳感器電子系統(tǒng)，并展開性能測試，得到如下結(jié)果。

（1）系統(tǒng)響應時間在系統(tǒng)測量誤差小于0.05Hz 條件下大大縮短，符合測試要求。頻率改變后采樣獲取的測量誤差相對穩(wěn)定，該方法可有效采集諧振式壓力傳感器數(shù)據(jù)。

（2）采樣時刻為50 ms 時，采取周期測頻傳感器電子系統(tǒng)可將壓力輸出波動控制在±0.1 MPa 內(nèi)，與傳感器的測試要求相符。

本研究有助于提高傳感器工作的穩(wěn)定性，但在面對異常數(shù)據(jù)的處理方面仍存在計算冗長的問題，期待后續(xù)引入深度學習算法進行加強。