专利名称：基于mems技术的低频振动加速度传感器系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于工业测控领域，涉及一种加速度信号感知系统，具体地说是一种基于MEMS技术的低频振动加速度传感器系统。
背景技术：
在现代工业测控领域，结构感知技术已经较初期有了很大的发展，不同原理、不同类型、不同测试结构的传感器得到了广泛应用。而随着技术的不断发展，工业测控领域对传感器的采集精度、动态响应、抗干扰能力、可靠性、质量、成本及频带等都提出了更高的要求。但是，目前工业测控领域所使用的加速度传感器，多采用惯性式位移传感器及配套的 放大器进行结构振动加速度测试，其存在抗扰动能力差、易老化、可靠性差、动态响应速度慢、成本较高等缺点，容易造成测试数据的失真，很难满足目前工业测控领域对结构参数进行长期、实时、在线自动感知的要求。
发明内容本实用新型要解决的技术问题，是提供一种基于MEMS技术的低频振动加速度传感器系统，具有精度高、动态响应速度快、可靠性高及长期稳定性好的特点，可以实现对结构低频振动加速度参数进行长期、实时、自动感知。为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是—种基于MEMS技术的低频振动加速度传感器系统,包括基于MEMS技术的传感器敏感元件、信号传输线、低通滤波电路和模数转换电路；所述基于MEMS技术的传感器敏感兀件的信号输入端用于感应外部结构振动信号，信号输出端通过信号传输线连接低通滤波电路的信号输入端；低通滤波电路的信号输出端通过模数转换电路用于连接数据采集装置的微处理器电路。作为对本实用新型的限定所述基于MEMS技术的传感器敏感元件采用传感器芯片SCA61T，所述传感器芯片SCA61T的第一管脚、第二管脚、第三管脚均悬空，第七管脚通过RC滤波电路连接信号传输线的信号输入端，第八管脚连接外部电源。作为对上述方式的进一步限定所述低通滤波电路包括ISA板卡形式的八阶贝塞尔低通抗混叠滤波器，所述八阶贝塞尔低通抗混叠滤波器的第二管脚作为输入端连接信号传输线的信号输出端，第五管脚作为输出端。作为对上述方式的更进一步限定所述模数转换电路包括逐次逼近式的高速模数转换芯片，所述高速模数转换芯片的输入端连接八阶贝塞尔低通抗混叠滤波器的第五管脚，输出端用于连接采集装置的微处理器电路的信号输入端。作为对本实用新型的另一种限定所述信号传输线包括用于传输基于MEMS技术的传感器敏感元件感知的模拟信号的屏蔽电缆和用于防止外力或电磁辐射干扰的、对屏蔽电缆所传输的模拟信号进行保护的钢管，所述钢管套装在屏蔽电缆外。[0012]作为对上述方式的限定所述屏蔽电缆包括3根直径为O. 5mm的电缆线，所述套装在屏蔽电缆外钢管的外径为4mm、壁厚为I. 5mm。由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，所取得的技术进步在于(I)采用基于MEMS技术、硅微电容式集成的传感器芯片SCA61T，低频动态测试性能好，误差小、精度高、重复稳定性好、功耗低、工作温度范围宽，能够适用于温度变化范围非常大的恶劣环境中；同时在传感器芯片SCA61TA的输出管脚设置有RC滤波电路，能够初步对采集的信号进行滤波，保证信号的纯净度与质量；(2)信号传输线采用屏蔽电缆外包钢管，能够有效避免信号在信号传输线上传输时外界信号的干扰，使得所传输的模拟信号失真小、传输质量高、稳定性好；(3)低通滤波电路采用八阶贝塞尔低通抗混叠滤波器，可以将信号传输工程中的高频波、工频电流引入的杂波及高频混叠波滤除，保证信号的纯净及质量；同时所述的八阶 贝塞尔低通抗混叠滤波器响应速度较快、超调量较小、能够提供一个最平坦的通带响应，有效滤除高频杂波；(4)八阶贝塞尔低通抗混叠滤波器设置为ISA板卡形式，可以与数据采集仪即插即用，仪器简洁、操作方便、并能减少额外的仪器间的信号连接电缆、节省测站空间，且互换性强；并且由于缩短了滤波器与数据采集仪之间的连接信号电缆，使得信号传输更为可靠、纯净，降低信号衰减；(5)高速模数转化芯片ADS8323为十六位的高速模数转换芯片，可以同时获取十六个加速度传感器感知的模拟信号并进行高速模/数转换，提高了整个装置的工作效率。综上可见，本实用新型传感测试动态响应好、测试精度高、重复稳定性好、抗干扰能力强。本实用新型适用于对工业测控领域内结构低频振动加速度信号的感知和处理。本实用新型下面将结合说明书附图与具体实施例作进一步详细说明。
图I是本实用新型实施例的原理框图；图2是本实用新型实施例中基于MEMS技术的传感器敏感元件的电路原理图；图3是本实用新型实施例中低通滤波电路的原理图；图4是本实用新型实施例中模数转换电路的原理图；图5是本实用新型实施例中信号传输线的结构示意图。
具体实施方式
实施例一种基于MEMS技术的低频振动加速度传感器系统图I所不为本实施例的原理框图，包括基于MEMS技术的传感器敏感兀件、信号传输线、低通滤波电路和模数转换电路。所述基于MEMS技术的传感器敏感兀件的信号输入端用于感应外部结构振动信号(具体为外部的结构低频振动加速度响应信号)，信号输出端通过信号传输线连接低通滤波电路的信号输入端；低通滤波电路的信号输出端通过模数转换电路用于连接数据采集装置的微处理器电路。图2所示的为本实施例中基于MEMS技术的传感器敏感元件的电路原理图,包括传感器芯片Ul，采用传感器芯片SCA61T。所述传感器芯片SCA61T的第一管脚SCK、第二管脚MIS0、第三管脚MOSI均悬空；所述第四管脚GND接地；所述第七管脚VOUT通过串接由第一电阻Rl与第一电容器Cl构成的RC滤波电路连接信号传输线的信号输入端；
·[0035]所述第八管脚VDD连接外部电源，同时还通过接第二电容器C2接地。图3所示的为本实施例低通滤波电路的原理图，包括八阶贝塞尔低通抗混叠滤波器U2 (采用ISA板卡形式的、八引脚DIP-8封装的低通滤波芯片)。八阶贝塞尔低通抗混叠滤波器U2的第一管脚COM通过第三电容器C3接地；第二管脚IN连接信号传输线的信号输出端；第三管脚GND接地；第四管脚VDD连接外部电源，同时还通过第四电容器C4接地；第五管脚OUT作为信号输出端；第七管脚SHDN连接自身的第四管脚VDD ；第八管脚CLK通过第五电容器C5接地。图4所示的为本实施例中数模转换电路的原理图，包括高速模数转换芯片U3(采用逐次逼近式的高速模数转换芯片ADS8323，其频率范围可根据需要在3Ηζ-1ΚΗζ范围内自由设定)。所述高速模数转换芯片U3的Vkef管脚与-IN管脚分别用于连接外部+2. 5V电源；高数模数转换芯片U3的信号输入管脚+IN连接八阶贝塞尔低通抗混叠滤波器U2的第五管脚OUT ；高速模数转换芯片U3的信号输出管脚Dott用于连接数据采集装置的微处理器电路的信号输入端。图5为本实施例中信号传输线的结构示意图，包括用于传输传感器芯片Ul感知的模拟信号的屏蔽电缆I和用于防止外力或电磁辐射干扰的、对屏蔽电缆所传输的模拟信号进行保护的钢管2，所述屏蔽电缆I包括3根直径为O. 5mm电缆线，一根用于接地，一根用于接+5V电源，另一根作为模拟信号的传输线；所述钢管2的外径为4mm、壁厚为I. 5mm，所述钢管2完全套装在屏蔽电缆I外。本实施例为了保证信号的高质量和高稳定性，将信号传输线的传送距离设置在100米以内。本实施例的具体工作过程为通过基于MEMS技术的传感器敏感元件自动感知外部结构低频振动加速度响应信号，并将所感知的信号通过信号传输线传送给八阶贝塞尔低通抗混叠滤波器，将信号传输过程中的高频波、工频电流引入的杂波及高频混叠波进行滤波处理，之后低通滤波器将得到的纯净的、高质量的、高稳定性的信号传送给模数转换电路进行模数转换，转换好的数字信号传送给信号采集装置的微处理器，完成对信号的采集。本实施例传感测试动态响应好、测试精度高、重复稳定性好、抗干扰能力强，能够实现外部结构加速度信号的自动实时感知、无须外部触发，性价比高、产业化能力强，且能将感知到的信号进行实时滤波，得到纯净的有用加速度信号，并能实时转换为数字 信号传送给微处理器电路。同时，本实施例的滤波器设计为ISA板卡形式，即插即用、互换性强、操作方便。
权利要求1.一种基于MEMS技术的低频振动加速度传感器系统,其特征在于包括基于MEMS技术的传感器敏感元件、信号传输线、低通滤波电路和模数转换电路； 所述基于MEMS技术的传感器敏感兀件的信号输入端用于感应外部结构振动信号,信号输出端通过信号传输线连接低通滤波电路的信号输入端； 低通滤波电路的信号输出端通过模数转换电路用于连接数据采集装置的微处理器电路。
2.如权利要求I所述的基于MEMS技术的低频振动加速度传感器系统，其特征在于所述基于MEMS技术的传感器敏感元件采用传感器芯片SCA61T，所述传感器芯片SCA61T的第一管脚、第二管脚、第三管脚均悬空，第七管脚通过RC滤波电路连接信号传输线的信号输入端，第八管脚连接外部电源。
3.如权利要求2所述的基于MEMS技术的低频振动加速度传感器系统，其特征在于所述低通滤波电路包括ISA板卡形式的八阶贝塞尔低通抗混叠滤波器，所述八阶贝塞尔低通抗混叠滤波器的第二管脚作为输入端连接连接信号传输线的信号输出端，第五管脚作为输出端。
4.如权利要求3所述的基于MEMS技术的低频振动加速度传感器系统，其特征在于所述模数转换电路包括逐次逼近式的高速模数转换芯片，所述高速模数转换芯片的输入端连接八阶贝塞尔低通抗混叠滤波器的第五管脚，输出端用于连接采集装置的微处理器电路的信号输入端。
5.如权利要求I至4中任意一项所述的基于MEMS技术的低频振动加速度传感器系统，其特征在于所述信号传输线包括用于传输基于MEMS技术的传感器敏感元件感知的模拟信号的屏蔽电缆和用于防止外力或电磁辐射干扰的、对屏蔽电缆所传输的模拟信号进行保护的钢管，所述钢管套装在屏蔽电缆外。
6.如权利要求5所述的基于MEMS技术的低频振动加速度传感器系统,其特征在于所述屏蔽电缆包括3根直径为O. 5mm的电缆线，所述套装在屏蔽电缆外钢管的外径为4mm、壁厚为I. 5mmο
专利摘要本实用新型公开了一种基于MEMS技术的低频振动加速度传感器系统，包括基于MEMS技术的加速度传感器敏感元件、信号传输线、低通滤波电路和模数转换电路，所述基于MEMS技术的传感器敏感元件的信号输入端用于感应外部结构振动信号，信号输出端通过信号传输线连接低通滤波电路的信号输入端；低通滤波电路的信号输出端通过模数转换电路用于连接数据采集装置的微处理器电路。本实用新型结构简单，测试动态响应好、测试精度高、重复稳定性好、抗干扰能力强。本实用新型适用于对工业测控领域内结构低频振动加速度信号的感知和处理。
文档编号G01P15/097GK202710599SQ20122027827
公开日2013年1月30日 申请日期2012年6月13日 优先权日2012年6月13日
发明者杨要恩, 王庆敏, 李振涛 申请人:石家庄铁路职业技术学院, 杨要恩