基于MEMS加速度傳感器的位移檢測系統

李光偉， 董林璽

(杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

MEMS加速度傳感器具有精度高、靈敏度高、功耗低、體積小和線性度好等優點[1]，被廣泛應用于振動位移檢測、系統定位、機械測量等領域。如文獻[2]分析了MEMS加速度傳感器直接用于位移測量的可行性，并給出了一種濾波處理測量噪聲的方法。文獻[3]采用MEMS加速度傳感器，利用模擬二次積分電路實現對橋梁橫向動位移的檢測，實驗結果穩定性好，可靠性高，但位移測量范圍較小，只有mm級。文獻[4]采用MEMS加速度傳感器對平面定位系統進行研究，系統的定位誤差為5 %左右。

為了提高位移的測量范圍和減小測量誤差,本文設計了一種以中科院上海微系統與信息技術研究所設計的高精度MEMS電容式加速度傳感器MSCA3002為核心的位移檢測系統，結合積分算法，實現了對物體運動位移的實時檢測。

1 硬件電路設計

本位移檢測系統采用MEMS加速度傳感器實現對物體運動加速度的采集，并將產生的模擬電壓信號進行除雜和轉換，通過24位高精度A/D轉換，主控制器選用基于Cortex—M3內核的32位微處理器LM3S2B93，主要負責對A/D的控制和位移積分算法的實現，以實現對運動位置的實時檢測。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

1.1 傳感器的選用

為了實現對位移的檢測，系統中采用MEMS加速度傳感器MSCA3002對運動時的加速度信號進行采集。MSCA3002加速度傳感器由電容式加速度敏感元件、混合信號閉環ASIC電路等在印制電路板上多芯片組裝而成。該傳感器性能與國外同類產品SF1500相當，具有大動態范圍、優異的帶寬、抗高沖擊等特性[5]。

1.2 信號調理電路設計

由于加速度傳感器輸出的電壓信號很容易受到各種噪聲的干擾，特別是由于傳感器的動態范圍大，當輸出的信號很小時，環境中存在強烈的工頻干擾時不可忽略的，因而在A/D轉換前需對模擬電壓信號進行處理，去除各種干擾，使測量結果更加精確。模擬電壓信號的調理電路如圖2。

圖2 信號調理電路

系統中采用儀表放大器INA118 完成差動放大，它具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作頻帶寬等優點，最小共模抑制比為110 dB，能很好地消除共模的工頻干擾，且可通過外置不同大小的電阻實現不同的增益(1～1000)[6]。

由于加速度傳感器的輸出電壓為范圍-3～+3 V，而ADS1255采用差分輸入，且模擬輸入端的能檢測到的電壓范圍為AGND-0.1 V～AVDD+0.1 V，超過電壓范圍將對器件造成損壞[7]。因而,需將儀表放大器的輸出進行電壓轉換以滿足與只有5V差分輸入范圍的ADS1255的級聯[8]。

1.3 A/D轉換電路設計

由于加速度傳感器的動態范圍大，為滿足測量精度要求，系統中采用低噪聲、高分辨率24位A/D轉換器ADS1255對模擬信號進行模數A/D轉換。

ADSl255是TI推出針對工業應用、具有業界最高性能的A/D轉換器。由模擬多路開關(MUX)、輸入緩沖器(BUF)、可編程增益放大器(PGA)、四階Δ-∑調制器再加一個可編程數字濾波器組成。數據輸出速率最高可達30×103采樣點/s；可配置為二路單極輸入或一路差動輸入；具有低噪聲可編程增益放大器(PGA)，PGA的值在1～64之間，增益步長為2；帶有可編程數字濾波器與串行外設接口(SPI)，非常適用于科學儀器、工業控制、醫療設備等要求苛刻的工業應用領域[9]。圖3為ADS1255典型應用電路。

圖3 ADS1255典型應用電路

ADS1255轉換后輸出的數據為24位，其中最高位為符號位，低23位表示轉換數據的有效值，符號位為0表示輸入為正，正的滿量程輸出為7FFFFFh；符號位為1表示輸入為負，負的滿量程輸出為800 000 h。在量程范圍內，測量的輸入電壓值和轉換后的數據之間的關系是[7]

數據輸出為正時：

(1)

數據輸出為負時：

(2)

2 軟件算法設計

在通過ADS1255對產生的電壓進行A/D轉換后，就可以根據加速度傳感器的靈敏度，利用ARM處理器采用積分算法將數字加速度數據轉換為位移數據。系統中位移的軟件算法設計如圖4所示，其原理主要是采用梯形求積的數值積分法。

圖4 傳感器的運動曲線圖

圖4中以加速度傳感器從靜止，經加速、勻速、減速運動，最后停止的一個運動過程為例。在加速區域，傳感器做變加速運動，假定從時間t0開始采樣，根據積分原理，從時間t0到時間tn位移s與速度v的關系為[2]

(3)

其中,v為t時刻的速度，s0和s為初始位移和t時刻的位移。為了簡化算法，程序中可設置采樣的間隔相等，此處設置為Δt，因而，位移可由下式推導求出[10]

(4)

根據速度與加速度的公式v=a×t可知，當i≥1時，vi與v0的關系為

vi=vi-1+ai-1·Δt=v0+(ai-1+ai-2+…+a0)Δt.

(5)

將式(5)代入式(4)可得位移的推導結果如下

an-2)Δt2+nv0Δt.

(6)

在勻速區域，加速度a為0，速度v不變，此時位移s與速度v的關系為

s=v×t.

(7)

在減速區域，傳感器做變加速運動，此時對位移的推導方法跟加速區域類似。不同的是加速運動時，加速度a為正；減速運動時，加速度a為負。

在傳感器實際運動中應通過對加速度的方向、大小進行分析，確定其運動狀態，采用不同的算法以實現對位移的檢測。

3 實驗測試結果

該系統是采用加速度傳感器實現對物體運動位移的測量，通過將傳感器運動時輸出的電壓轉換成加速度，再利用位移算法計算出運動位移。表1為利用ADS1255對傳感器輸出電壓的轉換結果；表2為系統對物體運動位移的測量結果。

表1 ADS1255對電壓的轉換結果

表1的結果顯示，ADS1255能實現對電壓的精確轉換，與實際輸入電壓間的誤差在0.4 %以內，為后續對位移的檢測提供了保障。

表2結果顯示測量值與實際值的誤差較小，系統能很好地實現對運動位移的檢測。

4 結束語

本文針對以一種國產MEMS加速度傳感器為核心的位移檢測系統進行了研究，并給出了具體的硬件電路和軟件算法設計。根據傳感器的最大可測范圍和動態范圍，選用24位A/D轉換器ADS1255對模擬電壓信號進行A/D轉換，實驗中對電壓的轉換誤差在0.4 %以內，實現了對模擬電壓的精確測量。根據傳感器的靈敏度，可將傳感器的輸出電壓轉換為其運動加速度，根據加速度的大小、方向，采用不同的位移算法，計算出物體移動的位移，實驗中對物體位移測量的誤差約為3 %，很好地實現了對運動位移的準確測量。

表2 系統對位移的測量結果

參考文獻:

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[10] 胡三慶.基于MEMS加速度傳感器的空間運動軌跡追蹤系統設計與實現[D].武漢：華中科技大學，2009.