无线传感网用振动加速度传感器几点探索（上）

http://www.intl-sensor.com 时间:2008/8/19 10:08:38 点击2596次

导读:无线传感网是由具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的无线传感器节点组成的网络。它是当
今技术发展的一个热点，尤其在军事领域。无线传感网对所使用的传感器有一些严格的限制条件。首先，
传感器的功耗要低；其次是精度要高，A/D 转换的分辨率为16 位；最后是传感器的体积要小。一般而言，
无线传感网总是优先使用微型传感器，只是在其功能不能满足要求的条件下才考虑传统的机械式传感器。

无线传感网用振动加速度传感器几点探索
中科院上海微系统与信息研究所郭斌李昕欣
无线传感网是由具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的无线传感器节点组成的网络。它是当
今技术发展的一个热点，尤其在军事领域。无线传感网对所使用的传感器有一些严格的限制条件。首先，
传感器的功耗要低；其次是精度要高，A/D 转换的分辨率为16 位；最后是传感器的体积要小。一般而言，
无线传感网总是优先使用微型传感器，只是在其功能不能满足要求的条件下才考虑传统的机械式传感器。
无线传感网常用的振动加速度传感器有以下几种：MEMS 振动加速度传感器，机械式振动加速度传感器，压
电、光纤式振动加速度传感器。其中，MEMS 振动加速度传感器又分为压阻式和电容式两种，而光纤式振动
加速度传感器虽然精度高，但体积大、电路复杂，不适合现场应用。
MEMS 压阻式振动加速度传感器电路设计
1 无线传感网用振动加速度传感器技术指标
供电电压：+3.3V 单电源。
输出信号：1.65V 为基准，上下差分模拟信号。
灵敏度：1000mV/g/3.3V。
模块功耗：额定电流≤1.5mA；功耗≤1.5×3.3mW (约5mW)。
分辨率：-75db。
带宽：300Hz。
2 开环电路结构
压阻式振动加速度传感器是由四个可变电阻连接成惠斯通桥而成的无源传感器。它的激励电源直接取自无
线传感网系统电源，采用稳压源是因稳压源的结构较恒流源简单。前置级采用差分输入仪表放大器，目的
是去除无用的共模信号，只放大反映振动加速度大小的差模信号。缓冲调整用于前置级和放大级的阻抗匹
配，是为信号滤波做准备的。滤波电路的目标是将有用信号和无用信号分开，在本设计中，采用多路反馈
电压控制二阶有源低通滤波器。该低通滤波器有通频带平坦、线性度好等优点。为满足计算机接口的要求，
系统加了满刻度调整电路和中心电压调整电路。本电路系统选用的器件基本上都是低功耗，微功耗器件。
图1 开环电路结构
3 开环电路图
在本电路中，RS1、RS2、RS3 和RS4 是光刻在MEMS 悬臂梁上的四可变电阻；R*是零位调整电阻；仪表放大
器AD620 和C2 组成前置级交流放大器，放大原始信号；AD708 是高精度双运放芯片，IC2/A 和R2、R3 组成
反相比例放大器，目的是调准中间级放大倍数；IC/2B 和R4、R5、C4、C5 组成多路反馈、压控、二节低通
有源滤波器，滤除高频干扰波；IC/3A 和R7、R8 组成反相比例放大器，调整整个电路的输出，也称满足刻
输出。因为该套电路要和计算机接口，需要设计中心电压，本设计的中心电压为1.65V，IC3/B 和 R9、R10
组成跟随电压稳压电路，使 IC3/B 运放输出电路接口电位为1.65V，从而保持整个电路的中心电压为1.65V。
图2 开环电路图
压阻式和动圈式振动加速度传感器幅频特性和相频特性
1 压阻式和动圈式振动加速度传感器幅频特性对比
图3 压阻式振动加速度传感器幅频特性曲线
图4 动圈式振动加速度传感器幅频特性曲线
从图3、图4 上可明显的看出二者的差别。压阻式振动加速度传感器在300Hz 内的通频带内平坦、线信度
好，能真实地反应振动信号的大小；而动圈式振动加速度传感器的带宽不足300Hz，且通频带极不平坦，
线信度不好，放大后，反映的是畸变的振动信号。动圈式振动加速度传感器已无法采集100Hz 以上的振动
信号，后面的幅频特性图对比更能说明这一点。
2 压阻式和动圈式振动加速度传感器信号采集特性和幅频特性对比
图5 动圈式振动加速度传感器信号采集特性曲线
图6 压租式振动加速度传感器信号采集特性曲线
图5 和图6 为两种传感器的信号采集特性曲线，横轴单位为s，纵轴单位为10mV。此曲线是两传感器在灵
敏度相同的情况下，测量同一个人的步行振动信号所得。

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