楊玲玲

關(guān)鍵詞：傳感器；周期測(cè)頻；電子系統(tǒng)；性能測(cè)試

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

諧振式壓力傳感器作為一種高精度壓力傳感器，可以實(shí)現(xiàn)特定頻率的信號(hào)輸出，具有良好穩(wěn)定性[1-3]。

目前，實(shí)驗(yàn)室中常見的測(cè)頻方法有兩種，分別為測(cè)周法和計(jì)數(shù)法[4]。其中，低頻信號(hào)通常適用于測(cè)周法，其測(cè)量精度隨信號(hào)頻率的不斷衰減而提高，但信號(hào)頻率的衰減會(huì)對(duì)響應(yīng)速度產(chǎn)生影響；高頻信號(hào)通常適用于計(jì)數(shù)法，其測(cè)量精度隨信號(hào)頻率的提高而上升，兆赫茲級(jí)別的頻率信號(hào)適用于該方法[5]。孟凡飛等[6] 為提高響應(yīng)速度和測(cè)量精度開展周期同步測(cè)頻研究。待測(cè)信號(hào)頻率主要參考兩種信號(hào)計(jì)算值實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際計(jì)數(shù)的過程中，數(shù)字信號(hào)的偏差約為±1，因而存在一定誤差[7]。針對(duì)此問題，王永清等[8] 采用增加采樣時(shí)間與對(duì)樣本取平均值的方式消除誤差，響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為0.1 ～ 1.0 s，確保在測(cè)試過程中將誤差限制在一定范圍內(nèi)。

本文選擇電磁激勵(lì)諧振式壓力傳感器作為測(cè)試對(duì)象，設(shè)計(jì)的同步測(cè)頻方法以自適應(yīng)周期為基礎(chǔ)，以對(duì)傳感器頻率進(jìn)行高效測(cè)試，并完成所需測(cè)試設(shè)備的配置。為提高測(cè)量精度，需減少指令運(yùn)行時(shí)間，充分發(fā)揮定時(shí)器的輸入捕獲效果；同時(shí)為確保傳感器測(cè)量精度可以達(dá)到相應(yīng)條件，降低相對(duì)測(cè)量誤差，選用頻率自適應(yīng)方法。

1 傳感器結(jié)構(gòu)

本文選擇的微傳感器芯體是通過微機(jī)電系統(tǒng)加工獲得，該芯片材質(zhì)為復(fù)合結(jié)構(gòu)，由玻璃與硅膜構(gòu)成。向傳感器硅膜施加壓力會(huì)使其變形，從而改變諧振梁頻率。壓力大小主要參考兩個(gè)梁的頻率信號(hào)，傳感器工作原理圖如圖1 所示[9]。

傳感器芯片配置的結(jié)構(gòu)為雙諧振器結(jié)構(gòu)，線性度在溫度自補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)后將得到提升。采用標(biāo)定擬合方法對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將計(jì)算結(jié)果存放在帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器指定單元中，便于后續(xù)調(diào)用[10]。

為確保對(duì)傳感器輸出頻率進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)試，本文采取周期測(cè)頻方法，以頻率自適應(yīng)方法為基礎(chǔ)，結(jié)合測(cè)周法與計(jì)數(shù)法的優(yōu)勢(shì)，以求獲得符合采樣時(shí)刻的最大采樣周期。

2 傳感器電子系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的頻率測(cè)試系統(tǒng)是由STM32f3 型系列的單片機(jī)建立而成，其可以有效降低時(shí)間傳遞誤差。該單片機(jī)內(nèi)嵌入16 位計(jì)數(shù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)同步測(cè)試兩路頻率[11]。計(jì)數(shù)器數(shù)值在到達(dá)上升沿后，輸入捕獲寄存器完成自動(dòng)鎖存，能夠有效避免時(shí)間傳遞誤差的產(chǎn)生，減少微控制單元運(yùn)行時(shí)冗長(zhǎng)指令帶來的影響[12]。指令運(yùn)行時(shí)間隨著運(yùn)行速度的提升而大大縮短，最高可支持72 MHz，從而達(dá)到高精度測(cè)量和高速測(cè)量的條件。

本文選用RS232 型工業(yè)模塊、微控制單元、電源及信號(hào)濾波共同組建形成該系統(tǒng)[13]。利用時(shí)基計(jì)數(shù)并中斷微控制單元定時(shí)器來達(dá)到頻率采集的目的。計(jì)數(shù)周期數(shù)在每次完成頻率測(cè)試后將重新配置，依據(jù)迭代方法修改主程序，再完成后續(xù)測(cè)量。

3 性能測(cè)試

本文選取的方波信號(hào)發(fā)生器型號(hào)為afG3022c，控制頻率為80 kHz [14]，實(shí)際測(cè)試時(shí)分別設(shè)定系統(tǒng)輸出不同時(shí)刻，系統(tǒng)誤差結(jié)果如表1 所示。

經(jīng)測(cè)試得出，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在系統(tǒng)測(cè)量誤差小于0.1 Hz 的條件下大大縮短，符合測(cè)試要求。

在對(duì)系統(tǒng)頻率適應(yīng)情況進(jìn)行測(cè)試時(shí)，將采樣時(shí)刻設(shè)置為50 ms。表2 為不同頻率下的測(cè)量誤差，通過對(duì)比其中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)最大頻率在測(cè)量誤差范圍為±0.05 Hz，滿足精度使用要求。

根據(jù)響應(yīng)速度要求完成頻率測(cè)量，頻率測(cè)量信號(hào)采樣周期的確定主要依據(jù)輸入信號(hào)最低頻率完成。采樣周期在采取固定周期測(cè)試模式時(shí)將達(dá)到最大頻率100 kHz。經(jīng)對(duì)比分析得出，選取自適應(yīng)周期方式時(shí)，頻率改變后采樣獲取的測(cè)量誤差相對(duì)穩(wěn)定，由此可知該方法可有效采集壓力傳感器數(shù)據(jù)。

針對(duì)傳感器輸出波動(dòng)開展分析。采樣時(shí)刻為50 ms，按照100 kPa 標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)傳感器壓力，對(duì)傳感器頻率進(jìn)行采樣。采用滑動(dòng)濾波方法進(jìn)行5 次測(cè)試，將獲取的數(shù)據(jù)取平均值。傳感器輸出壓力表現(xiàn)為圖2 波動(dòng)狀態(tài)。通過分析得出，采樣時(shí)刻為50 ms 時(shí)，采取周期測(cè)頻傳感器電子系統(tǒng)可將壓力輸出波動(dòng)控制在±0.1 MPa 內(nèi)，與傳感器的測(cè)試要求相符。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種周期測(cè)頻傳感器電子系統(tǒng)，并展開性能測(cè)試，得到如下結(jié)果。

（1）系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在系統(tǒng)測(cè)量誤差小于0.05Hz 條件下大大縮短，符合測(cè)試要求。頻率改變后采樣獲取的測(cè)量誤差相對(duì)穩(wěn)定，該方法可有效采集諧振式壓力傳感器數(shù)據(jù)。

（2）采樣時(shí)刻為50 ms 時(shí)，采取周期測(cè)頻傳感器電子系統(tǒng)可將壓力輸出波動(dòng)控制在±0.1 MPa 內(nèi)，與傳感器的測(cè)試要求相符。

本研究有助于提高傳感器工作的穩(wěn)定性，但在面對(duì)異常數(shù)據(jù)的處理方面仍存在計(jì)算冗長(zhǎng)的問題，期待后續(xù)引入深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行加強(qiáng)。