基于不同量程的MEMS加速度傳感器綜合測(cè)試系統(tǒng)研究

劉陸燕+陳君

摘 要：針對(duì)MEMS加速度傳感器測(cè)試方法不統(tǒng)一，測(cè)試要求多樣化的問(wèn)題，對(duì)加速度傳感器按照量程進(jìn)行細(xì)化，從測(cè)試方法和測(cè)試系統(tǒng)入手，研發(fā)出一套多量程的MEMS加速度計(jì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)及其溫度特性的綜合測(cè)試系統(tǒng)，搭建了一個(gè)多形態(tài)MEMS加速度傳感器的統(tǒng)一測(cè)試平臺(tái)，適應(yīng)不同類型加速度傳感器的測(cè)試需求，從而提升測(cè)試效率，降低測(cè)試成本，縮短研發(fā)測(cè)試周期，有助于MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：MEMS加速度傳感器；測(cè)試方法；測(cè)試系統(tǒng)；測(cè)試平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）10-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，加速度傳感器被廣泛應(yīng)用于汽車電子、航空航天及工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，應(yīng)用需求急劇增加。而隨著加速度傳感器行業(yè)的發(fā)展，對(duì)其精度的要求也越來(lái)越高，但大多數(shù)企業(yè)測(cè)試方法不統(tǒng)一，測(cè)試要求多樣化，大大影響了傳感器的測(cè)試效率，嚴(yán)重阻礙了傳感器的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

此外，MEMS加速度傳感器受其原理和工藝限制，其性能指標(biāo)都會(huì)或多或少的受到外界環(huán)境變化的影響，特別是外界溫度的變化。因此傳感器都要經(jīng)過(guò)高低溫測(cè)試，一方面確認(rèn)傳感器能夠正常工作的溫度范圍，另一方面能夠根據(jù)各溫度點(diǎn)的實(shí)際輸出量與常溫輸出量進(jìn)行比較，通過(guò)添加算法來(lái)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，消除溫度帶來(lái)的測(cè)量偏差。本文基于此研發(fā)了一套多量程的MEMS加速度計(jì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)及其溫度特性的綜合測(cè)試系統(tǒng)。

1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由多頻率范圍的振動(dòng)裝置、高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、集成數(shù)據(jù)與信號(hào)處理關(guān)鍵算法的綜合分析軟件以及溫度試驗(yàn)箱組成，測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

振動(dòng)裝置包括靜態(tài)測(cè)試模塊的高精度轉(zhuǎn)臺(tái)、離心機(jī)，中頻測(cè)試模塊的中頻振動(dòng)臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組及沖擊測(cè)試模塊的Hopkinson桿、激光干涉儀。

高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三大模塊的控制與數(shù)據(jù)采集。靜態(tài)測(cè)試模塊和沖擊測(cè)試模塊由凌華（ADLINK PCI-9816H）作為控制器，中頻測(cè)試模塊由可同時(shí)實(shí)現(xiàn)采集8路數(shù)據(jù)的愛(ài)盟科技VibStar作為控制器。

綜合分析軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器采集數(shù)據(jù)的分析處理及顯示，并可下達(dá)指令給控制器以網(wǎng)絡(luò)通信模式實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度試驗(yàn)箱的實(shí)時(shí)反饋控制。

1.1 靜態(tài)測(cè)試模塊

此模塊用以實(shí)現(xiàn)MEMS加速度計(jì)的靜態(tài)測(cè)試[1]，由高精度轉(zhuǎn)臺(tái)、離心機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)參考加速度計(jì)套組、控制器、數(shù)據(jù)處理模塊及溫度試驗(yàn)箱組成。

1.1.1 重力場(chǎng)法

由于加速度傳感器通頻帶的下限為0 Hz，采用高精度轉(zhuǎn)臺(tái)（步進(jìn)電機(jī)控制）利用加速度傳感器與地球重力場(chǎng)方向的夾角可測(cè)得傳感器的輸出值。轉(zhuǎn)臺(tái)角度與加速度傳感器所受載荷大小示意圖如圖2所示。

1.1.2 離心法

將被檢加速度傳感器固定在離心機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)上，使加速度傳感器的敏感軸與旋臂徑向重合，調(diào)整加速度傳感器距轉(zhuǎn)軸中心線的徑向距離及旋臂的旋轉(zhuǎn)角度，可以得到所需要的向心加速度。在此恒定加速度條件下測(cè)得傳感器的輸出值。

當(dāng)離心機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，作用在加速度傳感器的向心加速度為：

式（1）中，ω為離心機(jī)的角速度（rad/s），R為加速度傳感器到離心機(jī)轉(zhuǎn)軸中心的距離（m），T為離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)周期（s）。

離心機(jī)轉(zhuǎn)速與離心機(jī)旋轉(zhuǎn)周期的關(guān)系式為：

式（2）中，n為離心機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）。由式（1）和式（2）可以推導(dǎo)出加速度與離心機(jī)轉(zhuǎn)速之間的換算公式為：

式（3）將向心加速度換算為離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，可使離心機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的加速度作用在傳感器上。

1.2 中頻測(cè)試模塊

此模塊實(shí)現(xiàn)MEMS加速度計(jì)的中頻測(cè)試[2-4]，由中頻振動(dòng)臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)參考加速度計(jì)套組、控制器、數(shù)據(jù)處理模塊及溫度試驗(yàn)箱組成。中頻測(cè)試模塊示意圖如圖3所示。

采用比較法獲取靈敏度，其中標(biāo)準(zhǔn)參考加速度計(jì)安裝在振動(dòng)臺(tái)中心，可同時(shí)將7個(gè)被測(cè)MEMS加速度傳感器均勻分布安裝在振動(dòng)臺(tái)上，由于施加在每個(gè)傳感器上的振動(dòng)是相同的，在電荷放大器設(shè)置相同的情況下，靈敏度之比就是它們的輸出電壓之比。又由于參考傳感器的靈敏度已知，則只需再乘以比值就可以計(jì)算出被測(cè)加速度傳感器的靈敏度。被檢加速度靈敏度幅值S2按（4）式計(jì)算：

式中： S1為參考加速度靈敏度幅值（mV/（m·s-2）或pC/（m·s-2））；X1為參考加速度傳感器輸出值（mV或pC）；X2為被檢加速度傳感器輸出值（mV或pC）。

1.3 沖擊測(cè)試模塊

此模塊實(shí)現(xiàn)MEMS加速度計(jì)的沖擊測(cè)試[5]，由Hopkinson桿、激光干涉儀、標(biāo)準(zhǔn)參考加速度計(jì)套組、控制器、數(shù)據(jù)處理模塊及溫度試驗(yàn)箱組成。

在 Hopkinson 桿的尾部安裝被測(cè)加速度傳感器，抬動(dòng)擺錘讓其自由落體撞擊砧體（擺錘和砧體之間裝有緩沖墊），在Hopkinson桿中產(chǎn)生近似半正弦的壓加速度波形，并沿 Hopkinson桿縱向傳播。沖擊過(guò)程中的激光多普勒干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)解算，得到?jīng)_擊速度曲線，將沖擊速度曲線微分，得到?jīng)_擊加速度曲線。

1.4 溫度特性

加速度傳感器靈敏度受溫度變化影響會(huì)產(chǎn)生靈敏度溫漂，通過(guò)測(cè)量多個(gè)溫度點(diǎn)下的加速度傳感器靈敏度，經(jīng)過(guò)一系列數(shù)據(jù)處理即可獲取被檢加速度傳感器的溫漂系數(shù)，從而為其溫度補(bǔ)償提供依據(jù)。

控制器以網(wǎng)絡(luò)通信的方式向溫度試驗(yàn)箱發(fā)送控制與反饋信號(hào)，根據(jù)既定的TCP/IP協(xié)議及約定的通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度試驗(yàn)箱的啟動(dòng)、停止、溫度設(shè)定、運(yùn)行時(shí)間等的設(shè)置。

2 軟件部分

系統(tǒng)采用LabVIEW圖形化編程工具來(lái)開(kāi)發(fā)上位機(jī)軟件。LabVIEW具有靈活且功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和界面開(kāi)發(fā)能力，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界及實(shí)驗(yàn)室研究。而LabVIEW最初就是為測(cè)試測(cè)量而設(shè)計(jì)，至今，大多數(shù)主流的測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門(mén)的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序，為用戶開(kāi)發(fā)新程序提供了極大便利。endprint

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，軟件部分主要包括三部分功能模塊，即靜態(tài)模塊、中頻模塊和沖擊模塊。軟件功能框圖如圖4所示。

進(jìn)入MEMS測(cè)試平臺(tái)界面后，根據(jù)被測(cè)傳感器的量程范圍及客戶需求選擇需要的測(cè)試項(xiàng)目，靜態(tài)模塊測(cè)試分為重力場(chǎng)法和離心法，其中重力場(chǎng)法用于加速度傳感器的靈敏度、線性度、零點(diǎn)漂移、滿量程漂移、溫度影響（包含熱零點(diǎn)偏移、熱滿量程偏移、靈敏度溫漂）的測(cè)量，離心法可用于靜態(tài)大量程加速度范圍的靈敏度和線性度測(cè)量；中頻模塊測(cè)試采用振動(dòng)法，用于對(duì)加速度傳感器在中頻范圍內(nèi)的靈敏度、靈敏度頻率響應(yīng)、靈敏度幅值線性度、靈敏度溫漂系數(shù)的測(cè)量；沖擊模塊測(cè)試采用沖擊法，用于沖擊加速度傳感器靈敏度、靈敏度頻率響應(yīng)、靈敏度幅值線性度、靈敏度溫漂系數(shù)的測(cè)量。軟件部分運(yùn)行界面如圖5所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用振動(dòng)臺(tái)、高精度轉(zhuǎn)臺(tái)、離心機(jī)、沖擊臺(tái)等激勵(lì)源和溫度試驗(yàn)箱等控制系統(tǒng)，對(duì)多類加速度傳感器的特性參數(shù)進(jìn)行提取，完成對(duì)整個(gè)綜合測(cè)試平臺(tái)控制軟件和算法的編寫(xiě)，建立了一套針對(duì)不同量程和應(yīng)用的加速度傳感器綜合測(cè)試系統(tǒng)，具有較高的實(shí)用推廣價(jià)值。

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