無(wú)線傳感網(wǎng)是由具有無(wú)線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能的無(wú)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(gè)熱點(diǎn)，尤其在軍事領(lǐng)域。無(wú)線傳感網(wǎng)對(duì)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(wú)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(wú)線傳感網(wǎng)常用的振動(dòng)加速度傳感器有以下幾種：MEMS振動(dòng)加速度傳感器，機(jī)械式振動(dòng)加速度傳感器，壓 電、光纖式振動(dòng)加速度傳感器。其中，MEMS振動(dòng)加速度傳感器又分為壓阻式和電容式兩種，而光纖式振動(dòng) 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(chǎng)應(yīng)用。
MEMS壓阻式振動(dòng)加速度傳感器電路設(shè)計(jì)
1 無(wú)線傳感網(wǎng)用振動(dòng)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(hào)：1.65V為基準(zhǔn)，上下差分模擬信號(hào)。
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(kāi)環(huán)電路結(jié)構(gòu)
壓阻式振動(dòng)加速度傳感器是由四個(gè)可變電阻連接成惠斯通橋而成的無(wú)源傳感器。它的激勵(lì)電源直接取自無(wú) 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(jiǎn)單。前置級(jí)采用差分輸入儀表放大器，目的 是去除無(wú)用的共模信號(hào)，只放大反映振動(dòng)加速度大小的差模信號(hào)。緩沖調(diào)整用于前置級(jí)和放大級(jí)的阻抗匹 配，是為信號(hào)濾波做準(zhǔn)備的。濾波電路的目標(biāo)是將有用信號(hào)和無(wú)用信號(hào)分開(kāi)，在本設(shè)計(jì)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(jì)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(kāi)環(huán)電路結(jié)構(gòu)
3 開(kāi)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(jí)交流放大器，放大原始信號(hào)；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(jí)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(gè)電路的輸出，也稱滿足刻 輸出。因?yàn)樵撎纂娐芬陀?jì)算機(jī)接口，需要設(shè)計(jì)中心電壓，本設(shè)計(jì)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(gè)電路的中心電壓為1.65V。
圖2開(kāi)環(huán)電路圖
壓阻式和動(dòng)圈式振動(dòng)加速度傳感器幅頻特性和相頻特性
3 開(kāi)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(jí)交流放大器，放大原始信號(hào)；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(jí)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(gè)電路的輸出，也稱滿足刻 輸出。因?yàn)樵撎纂娐芬陀?jì)算機(jī)接口，需要設(shè)計(jì)中心電壓，本設(shè)計(jì)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(gè)電路的中心電壓為1.65V。
壓阻式和動(dòng)圈式振動(dòng)加速度傳感器幅頻特性和相頻特性
圖3壓阻式振動(dòng)加速度傳感器幅頻特性曲線
圖4動(dòng)圈式振動(dòng)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(dòng)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(dòng)信號(hào)的大小；而動(dòng)圈式振動(dòng)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(dòng)信號(hào)。動(dòng)圈式振動(dòng)加速度傳感器已無(wú)法采集100Hz以上的振動(dòng) 信號(hào)，后面的幅頻特性圖對(duì)比更能說(shuō)明這一點(diǎn)。
圖5動(dòng)圈式振動(dòng)加速度傳感器信號(hào)采集特性曲線
圖6壓租式振動(dòng)加速度傳感器信號(hào)采集特性曲線
圖5和圖6為兩種傳感器的信號(hào)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(cè)量同一個(gè)人的步行振動(dòng)信號(hào)所得。
從圖中可明顯看出，壓阻式傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)比動(dòng)圈式采集到的振動(dòng)信號(hào)內(nèi)容豐富，后者有明顯的信號(hào)丟失，而前者的信號(hào)幅度在環(huán)境等同條件下明顯增強(qiáng)。雖然作為無(wú)源傳感器的機(jī)械動(dòng)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(dòng)圈式大的多，達(dá)6dBv,后面的幅頻特性對(duì)比曲線將說(shuō)到這一點(diǎn)。
圖7動(dòng)圈式振動(dòng)加速度傳感器計(jì)幅頻特性曲線
圖8壓阻式振動(dòng)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(shí)的幅頻特性曲線圖。此時(shí)兩傳感器所處 外環(huán)境相同，測(cè)量的仍是同一個(gè)人的步行振動(dòng)信號(hào)。壓阻式傳感器線性度好，信號(hào)在250Hz時(shí)才開(kāi)始下降， 而后者的信號(hào)在150Hz時(shí)就開(kāi)始下降，信號(hào)基本淹沒(méi)于噪聲中。
從圖中還可以看出，動(dòng)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(dòng)圈式。在信噪比方面，壓阻式比動(dòng)圈式高約6dBv,即相差約一倍。
使用MEMS電容式振動(dòng)加速度傳感器
電容式振動(dòng)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(kāi)路，如當(dāng)作無(wú)源傳感器使用，需經(jīng)外部激勵(lì)和電荷轉(zhuǎn)移，才能將振動(dòng)加速度信號(hào)精確地轉(zhuǎn) 化為電信號(hào)。因電容傳感器內(nèi)阻相當(dāng)開(kāi)路，故只能采用交流激勵(lì)。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(wú)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(lì)電路，將電容量的變化 通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移為電壓變化，用電壓變化信號(hào)來(lái)反映振動(dòng)加速度大小。從專業(yè)角度來(lái)看，這是一個(gè)非常難處 理的信號(hào)，不僅信號(hào)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(hào)才能作為有效信號(hào)。
MEMS電容式振動(dòng)加速度傳感器前置放大電路的設(shè)計(jì)是其能否應(yīng)用到無(wú)線傳感器網(wǎng)的關(guān)鍵。圖9是精心設(shè)計(jì) 的MEMS電容式振動(dòng)加速度傳感器前置放大電路。
圖9 MEMS電容式振動(dòng)加速度傳感器前置放大器電路圖
該電路總體上說(shuō)是一個(gè)自給偏壓式射極輸出器。T1、T2采用了 3sDJ0絕緣柵場(chǎng)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(duì)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(hào)，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(dòng)加速度傳感器幅頻特性圖
圖10為MEMS電容式振動(dòng)加速度傳感器幅頻特性圖，因?yàn)槠浜蛪弘娛秸駝?dòng)加速度傳感器原理基本一致，幅 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）
