CN105092019A - 一种可用于全方位振动信号测试的mems传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器及方法，属于振动测试技术领域。传感器包括：全方位调整器、MCU、MEMS加速度传感器、数据储存单元和电源模块；将一个或者多个传感器分布固定在被测结构表面的预先确定的测点上；手工转动球形壳体的显露部分，使得MEMS加速度传感器的测试方向与感兴趣测振方向相对应；MEMS加速度传感器将机械振动信号转化为数字电信号数据，并将电信号数据传送给MCU；MCU判断当前MEMS加速度传感器采集的信号数据类型，进而确定相应的MEMS加速度传感器数据采样频率；MCU控制MEMS加速度传感器采样数据；MCU将数据发送给数据储存单元进行存储。可以方便地用于全方位振动信号的测试、采集与实时存储，操作简单、且具有独立供电能力，可以连续工作2～4小时。

Description

一种可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器及方法

技术领域

本发明属于振动测试技术领域，具体涉及一种可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器及方法。

背景技术

MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。目前，Freescale、ADI、ST等公司纷纷推出了较为成熟的MEMS传感器，与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、易于集成和实现智能化的特点。

振动测试大都用到振动传感器。然而，传统的振动传感器存在较大局限，主要表现在：①一般多基于压电原理制作而成，价格较高；②最多只能测试结构的三维振动，难以实现全方位测振；③测试振动信号需要配备数据采集仪，才能实现振动信号的采集与存储；④不能独立供电。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器及方法。

本发明的技术方案：

一种可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器，包括：全方位调整器、MCU、MEMS加速度传感器、数据储存单元和电源模块；

所述MCU同时与MEMS加速度传感器、数据储存单元和电源模块相连接，并集成在一块电路板上；

所述全方位调整器进一步包括杯式基座体、环形套盖体和球形壳体；所述电路板固定在球形壳体内；

所述球形壳体放置在杯式基座体内；所述环形套盖体穿过球形壳体与支撑该球形壳体的杯式基座体固定连接；

所述球形壳体由上、下两个半球形壳体连接构成；所述环形套盖体与杯式基座体结合为整体后，上半球形壳体的顶部显露在环形套盖体外，该显露的上半球形壳体顶部用于人手把持进行手工扭转球形壳体，以实现全方位振动信号测试；

进一步地，所述环形套盖体与杯式基座体之间以及上、下两个半球形壳体之间均通过螺纹固定连接；

更进一步地，所述的用于全方位振动信号测试的MEMS传感器中，所述球形壳体为扁平球形，即上半球形壳体的顶部和下半球形壳体的底部均为扁平形，所述电路板固定在上半球形壳体的顶部或者下半球形壳体的底部，以避免电路板移动；

再进一步地，应用所述的用于全方位振动信号测试的MEMS传感器时，将杯式基座体固定在待测结构上；

又进一步地，在环形套盖体上设置卡具，该卡具从环形套盖体外侧穿入环形套盖体内并与球形壳体直接刚性接触，以避免测试振动信号时球形壳体与杯式基座体之间的滑动。

又进一步地，杯式基座体底部安装有强力磁体，当待测机构为铁质材料时，利用基座体底部安装的强力磁体，通过磁体吸附的方式将基座固定在被测机构上；同时，基座体底部还设置了螺纹孔，当待测机构为非铁质材料时，利用基座体底部设置的螺纹孔，通过螺柱将基座体固定在被测机构上；

又进一步地，基座体底部安装有滑道，可采用滑道与底面涂覆胶水的无损贴片配合使用的方式，将基座体固定在被测机构表面上。

采用所述的可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器的方法，包括如下步骤：

步骤1：根据振动信号测试的需要，将一个或者多个传感器分布固定在被测结构表面的预先确定的测点上；

步骤2：根据测点的感兴趣测振方向，手工转动球形壳体的显露部分，使得MEMS加速度传感器的测试方向与感兴趣测振方向相对应；

步骤3：被测结构表面产生振动时，MEMS加速度传感器将与被测结构表面产生相同的振动形式，MEMS加速度传感器将机械振动信号转化为数字电信号数据，并将电信号数据传送给MCU；

步骤4：根据接收到的电信号数据，MCU判断当前MEMS加速度传感器采集的信号数据类型，进而确定相应的MEMS加速度传感器数据采样频率；具体过程为：

首先分别求取所采集的各相邻时刻数字电信号间的相关系数，进而确定各相邻时刻数字电信号间的相关性：如果各相邻时刻的数字电信号间的相关系数的平均值大于0.8，则认为当前MEMS加速度传感器采集的信号数据间的相关性非常好，属于稳态信号数据，相应地MEMS加速度传感器数据采样频率确定为低频采样频率；如果各相邻时刻的数字电信号间的相关系数的平均值在0.3-0.8之间，则认为当前MEMS加速度传感器采集的信号数据间的相关性较好，属于随机信号数据，相应地MEMS加速度传感器数据采样频率确定为中频采样频率；如果各相邻时刻的数字电信号间的相关系数的平均值低于0.3，则认为当前MEMS加速度传感器采集的信号数据间的相关性一般，属于冲击信号数据，相应地MEMS加速度传感器数据采样频率确定为最高频采样频率；

步骤5：MCU控制MEMS加速度传感器以步骤4中确定的采样频率采样数据，且MEMS加速度传感器通过I²C总线将采样数据发送给MCU；

步骤6：MCU对采样数据进行处理后，将数据发送给数据储存单元进行存储。

有益效果：本发明在新型MEMS加速度传感器的基础上，设计了一种可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器及方法，该传感器可以方便地用于全方位振动信号的测试、采集与实时存储，操作简单、且具有独立供电能力，可以连续工作2～4小时，在航空、汽车、电力、船舶、电梯等行业振动信号测试、状态监测以及故障诊断等领域有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的电路板60的结构示意图；

图2(a)为本发明一种实施方式的全方位调整器10的立体图；

图2(b)为图2(a)的剖视结构示意图(其中的电路板未画出)；

图3为本发明一种实施方式的球形壳体与电路板的装配示意图；

图4为本发明一种实施方式的MSP430F435型单片机及其外围电路图；

图5为本发明一种实施方式的MMA9559L型三轴加速度传感器电路图；

图6为本发明一种实施方式的ADG3308BRUZ型双向电平转换器的电路图；

图7为本发明一种实施方式的473521001型TF卡插座电路图；

图8为本发明一种实施方式的采用可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。

本发明的可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器，包括：全方位调整器10、MCU20、MEMS加速度传感器30、数据储存单元40和电源模块50；

本实施方式的MCU20同时与MEMS加速度传感器30、数据储存单元40和电源模块50相连接，并集成在一块电路板60上，如图1所示，其中电源模块50用于为电路板60上的所有部件供电；

本实施方式的全方位调整器10进一步包括杯式基座体100、环形套盖体101和球形壳体102，如图2(a)和图2(b)所示；本实施方式中前述的电路板60固定设置在球形壳体102内部；

所述球形壳体102以放置于杯式基座体100内；球形壳体102由上、下两个半球形壳体1021和1022通过螺纹固定连接构成；本实施方式中上半球形壳体1021顶部和下半球形壳体1022底部均为扁平形，安装时先将电路板60封装进球形壳体102内，固定在上半球形壳体1021顶部或者固定在下半球形壳体1022底部，如图3所示，本实施方式中采用4根螺柱将电路板固定在下半球形壳体1022底部，以避免电路板60移动；然后将球形壳体102的上半球形壳体1021通过螺纹与球形壳体102的下半球形壳体1022固定连接；再然后以球形壳体102的下半球形壳体1022朝下的方向将球形壳体102放入杯式基座体100中；接下来将环形套盖体101套在球形壳体102外并通过螺纹与杯式基座体100固定连接。其中，上半球形壳体1021的顶部10211显露在环形套盖体101上端，该显露的上半球形壳体顶部10211用于人手把持进行手工扭转球形壳体102，以使球形壳体102内的MEMS加速度传感器30的振动信号测试方向与待测机构测点的振动方向一致，实现全方位振动信号测试；

另外，在环形套盖体101上设置有卡具103，如图2(a)所示本实施方式的卡具103为螺钉形结构，该卡具103从环形套盖体101外侧穿入环形套盖体101内并与球形壳体102直接刚性接触，避免测试振动信号过程中球形壳体102与杯式基座体100之间的滑动。

再者，基座体100的底面安装有强力磁体104，当待测机构为铁质材料时，通过磁力吸附的方法将基座体100固定连接在被测结构的表面上；基座体100底部还设置了螺纹孔105，当待测机构为非铁质材料时，利用基座体100底部设置的螺纹孔105通过螺柱将基座体100固定在被测机构表面上；另外，基座体100的底部还安装了滑道106，如图2(b)所示，该滑道106可与无损贴片配合107，通过在无损贴片底面涂覆胶水的方式，将基座体100固定在被测机构表面上。

本实施方式的MCU采用的是MSP430F435型单片机，如图4所示的MSP430F435型单片机及其外围电路图；本实施方式的MEMS加速度传感器采用的是±8g的MMA9559L型三轴MEMS加速度传感器，如图5所示的MMA9559L型三轴MEMS加速度传感器电路原理图；由于MMA9559L型三轴MEMS加速度传感器的工作电压与MSP430F435型单片机的工作电压不同，本实施方式在MMA9559L型三轴MEMS加速度传感器与MSP430F435型单片机之间连接一个ADG3308BRUZ型双向电平转换器进行电平转换,即将MMA9559L型三轴MEMS加速度传感器输出电压转换为MSP430F435型单片机的工作电压，如图6所示的ADG3308BRUZ型双向电平转换器的电路图。本实施方式的数据储存单元采用的是8G的闪迪TF卡，如图7所示，应用TF卡时是将TF卡插入473521001型TF卡插座中；本实施方式是利用MSP430F435型单片机的SPI接口对TF卡进行读写操作，对待存储的数据进行操作。本实施方式的电源模块采用的是可充电的纽扣电池，容量为120～180mA；对应的充电电路采用的是TI的锂电池供电芯片，充电过程经历调节、恒流、恒压三个环节。

本实施方式中，MMA9559L型三轴加速度传感器的引脚IO5/INT_0、IO3/SDA1/SBB、IO2/SDO、IO1/SDI和SCLK/IO0分别与ADG3308BRUZ型双向电平转换器的引脚A1～A5一一对应连接。ADG3308BRUZ型双向电平转换器的引脚Y1、Y2、Y3、Y4和Y5分别与MSP430F435型单片机的引脚P6.3、P3.0、P3.1、P3.2和P3.3一一对应连接。MSP430F435型单片机的引脚P5.3、P5.1、P4.7和P4.5分别与473521001型TF卡插座的引脚DO、SCLK、DI和CS一一对应连接。

采用所述的可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器的方法，如图8所示，包括如下步骤：

步骤1：根据振动信号测试的需要，将一个或者多个传感器分布固定在被测结构表面的预先确定的测点上；如果预先确定的测点只有一个，则将一个传感器固定在该测点上；如果需关注多个测点的振动信号，则相应地将多个传感器分布布置在各个测点上。

步骤2：首先确定测点的感兴趣测振方向，然后将卡具103打开，手工转动球形壳体的显露部分10211，使得MMA9559L型三轴加速度传感器的测试方向与感兴趣测振方向相对应，再后，锁住卡具103，以使球形壳体102固定，避免振动；

步骤3：被测结构表面产生振动时，MMA9559L型三轴加速度传感器将与被测结构表面产生相同的振动形式，MMA9559L型三轴加速度传感器将机械振动能量转化为电压信号，再通过其内置的模数转换芯片将电压信号转换为数字电信号数据，并与MSP430F435型单片机通信；

步骤3-1：在第一次给电路板上电时，首先MSP430F435型单片机进行对其外设的初始化和复位工作，然后通过Mailbox命令将MMA9559L型MEMS加速度传感器从深睡眠的状态唤醒。

步骤3-2：MSP430F435型单片机通过触发START信号给I²C总线表示开始数据的传输，此时I²C总线中的数据线(SDA线)由高电平跳变到低电平表示总线进入繁忙状态。紧接着START信号后，作为主机的MSP430F435型单片机会发送一个字节数据，前7位表示从机地址，第8位用于指示数据方向是读出(利用1表示数据从从机到主机)还是写入(利用0表示数据从主机到从机)。之后I²C总线上的所有从机将自己的地址与从总线上接收到的地址进行比较，地址匹配即为主机选中的设备。此时单片机即可通过一定的时序访问I²C总线来实现对数字信号的读取和写入。当SDA线由低电平向高电平切换的时候，表示停止条件，停止条件将终止本次数据的发送。

步骤4：MSP430F435型单片机通过实时判断MMA9559L型三轴加速度传感器当前采集的信号数据类型，进而确定相应的MMA9559L型三轴加速度传感器数据采样频率；

MSP430F435型单片机通过预设的数据相关性判断算法，判断当前采集的信号数据类型，相关函数公式如下所示：

${\mathrm{\ρ}}_{xx}=\frac{\underset{t=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}x\left(t\right)x(t+m)}{{\[\underset{t=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{x}^2\left(t\right)\underset{t=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{x}^2(t+m)\]}^{1/2}}$

式中t表示第t个时刻，x(t)表示信号在第t个时刻的能量值平方根的大小，x(t+m)表示信号在第t+m个时刻的能量值平方根的大小，ρ_xx表示信号的相关系数。

具体过程为：

首先分别求取所采集的各相邻时刻数字电信号间的相关系数(例如，2s时刻的数字电信号与1s时刻的数字电信号间的相关系数、3s时刻的数字电信号与2s时刻的数字电信号间的相关系数，4s时刻的数字电信号与3s时刻的数字电信号间的相关系数)，进而确定各相邻时刻数字电信号间的相关性(例如，2s时刻的数字电信号与1s时刻的数字电信号间的相关性、3s时刻的数字电信号与2s时刻的数字电信号间的相关性，4s时刻的数字电信号与3s时刻的数字电信号间的相关性)：如果各相邻时刻的数字电信号间的相关系数的平均值大于0.8，则认为当前MMA9559L型三轴加速度传感器采集的信号数据间的相关性非常好，属于稳态信号数据，相应地MMA9559L型三轴加速度传感器数据采样频率确定为低频采样频率1024Hz，以保证信号采集的准确性；如果各相邻时刻的数字电信号间的相关系数的平均值在0.3-0.8之间，则认为当前MMA9559L型三轴加速度传感器采集的信号数据间的相关性较好，属于随机信号数据，相应地MMA9559L型三轴加速度传感器数据采样频率确定为中频采样频率2048Hz，以保证信号采集的准确性；如果各相邻时刻的数字电信号间的相关系数的平均值低于0.3，则认为当前MMA9559L型三轴加速度传感器采集的信号数据间的相关性一般，属于冲击信号数据，相应地MMA9559L型三轴加速度传感器数据采样频率确定为高频采样频率5120Hz，以保证信号采集的准确性；

步骤5：MSP430F435型单片机实时控制MMA9559L型三轴加速度传感器以步骤4中确定的采样频率采样数据，且MMA9559L型三轴加速度传感器通过I²C总线将采样数据发送给MSP430F435型单片机；

当MMA9559L型三轴加速度传感器数据采样频率确定为低频采样频率1024Hz时，MSP430F435型单片机控制MMA9559L型三轴加速度传感器的内部模拟电路3轴的数据DR2,DR1,DR0置于111，MMA9559L型三轴加速度传感器就会以低频采样频率1024Hz采样数据；当MEMS加速度传感器数据采样频率确定为中频采样频率2048Hz时，MSP430F435型单片机控制MMA9559L型三轴加速度传感器的内部模拟电路3轴的数据DR2,DR1,DR0置于010，MMA9559L型三轴加速度传感器就会以中频采样频率2048Hz采样数据；当MEMS加速度传感器数据采样频率确定为高频采样频率5120Hz时，MSP430F435型单片机控制MMA9559L型三轴加速度传感器的内部模拟电路3轴的数据DR2,DR1,DR0置于000，MMA9559L型三轴加速度传感器就会以高频采样频率5120Hz采样数据；

步骤6：MSP430F435型单片机对采样数据进行处理后，通过SPI总线将数据发送到TF卡进行存储；

步骤6-1：MSP430F435型单片机首先将I²C总线上的数据存到缓存队列中，之后对缓存队列中的数据进行滤波处理；

步骤6-2：滤波后的数据会被写入TF卡数据暂存区，TF卡数据处理函数根据智能切分算法将数据分割后，按采集时间命名成多个大小合适的文件；

步骤6-3：TF卡根据加密算法将分割后的数据加密并对数据进行压缩后存储到上述各个文件中；

步骤6-4：TF卡读写函数会实时将分割后的文件，通过SPI总线写入系统初始化时建立好的文件系统中，以便于上位机对数据做进一步的分析和处理。

Claims (7)

1.一种可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器，其特征在于：包括：全方位调整器、MCU、MEMS加速度传感器、数据储存单元和电源模块；

所述MCU同时与MEMS加速度传感器、数据储存单元和电源模块相连接，并集成在一块电路板上；

所述全方位调整器进一步包括杯式基座体、环形套盖体和球形壳体；所述电路板固定在球形壳体内；

所述球形壳体放置在杯式基座体内；所述环形套盖体穿过球形壳体与支撑该球形壳体的杯式基座体固定连接；

所述球形壳体由上、下两个半球形壳体连接构成；所述环形套盖体与杯式基座体连接为整体后，上半球形壳体的顶部显露在环形套盖体外，该显露的上半球形壳体顶部用于人手把持进行手工扭转球形壳体，以实现全方位振动信号测试。

2.根据权利要求1所述的可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器，其特征在于：所述环形套盖体与杯式基座体之间以及上、下两个半球形壳体之间均通过螺纹固定连接。

3.根据权利要求1所述的可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器，其特征在于：所述球形壳体为扁平球形，即上半球形壳体的顶部和下半球形壳体的底部均为扁平形，所述电路板固定在上半球形壳体的顶部或者下半球形壳体的底部。

4.根据权利要求1所述的可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器，其特征在于：应用时，杯式基座体固定在待测结构表面上。

5.根据权利要求1所述的可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器，其特征在于：在环形套盖体上设置卡具，该卡具从环形套盖体外侧穿入环形套盖体内并与球形壳体直接刚性接触。

6.根据权利要求1所述的可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器，其特征在于：杯式基座体底部安装有强力磁体，当待测机构为铁质材料时，利用基座体底部安装的强力磁体，通过磁体吸附的方式将基座固定在被测机构上；同时，基座体底部还设置了螺纹孔，当待测机构为非铁质材料时，利用基座体底部设置的螺纹孔，通过螺柱将基座体固定在被测机构上；同时，基座体底部安装有滑道，可采用滑道与底面涂覆胶水的无损贴片配合使用的方式，将基座体固定在被测机构表面上。

7.采用权利要求1所述的可用于全方位振动信号测试的MEMS传感器的方法，包括如下步骤：

步骤1：根据振动信号测试的需要，将一个或者多个传感器分布固定在被测结构表面的预先确定的测点上；

步骤2：根据测点的感兴趣测振方向，手工转动球形壳体的显露部分，使得MEMS加速度传感器的测试方向与感兴趣测振方向相对应；

步骤3：被测结构表面产生振动时，MEMS加速度传感器将与被测结构表面产生相同的振动形式，MEMS加速度传感器将机械振动信号转化为数字电信号数据，并将电信号数据传送给MCU；

步骤4：根据接收到的电信号数据，MCU判断当前MEMS加速度传感器采集的信号数据类型，进而确定相应的MEMS加速度传感器数据采样频率；具体过程为：

首先分别求取所采集的各相邻时刻数字电信号间的相关系数，进而确定各相邻时刻数字电信号间的相关性：如果各相邻时刻的数字电信号间的相关系数的平均值大于0.8，则认为当前MEMS加速度传感器采集的信号数据间的相关性非常好，属于稳态信号数据，相应地MEMS加速度传感器数据采样频率确定为低频采样频率；如果各相邻时刻的数字电信号间的相关系数的平均值在0.3-0.8之间，则认为当前MEMS加速度传感器采集的信号数据间的相关性较好，属于随机信号数据，相应地MEMS加速度传感器数据采样频率确定为中频采样频率；如果各相邻时刻的数字电信号间的相关系数的平均值低于0.3，则认为当前MEMS加速度传感器采集的信号数据间的相关性一般，属于冲击信号数据，相应地MEMS加速度传感器数据采样频率确定为最高频采样频率；

步骤5：MCU控制MEMS加速度传感器以步骤4中确定的采样频率采样数据，且MEMS加速度传感器通过I²C总线将采样数据发送给MCU；

步骤6：MCU对采样数据进行处理后，将数据发送给数据储存单元进行存储。