應用于航天器微振動信號檢測的傳感器

在日常生活、工業生產、航空航天、軍事等各個領域，振動都是最重要的參數之一。多數航天器存在微振動擾動源，航天器結構上的微振動信號會對航天器的狀態及性能產生很大影響，是制約高精度航天器高敏感度和有效載荷的瓶頸。隨著我國航天技術的發展，對微振動信號的測試需求越來越迫切[1]。

現有傳感器的輸出信號多為電壓型，易受干擾產生失真，在信號需要遠距離傳輸或使用環境中電網干擾較大的場合，電壓輸出型傳感器的使用受到了限制[2]。而電流輸出型傳感器可以避免這些問題，有效地提高信號抗干擾能力。因此，本文研制了一種電流輸出型傳感器，并設計了一個應用于微振動領域的微振動信號檢測傳感器的信號調理系統。本設計中的微振動傳感器主要用于測量各種穩態或低頻的低“g”值的振動傳感領域，最小分辨率可達0.25 mg。

1 系統總體設計

微振動傳感器由微機電系統MEMS工藝電容式加速度敏感元件、濾波電路、放大電路、輸出飽和控制電路、及V/I轉換電路等構成，其系統框圖如圖1所示。

圖1 微振動傳感器系統結構Fig.1 Structure diagram of system of micro vibration sensor

當敏感元件感受到加速度信號時，將其轉化為電壓信號，經過放大、濾波后再經過V/I轉換電路把電壓信號轉換為電流信號，最終輸出電流信號。微振動傳感器的測量范圍可以通過選擇電容式MEMS加速度敏感頭的量程來解決，頻率響應通過調節濾波電路的濾波電容來完成。傳感器的輸出異常時，輸出飽和控制電路能保證其最終信號輸出在技術指標規定的范圍內。

1.1 傳感器選型

傳感器敏感元件的性能優劣會直接影響采集信號的準確性。微振動信號頻率低、幅值小，采用普通的測量手段和儀器測試時，真實信號往往會混雜在噪聲中，對進一步的數據處理和分析造成困難，甚至導致錯誤結論。通過對比和反復試驗，最后選用了SILICON DESIGN公司研制生產的1221系列電容傳感器1221L-010。此型號傳感器體積小、噪聲低、靈敏度為200 mV/g，是普通傳感器的50～100倍，具有從直流開始的極低頻率響應特性，能對超低頻信號進行正確、準確的測量。而且電容式傳感器的選取兼顧了對微振動信號低頻性能的測試能力，頻率響應為0～1000 Hz，頻響范圍可以達到零頻。

1.2 信號調理模塊部分電路設計

信號調理模塊對傳感器的輸出信號進行處理，主要是低通濾波、信號放大、零位提升、輸出飽和控制等。

1.2.1 濾波電路設計

航天器在飛行時不只是存在微振動信號，例如火箭和導彈在飛行過程中，由于發動機點火、機體分離、空氣動力等因素，也會引起結構的振動，這些信號對待檢測信號的判別造成相當大的困難。微振動傳感器在工作時除了要識別需要檢測的信號外，還必需能夠剔除頻率相對較高的振動和沖擊信號。由于微振動信號相對其他干擾信號為低頻特性，因此，濾波電路采取低通濾波方式對信號進行處理，剔除加速度信號中的高頻干擾成分。如圖2所示為低通濾波電路，頻率響應為0～100 Hz，具有零頻響應。

圖2 低通濾波電路Fig.2 Low-pass filter circuit diagram

濾波芯片采用美信（MAXIM）公司的MAX29X系列開關電容濾波器MAX291，它為巴特沃茲（Butterworth）型濾波器，此種濾波器增益穩定、波動小，主要用于儀表測量等要求整個通頻帶內增益恒定的場合，符合電路設計的初衷。

MAX291既可用外部時鐘也可用內部時鐘作為控制截止頻率的控制時鐘。圖2中的電路連接方式是采用外部時鐘控制截止頻率的方式。截止頻率取決于時鐘的頻率，本系列電路只需外接一個電容器，內部時鐘振蕩電路就能開始工作，而無需再從外部引入時鐘信號。Cosc用來調整截止頻率，計算公式為

式中：fclock為時鐘頻率；fc為濾波器的截止頻率；K為時鐘頻率和截止頻率的比率，對于MAX291，K=100。微振動信號頻率為0～100 Hz，經過計算與實際電路調試，確定Cosc的容值為3333 pF。

在TIRA傳感器校準系統上對此信號調理電路進行振動掃頻試驗，電路輸出信號與B&K的標準傳感器8305的輸出信號進行對比，得到如圖3所示 TIRA傳感器校準系統試驗掃頻曲線。由圖3可以看出，信號經濾波后，在通頻帶內的帶內不平度較小，符合設計要求。

圖3 TIRA傳感器校準系統試驗掃頻曲線Fig.3 TIRA sensor calibration system test sweep curve

1.2.2 放大電路設計

1221加速度計敏感元件滿量程輸出范圍是0.5 V～4.5 V，而下一級V/I轉換電路的輸入參考信號要求為0～5 V直流電壓信號。所以，需要對原始的信號進行適當的調理，將敏感頭輸出的0.5 V～4.5 V電壓信號變換為0～5 V的直流電壓信號。

具體信號調理原理為首先需要將電壓范圍調到-2 V～2 V，然后放大1.25倍，再零位提升2.5 V，得到的電壓變為0～5 V。

放大電路中的運放芯片采用的是德州儀器的儀表運放AD623。放大模塊電路圖如圖4所示。

AD623的放大倍數計算公式為

將G=1.25代入，計算得RG=400 kΩ，實際調試選用510 kΩ的精度為1%的金屬膜電阻。

儀表運放AD623既可以完成放大功能，又可以對電壓進行零位提升。如圖4所示，在AD623的輸出基準端5引腳處外接2.5 V的基準電壓VREF，這樣輸出電壓就被調理到了0～5 V。

圖4 放大電路及零位提升電路Fig.4 Amplifying circuit and zero voltage lift circuit

1.2.3 輸出飽和控制電路

在微振動傳感器調理電路的輸出端使用BWB5V6（5.6 V）的穩壓二極管進行箝位，當輸出電壓小于9 V時，輸出箝位二極管BWB5V6可以箝位在5.6 V，當輸出電壓在15 V時，其箝位輸出不大于6.2 V，可以滿足異常情況下，傳感器輸出不大于6.2V的規定，防止輸出電壓過大損壞元件。輸出飽和控制電路如圖5所示。

圖5 輸出飽和控制電路Fig.5 Output limiter circuit

1.3 V/I轉換模塊

V/I轉換模塊選用德國Analog Microelectronics公司生產的電壓-電流轉換器AM442。它不僅能通過二線制方式將輸入信號轉換成標準的4～20 mA電流信號，而且也能通過三線制方式輸出0/4～20 mA的電流信號。它的工作電壓范圍寬達6～35 V，工作溫度范圍為-40℃～+85℃[3]。

選用AM442的二線制方式。圖6為二線方式輸出應用電路圖。在二線方式輸出時，管腳1（VCC）和管腳2（RS-）相連。輸出增益系數由外接電阻R15和R16來調節。對于二線輸出方式，在輸出電流范圍為4～20 mA時，如果輸入電壓VIN的范圍為0～5 V，6引腳不接，那么，外接元件的數值根據如下公式計算：

式中，偏置電流ISET是作為輸出偏置電流，即輸出最小電流。

圖6 V/I轉換電路設計Fig.6 V/I converting circuit design

1.4 電源模塊

系統中AM422需要在6～35 V電源供給下工作，其他的芯片包括敏感頭1221，以及MAX291、AD623均可在5 V電源下工作，所以選用12 V為系統供電，用轉換電壓芯片LT1761-5.0得到5 V電壓。查詢主要器件耗電電流，2個LT1761-5.0并聯，完全有能力為整個系統供電。供電模塊前后級均使用鉭電容配合貼片陶瓷電容進行濾波，使得電路板尺寸更小，電源抗噪聲能力增加，系統壽命更持久。

2 測試結果

2.1 V/I轉換電路標定

對V/I轉換電路進行標定，表1是0～5 V電壓轉換為4～20 mA電流的實驗值與理論值的對照表。

表1 實驗值與理論值對照表Tab.1 Table of experimental and theoretical values

對表1數據進行origin擬圖得到實測值與理論值曲線圖，如圖7所示。

圖7中實測值與理論值非常接近，滿足設計要求。

2.2 系統整體標定

系統整體標定設備采用LXJ-70型精密離心機，它能提供0.1 g～80 g的加速度信號，改變傳感器的安裝方向，可以完成正負加速度的標定工作[4]。

根據采集到的電流值計算加速度值，并計算實測值與理論值進行對比，進行精度計算，精度計算公式為

通過計算得到精度約為0.91%，說明電流輸出型微振動傳感器的信號調理系統能夠準確測量超低頻微振動信號，并且測試精度很高，未來可應用在各種測量穩態或低頻的低“g”值的振動傳感領域。

3 結語

新技術的不斷出現為更好地監測航天器微振動環境，提高航天器有效載荷使用效率，改進航天器設計和合理安排微重力科學實驗發揮了重大作用[5]。微振動傳感器已經被應用在實際工程中并取得了很好的效果。電流輸出型微振動傳感器主要應用于各種測量穩態或低頻的低“g”值的振動傳感領域。如直升機和飛機試驗、高鐵技術（如轉向架監測與振動）、汽車測試與碰撞試驗、運輸振動測試、結構監測（橋梁、房屋建筑健康監測）等。

[1]張振華，楊雷，龐世偉.高精度航天器微振動力學環境分析[J].航天器環境工程，2009，26（6）：528-534.

[2]牛余朋，朱洪升，朱正斌.電流傳感器應用技巧[J].電子制作，2011（5）：72-75.

[3]沈國偉.電壓電流轉換接口AM442原理及應用[J].國外電子元器件，2003（8）：50-53.

[4]鮑愛達，閆明明，徐曉輝，等.基于VFC的超低頻振動信號采集系統設計[J].電子技術應用，2013，39（12）：75-78.

[5]趙偉.航天器微振動環境分析與測量技術發展[J].航天器環境工程，2006，23（4）：210-214.