一种新型MEMS 加速度传感器的研制*

杨要恩 ，孙幸成，王庆敏，3

(1.石家庄铁路职业技术学院机电系，石家庄 050041;2.石家庄铁道大学，石家庄 050043;3.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044)

在现代工业测控领域，结构感知技术已经较初期有了很大的发展，不同原理、不同类型、不同测试结构的各种各样的传感器得到了广泛应用。而随着技术的不断发展，工业测控领域对传感器的采集精度、动态响应、抗干扰能力、可靠性、质量、成本及频带等都提出了更高的要求。但是，目前工业测控领域所使用的传感器尤其是在大型结构长期实时振动测试所用的加速度传感器方面，多采用惯性式位移传感器及配套的放大器进行结构振动加速度测试，其存在抗扰动能力差、易老化、可靠性差、动态响应慢、成本较高等缺点［1－3］，容易造成测试数据的失真，很难满足目前工业测控领域对结构参数进行长期、实时、在线自动感知的要求，以及对传感器成本低、耗电量小、质量轻、体积小等的节能减排的要求［4－5］。

为了满足结构对测试的要求，研发出一种基于MEMS 微机械加工技术(Micro-Electro-Mechanical Systems)的无线加速度传感器，并对其传感特性进行了研究。

1 无线加速度传感器的整体设计方案

相对于现有的分布式采集－有线数据传输－中央数据处理的传统结构振动测试架构，基于无线加速度传感器技术的分布式采集－无线数据传输－分布式处理的新一代结构振动测试架构系统采用模块化方法进行集成设计，具有测试精度高、稳定性好及实时性强的优点［6－7］。其主要由加速度信号检测模块、微控制器模块、无线收发模块和电源模块构成，如图1所示。其工作过程如下:微控制器模块通过无线收发模块接收远程监控中心下达的数据采集指令，控制加速度信号检测模块启动或停止对外部振动激励的采集，接收加速度信号检测模块所检测到的外部振动激励信号，并进行压缩、滤波、打包处理，最终经无线收发模块将处理好的加速度信号传输至远程监控中心。电源模块分别为加速度信号检测模块、微控制器模块、无线收发模块提供电能，其供电方式为3.3 V 可充电锂电池供电，同时设计了外接电源供电接口，在条件允许的情况下采用外接电源供电，可以延长电池的使用寿命。

图1 无线加速度传感器的整体设计方案

1.1 加速度信号检测原理及外围电路设计

综合考虑结构的低频振动特性及传感器芯片的测试精度、频率测试范围、占空比等因素，采用VTI公司的一款基于3D-MEMS(微机械加工系统)电容传感器技术的高精度、低功耗、低成本的单轴加速度传感器芯片SCA830－D06，其主要是由一个高精度微机电加速度传感元件和一个灵活的SPI 数字接口组成，工作电压范围为+3.0V～+3.6V，带宽范围为50 Hz，工作温度范围为－40℃－+125℃，最大功耗为20 mW，测量结果以数字SPI 形式输出。

微控制器模块采用TI 公司的超低功耗的混合信号控制器MSP430F249，MSP430F249 能够在低电压下以超低功耗状态工作，具有强大的处理能力和丰富的片内外设置。片内有3个基础时钟模块，灵活的时钟选择使得控制器可在最合理的时种下进行工作，大大降低了芯片的功耗。MSP430F249 具有丰富的外围接口，包括标准串口、SPI 接口、I2C 接口等，方便连接多种设备。

如图2所示为加速度信号检测电路原理图，微控制器与加速度传感器芯片之间的数据通讯方式为SPI 方式，其中微控制器MSP430F249 作为主设备，加速度芯片SCA830－D06 作为从设备。微控制器接收到所发布的启动命令后将启动本次振动采集，结构产生振动时，加速度传感器芯片将所检测到的加速度信号通过其内部集成的滤波电路、采样保持电路、AD 转换电路等进行处理，转换为相应的数字量信号，微控制器模块通过SPI 接口将加速度数字量接收至MSP430F249 的数据存储器中，MSP430F249完成对加速度数字量的数字滤波、频谱分析、特征值分析、数据压缩等工作，并对数据按照ZigBee 协议格式进行打包。

图2 加速度芯片与微处理器芯片连接电路图

1.2 无线数据收发电路设计

无线收发模块采用TI 下属Chipcon 公司生产的CC2430 芯片，它是一种符合ZigBee 技术的2.4GHz射频系统单芯片，此单芯片上整合了ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。它采用高性能和低功耗的8051 微控制器核;集成符合IEEES02.15.4 标准的2.4 GHz 的RF 无线电收发机;具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性;在休眠模式时仅0.9μA 的流耗，外部的中断或RTC 能唤醒系统，在待机模式时少于0.6μA 的流耗，外部的中断能唤醒系统;适应较宽的电压范围(2.0 V～3.6 V);集成AES 安全协处理器。图3所示为微控制器模块与无线收发模块的连接原理图。

CC2430 与微控制器MSP430F249 之间同样采用SPI 通信接口方式，其中MSP430F249 作为主设备，CC2430 作为从设备。图3 中，CC2430 的引脚11、12、13、14、15 分别与MSP430F249 的引脚P4.4、P4.3、P4.2、P4.1、P4.0 相连，表示收发数据的状态。C15、C16为22 pF 的电容，连接32 MHz 的晶振电路，此石英晶体用于正常工作使用。C10、C11为15 pF 的电容，连接32.768 kHz 的晶振电路，用于休眠时工作，以降低功耗。C17为0.1μF 与6.8 kΩ 的电阻R10 相连后连接至RESET 端，防止单片机错误复位。C13、C14、C18、C19 分别为220 nF、10 nF、100 nF、220 nF 用作滤波，去除杂波干扰使电压更稳定。

图3 微控制器与无线收发模块电路连接

无线数据收发电路的工作过程如下:微控制器将打包后的数据通过SPI 通信接口传输至无线收发模块，无线收发模块收到数据后选择最优无线发送路径将数据包传输至相邻传感器。此外，无线收发模块自动检测其他传感器节点所发送过来的数据转发请求，当无线收发模块处于空闲状态时，可接收其他传感器所发送过来的数据并进行转发，从而延长通讯距离。当传感器处于空闲状态时，整个传感器将处于休眠状态，以降低待机功耗，延长工作时间。

现场所有传感器节点所采集的数据通过各自的最优路径最终汇集在现场主控节点，各传感器数据可通过各自不同的身份ID 号加以识别。主控节点可与Internet 网互联，进而将所有振动数据远程传输至数据中心，对各传感器数据进行详细分析处理。

1.3 软件实现

在硬件电路完成之后，必须通过编写软件程序才能使得该无线传感器正常工作。软件程序要能够完成对各个模块进行初始化、控制器的启动运行和数据处理功能以及数据的无线收发等功能。本研究采用C 语言作为编程语言。为了降低功耗、节约电池供电能量、延长工作时间，没有外部触发时，系统处于休眠状态，需要工作时，发出唤醒命令，重新进入工作状态。

2 传感器动态传感特性实验与分析

实验研究MEMS 加速度传感器的动态特性，对无线MEMS 传感技术在结构振动实时监测中的可行性和可靠性进行进一步的验证。实验用的MEMS传感器即为本研究第1 部分设计的传感器，并对设计好的传感器进行封装考核。实验装置主要由DF1010 宁波中策电子有限公司超低频信号发生器、XS 型振动台伺服控制系统、振动实验台、笔记本电脑等组成。将无线MEMS 传感器和标准有线加速度(型号891－4)传感器用环氧树脂(EPOXY)粘贴于振动实验台(带激振器)上下表面对应位置处，并将标准有线加速度传感器(型号891－4)的输出作为标准加速度，利用超低信号发生器产生低频正弦信号，在振动台伺服控制系统下，测试振动台在不同频率(低频振动测试频率范围为0.1 Hz～40 Hz)激振下传感器的动态响应。

2.1 动态响应线性度分析

线性度是表征传感器输出－输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合(或偏离)程度的指标。显然，选定的拟合直线不同，计算得到的线性度数值也就不同。选择拟合直线的原则应保证获得尽量小的非线性误差［8］，选用最小二乘法原理来求取拟合直线可保证传感器校准数据的残差平方和最小。

线性度可通过输出电压和输入加速度响应的关系曲线分析，如图4所示。在图中加速度的输入选择了从0～3 gn的测试范围，由分析可知，传感器的线性拟合度为0.999 7，也即传感器的输出电压与加速度成正比。

图4 输出电压与标准加速度之间的关系

2.2 动态响应实时特性分析

主要考察将MEMS 传感器与标准电阻加速度传感器粘贴到基体材料后，其动态特性与标准加速度传感器的一致性。所采用的实验仪器和设备与2.1 相同，测试结果如图5、图6所示。

图5 MEMS 传感器动态响应图

通过多次测量可以发现，所研发的加速度传感器与所选的标准传感器数据吻合的很好，二者在相同条件下的动态响应特性具有很好的一致性，可以用于结构的低频振动的动态实时测试。

图6 标准加速度传感器动态响应图

3 结论

为了克服传统机械类传感器测试精度不高及长期稳定性差的不足，本研究采用MEMES 技术制成的加速度芯片设计并研发了一种新型加速度传感器，对构成传感器的外围电路进行了设计。并对所设计研发的传感器设计实验对其动态特向进行考核，实验结果表明:所研发的传感器具有良好的动态特性，具有良好的线性度及长期的重复稳定性，适于结构的长期实时监测。该传感器可以批量化生产、价格低、稳定性好、动态响应快。

［1］梁山，胡颖，王可之，等.基于无线传感器网络的山体滑坡预警系统设计［J］.传感技术学报，2010，23(8):1184－1188.

［2］毛尧辉，苑伟政，虞益挺.基于MEMS 技术的无线加速度测量系统［J］.微纳电子技术，2006，5:254－257.

［3］王庆敏，苏木标，刘玉红，等.MEMS 加速度传感器在桥梁横向动位移监测中的应用［J］.仪器仪表学报，2007，28(4):345－348.

［4］Wang Qingmin，Yang Yaoen，Su Mubiao.Research on Application of Micro-Nano Acceleration Sensor in Monitoring the Vibration State of Vehicles［J］.Procedia Engineering，2012，29(1):1213－1217.

［5］王庆敏，杨要恩，苏木标，等.MEMS 微电容式传感器的传感特性研究［J］.传感技术学报，2009，22(10):1396－1400.

［6］杨要恩，王庆敏，孙宝臣，等.F－P 光纤传感器的温度与应变传感特性研究［J］.传感器技术，2005，24(4):24－28.

［7］王少华，李宏伟，欧进萍.基于MEMS 的微电容式无线加速度传感器的研究［J］.传感器与微系统，2007，26(6):94－96.

［8］Geiger W，Butt W U，Gaisser A.Decoupled Microgyro and the Design Principle DAVED［J］.Sensor and Actuators，2002，A95:239－249.