韓 帥,馬游春,秦 麗,王悅凱,丁 寧

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,山西 太原 030051；2. 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室, 山西 太原 030051;3.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

基于MEMS壓阻傳感器的低功耗高過載測試系統設計*

韓 帥1,2,3,馬游春1,2,秦 麗1,2,王悅凱1,2,丁 寧1,2

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,山西 太原 030051；2. 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室, 山西 太原 030051;3.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

為了檢驗彈體在高沖擊環(huán)境下的工作情況，提出了一種基于壓阻傳感器的高過載、低功耗的測試系統設計方案。該系統可承受2×105g的過載沖擊測試，且具有采樣率高、體積小、功耗低的特點。通過打靶實驗驗證：在過載測試過程中該系統具有承受高沖擊的能力，并能精確地采集到信號微弱變化，保證了彈體在飛行中記錄數據的準確性。

爆炸力學；低功耗隨彈測試系統；高沖擊；壓阻式微加速度計

隨著信息時代的不斷發(fā)展，由科學技術引領的軍事發(fā)展格外引人矚目，人工智能漸漸成為當今時代的主題。有人甚至預言“未來將是高技術戰(zhàn)場，誰能在人工智能領域中取勝，誰就能取得未來戰(zhàn)爭的主導權”。因此，各國軍事專家開始在武器裝備上朝著靈巧、簡單、智能的方向發(fā)展，不斷推陳出新并在實際中應用，例如小型無人機、水下小型潛艇等小型武器系統的出現[1-2]。但隨著系統尺寸趨于減小，受到的限制也越來越大，而系統功耗、可靠性等問題也就成了大家需要攻克的難題。

為了解決上述問題，本文中提出一個基于MEMS壓阻傳感器的高過載、低功耗測試系統的研究方案[3-8]，該系統具有精度高、體積小、功耗低、抗高過載等特點，在實際應用中可以準確測量彈體運動時的相關參數，為武器的研制、使用壽命、安全性能等方面研究提供重要科學的依據。

1 系統設計

圖1 系統總體設計Fig.1 General layout of system design

過載測試系統的總體設計方案如圖1所示，主要由以下幾部分組成：壓阻傳感器、調理電路、數據采集電路、FPGA控制單元以及存儲單元。該系統的工作原理：壓阻傳感器把采集的信號轉變?yōu)殡娦盘?，并以差分形式輸出；經調理電路再把電信號放大到AD可采集的范圍內(0～2.5 V)；最后，由FPGA控制Flash單元存儲采集到的測試數據。另外，系統使用串口讀數裝置讀取數據，并通過上位機軟件完成數據分析與處理。

為了體現系統低功耗、高過載的性能特點，接下來將分別對系統使用的傳感器與電源管理模塊進行詳細介紹，以及對實驗數據進行分析說明。

1.1 壓阻傳感器

1.1.1 壓阻傳感器設計

圖2 全橋差動電路Fig.2 Full-bridge differential circuit

由于壓阻式傳感器的制作工藝成熟、信號處理可行性高、數據測試相對簡單，所以選用壓阻式加速度傳感器作為數據采集的前端。其工作原理如圖2所示，圖中U+為正向輸出電壓、U—為反向輸出電壓、Ui為傳感器的電壓輸入、GND為參考地、R1、R2、R3、R4為可變電阻。根據惠斯通原理由4個電阻元件組成電橋，當傳感器受到外部作用時，傳感器輸出的電壓會隨阻值的變化而變化。由于全橋差動電路構成的傳感器的靈敏度是單一電阻變換的4倍，所以在設計時內部采用全橋差動電路。同時，為使4個變化的電阻阻值不相互抵消，設計時還需滿足以下要求：相鄰阻值變化相反，對鄰阻值變化相同，具體公式為：

(1)

令：R1=R+ΔR1,R2=R-ΔR2,R3=R+ΔR3,R4=R-ΔR4,其中ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4為相應電阻增量，則化簡公式(1)得到：

(2)

式中:U+為正向輸出電壓；U—為反向輸出電壓；Uin為輸入電壓；Uout輸出電壓；

由于MEMS工藝制作的壓阻式微加速度計具有可靠性好、集成度高的特點，可以很好地完成高過載測試。所以，結合實驗室現有MEMS工藝技術制作壓阻式微加速度計，其結構主要由懸臂梁和質量塊構成，如圖3所示。當加速度計感知加速度變化時，懸臂梁就會發(fā)生形變從而改變梁上的應力分布，所以布置在懸臂梁根部的壓敏電阻就會發(fā)生變化，壓阻式微加速度計就會有電壓輸出。

圖3 壓阻式微加速度計結構受力模型Fig.3 Structural force model of piezoresistive micro accelerometer

如圖3所示，當系統受到加速度作用時，在懸臂梁上距根部為X的點的撓度為：

(3)

在懸臂梁上距根部為X的點所受應力為：

(4)

1.1.2 可靠性模擬

在進行高過載測試實驗時傳感器的瞬態(tài)受力非常大，且微加速度計的懸臂梁上各點受力強度也有所不同。因此，采用應力-強度隨機變量模型進行模擬分析。

當微加速度計受到外部沖擊時，根據沖擊載荷振動方程

(5)

可以推導出加速度計的應力和應變方程，其表達式分別為：

(6)

(7)

并可得出以下結論：在脈沖時間的中點(即強迫振動階段)，微加速度計受到沖擊的加速度的值達到最大，且微加速度計的懸臂梁所受應力最大，即梁的根部X=0處。

為了分析微加速度計在高沖擊的惡劣環(huán)境下的工作情況，采用ANSYS軟件對傳感器結構進行靜態(tài)分析，預測加速度計的抗過載能力。在外形尺寸為：質量塊邊長300 μm，梁長300 μm，梁寬230 μm的加速度計上施加2×105g的沖擊加速度載荷。微加速度計的應力、應變分布云圖如圖4所示。模擬結果顯示：在2×105g的沖擊載荷作用下結構的最大應變?yōu)?.177 μm、最大應力為32.8 MPa。

圖4 加速度計應力應變ANSYS模擬圖Fig.4 ANSYS simulation diagram of accelerometer stress and strain

1.2 采集電路模塊

圖5 信號采集模塊電路設計圖Fig.5 Signal acquisition circuit

由于傳感器輸出電壓非常微弱，所以在進行A/D采集轉換前，需要將信號進行放大處理，信號采集模塊的電路設計如圖5所示。系統采用寬電源電壓、低噪聲、外圍電路簡單的AD8226芯片進行前級精度放大，然后經過AD8606運放跟隨最終輸出給A/D芯片。電壓放大倍數由下式給出：

(8)

式中：G為放大倍數，RG為增益電阻阻值。

雖然調理電路可以把電壓信號放大，但是有些關鍵信號仍是毫伏級，若選用低精度A/D轉換芯片，就不能區(qū)分轉換誤差與信號之間的差別。所以選用高精度ADC模數轉換芯片進行處理，通過增加芯片寄存器的位數，從而提高A/D芯片的分辨率，最終實現提高采樣精度目的。A/D的分辨率計算公式如下：

(9)

式中：Umax為A/D采集最高電壓，N為A/D采集精度，F為A/D的分辨率。

通過上述兩種方法的結合，可以提高采樣精度，最終實現測量100g的加速度信號。

1.3 電源管理模塊

為了保證測試數據的完整性，在傳統的硬件設計中大多采用電源長期供電的方法，這種方法不僅使系統一直處于工作的狀態(tài)，而且大大降低了電池的使用壽命、減少了系統的使用次數。同時，由于外形結構的限制，只能選用容量、體積小的鋰電池作為系統供電。所以，為了達到降低系統功耗、智能上電的目的，本系統選用了74HC74作為D觸發(fā)器控制器、74LX1G08作為與門控制單元，其工作電路圖如圖6所示。

圖6 電源控制電路Fig.6 Circuit of power management

系統采用D觸發(fā)器和與門組合的方法，靈活、便捷地實現了電源智能管理，達到降低系統電量損耗的目的，其工作原理如圖7所示。工作前，先將觸發(fā)信號線ST接地(即彈體),電源信號線BATVCC與鋰電池正極相連，觸發(fā)前電平狀態(tài)如圖7(a)所示：D觸發(fā)器的管腳5為高電平、9為低電平，電源使能信號線EN輸出低電平，此時電源模塊不供電；當彈體被射出瞬間外部連線斷開，ST觸發(fā)時的電平狀態(tài)如圖7(b)所示：ST產生一個上升沿，D觸發(fā)器的管腳5為高電平、9為高電平，EN輸出高電平，系統開始供電；當系統采集完數據后通過軟件觸發(fā)，FPGA給出一個短暫的高電平，PDWN觸發(fā)時的電平狀態(tài)如圖7(c)所示：PDWN產生一個上升沿,D觸發(fā)器的管腳5為低電平、9為高電平，EN輸出低電平,系統供電關閉；最后對系統進行復位，此時電平狀態(tài)如圖7(d)所示，各管腳的電平恢復到初始態(tài)，(其中，黃線：ST信號線，藍線：PDWN信號線，紫線：D觸發(fā)器5腳，綠線：D觸發(fā)器9腳)。

圖7 電源模塊工作原理Fig.7 Working principle of power-supply module

2 系統工作

圖8 系統控制流程圖Fig.8 Flow chart of system control

由于受到環(huán)境和尺寸的影響，所以選擇Actel公司推出的AGL030芯片作為FPGA[9]中心控制單元，該系列FPGA采用Flash架構，具有上電即運行、結構尺寸小的特點。系統工作原理如圖8所示，首先，系統完成硬件連接，并進行初始化；當彈體出膛瞬間完成觸發(fā)上電，系統開始進行數據采集并進行數據存儲；其次，在數據采集完之后，由FPGA給出一個系統關閉信號結束數據采集。其中，為了避免誤觸發(fā)而采集的錯誤信號，在FPGA程序中寫入閾值判斷程序，連續(xù)完成3次有效判斷后，方可打開Flash存儲器進行數據存儲。

3 模擬與實踐

為檢測系統功能是否正常工作，在進行硬件功能調試時使用信號發(fā)生器模擬模擬信號。在傳感器的輸入端加入一個頻率為100 Hz，振幅為80 mV的正弦模擬信號，通過對比示波器抓取的輸入信號(見圖9(a))與測試系統采集到的信號(見圖9(b))，可知：系統所采集的信號與示波器采集的信號基本一致，本測試系統可以準確地進行實驗數據采集。

圖9 模擬信號數據對比圖Fig.9 Comparison chart of simulation signal data

圖10 系統實物圖Fig.10 Image of actual model

為了真正檢測系統的可靠性，還需對系統進行實彈實驗。在靶場測試前的系統實物如圖10所示，在彈體飛行中為防止硬件電路的損壞，需在安裝時進行防護處理。在傳感器部分使用環(huán)氧樹脂進行灌封保護，這樣既能保證該部分的剛性，又能對傳感器起到固定的作用。在進行過載測試時，使用聚氨酯或硅膠對采集電路進行保護，這樣可以減少沖擊力對電路的損害。

在靶場進行實彈實驗時，需要過載測試系統加裝在彈體后部，并且引出觸發(fā)線。完成實彈發(fā)射后，使用串口讀數裝置讀取實驗數據，最后使用MATLAB軟件繪制原始數據曲線。彈體的出膛過載數據曲線如圖11(a)所示和侵徹過載數據曲線如圖11(b)所示，通過數據曲線我們可以看出：彈體在出膛瞬間主要受到的過載加速度最高可以達4×103g，而受到的外界空氣阻力相對較??；彈體在侵徹的20 ms過程中受到靶壁的阻力逐漸減弱，最大可以受到1.5×105g左右的過載沖擊。

圖11 系統測試數據曲線Fig.11 Curve of system test data

4 結 論

設計出了一個基于MEMS壓阻傳感器的低功耗、高沖擊過載測試系統，它可實現106s-1的數據采樣率、智能上電或掉電。通過實踐證明：該系統具有采樣精度高、抗過載能力強、功耗小等特點，能準確無誤地完成數據采集，為武器系統的研究工作提供一個可靠的技術手段。

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(責任編輯 曾月蓉)

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

Han Shuai1,2,3, Ma Youchun1,2, Qin Li1,2, Wang Yuekai1,2, Ding Ning1,2

(1.NationalKeylaboratoryforElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,Shanxi,China;2.KeylaboratoryofInstrumentScience&DynamicMeasurementofMinistryofEducation,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,Shanxi,China;3.BeijingNationalRailwayResearch&DesignInstituteofSignal&CommunicationGroupCompanyLimited,Beijing100070,China)

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 2×105goverloaded 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

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

2015-01-20； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-02-10

2015-02-10

國家自然科學基金項目(91123036, 61178058)

韓 帥(1987— )，男，碩士,idyujinxiang@163.com。

O389;TJ713 <國標學科代碼：13035 class="emphasis_bold"> 國標學科代碼：13035 文獻標志碼：A國標學科代碼：13035

A