基于频率自适应的航空用高精度硅谐振压力传感器的频率测试系统研究*

谢 波,李亚东,朱 林,项 超,鲁毓岚,陈德勇,王军波,洪 文

(1.中国科学院电子学研究所,北京 100190;2.中国科学院大学,北京 101409;3.中国电子科技集团公司第五十四研究所,石家庄 050081)

谐振式压力传感器是精度最高的一类压力传感器。谐振式压力传感器为频率信号输出,具有抗干扰能力强、稳定性好和半数字化输出等特点,在航空等高端领域被广泛使用。在航空领域,气压传感器可作为高度和空速测量使用,其特殊的使用环境对压力传感器的性能有严格的要求。如,某型战斗机速度可超300 m/s,通用高度爬升10 m/s,气压和环境温度的变化均十分迅速[1-2],因此对传感器的采样速率和温度变化的跟随性要求极高。某型号任务指标要求压力传感器数据输出间隔小于20 ms,输出压力波动小于±10 Pa,温度变化跟随性小于±100 Pa。实现以上性能的关键就在于传感器频率测量的响应速度与准确性。

传统的测频方法包括测周法和计数法两种方式[3-4]。前者适用于低频信号测量,信号的频率越低,测量的相对精度越高,但响应速度慢;后者适用于高频信号测量,信号频率越高,测量相对精度越高,通常适用于兆赫兹频率级别。为解决测量精度与响应速度的问题,近年来又发展出了多周期同步测频的方法[5]。它是在指定信号周期内同时对标准信号和待测信号进行计数,并根据待测信号和标准信号的计数值求解待测信号频率的方法。这种方法主要的误差来源是数字信号的±1计数误差[6-7]。为减小测量误差,通常通过延长采样时间以实现±1计数误差的平均效果,其测试响应时间约为0.1 s～1.0 s左右[8-9]。而高速高精度且适用于谐振式压力传感器的测频方法公开仍较少。

多周期同步测频法的另一个弊端在于信号采样时间随频率的变化而变化。在相同的采样周期数的条件下,随着测试信号频率的升高,系统采样时间变短,±1误差引起的测量误差变大。尤其是当响应时间小于20 ms时,这种频率相关的误差会表现更加明显。而谐振式压力传感器是输出频率随测试压力变化的一类传感器,为保证其测量精度,要求在其工作范围内的频率测量误差基本不变。因此使用多周期同步测频的方法对传感器进行快速测量的过程中仍存在一定的问题。

本文以电磁激励硅基MEMS谐振式压力传感器为研究对象,为其性能测试配套,研究了一种基于自适应周期的同步测频方法进行传感器频率的快速测量。通过采用定时器输入捕获功能减少指令时间,实现测量精度的提升;采用频率自适应测量方法,消除测量误差的相对性,保证传感器测量的绝对精度;同时,基于多定时器配置,实现双通道同步采样测量,保证频率输出的同时性,解决传感器在快速变温过程的输出跟随性问题。

1 传感器结构与原理

传感器芯体[10]为基于MEMS技术工艺的微传感器,采用硅膜与玻璃的复合结构制作而成。两个“H”型谐振梁结构悬于硅膜,端点与硅膜固定连接,可实现端点固定的侧向振动,如图1所示。待测压力作用于传感器硅膜并导致其形变,应变产生的张应力与压应力分别作用于两个“H”型谐振梁,从而使两个谐振梁频率增加和减少。因此,可使用两个梁的频率信号来表征压力的大小,如图1(c)和图1(d)所示。图1(b)为由硅敏感芯体、驱动电路和外壳组装完成的压力传感器。传感器采用5 V供电,并支持128 kbyte EEPROM存储,提供两个谐振梁的方波频率信号输出(f1,f2),电平0.3 V～4.5 V,压力灵敏度约为±50 Hz/kPa,频率范围为50 kHz～80 kHz,其工作温区为-55 ℃～85 ℃,测量量程为2 kPa～266 kPa,准确度为0.02%FS。

图1 传感器结构与原理图

所设计的传感器芯体,采用双谐振器结构配置,可实现温度自补偿,提升线性度等优点[11-12]。其压力解算方法如式(1)所示:

P=a1f13+a2f12f2+a3f12+a4f1f22+a5f1f2+
a6f1+a7f23+a8f22+a9f2+a10

(1)

式中:P为待测压力,f1为第一谐振器频率,f2为第二谐振器频率,a1～a10为解算系数。

对于给定的传感器,其解算系数可通过标定拟合的方法获取,并存储于EEPROM指定地址单元内,供调用使用。因而只需测量当前条件下谐振梁的两路频率,即可通过压力解算公式得知当前压力。

2 自适应周期测频方法

为了快速精准的测量传感器输出频率,本方法结合了计数法和测周法的优势,实现了一种频率自适应的最大化周期的计数测频方法。其测量原理如图2所示,在规定的响应时间t内,通过记录N个周期的待测方波信号所用的时间T,可计算信号频率f为:

f=N/T

(2)

式中:为满足响应速度指标,要求T

具体测量过程为,控制信号启动时钟计时器,当检测到被测频率上升沿,则记录当前计数器值ta;当检测到第(N+1)个频率信号上升沿,则记录计数器值tb,此后控制信号关闭时钟计数器。假定标准时钟频率f0,则认为N个周期信号所占时间Tc为:

Tc=(tb-ta)/f0

(3)

式中:Tc与N个信号的真实占时T的关系为:

Tc=T+ΔT

(4)

ΔT为测试方法引起的时间传递误差,包括:①系统控制过程的指令运行时间;②开关延时;③±1时钟计数误差。因此,被测信号频率测量值fc与真实值f的关系可表示为:

fc/f=T/Tc=(1-ΔT/Tc)

(5)

由此可见,可通过减少测试方法的时间传递误差ΔT和延长采样时间Tc来提高测量精度。

图2 频率测量方法示意图

图3 软件程序流程图

为补偿高频信号因采样时间变短而引入较大相对误差问题。本文采用根据传感器测试频率值进行信号周期数迭代更新的方法来最大化测试时间。具体过程为,在给定初始采样周期数N=n0后,MCU完成N个信号采样,并计算输入信号频率fc。根据要求响应时间上限t,可计算下次采样周期数nnew为:

nnew=[tfc]

(6)

式中:[]表示取整数运算。该方法可根据待测频率的变化自动适应采样周期,在不超过采样时限的前提下,实现采样周期数最大化的测量。需要强调的是,谐振式压力传感器的频率通常不发生突变,仅发生连续变化,因此可使用上次的测量值估计下次计数周期数。

3 传感器电路系统

为减小时间传递误差,本文利用STM32F3系列单片机搭建频率测量与压力解算系统。STM32F3系列单片机内置多路16位计数器,可实现定时器时基系统与输入捕获功能,并进行两路频率同步测量。定时器时基系统用于时钟信号计数。其输入捕获寄存器能在检测到输入上升沿时自动锁存计数器当前值,因而可减小因MCU运行冗长的指令而带来的时间传递误差。此外,其运行速度最高支持72 MHz,提升运行速度,可进一步减少指令运行时间,实现高速高精度测量。

该系统主要包括电源模块、信号滤波模块、MCU以及RS232通信模块。传感器输出方波信号经滤波模块送至MCU(STM32F303)输入捕获端口。MCU负责传感器两路频率同步采集与压力值解算,并通过RS232通信模块将传感器压力值输出。程序具体设计流程如图3所示,主程序完成初始化、参数配置、状态循环查询、频率计算、通信等功能。频率采集程序由MCU内部定时器进行输入捕获中断函数与定时器时基计数中断来实现。在每次完成频率测量后,主程序按所述迭代方法进行计数周期数的重新配置,以开始下一次测量。

4 性能测试与结果

首先测试了传感器系统在不同采样时限t条件下的采样精度。信号发生器(AFG3022C,泰克,美国)提供方波信号,频率70 kHz,分别测试5 ms,10 ms,20 ms,50 ms,100 ms条件下系统的输出频率,每组条件下记录1 000个数据点,其结果如表1所示。

表1 不同采样时限条件下的测量误差

结果表明,所述测量系统的测量误差小于0.05 Hz(传感器分辨率1 Pa)的条件下,系统的响应时间优于20 ms,满足测试需求。相较之前的研究工作[13],响应速度提升近一个量级。此外,结果表明,系统的测量平均误差与采样时限呈近似的反比例关系,如图4所示。

图4 采样时限与频率测量最大误差的关系

针对航空应用,在采样时限t=20 ms条件下测试了系统对频率的适应性。从表2中可见,在20 ms采样时限、测量误差不超过±0.05 Hz的条件下,所研制的测试系统能够实现的最大频率范围为150 kHz。在传感器工作频率范围50 kHz～80 kHz内,测量误差不超过±0.04 Hz。

为确保频率测量的响应速度,频率测量的信号采样周期取决于输入信号的最低频率。该传感器最低输入信号50 kHz,若采用固定周期测量方法,则最大采样周期为1 000。试验对比了采用固定周期为1 000和自适应周期数的频率测量结果,如图5所示。图5中自适应周期采样方法的测量误差基本不随频率变化而变化,而且相对于固定周期数的测量方法其频率测量范围明显拓展,适用于谐振式压力传感器的采集测试。

表2 测试系统在不同频率条件下的测量误差

图5 固定周期采样与自适应周期采样误差对比

此外,利用该系统进行传感器输出波动的测试。将传感器压力控制在110 kPa(PPC4,FLUKE,美国),在20 ms采样时限条件下,对3只传感器进行频率采集,并记录传感器输出压力。为提升数据输出的稳定性,采用了滑动滤波的处理方法[14-15]。选取7个连续测量的压力值,去除其中的最大和最小值,其余5个值进行平均处理。传感器输出压力的波动情况如图6所示。结果表明,采用所述方法对传感器进行测试,在20 ms采样条件下的压力输出波动小于±5 Pa。

图6 20 ms采样条件下的传感器输出波动测试

将传感器置于高低温试验箱(SU-262,ESPEC,日本)内,设定温度-55 ℃,保温20 min。传感器压力控制在110 kPa(PPC4,FLUKE,美国),设定采样时限20 ms,测试系统输出传感器当前压力值。以5 ℃/min的速率将温箱温度从-55 ℃升温至85 ℃,保温20 min,记录该温度变化过程中的传感器压力输出,如图7所示。结果表明,在升温过程中传感器输出压力值与标准器的偏差不超过±30 Pa,满足传感器测试需求。

图7 快速变温过程传感器的压力输出

5 结论

本文研究一种基于STM32定时器输入捕获的频率测量方法,采用频率自适应的周期数采样方法可有效拓展系统的频率测量范围与测试精度。基于该方法实现了20 ms频率的双通道快速采样测试,在10 kHz～150 kHz频率范围内,其偏差小于±0.05 Hz。利用该系统完成了谐振式压力传感器的性能测试,传感器20 ms采样压力波动小于±5 Pa,5 ℃/min升温过程中传感器输出压力偏差小于±30 Pa,满足航空用谐振式压力传感器的测试需求。