無線傳感網(wǎng)是由具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)。它是當(dāng) 今技術(shù)發(fā)展的一個熱點(diǎn)，尤其在軍事領(lǐng)域。無線傳感網(wǎng)對所使用的傳感器有一些嚴(yán)格的限制條件。首先， 傳感器的功耗要低；其次是精度要高，A/D轉(zhuǎn)換的分辨率為16位；最后是傳感器的體積要小。一般而言， 無線傳感網(wǎng)總是優(yōu)先使用微型傳感器，只是在其功能不能滿足要求的條件下才考慮傳統(tǒng)的機(jī)械式傳感器。
無線傳感網(wǎng)常用的振動加速度傳感器有以下幾種：MEMS振動加速度傳感器，機(jī)械式振動加速度傳感器，壓 電、光纖式振動加速度傳感器。其中，MEMS振動加速度傳感器又分為壓阻式和電容式兩種，而光纖式振動 加速度傳感器雖然精度高，但體積大、電路復(fù)雜，不適合現(xiàn)場應(yīng)用。
MEMS壓阻式振動加速度傳感器電路設(shè)計
1 無線傳感網(wǎng)用振動加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)
供電電壓：+3.3V單電源。
輸出信號：1.65V為基準(zhǔn)，上下差分模擬信號。
靈敏度：l000mV/g/3.3V。
模塊功耗：額定電流≤1.5mA;功耗≤1.5X3.3mW (約5mW) 分辨率：-75db。
帶寬：300Hz。
2 開環(huán)電路結(jié)構(gòu)
壓阻式振動加速度傳感器是由四個可變電阻連接成惠斯通橋而成的無源傳感器。它的激勵電源直接取自無 線傳感網(wǎng)系統(tǒng)電源，采用穩(wěn)壓源是因穩(wěn)壓源的結(jié)構(gòu)較恒流源簡單。前置級采用差分輸入儀表放大器，目的 是去除無用的共模信號，只放大反映振動加速度大小的差模信號。緩沖調(diào)整用于前置級和放大級的阻抗匹 配，是為信號濾波做準(zhǔn)備的。濾波電路的目標(biāo)是將有用信號和無用信號分開，在本設(shè)計中，采用多路反饋 電壓控制二階有源低通濾波器。該低通濾波器有通頻帶平坦、線性度好等優(yōu)點(diǎn)。為滿足計算機(jī)接口的要求， 系統(tǒng)加了滿刻度調(diào)整電路和中心電壓調(diào)整電路。本電路系統(tǒng)選用的器件基本上都是低功耗，微功耗器件。
圖1開環(huán)電路結(jié)構(gòu)
3 開環(huán)電路圖
在本電路中，RS1、RS2、RS3和RS4是光刻在MEMS懸臂梁上的四可變電阻；R*是零位調(diào)整電阻；儀表放大 器AD620和C2組成前置級交流放大器，放大原始信號；AD708是高精度雙運(yùn)放芯片，IC2/A和R2、R3組成 反相比例放大器，目的是調(diào)準(zhǔn)中間級放大倍數(shù)；IC/2B和R4、R5、C4、C5組成多路反饋、壓控、二節(jié)低通 有源濾波器，濾除高頻干擾波；IC/3A和R7、R8組成反相比例放大器，調(diào)整整個電路的輸出，也稱滿足刻 輸出。因?yàn)樵撎纂娐芬陀嬎銠C(jī)接口，需要設(shè)計中心電壓，本設(shè)計的中心電壓為1.65V，IC3/B和R9、R10 組成跟隨電壓穩(wěn)壓電路，使IC3/B運(yùn)放輸出電路接口電位為1.65V,從而保持整個電路的中心電壓為1.65V。
圖2開環(huán)電路圖
壓阻式和動圈式振動加速度傳感器幅頻特性和相頻特性
3 開環(huán)電路圖
在本電路中，RS1、RS2、RS3和RS4是光刻在MEMS懸臂梁上的四可變電阻；R*是零位調(diào)整電阻；儀表放大 器AD620和C2組成前置級交流放大器，放大原始信號；AD708是高精度雙運(yùn)放芯片，IC2/A和R2、R3組成 反相比例放大器，目的是調(diào)準(zhǔn)中間級放大倍數(shù)；IC/2B和R4、R5、C4、C5組成多路反饋、壓控、二節(jié)低通 有源濾波器，濾除高頻干擾波；IC/3A和R7、R8組成反相比例放大器，調(diào)整整個電路的輸出，也稱滿足刻 輸出。因?yàn)樵撎纂娐芬陀嬎銠C(jī)接口，需要設(shè)計中心電壓，本設(shè)計的中心電壓為1.65V，IC3/B和R9、R10 組成跟隨電壓穩(wěn)壓電路，使IC3/B運(yùn)放輸出電路接口電位為1.65V,從而保持整個電路的中心電壓為1.65V。
壓阻式和動圈式振動加速度傳感器幅頻特性和相頻特性
圖3壓阻式振動加速度傳感器幅頻特性曲線
圖4動圈式振動加速度傳感器幅頻特性曲線
從圖3、圖4上可明顯的看出二者的差別。壓阻式振動加速度傳感器在300Hz內(nèi)的通頻帶內(nèi)平坦、線信度 好，能真實(shí)地反應(yīng)振動信號的大小；而動圈式振動加速度傳感器的帶寬不足300Hz,且通頻帶極不平坦， 線信度不好，放大后，反映的是畸變的振動信號。動圈式振動加速度傳感器已無法采集100Hz以上的振動 信號，后面的幅頻特性圖對比更能說明這一點(diǎn)。
圖5動圈式振動加速度傳感器信號采集特性曲線
圖6壓租式振動加速度傳感器信號采集特性曲線
圖5和圖6為兩種傳感器的信號采集特性曲線，橫軸單位為s,縱軸單位為10mV。此曲線是兩傳感器在靈 敏度相同的情況下，測量同一個人的步行振動信號所得。
從圖中可明顯看出，壓阻式傳感器采集到的振動信號比動圈式采集到的振動信號內(nèi)容豐富，后者有明顯的信號丟失，而前者的信號幅度在環(huán)境等同條件下明顯增強(qiáng)。雖然作為無源傳感器的機(jī)械動圈式傳感器具有 低噪聲的特點(diǎn)，但壓阻式的信噪比要比動圈式大的多，達(dá)6dBv,后面的幅頻特性對比曲線將說到這一點(diǎn)。
圖7動圈式振動加速度傳感器計幅頻特性曲線
圖8壓阻式振動加速度傳感器幅頻特性曲線
圖7、圖8是兩傳感器在靈敏度相同的情況下，即每1g輸出1V時的幅頻特性曲線圖。此時兩傳感器所處 外環(huán)境相同，測量的仍是同一個人的步行振動信號。壓阻式傳感器線性度好，信號在250Hz時才開始下降， 而后者的信號在150Hz時就開始下降，信號基本淹沒于噪聲中。
從圖中還可以看出，動圈式傳感器噪聲在80dB以下，壓阻式傳感器噪聲在80dB附近，略高于動圈式。在信噪比方面，壓阻式比動圈式高約6dBv,即相差約一倍。
使用MEMS電容式振動加速度傳感器
電容式振動加速度傳感器因分辨率高，在MEMS傳感器家族中占有重要的地位。從結(jié)構(gòu)上看，其輸出阻抗特 別大，相當(dāng)于開路，如當(dāng)作無源傳感器使用，需經(jīng)外部激勵和電荷轉(zhuǎn)移，才能將振動加速度信號精確地轉(zhuǎn) 化為電信號。因電容傳感器內(nèi)阻相當(dāng)開路，故只能采用交流激勵。但這樣增加了電路的復(fù)雜度，也增大了功耗。
如想將該傳感器應(yīng)用到無線傳感網(wǎng)上，只能將其當(dāng)有源傳感器使用。即不用外激勵電路，將電容量的變化 通過電荷轉(zhuǎn)移為電壓變化，用電壓變化信號來反映振動加速度大小。從專業(yè)角度來看，這是一個非常難處 理的信號，不僅信號幅度小，且傳感器輸出阻抗特別大，需經(jīng)前置放大電路阻抗匹配后，信號才能作為有效信號。
MEMS電容式振動加速度傳感器前置放大電路的設(shè)計是其能否應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)的關(guān)鍵。圖9是精心設(shè)計 的MEMS電容式振動加速度傳感器前置放大電路。
圖9 MEMS電容式振動加速度傳感器前置放大器電路圖
該電路總體上說是一個自給偏壓式射極輸出器。T1、T2采用了 3sDJ0絕緣柵場效應(yīng)管，目的是降低功耗。 T2為射極輸出器，T1為T2集電極負(fù)載，選用同型管是為了使靜態(tài)電路對稱，中心輸出點(diǎn)電壓為VCC/2。
R2、R3為分壓電阻，保證T1工作在飽和狀態(tài)。C3為反饋電容，穩(wěn)定輸出信號，擴(kuò)展通頻帶。R1和后續(xù)電 路組成自給分壓電路，確保T2工作在放大區(qū)。
圖10 MEMS電容式振動加速度傳感器幅頻特性圖
圖10為MEMS電容式振動加速度傳感器幅頻特性圖，因?yàn)槠浜蛪弘娛秸駝蛹铀俣葌鞲衅髟砘疽恢拢?頻特性也基本一致。從圖10中可以看出，中頻段線性度良好，缺點(diǎn)是20Hz下低頻段衰減強(qiáng)烈，失真度高。（作者：郭斌、李昕欣）
