周期测频传感器电子系统的设计及性能测试

杨玲玲

关键词：传感器；周期测频；电子系统；性能测试

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A

0 引言

谐振式压力传感器作为一种高精度压力传感器，可以实现特定频率的信号输出，具有良好稳定性[1-3]。

目前，实验室中常见的测频方法有两种，分别为测周法和计数法[4]。其中，低频信号通常适用于测周法，其测量精度随信号频率的不断衰减而提高，但信号频率的衰减会对响应速度产生影响；高频信号通常适用于计数法，其测量精度随信号频率的提高而上升，兆赫兹级别的频率信号适用于该方法[5]。孟凡飞等[6] 为提高响应速度和测量精度开展周期同步测频研究。待测信号频率主要参考两种信号计算值实现，在实际计数的过程中，数字信号的偏差约为±1，因而存在一定误差[7]。针对此问题，王永清等[8] 采用增加采样时间与对样本取平均值的方式消除误差，响应时间设置为0.1 ～ 1.0 s，确保在测试过程中将误差限制在一定范围内。

本文选择电磁激励谐振式压力传感器作为测试对象，设计的同步测频方法以自适应周期为基础，以对传感器频率进行高效测试，并完成所需测试设备的配置。为提高测量精度，需减少指令运行时间，充分发挥定时器的输入捕获效果；同时为确保传感器测量精度可以达到相应条件，降低相对测量误差，选用频率自适应方法。

1 传感器结构

本文选择的微传感器芯体是通过微机电系统加工获得，该芯片材质为复合结构，由玻璃与硅膜构成。向传感器硅膜施加压力会使其变形，从而改变谐振梁频率。压力大小主要参考两个梁的频率信号，传感器工作原理图如图1 所示[9]。

传感器芯片配置的结构为双谐振器结构，线性度在温度自补偿实现后将得到提升。采用标定拟合方法对信号数据进行处理，然后将计算结果存放在带电可擦可编程只读存储器指定单元中，便于后续调用[10]。

为确保对传感器输出频率进行精准测试，本文采取周期测频方法，以频率自适应方法为基础，结合测周法与计数法的优势，以求获得符合采样时刻的最大采样周期。

2 传感器电子系统

本文设计的频率测试系统是由STM32f3 型系列的单片机建立而成，其可以有效降低时间传递误差。该单片机内嵌入16 位计数器，能够实现同步测试两路频率[11]。计数器数值在到达上升沿后，输入捕获寄存器完成自动锁存，能够有效避免时间传递误差的产生，减少微控制单元运行时冗长指令带来的影响[12]。指令运行时间随着运行速度的提升而大大缩短，最高可支持72 MHz，从而达到高精度测量和高速测量的条件。

本文选用RS232 型工业模块、微控制单元、电源及信号滤波共同组建形成该系统[13]。利用时基计数并中断微控制单元定时器来达到频率采集的目的。计数周期数在每次完成频率测试后将重新配置，依据迭代方法修改主程序，再完成后续测量。

3 性能测试

本文选取的方波信号发生器型号为afG3022c，控制频率为80 kHz [14]，实际测试时分别设定系统输出不同时刻，系统误差结果如表1 所示。

经测试得出，系统响应时间在系统测量误差小于0.1 Hz 的条件下大大缩短，符合测试要求。

在对系统频率适应情况进行测试时，将采样时刻设置为50 ms。表2 为不同頻率下的测量误差，通过对比其中的数据，发现测试系统最大频率在测量误差范围为±0.05 Hz，满足精度使用要求。

根据响应速度要求完成频率测量，频率测量信号采样周期的确定主要依据输入信号最低频率完成。采样周期在采取固定周期测试模式时将达到最大频率100 kHz。经对比分析得出，选取自适应周期方式时，频率改变后采样获取的测量误差相对稳定，由此可知该方法可有效采集压力传感器数据。

针对传感器输出波动开展分析。采样时刻为50 ms，按照100 kPa 标准调节传感器压力，对传感器频率进行采样。采用滑动滤波方法进行5 次测试，将获取的数据取平均值。传感器输出压力表现为图2 波动状态。通过分析得出，采样时刻为50 ms 时，采取周期测频传感器电子系统可将压力输出波动控制在±0.1 MPa 内，与传感器的测试要求相符。

4 结论

本文设计了一种周期测频传感器电子系统，并展开性能测试，得到如下结果。

（1）系统响应时间在系统测量误差小于0.05Hz 条件下大大缩短，符合测试要求。频率改变后采样获取的测量误差相对稳定，该方法可有效采集谐振式压力传感器数据。

（2）采样时刻为50 ms 时，采取周期测频传感器电子系统可将压力输出波动控制在±0.1 MPa 内，与传感器的测试要求相符。

本研究有助于提高传感器工作的稳定性，但在面对异常数据的处理方面仍存在计算冗长的问题，期待后续引入深度学习算法进行加强。