摘要:本文阐述了一种基于MEMS技术的芯片ADXL202的应用设计与集成。介绍了ADXL202的测试原理和主要参数设计原则,然后利用其集成了一种无线加速度传感器并进行了测试。实验结果表明:ADXL202非常适合于频率变化较为缓慢、加速度不太大的土木工程结构的测量;利用ADXL202所构成的无线加速度传感器,易安装拆除,适合在土木工程结构监测中应用。 关键词:MEMS;无线加速度传感器;集成;监测 1 MEMS芯片ADXL202 测量原理与参数设计 ADXL202
摘要:本文阐述了一种基于MEMS技术的芯片ADXL202的应用设计与集成。介绍了ADXL202的测试原理和主要参数设计原则,然后利用其集成了一种无线加速度传感器并进行了测试。实验结果表明:ADXL202非常适合于频率变化较为缓慢、加速度不太大的土木工程结构的测量;利用ADXL202所构成的无线加速度传感器,易安装拆除,适合在土木工程结构监测中应用。
关键词:MEMS;无线加速度传感器;集成;监测
1 MEMS芯片ADXL202 测量原理与参数设计
ADXL202是一种低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感器。它以多晶硅为表面的微机电传感器和信号控制环路进行开环测量,测量结果直接以模拟信号形式或者将模拟信号转换为脉宽占空比的数字信号输出。ADXL202可测量正负加速度,其最大测量范围为±2g. ADXL202可测量静态加速度,也可用作斜度测量。
1.1 测量原理ADXL202利用先进的MEMS技术构成了基于单块集成电路的双轴加速度测量系统。传感器采用在硅片上经表面微加工的多晶硅结构,用多晶硅的弹性元件支撑它并提供平衡加速度所需的阻力。结构偏转是通过由独立的固定极板和附在移动物体上的中央极板组成的可变电容来测量的,加速度计受到加速度力后中央极板与固定极板之间距离产生变化,从而改变了它们可变电容的平衡,使输出方波的振幅与加速度成正比,而相位解调技术用来提取信息,判断加速方向。
解调器的输出是通过功能模块中的32kΩ的固定电阻来实现的,然后再利用一个可以设定带宽的滤波电路实现滤波,来提高测量的精度并有效地防止频率混叠。经过低通滤波后,输出的模拟电压信号通过DCM(脉宽占空比解调器) 转换为占空比与加速度成正比的方波,方波的周期T
2可以通过一个电阻R
set设定。这个方波可以直接送到单片机进行处理,从而得到加速度的值。用单片机进行数据处理时,可以使用计数器或其他方法测量方波的周期T
2以及脉冲的宽度T
1,其中T
1、T
2如图1 所示。
1.2 参数设计1.2.1 脉宽占空比周期选择
脉宽占空比如图1 所示。
图1 脉宽占空比
将T1 , T2带入式(1) 可以计算出加速度a :
式中: u
0g为0g 对应的占空比,其典型值是50 %;u
1g为1 g 加速度变化引起的占空比变化值。实际应用中,不必每次都测量T
2,只需在温度变化后适时修正。T
2由占空比调制器外接电阻R
set确定,见式(2) ,可在周期0.5～10 ms 范围内运行。
1.2.2 带宽设计
ADXL202的带宽选择决定测量精度。ADXL202的模拟信号输出具有典型的5kHz 带宽,需对信号进行滤波处理以减少频率混叠。同时,为了使脉宽占空比的误差最小,模拟带宽应比脉宽占空比的频率低1/10 。在实际应用中,模拟带宽可提高至脉宽占空比频率的1/ 2 ,但这可能导致脉宽占空比的动态误差增大。ADXL202 有X
filt和Y
filt引脚,可外接电容来设定频带。电容C
X和C
Y可由式(3) 确定:
模拟带宽亦可进一步减小,从而降低噪声,提高分辨率。ADXL202 的噪声特点是在所有频率下都是同样大的白色高斯噪声,以μg/ √Hz 为单位,典型噪声值可用式(4) 计算,单位是mg.
在研究中,主要考虑应用于土木结构工程中所采集的信号属于低频信号,依据实际需要,设计模拟带宽为50Hz,此时噪声为1.8mg. 设计T
2为1ms ,即脉宽占空比输出频率为1kHz ,完全满足模拟带宽低于脉宽占空比带宽10倍以上的要求。这样,就可以设计出检测单元的电路,其电路原理如图2 所示,图2中输出端直接与微处理器IO口相连。
图2 ADXL202 电路原理图
2 无线加速度传感器的集成2.1 硬件集成
