基于MEMS加速度传感器的位移检测系统

李光伟， 董林玺

(杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

MEMS加速度传感器具有精度高、灵敏度高、功耗低、体积小和线性度好等优点[1]，被广泛应用于振动位移检测、系统定位、机械测量等领域。如文献[2]分析了MEMS加速度传感器直接用于位移测量的可行性，并给出了一种滤波处理测量噪声的方法。文献[3]采用MEMS加速度传感器，利用模拟二次积分电路实现对桥梁横向动位移的检测，实验结果稳定性好，可靠性高，但位移测量范围较小，只有mm级。文献[4]采用MEMS加速度传感器对平面定位系统进行研究，系统的定位误差为5 %左右。

为了提高位移的测量范围和减小测量误差,本文设计了一种以中科院上海微系统与信息技术研究所设计的高精度MEMS电容式加速度传感器MSCA3002为核心的位移检测系统，结合积分算法，实现了对物体运动位移的实时检测。

1 硬件电路设计

本位移检测系统采用MEMS加速度传感器实现对物体运动加速度的采集，并将产生的模拟电压信号进行除杂和转换，通过24位高精度A/D转换，主控制器选用基于Cortex—M3内核的32位微处理器LM3S2B93，主要负责对A/D的控制和位移积分算法的实现，以实现对运动位置的实时检测。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

1.1 传感器的选用

为了实现对位移的检测，系统中采用MEMS加速度传感器MSCA3002对运动时的加速度信号进行采集。MSCA3002加速度传感器由电容式加速度敏感元件、混合信号闭环ASIC电路等在印制电路板上多芯片组装而成。该传感器性能与国外同类产品SF1500相当，具有大动态范围、优异的带宽、抗高冲击等特性[5]。

1.2 信号调理电路设计

由于加速度传感器输出的电压信号很容易受到各种噪声的干扰，特别是由于传感器的动态范围大，当输出的信号很小时，环境中存在强烈的工频干扰时不可忽略的，因而在A/D转换前需对模拟电压信号进行处理，去除各种干扰，使测量结果更加精确。模拟电压信号的调理电路如图2。

图2 信号调理电路

系统中采用仪表放大器INA118 完成差动放大，它具有精度高、功耗低、共模抑制比高和工作频带宽等优点，最小共模抑制比为110 dB，能很好地消除共模的工频干扰，且可通过外置不同大小的电阻实现不同的增益(1～1000)[6]。

由于加速度传感器的输出电压为范围-3～+3 V，而ADS1255采用差分输入，且模拟输入端的能检测到的电压范围为AGND-0.1 V～AVDD+0.1 V，超过电压范围将对器件造成损坏[7]。因而,需将仪表放大器的输出进行电压转换以满足与只有5V差分输入范围的ADS1255的级联[8]。

1.3 A/D转换电路设计

由于加速度传感器的动态范围大，为满足测量精度要求，系统中采用低噪声、高分辨率24位A/D转换器ADS1255对模拟信号进行模数A/D转换。

ADSl255是TI推出针对工业应用、具有业界最高性能的A/D转换器。由模拟多路开关(MUX)、输入缓冲器(BUF)、可编程增益放大器(PGA)、四阶Δ-∑调制器再加一个可编程数字滤波器组成。数据输出速率最高可达30×103采样点/s；可配置为二路单极输入或一路差动输入；具有低噪声可编程增益放大器(PGA)，PGA的值在1～64之间，增益步长为2；带有可编程数字滤波器与串行外设接口(SPI)，非常适用于科学仪器、工业控制、医疗设备等要求苛刻的工业应用领域[9]。图3为ADS1255典型应用电路。

图3 ADS1255典型应用电路

ADS1255转换后输出的数据为24位，其中最高位为符号位，低23位表示转换数据的有效值，符号位为0表示输入为正，正的满量程输出为7FFFFFh；符号位为1表示输入为负，负的满量程输出为800 000 h。在量程范围内，测量的输入电压值和转换后的数据之间的关系是[7]

数据输出为正时：

(1)

数据输出为负时：

(2)

2 软件算法设计

在通过ADS1255对产生的电压进行A/D转换后，就可以根据加速度传感器的灵敏度，利用ARM处理器采用积分算法将数字加速度数据转换为位移数据。系统中位移的软件算法设计如图4所示，其原理主要是采用梯形求积的数值积分法。

图4 传感器的运动曲线图

图4中以加速度传感器从静止，经加速、匀速、减速运动，最后停止的一个运动过程为例。在加速区域，传感器做变加速运动，假定从时间t0开始采样，根据积分原理，从时间t0到时间tn位移s与速度v的关系为[2]

(3)

其中,v为t时刻的速度，s0和s为初始位移和t时刻的位移。为了简化算法，程序中可设置采样的间隔相等，此处设置为Δt，因而，位移可由下式推导求出[10]

(4)

根据速度与加速度的公式v=a×t可知，当i≥1时，vi与v0的关系为

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

(5)

将式(5)代入式(4)可得位移的推导结果如下

an-2)Δt2+nv0Δt.

(6)

在匀速区域，加速度a为0，速度v不变，此时位移s与速度v的关系为

s=v×t.

(7)

在减速区域，传感器做变加速运动，此时对位移的推导方法跟加速区域类似。不同的是加速运动时，加速度a为正；减速运动时，加速度a为负。

在传感器实际运动中应通过对加速度的方向、大小进行分析，确定其运动状态，采用不同的算法以实现对位移的检测。

3 实验测试结果

该系统是采用加速度传感器实现对物体运动位移的测量，通过将传感器运动时输出的电压转换成加速度，再利用位移算法计算出运动位移。表1为利用ADS1255对传感器输出电压的转换结果；表2为系统对物体运动位移的测量结果。

表1 ADS1255对电压的转换结果

表1的结果显示，ADS1255能实现对电压的精确转换，与实际输入电压间的误差在0.4 %以内，为后续对位移的检测提供了保障。

表2结果显示测量值与实际值的误差较小，系统能很好地实现对运动位移的检测。

4 结束语

本文针对以一种国产MEMS加速度传感器为核心的位移检测系统进行了研究，并给出了具体的硬件电路和软件算法设计。根据传感器的最大可测范围和动态范围，选用24位A/D转换器ADS1255对模拟电压信号进行A/D转换，实验中对电压的转换误差在0.4 %以内，实现了对模拟电压的精确测量。根据传感器的灵敏度，可将传感器的输出电压转换为其运动加速度，根据加速度的大小、方向，采用不同的位移算法，计算出物体移动的位移，实验中对物体位移测量的误差约为3 %，很好地实现了对运动位移的准确测量。

表2 系统对位移的测量结果

参考文献:

[1] 刘 宇，鞠文斌，刘羽熙.MEMS加速度传感器计量检测技术的研究进展[J].计测技术，2010,30(4):5-8.

[2] 陈建新，王 荣，章 韵.MEMS加速度传感器的距离测量性能分析[J].电脑与电信，2011(11):30-32.

[3] 王庆敏，苏木标，刘玉红，等.MEMS加速度传感器在桥梁横向动位移监测中的应用[J].仪器仪表学报，2007,28(4):345-348.

[4] 陈义华.基于加速度传感器的定位系统研究[D].厦门：厦门大学，2006.

[5] MSCA3002地震勘探MEMS加速度传感器[EB/OL].[2012—04—29].http:∥www.docin.com/p-392402209.html.

[6] 杨昌金，王 涛.精密低功耗仪表放大器INA118及其应用[J].国外电子元器件，2000,20(6):14-15.

[7] 孙沁梅，卢益民.高精度模数转换器ADS1256的原理和应用[J].计算机与数字工程，2005,33(3):94-97.

[8] 阮三元，李 刚，宋 颖.具有最优共模抑制性能的可变增益仪用放大器AD8221及其应用[J].国外电子元器件，2004(7):44-46.

[9] 沈家庆,周 超.双通道24位Δ-∑型A/D转换器ADS1255及其应用[J].数字技术与应用，2010(9):83-84.

[10] 胡三庆.基于MEMS加速度传感器的空间运动轨迹追踪系统设计与实现[D].武汉：华中科技大学，2009.