基于nRF24E1的无线加速度测量系统的设计

　　0　引言

　　在传统的加速度传感测量系统中,加速度传感器、信号放大器是没有集成为一体,测量信号通过导线传到数据采集分析系统。由于在远距离、多点临时测 量中,以及运动体上、隔离区域等特殊条件下的测量加速度中,传感器、信号放大、电源及信号传输线布设都极不方便。而且传输线也易受电磁干扰和环境温度的影 响,传输线的内阻与分布电容也会对测量产生不利影响。

　　本文介绍了一种新的加速度传感测量无线传输系统,传感器测得的加速度信号数字化后通过无线电波传送给信号处理系统,避免传输导线带来的种种影响 和使用上的困难。该系统的特点是传感器、信号放大、AD、单片机、无线传输及电源集成为一体,体积小、功耗低,集成传感器的布设很方便,特别适合临时多次 布设传感器、运动物体的测量,同时也适用于各种物理量传感器信号的测量,具有很好的应用前景。

　　1　测量系统构成

　　测量系统的总体构成如图1所示。系统分为主机与从机两部分。从机包括压电加速度传感器、信号调理电路、集成了A/D转换与射频模块的 nRF24E1芯片;主机包括上位机和nRF24E1芯片。从机给出的测量信息以数字的形式通过发射模块无线发送出去,由主机接收模块接收这一无线信号, 再作进一步的数据处理。

　　测量信号的无线传输是测量系统的关键技术之一,与通常的无线通讯相比有其特殊要求。通过恰当的控制程序设计使主机与从机能按预定的要求协同工 作。该系统采用有效的节电模式,即在采样工作时间内主从机都被唤醒处于工作状态。完成数据传输后,系统进入非工作的休眠状态,耗电极少,因而可保证以电池 供电的从机能长时间工作。

2　传感器及信号采集变换电路

　　压电加速度传感器广泛用于检测导弹、飞机、车辆等的冲击和振动。压电式加速度传感器的结构形式主要有压缩型、剪切型和复合型三种。常用的是压缩型压电加速度传感器结构。

　　压缩型加速度传感器结构简单,为了方便装配和增大电容量,常用两片极化方向相反的晶片,电学上并联输出。采用石英晶片时,也有采用四片晶片并联 的方式。实际测量时,传感器基座与试件刚性地固定在一起,一旦传感器感受到试件的振动加速度,质量块产生的惯性力F(与加速度方向相反且正比于加速度)作 用于压电元件上,从而产生电荷Q输出。当振动频率远低于传感器的固有频率时,传感器的输出电荷(或电压)与作用力成正比,即与试件的加速度成正比,这时传 感器的电荷灵敏度Kq和电压灵敏度Ku分别为:

　　Kq=Q/a=dm(C.s2/m)