基于MEMS压阻传感器的低功耗高过载测试系统设计

韩帅; 马游春; 秦丽; 王悦凯; 丁宁

doi:10.11883/1001-1455(2016)05-0721-07

基于MEMS压阻传感器的低功耗高过载测试系统设计

doi: 10.11883/1001-1455(2016)05-0721-07

韩帅^{1, 2, 3,},
马游春^{1, 2},
秦丽^{1, 2},
王悦凯^{1, 2},
丁宁^{1, 2}

1.
中北大学电子测试技术国家重点实验室, 山西太原 030051
2.
仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西太原 030051
3.
北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070

基金项目:

国家自然科学基金项目 91123036

国家自然科学基金项目 61178058

详细信息

作者简介:
韩帅(1987—)，男，硕士, idyujinxiang@163.com

中图分类号: O389;TJ713
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出版历程
- 收稿日期: 2015-01-20
- 修回日期: 2015-02-10
- 刊出日期: 2016-09-25

MEMS piezoresistive sensor based design of low-power consuming and high-overloaded testing system

Han Shuai^{1, 2, 3
,},
Ma Youchun^{1, 2},
Qin Li^{1, 2},
Wang Yuekai^{1, 2},
Ding Ning^{1, 2}

1.
National Key laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China
2.
Key laboratory of Instrument Science & Dynamic Measurement of Ministry of Education, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China
3.
Beijing National Railway Research & Design Institute of Signal & Communication Group Company Limited, Beijing 100070, China

摘要

摘要: 为了检验弹体在高冲击环境下的工作情况，提出了一种基于压阻传感器的高过载、低功耗的测试系统设计方案。该系统可承受2×10⁵g的过载冲击测试，且具有采样率高、体积小、功耗低的特点。通过打靶实验验证：在过载测试过程中该系统具有承受高冲击的能力，并能精确地采集到信号微弱变化，保证了弹体在飞行中记录数据的准确性。
- 爆炸力学 /
- 低功耗随弹测试系统 /
- 高冲击 /
- 压阻式微加速度计
Abstract: To investigate the working conditions of a missile in a high-impact environment, this paper presents a design scheme for low-power consuming and high-overload testing system based on an MEMS apiezoresistive sensor. The system is capable of withstanding tests with a 2×10⁵g overloaded impact and possesses such characteristics as a high sampling rate, a small volume, and a low-power consumption. As validated by our targeting experiments, the system was able not only to withstand a high overloaded impact but also to accurately capture the slight variations of a weak signal, which ensures the accuracy of the data recorded by the missile in flight.
- mechanics of explosion /
- low-power consumption with missile test system /
- high-impact /
- piezoresistive micro-accelerometer

HTML全文

随着信息时代的不断发展，由科学技术引领的军事发展格外引人瞩目，人工智能渐渐成为当今时代的主题。有人甚至预言“未来将是高技术战场，谁能在人工智能领域中取胜，谁就能取得未来战争的主导权”。因此，各国军事专家开始在武器装备上朝着灵巧、简单、智能的方向发展，不断推陈出新并在实际中应用，例如小型无人机、水下小型潜艇等小型武器系统的出现^[1-2]。但随着系统尺寸趋于减小，受到的限制也越来越大，而系统功耗、可靠性等问题也就成了大家需要攻克的难题。

为了解决上述问题，本文中提出一个基于MEMS压阻传感器的高过载、低功耗测试系统的研究方案^[3-8]，该系统具有精度高、体积小、功耗低、抗高过载等特点，在实际应用中可以准确测量弹体运动时的相关参数，为武器的研制、使用寿命、安全性能等方面研究提供重要科学的依据。

1. 系统设计

过载测试系统的总体设计方案如图 1所示，主要由以下几部分组成：压阻传感器、调理电路、数据采集电路、FPGA控制单元以及存储单元。该系统的工作原理：压阻传感器把采集的信号转变为电信号，并以差分形式输出；经调理电路再把电信号放大到AD可采集的范围内(0~2.5 V)；最后，由FPGA控制Flash单元存储采集到的测试数据。另外，系统使用串口读数装置读取数据，并通过上位机软件完成数据分析与处理。

图 1 系统总体设计

Figure 1. General layout of system design

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为了体现系统低功耗、高过载的性能特点，接下来将分别对系统使用的传感器与电源管理模块进行详细介绍，以及对实验数据进行分析说明。

1.1 压阻传感器

1.1.1 压阻传感器设计

由于压阻式传感器的制作工艺成熟、信号处理可行性高、数据测试相对简单，所以选用压阻式加速度传感器作为数据采集的前端。其工作原理如图 2所示，图中U₊为正向输出电压、U_—为反向输出电压、U_i为传感器的电压输入、GND为参考地、R₁、R₂、R₃、R₄为可变电阻。根据惠斯通原理由4个电阻元件组成电桥，当传感器受到外部作用时，传感器输出的电压会随阻值的变化而变化。由于全桥差动电路构成的传感器的灵敏度是单一电阻变换的4倍，所以在设计时内部采用全桥差动电路。同时，为使4个变化的电阻阻值不相互抵消，设计时还需满足以下要求：相邻阻值变化相反，对邻阻值变化相同，具体公式为：

${U_{{\rm{out}}}} = \left( {{U_ + } - {U_ - }} \right) = U\frac{{{R_1}{R_3} - {R_2}{R_4}}}{{\left( {{R_1} + {R_2}} \right)\left( {{R_3} + {R_4}} \right)}}$

(1)

图 2 全桥差动电路

Figure 2. Full-bridge differential circuit

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令：R₁=R+ΔR₁, R₂=R－ΔR₂, R₃=R+ΔR₃, R₄=R－ΔR₄, 其中ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄为相应电阻增量，则化简公式(1)得到：

${U_{{\rm{out}}}} = \frac{{{U_{{\rm{in}}}}}}{4}\left( {\frac{{\Delta {R_1}}}{R} - \frac{{\Delta {R_2}}}{R} + \frac{{\Delta {R_3}}}{R} - \frac{{\Delta {R_4}}}{R}} \right)$

(2)

式中:U₊为正向输出电压；U_—为反向输出电压；U_in为输入电压；U_out输出电压；

由于MEMS工艺制作的压阻式微加速度计具有可靠性好、集成度高的特点，可以很好地完成高过载测试。所以，结合实验室现有MEMS工艺技术制作压阻式微加速度计，其结构主要由悬臂梁和质量块构成，如图 3所示。当加速度计感知加速度变化时，悬臂梁就会发生形变从而改变梁上的应力分布，所以布置在悬臂梁根部的压敏电阻就会发生变化，压阻式微加速度计就会有电压输出。

图 3 压阻式微加速度计结构受力模型

Figure 3. Structural force model of piezoresistive micro accelerometer

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如图 3所示，当系统受到加速度作用时，在悬臂梁上距根部为X的点的挠度为：

$y(x) = - \frac{1}{6}\frac{{{\rm{F}}{x^2}(3L - x)}}{{EI}} + \frac{1}{4}\frac{{{\rm{F}}{x^2}L}}{{EI}} = - \frac{1}{{12}}\frac{{{\rm{F}}{x^2}(3L - 2x)}}{{EI}}$

(3)

在悬臂梁上距根部为X的点所受应力为：

$\sigma (x) = - E\left( {\frac{{{h_1}}}{2}\frac{{{{\rm{d}}^2}y(x)}}{{{\rm{d}}{x^2}}}} \right) = - \frac{1}{4}\frac{{{h_1}{\rm{F}}(2x - L)}}{I}$

(4)

式中:E为杨氏模量, F为承受的载荷, $I = \frac{{wh_1^3}}{{12}}$ 为梁的转动惯量, W为梁的宽度, h₁为梁的厚度, L为梁的长度。

1.1.2 可靠性模拟

在进行高过载测试实验时传感器的瞬态受力非常大，且微加速度计的悬臂梁上各点受力强度也有所不同。因此，采用应力-强度随机变量模型进行模拟分析。

当微加速度计受到外部冲击时，根据冲击载荷振动方程

$\frac{{{\partial ^2}}}{{\partial {x^2}}}\left( {EI\frac{{{\partial ^2}y}}{{\partial {x^2}}}} \right) + m\frac{{{\partial ^2}y}}{{\partial {t^2}}} = ma(t)$

(5)

可以推导出加速度计的应力和应变方程，其表达式分别为：

$y(x, t) = \sum\limits_i {\left[ {{\mathop{\rm ch}\nolimits} {\beta _i}x - \cos {\beta _i}x + {\delta _i}\left( {{\mathop{\rm sh}\nolimits} {\beta _i}x - \sin {\beta _i}x} \right)} \right]} \left[ {\frac{{N\omega }}{{\left( {{\omega ^2} - \omega _0^2} \right){\omega _0}}}\sin {\omega _0}t - \frac{N}{{{\omega ^2} - \omega _0^2}}\sin \omega t} \right]$

(6)

$\sigma (x, t) = \frac{{Eh}}{2}\beta _i^2\sum\limits_i {\left[ {{\mathop{\rm ch}\nolimits} {\beta _i}x - \cos {\beta _i}x + {\delta _i}\left( {{\mathop{\rm sh}\nolimits} {\beta _i}x - \sin {\beta _i}x} \right)} \right]} \left[ {\frac{{N\omega }}{{\left( {{\omega ^2} - \omega _0^2} \right){\omega _0}}}\sin {\omega _0}t - \frac{N}{{{\omega ^2} - \omega _0^2}}\sin \omega t} \right]$

(7)

并可得出以下结论：在脉冲时间的中点(即强迫振动阶段)，微加速度计受到冲击的加速度的值达到最大，且微加速度计的悬臂梁所受应力最大，即梁的根部X=0处。

为了分析微加速度计在高冲击的恶劣环境下的工作情况，采用ANSYS软件对传感器结构进行静态分析，预测加速度计的抗过载能力。在外形尺寸为：质量块边长300 μm，梁长300 μm，梁宽230 μm的加速度计上施加2×10⁵ g的冲击加速度载荷。微加速度计的应力、应变分布云图如图 4所示。模拟结果显示：在2×10⁵ g的冲击载荷作用下结构的最大应变为0.177 μm、最大应力为32.8 MPa。

图 4 加速度计应力应变ANSYS模拟图

Figure 4. ANSYS simulation diagram of accelerometer stress and strain

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1.2 采集电路模块

由于传感器输出电压非常微弱，所以在进行A/D采集转换前，需要将信号进行放大处理，信号采集模块的电路设计如图 5所示。系统采用宽电源电压、低噪声、外围电路简单的AD8226芯片进行前级精度放大，然后经过AD8606运放跟随最终输出给A/D芯片。电压放大倍数由下式给出：

$G = 1 + \frac{{49.4K\Omega }}{{{R_{\rm{G}}}}}$

(8)

图 5 信号采集模块电路设计图

Figure 5. Signal acquisition circuit

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式中：G为放大倍数，R_G为增益电阻阻值。

虽然调理电路可以把电压信号放大，但是有些关键信号仍是毫伏级，若选用低精度A/D转换芯片，就不能区分转换误差与信号之间的差别。所以选用高精度ADC模数转换芯片进行处理，通过增加芯片寄存器的位数，从而提高A/D芯片的分辨率，最终实现提高采样精度目的。A/D的分辨率计算公式如下：

$F = \frac{{{U_{\max }}}}{{{2^N}}}$

(9)

式中：U_max为A/D采集最高电压，N为A/D采集精度，F为A/D的分辨率。

通过上述两种方法的结合，可以提高采样精度，最终实现测量100g的加速度信号。

1.3 电源管理模块

为了保证测试数据的完整性，在传统的硬件设计中大多采用电源长期供电的方法，这种方法不仅使系统一直处于工作的状态，而且大大降低了电池的使用寿命、减少了系统的使用次数。同时，由于外形结构的限制，只能选用容量、体积小的锂电池作为系统供电。所以，为了达到降低系统功耗、智能上电的目的，本系统选用了74HC74作为D触发器控制器、74LX1G08作为与门控制单元，其工作电路图如图 6所示。

图 6 电源控制电路

Figure 6. Circuit of power management

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系统采用D触发器和与门组合的方法，灵活、便捷地实现了电源智能管理，达到降低系统电量损耗的目的，其工作原理如图 7所示。工作前，先将触发信号线ST接地(即弹体), 电源信号线BATVCC与锂电池正极相连，触发前电平状态如图 7(a)所示：D触发器的管脚5为高电平、9为低电平，电源使能信号线EN输出低电平，此时电源模块不供电；当弹体被射出瞬间外部连线断开，ST触发时的电平状态如图 7(b)所示：ST产生一个上升沿，D触发器的管脚5为高电平、9为高电平，EN输出高电平，系统开始供电；当系统采集完数据后通过软件触发，FPGA给出一个短暂的高电平，PDWN触发时的电平状态如图 7(c)所示：PDWN产生一个上升沿, D触发器的管脚5为低电平、9为高电平，EN输出低电平, 系统供电关闭；最后对系统进行复位，此时电平状态如图 7(d)所示，各管脚的电平恢复到初始态，(其中，黄线：ST信号线，蓝线：PDWN信号线，紫线：D触发器5脚，绿线：D触发器9脚)。

图 7 电源模块工作原理

Figure 7. Working principle of power-supply module

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2. 系统工作

由于受到环境和尺寸的影响，所以选择Actel公司推出的AGL030芯片作为FPGA^[9]中心控制单元，该系列FPGA采用Flash架构，具有上电即运行、结构尺寸小的特点。系统工作原理如图 8所示，首先，系统完成硬件连接，并进行初始化；当弹体出膛瞬间完成触发上电，系统开始进行数据采集并进行数据存储；其次，在数据采集完之后，由FPGA给出一个系统关闭信号结束数据采集。其中，为了避免误触发而采集的错误信号，在FPGA程序中写入阈值判断程序，连续完成3次有效判断后，方可打开Flash存储器进行数据存储。

图 8 系统控制流程图

Figure 8. Flow chart of system control

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3. 模拟与实践

为检测系统功能是否正常工作，在进行硬件功能调试时使用信号发生器模拟模拟信号。在传感器的输入端加入一个频率为100 Hz，振幅为80 mV的正弦模拟信号，通过对比示波器抓取的输入信号(见图 9(a))与测试系统采集到的信号(见图 9(b))，可知：系统所采集的信号与示波器采集的信号基本一致，本测试系统可以准确地进行实验数据采集。

图 9 模拟信号数据对比图

Figure 9. Comparison chart of simulation signal data

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为了真正检测系统的可靠性，还需对系统进行实弹实验。在靶场测试前的系统实物如图 10所示，在弹体飞行中为防止硬件电路的损坏，需在安装时进行防护处理。在传感器部分使用环氧树脂进行灌封保护，这样既能保证该部分的刚性，又能对传感器起到固定的作用。在进行过载测试时，使用聚氨酯或硅胶对采集电路进行保护，这样可以减少冲击力对电路的损害。

图 10 系统实物图

Figure 10. Image of actual model

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在靶场进行实弹实验时，需要过载测试系统加装在弹体后部，并且引出触发线。完成实弹发射后，使用串口读数装置读取实验数据，最后使用MATLAB软件绘制原始数据曲线。弹体的出膛过载数据曲线如图 11(a)所示和侵彻过载数据曲线如图 11(b)所示，通过数据曲线我们可以看出：弹体在出膛瞬间主要受到的过载加速度最高可以达4×10³g，而受到的外界空气阻力相对较小；弹体在侵彻的20 ms过程中受到靶壁的阻力逐渐减弱，最大可以受到1.5×10⁵ g左右的过载冲击。

图 11 系统测试数据曲线

Figure 11. Curve of system test data

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4. 结论

设计出了一个基于MEMS压阻传感器的低功耗、高冲击过载测试系统，它可实现10⁶ s^-1的数据采样率、智能上电或掉电。通过实践证明：该系统具有采样精度高、抗过载能力强、功耗小等特点，能准确无误地完成数据采集，为武器系统的研究工作提供一个可靠的技术手段。

图 1 系统总体设计

Figure 1. General layout of system design

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图 2 全桥差动电路

Figure 2. Full-bridge differential circuit

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图 3 压阻式微加速度计结构受力模型

Figure 3. Structural force model of piezoresistive micro accelerometer

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图 4 加速度计应力应变ANSYS模拟图

Figure 4. ANSYS simulation diagram of accelerometer stress and strain

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图 5 信号采集模块电路设计图

Figure 5. Signal acquisition circuit

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图 6 电源控制电路

Figure 6. Circuit of power management

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图 7 电源模块工作原理

Figure 7. Working principle of power-supply module

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图 8 系统控制流程图

Figure 8. Flow chart of system control

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图 9 模拟信号数据对比图

Figure 9. Comparison chart of simulation signal data

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图 10 系统实物图

Figure 10. Image of actual model

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图 11 系统测试数据曲线

Figure 11. Curve of system test data

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参考文献(9)

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1.1 压阻传感器
1.2 采集电路模块
1.3 电源管理模块
2. 系统工作
3. 模拟与实践
4. 结论

基于MEMS压阻传感器的低功耗高过载测试系统设计

doi: 10.11883/1001-1455(2016)05-0721-07

作者简介: 韩帅(1987—)，男，硕士, idyujinxiang@163.com

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