基于MEMS加速度传感器的振动加速度测量系统设计
徐 磊1，房立清1，齐子元1，李 旭2
【摘 要】摘要：以MEMS加速度传感器为主体器件，设计了一种振动加速度实时测量和存储系统，利用串口显示助手读取显示测量系统的存储测量数据，通过振动试验台试验检验系统测量性能和抗过载能力。试验结果表明：该测量系统可完成振动加速度的实时测量，并可承受至少100g的过载冲击。 【期刊名称】仪表技术与传感器 【年(卷),期】2024(000)002 【总页数】5
【关键词】MEMS加速度传感器；测量系统设计；振动试验
0 引言
MEMS传感器具有功耗低、质量轻、成本低以及灵敏度高等优势，可在不影响被测物体的结构的条件下测出物体的特性。在电子、机械、化工等领域应用广泛[1-5]。
MEMS加速度传感器是MEMS传感器的中重要分支之一，利用MEMS测量物体运动的加速度具有其独特的优势。采用基于MEMS加速度传感器的微惯性测量组合数据处理简单直观可靠，基本不用改变弹载结构，对扩展其应用范围具有重要意义[6]；在室内导航系统设计中以加速度传感器为核心敏感器件，具有价格低、体积小等特点[7]；在高过载侵彻弹药领域，国外已经成功研制出高g值加速度传感器，最大过载可达200 000g，利用这种加速度传感器可实现侵彻深度的控制，在钻地弹药中将得到很大的推广和应用[8]。但是，由于国内生产以及研究应用较少，MEMS加速度传感器测量精度有限，MEMS加速度传
感器的应用仍然需要进一步研究。虽然有专家学者已进行加速度传感器的性能测试与分析，并对加速度传感器的动态模型进行辨识和识别[9]，但是以MEMS加速度传感器为主体的设计应用仍然很少。
本文以MEMS加速度传感器为主体，设计了一种振动加速度的测量和存储系统，该系统主要由测量模块、存储模块和控制模块3部分组成，可实现振动加速度的实时测量和存储，并具有抗高过载能力。
1 加速度测试系统整体结构设计
加速度测试系统整体结构设计如图1所示，主要包括:振动加速度的实时测量和显示功能、振动加速度的存储功能、振动加速度的读取功能。为了达到加速度测试系统的功能，完成加速度传感器数字信号的准确采集，在系统中利用数字信号处理技术，以DSP芯片为核心设计了3个电路模块：加速度测量模块、加速度存储模块、加速度控制模块。系统电源为各个模块提供电压，加速度测量模块感应振动试验台的加速度，并产生数字信号，等待DSP控制单元读取数据；控制模块实时控制采集来自于测量模块的加速度，并将加速度数据格式进行转换，控制存储模块存储数据；存储模块通过控制单元实时存取来自于测量模块的加速度数据，并等待控制模块的下一步读取。
2 加速度测试系统硬件电路设计
2.1 加速度测量模块设计
该模块设计采用三轴MEMS加速度传感器MXC4005XC。MXC4005XC采用的是标准CMOS工艺，采取晶片级封装，由于其核心技术是热传感技术，没有可移动的机械部件，对于振动和冲击有着很好的稳定性，在200 000g的冲击作用下，传感性能基本没有变化，可提供准确的X、Y、Z方向的信号，并可检
测6个方向的加速度值。
该型传感器接口采用I2C总线模式，提供了I2C快速读取操作，利用I2C串行数据总线实现单主机、多设备模式，硬件电路如图2所示。 2.2 加速度存储模块设计
存储模块利用的是铁电存储器FM25V20A，它是集低功耗和高性能于一体的非易失存储器，在没有电源时不会丢失存储的数据。既克服了EEPROM写入时间长、FLASH擦写次数少的缺点，相比于相同容量的非易失SRAM，其价格又低很多。
利用DSP设计的加速度存储模块硬件电路如图3所示。数字信号处理器DSP与铁电存储器之间采用串行外围设备接口(serial perripheral interface，SPI)相连，由一个主设备连接多个从设备，主控制器通过访问和配置这些寄存器，可以存储读取加速度数据。 2.3 加速度控制模块设计
加速度控制模块包括存储单元和通信单元，完成对加速度的实时读取和存储，并利用串口通信电路将数据上传到计算机中。该模块采用能够进行高速数字信号处理运算的微处理器(digital signal processor，DSP)。DSP芯片拥有高集成度、快速处理的CPU和可扩展的存储空间。结构上DSP采用的是哈佛结构，具有独立的程序空间和数据空间，可以通过独立的数据总线在程序空间和数据空间同时访问。内置的高速乘法器和增强的多级流水线，使得其具有高速度的数据运算能力。DSP还提供了高度专业化的指令集，提高了运算速度。DSP的特性显著提高了其运算能力和处理能力，使之能够很好地满足对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。
基于MEMS加速度传感器的振动加速度测量系统设计
