mems光纤压力传感器检测电路系统设计
发布时间：2020-02-06
摘要：针对反射式强度调制型MEMS光纤压力传感器特性，设计了一种基于STC89C52单片机的检测电路系统.系统分为光电转换模块、衰减滤波模块、真有效值转换模块、A/D转换模块和液晶显示模块等.采用OPT101作为光电转换器件，将光纤传输来的光强信号转换成电压信号，对电压信号衰减后通过滤波器输出至AC/DC转换器以及A/D转换器，经过单片机运算和处理将结果显示在液晶屏上并可通过接口输出至电脑.测试结果表明，本次设计的电路具有较高的精度和分辨率。
关键词：光纤压力传感器;光电转换;信号处理;AC/DC转换
光纤是一种不带电的导光介质，对电磁场、温度以及压力等因素不敏感，其光学特性、电学特性和物理特性都很好，光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、安全可靠等特点.基于反射式光强调制原理的光纤压力传感器结构简单，性能可靠，价格低廉，实际应用范围较为广泛[1-2]，但传统的压力传感器具有外部壳体和内部电路易受腐蚀和电磁干扰等缺陷，而反射式强度调制型的MEMS光纤压力传感器可克服上述缺陷，具有体积小、对恶劣环境适应能力强的优点，可用于石油测井、爆破压力测量等极端恶劣环境应用场合，具有广泛应用前景[3].本文在分析MEMS光纤压力传感器的特性基础上，针对MEMS光纤压力传感器灵敏度高的特点和噪声特性，给此类传感器设计合适的高精度检测电路系统.1系统总体方案的设计
1、反射式强度调制型MEMS光纤压力传感器的工作原理如图1所示.硅片与玻璃环通过阳极键合形成感压结构，当有压力作用于硅片上表面时，硅片就会产生线弹性应变.另一侧面，由激光光源产生的光经发射光纤照射在硅片下表面，并在其表面反射后被接收光纤收取，传输到后端电路板.压力变化就会引起硅片下表面与光纤端面的距离变化，进而引起接收端光强信号的变化，设计出一个可以检测光强度变化的电路，即可得知压力的变化[4].
系统的总体设计方案如图2所示.首先采用光电传感转换器件将光信号转换成电信号，对此信号进行衰减以及滤波处理，采用真有效值转换电路提高信号的精度和稳定性，并采用高精度16位A/D转换芯片进行直流电压采样，单片机图1传感器原理Fig.1Principleofthesensor控制液晶显示，并通过STC89C52集成的串口控制器或通用口实现RS232串口通信[5]，由计算机上位机软件显示处理测试数据.综上，系统主要由光电转换器、衰减器、滤波电路、真有效值转换电路、A/D转换电路、显示模块、单片机控制电路及与上位机通信电路等组成。
2核心硬件电路设计
此电路系统以低功耗的STC89C52单片机基础，以光电转换模块、衰减滤波模块、真有效值转换模块以及A/D转换模块等4个模块为设计核心，实现光信号的转换、噪声滤除等处理功能，并且保证信号具有较高的精度和较好的稳定性.
2.1光电转换模块
在现有多种光电转换器件中，鉴于光电二极管具有光电曲线线性度好、温度稳定性好、适合长期工作等优点，故选用OPT101作为光电传感转换器件.OPT101芯片集成内置了光电二极管和运算放大器，具有极低的暗电流和良好的抗干扰性能，当芯片接收到的光信号波长和光线入射角一定时，输出电压随着光照强度线性增大.
设计采用OPT101的典型电路[6]，芯片内部在2号和5号引脚之间加入由1MΩ电阻和30pF电容并联而成的反馈网络，转化后的电信号由5号引脚输出，具有良好的线性度.接着在典型电路基础上加上电位器，使增益的大小可调，如图3所示.同时测试中使用波长为850nm的激光光源，并且光经光纤传输垂直照射到光电二极管表面，使得输出光电转化效率处于峰值，提高了系统的灵敏度.
2.2衰减滤波模块
鉴于OPT101的输出特性，简单设计了电阻分压衰减电路，将由光电转换模块转化后的信号的电压值衰减到后续电路器件的工作电压范围内.
传感器测量信号类型为低频信号，其中混合有不必要的高频成分，为了不影响信号分析，采用巴特沃斯二阶有源滤波器对衰减后的信号进行低通滤波，截止频率为300Hz，滤波电路原理如图4所示.经过滤波处理后，信号波形变得平滑，有利于信号的采集、处理等.
2.3真有效值转换模块
综合考虑精度、带宽、输入信号电平变化等因素，选用AD637芯片作为真有效值转换模块的核心器件.AD637芯片主要有缓冲器、整流器、偏置电路以及平方/触发器和滤波电路组成[7-8].由其特性曲线可知，AD637芯片在0.2～2V有最佳频率响应，所以应使经衰减滤波模块处理的电压值处于此范围内，以减少附加误差.
AD637外围电路较少，唯一外围元件C11用来设定平均时间常数，并决定了输出稳定性、低频精确度等[6].如图5所示，其中可变电阻R32可以调节输出电压值，R33可以调节线性度.以AD637为核心构成的真有效值转换电路模块具有转换精度高、稳定性好、测量速度快等特点，可以对各种波形的信号进行转换，且频带宽.
2.4A/D转换模块
MEMS光纤压力传感器具有变化量小的特点，要求A/D转换器件具有很高的分辨率，因此选用16位Σ-Δ调制型的AD7705芯片作为核心器件，使系统获得较高的分辨率[9-11].
此系统中AD7705单通道采集数据，工作电压为5V，使用稳压芯片AD780给芯片提供高精准的+2.5V电压作为基准电压，故其分辨率可达2.5V/216=0.04mV.电路如图6所示，为减小噪声对基准电压值的影响，在输出端并联C14和C152个去耦电容;为减小A/D转换误差，将DC信号输入到AD7705的AIN1(+)脚，并在其间增加电容C13使芯片工作在缓冲模式下.
3系统软件设计
在Keil编程环境中设计了系统程序，程序流程图如图7所示，系统上电之后，控制AD7705选择单通道采集数据，然后启动A/D转换，并实时监测A/D转换转态，A/D转换结束后，通过SPI通信将A/D转换结果读入到单片机，并按照指令将数据通过液晶显示并输出到计算机.
4实验数据分析
光纤位移测量系统中输入量位移由测微头提供，其结构类似于螺旋千分尺的尾端，可以通过旋转调节活动杆的前进和后退，最大位移为25mm、精度为10μm.在不施加压力的情况下做静态标定，通过旋转测微头来移动光纤，调节光纤端面与硅片下表面的距离，以50μm的变化量从0变化到1.8mm.图8所示为系统在距离d增大的正行程和减小的反行程中的电路压力输出测试特性曲线，由图8可以看出正行程和反行程的特性曲线前坡和后坡前段基本重合，误差很小，这说明所设计的光纤测位移系统的迟滞特性也较好.
光纤压力传感器以测量压力为最终目的，通过对距离变化量的检测间接实现的，而其光强调制函数即输入/输出特性曲线分为前坡和后坡2个线性范围，只有当测量距离位于传感器前坡的线性区间中，传感器总体结构才能精简，因此需要测定系统输入/输出特性曲线并寻求前坡较好的线性区间[12].由静态标定曲线可以看出，前坡比较好的线性区间为300～500μm，故以10μm的变化量从300μm变化到500μm来详细测量正反量程的数据，其最小二乘拟合直线如图9所示，拟合直线的斜率即为光纤压力传感器的灵敏度，其值为4.444×10-3V/μm.
5结论
介绍了光纤传感器的硬件电路设计，对主要的电路模块进行了详细的设计，分析并选择了较为合适的电路器件.之后对传感器进行了静态标定，在灵敏度较高的调制曲线前坡找到了线性度较好的线性区间，然后在线性区间内测试和分析电路的性能，得到了4.444×10-3V/μm的灵敏度，同时由AD7705的转换输出，可以得到0.04mVAD转换精度，表明本次设计的电路具有较高的精度和分辨率.
mems光纤压力传感器检测电路系统设计相关期刊推荐：《传感器世界》(月刊)创刊于1995年，由科学技术部高技术研究发展中心主办。是国家新闻出版署核准的公开发行的国家正式期刊，是国内传感器行业的知名权威性期刊，在业内具有较高的知名度。我刊具有审读周期短(1月以内)，刊发时间快(2-3月)、期刊发行量大等优势，是业内同行发表科技成果、学业及职称学术论文的理想平台。
