MEMS光纤压力传感器检测电路系统设计分析

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　　摘  要：分析MEMS光纤压力传感器特性，进行检测电路系统设计分析。在设计中主要通过STC89C52单片机作为检测电路系统。光电转换器件为OPT101，通过进行处理可以有效地提升测试的精准性。在测试中，通过单片机进行处理，在液晶屏上显示结果，与电脑连接，输入到信息。
　　关键词：MEMS光纤压力传感器;检测电路系统;设计分析
　　中图分类号：TP212         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）16-0090-02
　　Abstract： The characteristics of MEMS optical fiber pressure sensor are analyzed， and the detection circuit system is designed and analyzed. In the design， the STC89C52 single chip microcomputer is mainly used as the detection circuit system. The photoelectric conversion device OPT101 can effectively improve the accuracy of the test through processing. In the test， it is processed by a single-chip microcomputer， the results are displayed on the LCD screen， connected with the computer， and the information is input.
　　Keywords： MEMS optical fiber pressure sensor; detection circuit system; design and analysis
　　石油化工生产企业中MEMS光纤压力传感器具有重要的作用。通过MEMS传感器进行研制生产环境安全监测分析，进行应急救援用、在线监测装备管理，可以有效提升化工生产安全性。光纤是一种不带电的导光介质，对于电磁场、温度、压力等因素并不敏感，具有良好的光学、电学以及物理特性。光纤传感器灵敏度较高，具有良好的抗电磁干扰特征，其安全可靠。
　　1 MEMS光纤压力传感器
　　MEMS是微机电系统的简称，通过多个微小型元器件共同构成，是一种融合光学以及机械功能的综合系统。MEMS是一种融合了MEMS工艺以及光学传感器技术的新型光纤传感器，其具有结构简单、体积小以及功耗低的特征，可以实现大规模的机制处理。
　　现阶段进行MEMS的光纤压力传感器的设计方式较多。其中一种就是（F-P）干涉型的MEMS压力传感器。在处理中，通过在玻璃上利用氢氟酸缓冲溶液进行处理，则可以腐蚀出一个浅薄圆柱腔体，通过阳极键合工艺进行处理，则可以将单晶硅膜以及玻璃紧密的联合起来，形成F-P腔。
　　第二种就是通过Pyrex玻璃晶圆片进行腐蚀处理，形成一个圆形浅坑，在与单晶硅晶圆片有效融合，则可以在玻璃浅坑底面以及硅膜片中的表面形成一种F-P干涉腔。
　　这种类型的传感器主要就是在双光束干涉原理支持之下，通过对F-P腔在返回中产生的干涉光譜，分析波峰、波谷的变化确定腔长变化，进而获得压力。但是此种类型的传感器在硅片、玻璃反射率低的作用之下，导致干涉光谱呈现显著的正弦分布特征，因此在进行波峰、波谷位置处理中具有一定的随机性，在一些程度上限制了分辨率的测试。
　　2 石油化工企业MEMS光纤压力传感器的应用
　　MEMS光纤压力传感器检测在石油化工企业中具有重要的作用，在MEMS光纤压力传感器支持之下，可以实现智能化的管理。
　　第一，研制生产环境安全监测用痕量气体MEMS传感器：开发复合支撑薄膜的电调制红外辐射源，研制单片电容式硅基微传声器，研究微孔粉尘过滤及低温除湿技术、MEMS和IC集成工艺。
　　第二，应急救援用工业级红外光谱气体分析仪：研制工业级长光程气体池及光路系统，集成优化光源与检测器，开发仪器自动操控软件及可扩充多气体分析软件。通过在线监测装备的研发，形成一套完整的化工区域安全监测及突发应急救援系统。
　　3 MEMS光纤压力传感器检测电路系统设计分析
　　3.1 总体方案设计
　　MEMS光纤压力传感器具有线性度高、广泛的动态测量以及测量精度高的特性优势。MEMS光纤压力传感器在化工企业中，在硅片通过与玻璃环的阳极键作用之下形成感压结构;在硅片上表面上作用压力的时候，硅片则就会出现线弹性应变。而在另一侧面中，在激光光源的作用之下，光通过发射光纤在硅片下的表面中作用，在表面通过反射之后则可以接收光纤收取，再将其传输到后端电路板中。
　　在系统设计中，首先利用光电传感器转换器进行处理，使得光信号变为电信号，进行信号的衰减、滤波处理，通过真有效值进行处理，提升电路信号的精度、增强稳定性。利用高精度16位A/D转换芯片进行处理，采集直流电源，通过单片机控制液晶显示处理，利用STC89C52集成串口控制器进行处理，实现串口通信。
　　通过计算机的上位机软件显示具体的测试信息。系统主要通过光电转换器、衰减器以及滤波电路、真有效值转换电路系统、显示模块以及单片机控制电路、A/D转换电路等相关零部件共同构成。
　　3.2 核心硬件电路设计
　　3.2.1 光电转换模块
　　光电二极管具有良好的光电曲线线性度、温度稳定性良好的特征，适合长期的运行。通过OPT101作为系统的光电传感器转换器件，可以提示系统的性能。 　　OPT101芯片充分的集合了光电二极管、运算放大器、其具有良好的暗电流性、抗干扰特征，在芯片接收到信号的施工，如果光信号的波长以及光学的入射角一定的时候，输出的电压在光照强度的作用之下，線性呈现增大的趋势。
　　通过OPT101典型电路作为系统的设计模式，在芯片的内部中，分别在2号、5号的引脚中加入1M？赘以及30pF的电容，形成一个反馈网络，通过转化处理之后，电信号会通过5号引脚进行输出处理，其线性度良好。通过在典型的电路基础之上增加电位器。进行增益大小的调节处理。
　　在测试中通过850nm的波长作为激光光源，光源通过光纤进行传输，垂直的在光电二极管的表面上照射。输出的光电转化效率在峰值中，可以有效提升系统灵敏度。
　　3.2.2 衰减滤波模块
　　综合系统输出特征，进行电阻分压衰减电路的社交，通过将光电转换模块进行处理，对转化之后的信号进行分析，在电压值衰减到后续的电器器件工作电压的具体范围中。
　　传感器测量信号属于一种低频信号，在信号中设计到一些多余的高频成分，为了有效的降低信号的干扰因素，不影响信号的分析，在处理中通过巴特沃斯二阶有源滤波器进行处理，通过对衰减之下的信号低通滤波处理，其截止频率数值为300Hz，通过对其进行滤波处理，信号呈现平滑的状态，可以有效提升信号的采集以及处理的效率。低通滤波电路如图1。
　　3.2.3 真有效值转换模块
　　分析精度、宽带、输入信号等各项因素的影响，真有效值的转换模块中将AD637芯片作为核心器件。在系统中主要有缓冲器、整流器以及偏置电路、滤波电路等系统共同构成。分析其特性曲线可以发现，在实际中AD637芯片的最佳频率响应在0.2～2V的范围中。因此，可以通过衰减模块进行处理，将处理的电压值控制在此范围中，达到降低附加误差的目的。
　　AD637外围电路不多，主要通过C11作为外围元件，其主要的功能就是进行平均时间常数的设定分析，直接决定了输出的稳定性以及低频精准度。
　　通过可变电阻R32进行处理，将其作为调节输出电压值，利用R33进行线性度的调节处理，基于AD637的真有效值转换电路具有稳定性、高精度的特征，其测量速度较快。可以实现对各种波形的信号处理、转换，具有频带宽的特征。
　　3.2.4 A/D转换模块
　　MEMS光学压力传感器在实际中应用，具有变化量小的特征，对于A/D转换模块的分辨率要求严格。对此，通过16位Σ-Δ调制型的AD7705芯片作为关键器件，可以提升系统的分辨率。
　　3.3 系统软件设计
　　基于Keil编程环境进行系统程序的设计。通电之后，通过AD7705利用单通道进行信息数据的采集处理，启动A/D进行转换，对A/D的转换转态进行实时监测分析，在A/D转换之后，利用SPI通信进行处理，将A/D转换结果在单片机中读入，基于指令，通过液晶显示数据信息，在计算机中输出。试验数据分析光学位移测量系统中通过测微头提供应用的输入量位移，其结构与螺旋千分尺尾端类似，利用旋转调节活动杆的方式进行前进以及后退的处理，其最大的位移在25mm，精度为10μm。
　　在不对其施加压力的状态之下进行静态的标定分析，利用旋转测微头的方式进行光纤的移动处理，对光纤的端面以及硅片之下的距离进行调整，通过50μm的变化量进行处理，由0直至变化为1.8mm。通过分析在系统距离d增大的正形成以及减小的反形成中电路压力的具体输出测试特性曲线，可以发现二者的曲线前坡、后坡前段基本的重合，误差不大，表明了光纤侧位移系统具有良好的迟滞性。
　　光纤压力传感器主要的目的就是进行压力的测量分析，间接的进行距离变化量的分析。光强调制函数即输入/输出特性曲线主要就是其前坡、后坡2个线性范围，在测量距离在传感器前坡线性中的时候，才可以达到精简传感器总体结构的目的。对此，在进行系统的测定分析，要对系统的测定系统输入/输出特性曲线进行处理，确定前坡中良好的线性区间。通过分析静态标定曲线可以确定前坡比较好的线性区间，主要就是在300μm～500μm范围中，因此10μm变化量在300μm～500μm的变化中，对正反量程数据进行详细的测量分析，获得的拟合直线斜率就是为光纤压力传感器的灵敏度，数值为4.444×10-3V/μm。
　　4 结束语
　　进行MEMS光纤压力传感器检测电路系统设计分析，要基于需求合理的分析，反射式传感器在设计中具有结构简单，性能稳定的特征，其成本也较为低廉，体积小，在恶劣的环境中具有较强的适应能力，在石油化工企业应用广泛，可以充分提升施工作业的安全性。
　　参考文献：
　　[1]彭波.基于波长解调的光纤MEMS压力和温度传感器的研究
　　[D].南京信息工程大学，2017.
　　[2]邹盛亮.光纤法珀压力传感器信号质量及稳定性研究[D].天津大学，2016.
　　[3]曹群，贾平岗，熊继军.MEMS光纤法珀压力传感器的设计及解调方法实现[J].传感技术学报，2015，28（08）：1141-1148.
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