随着世界科学技术的发展，微机电系统（MEMS）近几年在许多国家已有了较大的突破与发展，并已成功地应用于航空、航天、汽车、医学等诸多领域。作为MEMS的一个主要分支——微型惯性器件也在发达国家迅速发展起来，由微型硅陀螺和微型硅加速度计组成的微惯性组合（MIMU）也有望应用于航天、航空等军事领域。微型硅加速度传感器是一种新颖的加速度传感器，它采用硅单晶材料，采用微机械加工工艺实现。微型硅加速度传感器具有结构简单、体积小、功耗低、适合大批量生产、价格低廉等特点，因而，在卫星上微重力的测量、微型惯性测量组合、简单的制导系统、汽车的安全系统、倾角测量、冲撞力测量等领域有广泛的应用前景。本文在微型硅加速度传感器的基础上，借助数字信号处理技术，设计了振动/冲击/倾角复合型传感器，即借助一个传感器可以同时测量3个参量。该传感器是汽车侧翻稳定控制（roll stability control，RSC）的一个关键传感器，当汽车在行驶过程中，由于弯道、地面路滑或紧急情况下突然转弯，RSC系统通过该传感器检测车体的实际运动状态信息，这些信息一旦超出了限定的范围，车载电子计算机就会通过对某一个或几个车轮采取制动和减小发动机扭矩输出的方式让车减慢下来。从而防止了汽车的侧翻问题。

一、MEMS加速度传感器的工作原理

微硅加速度传感器的工作原理与一般常用的加速度传感器（如，液浮摆式加速度传感器、石英加速度传感器、金属挠性加速度传感器等）的工作原理基本一样，都是通过一个质量摆敏感加速度，并将其转换为电信号，此信号经电子线路相敏放大后反馈到力矩器，力矩器产生反馈力矩与加速度产生的惯性力矩平衡。但各种加速度传感器有各自的特点，为完成某种功能所设计的结构也不相同。图1为电容式微型硅加速度传感器原理图。

图1电容式加速度传感器工作原理图

电容式微型硅加速度传感器探头主要由硅摆片和极板组成。在硅摆片上，活动质量块通过悬臂梁与边框相连，活动质量块与极板组成一对差动电容器C₁和C₂，质量块作为电容器C₁，C₂的公共活动极板，同时，电容器C₁，C₂也构成一对力矩器。电容器C₁，C₂的设计额定值为

（1）

式中C₁，C₂为2个平行板电容器的电容值；ε为空腔内介质的介电常数；s为电容极板的有效面积；d为组成电容器的2个极板的间距。

当输入加速度a时，惯性力使活动极板产生一个偏角α，使电容量C₁，C₂发生变化，通过线路转换，将电容量C₁，C₂的变化转换成相应的电压信号，经相敏放大后，将输出电压反馈到电容静电力矩器，电容力矩器产生的静电力矩与惯性力矩平衡，使活动质量块保持在原有的平衡位置，反馈电压的正负和大小可度量输入加速度的方向和大小。

二、复合传感器系统设计

1．传感器的硬件设计

系统主要由一个MEMS加速度传感器、模拟高通滤波器、16位的A/D转换器、微处理器和内置各种数字算法组成，传感器的测量值和各种信息由RS485输出，系统的原理框图如图2所示。

图2 复合传感器系统原理框图

具有一定频响特性和带宽的加速度传感器的输出信号，一路经过高通模拟滤波器后，送入A/D转换器，另一路直接送入A/D转换器，经过A/D转换后的信号送入微处理器，再由微处理器完成各种运算，最后，通过RS485输出运动物体的振动、冲击和倾角信息。

2．传感器的软件设计

软件设计是该传感器的核心，各种信息的检测主要由具有一定带宽的MEMS加速度传感器来完成，这些信息经过A/D转换数字量后，再由软件对这些数字信息进行各种变换，最终，给出运动物体的振动、冲击和倾斜信息。

传感器系统的软件流程框图如图3所示。

图3 复合传感器系统软件流程框图

（1）倾角检测

由于倾角的变化相对比较缓慢，基本属于静态测量，静态测量的一个特殊的例子就是重力加速度，当传感器静止时（也就是侧面和垂直方向没有加速度作用），作用在它上面的只有重力加速度。重力（垂直）和传感器敏感轴之间的夹角就是倾斜角，因为倾角是由敏感轴和重力矢量所组成的垂直平面决定，倾斜可以从传感器的初始的位置测得。

当传感器处于水平位置时，如图4所示，图中，XOY平面为水平面，Z轴为重力势方向。当传感器以O点为参考点绕X轴或绕Y轴转动时，这时传感器的输出和倾角的关系为

（2）

式中a_x，a_y为传感器X敏感轴和Y敏感轴的输出；g为重力加速度值；α，β为传感器水平面与坐标系水平面上X轴和Y轴的倾斜角度。

图4 传感器的坐标系与倾角的关系示意图

通过上式就可以求出倾角的大小。把传感器输出信号经过A/D转换后，送入中心频率为15Hz的数字低通滤波器，低通滤波器的作用是降低传感器在振动、冲击过程中的噪声水平，滤波后的信号送入数字微分器，数字微分的作用一是用于区别倾角和噪声或者传感器的温度漂移；二是能够给出角速率的信息。零位自动校准主要是用来温度补偿。

（2）振动、冲击检测

当传感器受到外界冲击作用时，其自身的电容值将发生变化，经C/V转换电路将电容的变化转变为电压的变化，最后，传感器的输出信号经过一个模拟的高通滤波器（20～200Hz，其通频带依据实际被测的振动、冲击的频谱特性而定）。进入A/D转换器，A/D转换器的采样频率至少是400Hz以上，转换后的信号再进行积分运算，积分时间依据具体情况而定，这里，取40ms。

3．程序设计

该传感器的主要功能由软件来完成，因此，程序的设计非常重要。程序由1个主程序和8个子程序组成，微处理器采用ADμC812，其内置8路的12位A/D转换器和两路12位的D/A转换器，8k程序存储器、640字节的FLASH和256字节的RAM，资源能够满足要求。其程序框图如图5所示。

图5 复合型传感器的程序框图

三、振动、冲击、倾角试验

测量在不同加速度和倾角下传感器的输出如表1所示，传感器的测量角度范围为±15°，最大绝对误差小于0.1°，同时，传感器解算出的角速率分辨力为0.1°/s。冲击的测量范围为±30gn，最大绝对误差小于0.9gn。在该设计中，如果汽车的角度相对于水平初始状态变化了±7°或者角速率值达到0.3°/s，时间是几秒钟，传感器在输出上述信号的同时，给出警告信息。

表1 传感器在不同冲击和倾角条件下的输出

通常情况下，汽车的振动、冲击的频谱都在15～200Hz的频率范围内，因此，本设计的加速度传感器的频带也在0～200Hz，能够满足汽车振动、冲击信号的检测。

四、结论

基于MEMS的复合传感器与基于MEMS的角速率、速度传感器一起组成汽车侧翻稳定控制系统——RSC的检测部分，能够及时检测汽车在潮湿或结冰的路面，在加速、制动和滑行时汽车的运动信息。通过试验，取得了较好的效果，在实际应用中，可以根据车的种类、型号不同，加速度传感器的频带宽度可以调整，以满足测试精度的需要。