發布日期：2022-10-09 點擊率：78
無線傳感網是由具有無線通信、數據采集和處理、協同合作等功能的無線傳感器節點組成的網絡。它是當 今技術發展的一個熱點，尤其在軍事領域。無線傳感網對所使用的傳感器有一些嚴格的限制條件。首先， 傳感器的功耗要低；其次是精度要高，A/D轉換的分辨率為16位；最后是傳感器的體積要小。一般而言， 無線傳感網總是優先使用微型傳感器，只是在其功能不能滿足要求的條件下才考慮傳統的機械式傳感器。
無線傳感網常用的振動加速度傳感器有以下幾種：MEMS振動加速度傳感器，機械式振動加速度傳感器，壓 電、光纖式振動加速度傳感器。其中，MEMS振動加速度傳感器又分為壓阻式和電容式兩種，而光纖式振動 加速度傳感器雖然精度高，但體積大、電路復雜，不適合現場應用。
MEMS壓阻式振動加速度傳感器電路設計
1 無線傳感網用振動加速度傳感器技術指標
供電電壓：+3.3V單電源。
輸出信號：1.65V為基準，上下差分模擬信號。
靈敏度：l000mV/g/3.3V。
模塊功耗：額定電流≤1.5mA;功耗≤1.5X3.3mW (約5mW) 分辨率：-75db。
帶寬：300Hz。
2 開環電路結構
壓阻式振動加速度傳感器是由四個可變電阻連接成惠斯通橋而成的無源傳感器。它的激勵電源直接取自無 線傳感網系統電源，采用穩壓源是因穩壓源的結構較恒流源簡單。前置級采用差分輸入儀表放大器，目的 是去除無用的共模信號，只放大反映振動加速度大小的差模信號。緩沖調整用于前置級和放大級的阻抗匹 配，是為信號濾波做準備的。濾波電路的目標是將有用信號和無用信號分開，在本設計中，采用多路反饋 電壓控制二階有源低通濾波器。該低通濾波器有通頻帶平坦、線性度好等優點。為滿足計算機接口的要求， 系統加了滿刻度調整電路和中心電壓調整電路。本電路系統選用的器件基本上都是低功耗，微功耗器件。
圖1開環電路結構
3 開環電路圖
在本電路中，RS1、RS2、RS3和RS4是光刻在MEMS懸臂梁上的四可變電阻；R*是零位調整電阻；儀表放大 器AD620和C2組成前置級交流放大器，放大原始信號；AD708是高精度雙運放芯片，IC2/A和R2、R3組成 反相比例放大器，目的是調準中間級放大倍數；IC/2B和R4、R5、C4、C5組成多路反饋、壓控、二節低通 有源濾波器，濾除高頻干擾波；IC/3A和R7、R8組成反相比例放大器，調整整個電路的輸出，也稱滿足刻 輸出。因為該套電路要和計算機接口，需要設計中心電壓，本設計的中心電壓為1.65V，IC3/B和R9、R10 組成跟隨電壓穩壓電路，使IC3/B運放輸出電路接口電位為1.65V,從而保持整個電路的中心電壓為1.65V。
圖2開環電路圖
壓阻式和動圈式振動加速度傳感器幅頻特性和相頻特性
3 開環電路圖
在本電路中，RS1、RS2、RS3和RS4是光刻在MEMS懸臂梁上的四可變電阻；R*是零位調整電阻；儀表放大 器AD620和C2組成前置級交流放大器，放大原始信號；AD708是高精度雙運放芯片，IC2/A和R2、R3組成 反相比例放大器，目的是調準中間級放大倍數；IC/2B和R4、R5、C4、C5組成多路反饋、壓控、二節低通 有源濾波器，濾除高頻干擾波；IC/3A和R7、R8組成反相比例放大器，調整整個電路的輸出，也稱滿足刻 輸出。因為該套電路要和計算機接口，需要設計中心電壓，本設計的中心電壓為1.65V，IC3/B和R9、R10 組成跟隨電壓穩壓電路，使IC3/B運放輸出電路接口電位為1.65V,從而保持整個電路的中心電壓為1.65V。
壓阻式和動圈式振動加速度傳感器幅頻特性和相頻特性
圖3壓阻式振動加速度傳感器幅頻特性曲線
圖4動圈式振動加速度傳感器幅頻特性曲線
從圖3、圖4上可明顯的看出二者的差別。壓阻式振動加速度傳感器在300Hz內的通頻帶內平坦、線信度 好，能真實地反應振動信號的大小；而動圈式振動加速度傳感器的帶寬不足300Hz,且通頻帶極不平坦， 線信度不好，放大后，反映的是畸變的振動信號。動圈式振動加速度傳感器已無法采集100Hz以上的振動 信號，后面的幅頻特性圖對比更能說明這一點。
圖5動圈式振動加速度傳感器信號采集特性曲線
圖6壓租式振動加速度傳感器信號采集特性曲線
圖5和圖6為兩種傳感器的信號采集特性曲線，橫軸單位為s,縱軸單位為10mV。此曲線是兩傳感器在靈 敏度相同的情況下，測量同一個人的步行振動信號所得。
從圖中可明顯看出，壓阻式傳感器采集到的振動信號比動圈式采集到的振動信號內容豐富，后者有明顯的信號丟失，而前者的信號幅度在環境等同條件下明顯增強。雖然作為無源傳感器的機械動圈式傳感器具有 低噪聲的特點，但壓阻式的信噪比要比動圈式大的多，達6dBv,后面的幅頻特性對比曲線將說到這一點。
圖7動圈式振動加速度傳感器計幅頻特性曲線
圖8壓阻式振動加速度傳感器幅頻特性曲線
圖7、圖8是兩傳感器在靈敏度相同的情況下，即每1g輸出1V時的幅頻特性曲線圖。此時兩傳感器所處 外環境相同，測量的仍是同一個人的步行振動信號。壓阻式傳感器線性度好，信號在250Hz時才開始下降， 而后者的信號在150Hz時就開始下降，信號基本淹沒于噪聲中。
從圖中還可以看出，動圈式傳感器噪聲在80dB以下，壓阻式傳感器噪聲在80dB附近，略高于動圈式。在信噪比方面，壓阻式比動圈式高約6dBv,即相差約一倍。
使用MEMS電容式振動加速度傳感器
電容式振動加速度傳感器因分辨率高，在MEMS傳感器家族中占有重要的地位。從結構上看，其輸出阻抗特 別大，相當于開路，如當作無源傳感器使用，需經外部激勵和電荷轉移，才能將振動加速度信號精確地轉 化為電信號。因電容傳感器內阻相當開路，故只能采用交流激勵。但這樣增加了電路的復雜度，也增大了功耗。
如想將該傳感器應用到無線傳感網上，只能將其當有源傳感器使用。即不用外激勵電路，將電容量的變化 通過電荷轉移為電壓變化，用電壓變化信號來反映振動加速度大小。從專業角度來看，這是一個非常難處 理的信號，不僅信號幅度小，且傳感器輸出阻抗特別大，需經前置放大電路阻抗匹配后，信號才能作為有效信號。
MEMS電容式振動加速度傳感器前置放大電路的設計是其能否應用到無線傳感器網的關鍵。圖9是精心設計 的MEMS電容式振動加速度傳感器前置放大電路。
圖9 MEMS電容式振動加速度傳感器前置放大器電路圖
該電路總體上說是一個自給偏壓式射極輸出器。T1、T2采用了 3sDJ0絕緣柵場效應管，目的是降低功耗。 T2為射極輸出器，T1為T2集電極負載，選用同型管是為了使靜態電路對稱，中心輸出點電壓為VCC/2。
R2、R3為分壓電阻，保證T1工作在飽和狀態。C3為反饋電容，穩定輸出信號，擴展通頻帶。R1和后續電 路組成自給分壓電路，確保T2工作在放大區。
圖10 MEMS電容式振動加速度傳感器幅頻特性圖
圖10為MEMS電容式振動加速度傳感器幅頻特性圖，因為其和壓電式振動加速度傳感器原理基本一致，幅 頻特性也基本一致。從圖10中可以看出，中頻段線性度良好，缺點是20Hz下低頻段衰減強烈，失真度高。（作者：郭斌、李昕欣）
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