基于MEMS技術(shù)的三維電場探空儀測試系統(tǒng)設(shè)計

邢學(xué)斌,彭春榮,毋正偉,張洲威,任 仁

(1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院,北京 100049)

0 引言

空中電場探測在石油化工、智能電網(wǎng)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有大量的需求。傳統(tǒng)電場探空儀[1-5]體積大、功耗高、易磨損、施放難度大、組裝工藝復(fù)雜、成品率低、不易批量生產(chǎn)等因素,是制約傳統(tǒng)電場探空儀廣泛應(yīng)用的重要瓶頸。

基于MEMS(micro-electro-mechanical system,微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的電場傳感器是電場探測技術(shù)領(lǐng)域的重要研究發(fā)展方向。與傳統(tǒng)電場傳感器相比,MEMS電場傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、空間分辨力高等優(yōu)點(diǎn),但目前基于MEMS電場傳感器的電場檢測系統(tǒng)[6]主要進(jìn)行一維電場的檢測,無法準(zhǔn)確反映空間三維電場的全部信息。

為實(shí)現(xiàn)空中電場的準(zhǔn)確測量,滿足功耗低、體積小、易操作等探空需求,對基于MEMS技術(shù)的新型三維電場探空儀,開展三維電場探空儀測試標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計,基于跨平臺、完整的Qt集成開發(fā)環(huán)境Qt Creator進(jìn)行MEMS三維電場探空儀上位機(jī)設(shè)計,實(shí)現(xiàn)多路電場信號采集處理、傳感器零點(diǎn)校驗(yàn)、標(biāo)定測試、性能參數(shù)計算等功能,為電場探空儀的高精度三維電場測量及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 MEMS三維電場探空儀

1.1 MEMS三維電場探空儀總體結(jié)構(gòu)

MEMS三維電場探空儀以MEMS電場傳感器為核心,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由感應(yīng)電極A、感應(yīng)電極B、感應(yīng)電極C、感應(yīng)電極D、MEMS電場傳感器、信號處理電路及傳輸電路、外殼等部分構(gòu)成,其中感應(yīng)電極A與感應(yīng)電極B對稱布置構(gòu)成X方向感應(yīng)電極對,感應(yīng)電極C與感應(yīng)電極D對稱布置構(gòu)成Y方向感應(yīng)電極對,2對感應(yīng)電極之間存在一定的高度差?？臻g三維電場的X分量Ex、Y分量Ey、Z分量Ez及總場Etotal可分別由式(1)～式(4)得到。

圖1 MEMS三維電場探空儀結(jié)構(gòu)示意圖

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:EA、EB、EC、ED分別為通過外感應(yīng)電極A、外感應(yīng)電極B、外感應(yīng)電極C、外感應(yīng)電極D獲得的電場強(qiáng)度;Ex、Ey、Ez分別為X、Y、Z方向下的電場強(qiáng)度;Etotal為總場電場強(qiáng)度。

1.2 MEMS電場傳感器工作原理

MEMS電場傳感器敏感結(jié)構(gòu)的工作原理如圖2所示。其中,屏蔽電極與正、負(fù)感應(yīng)電極分別構(gòu)成2個電容器,當(dāng)屏蔽電極隨激勵梳齒發(fā)生周期性振動時,正負(fù)感應(yīng)電極上的感應(yīng)電荷量隨之發(fā)生周期性的改變,從而產(chǎn)生一定頻率的感應(yīng)電流信號,檢測該電流信號即可實(shí)現(xiàn)電場的檢測[7]。

圖2 MEMS電場傳感器工作原理

2 MEMS三維電場探空儀上位機(jī)設(shè)計

2.1 MEMS三維電場探空儀上位機(jī)軟件設(shè)計

使用跨平臺、完整的Qt集成開發(fā)環(huán)境Qt Creator完成GUI(graphical user interface)圖形用戶界面項(xiàng)目的創(chuàng)建、運(yùn)行和發(fā)布,具體實(shí)現(xiàn)功能如圖3所示,主界面設(shè)計如圖4所示,子界面設(shè)計如圖5所示。

圖3 MEMS三維電場探空儀上位機(jī)功能設(shè)計

圖4 上位機(jī)主界面設(shè)計

圖5 上位機(jī)子界面設(shè)計

2.2 數(shù)據(jù)傳輸與解析功能設(shè)計

經(jīng)運(yùn)算放大器放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字鎖相放大等處理后,三維電場探空儀獲得了待測位置的電場信息。為進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,微處理器將電場信息轉(zhuǎn)換為字節(jié)信息,形成特定的數(shù)據(jù)幀,通過RS485接口完成數(shù)據(jù)交互。為避免雙字節(jié)幀頭信息誤判引起數(shù)據(jù)丟失的問題,采用幀頭、幀尾3字節(jié)信息作為數(shù)據(jù)解析的標(biāo)志進(jìn)行如圖6所示的動態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸與解析。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸與解析實(shí)現(xiàn)

2.3 零點(diǎn)校驗(yàn)功能設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸與解析實(shí)現(xiàn)了MEMS三維電場探空儀的信息獲取,但在進(jìn)行三維標(biāo)定實(shí)驗(yàn)前,還需完成三維電場探空儀傳感器的零點(diǎn)校驗(yàn),即將MEMS三維電場探空儀置于標(biāo)準(zhǔn)電場標(biāo)定裝置中,根據(jù)傳感器零點(diǎn)校驗(yàn)要求,在上位機(jī)界面完成對應(yīng)操作后實(shí)現(xiàn)如圖7所示的傳感器零點(diǎn)校驗(yàn)。

圖7 零點(diǎn)校驗(yàn)信號和槽函數(shù)關(guān)聯(lián)圖

2.4 標(biāo)定測試功能設(shè)計

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)電場標(biāo)定裝置控制

如圖8所示的標(biāo)準(zhǔn)電場標(biāo)定裝置采用平行極板法[8]進(jìn)行電場傳感器的標(biāo)定,標(biāo)準(zhǔn)電場標(biāo)定裝置由平行極板和高壓源表兩部分構(gòu)成。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)電場標(biāo)定裝置

MEMS三維電場探空儀上位機(jī)可通過RS232接口實(shí)現(xiàn)與正、負(fù)高壓源表的串口通訊。根據(jù)標(biāo)定使用的高壓源表及高壓源表所對應(yīng)的COM端口,進(jìn)行高壓源表與MEMS三維電場探空儀上位機(jī)的連接,在寫入COM端口、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位等初始化參數(shù),成功實(shí)現(xiàn)串口連接后,通過串口寫入高壓源表控制命令,實(shí)現(xiàn)MEMS三維電場探空儀上位機(jī)對高壓源表的電壓設(shè)置和電壓回顯的操作。

2.4.2 傳感器標(biāo)定測試及性能指標(biāo)處理

如圖9所示的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定功能模塊由生成輸入電壓序列、發(fā)送輸入電壓值、輸出高壓源表電壓值、接收電場傳感器測量數(shù)據(jù)、構(gòu)成輸入輸出數(shù)據(jù)點(diǎn)5部分構(gòu)成。

圖9 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定

根據(jù)傳感器的測量范圍,在上位機(jī)界面的標(biāo)定測試中,輸入標(biāo)定電壓的初值、標(biāo)定電壓的終值、平行極板間距、標(biāo)定點(diǎn)數(shù)等信息,完成將傳感器全量程分為若干個等間距點(diǎn)的操作;根據(jù)輸入的往返行程個數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)輸入量的構(gòu)建,同時為保障標(biāo)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、減小電壓源表輸出電壓在轉(zhuǎn)換過程中對傳感器輸出值的影響,在剔除平滑數(shù)目前10%及后10%的數(shù)據(jù)后進(jìn)行算術(shù)平均,得到標(biāo)定電場下傳感器的輸出值,完成標(biāo)定數(shù)據(jù)點(diǎn)的構(gòu)建,具體實(shí)現(xiàn)過程如圖10所示。根據(jù)傳感器性能參數(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9-10],對標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲得如圖11所示的傳感器性能參數(shù)。

圖10 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定信號和槽函數(shù)的關(guān)聯(lián)圖

圖11 性能參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 測試系統(tǒng)搭建

將MEMS三維電場探空儀水平靜置于標(biāo)準(zhǔn)電場標(biāo)定裝置的平行極板上,通過RS232接口、RS485接口實(shí)現(xiàn)MEMS三維電場探空儀上位機(jī)終端與負(fù)高壓源表、MEMS三維電場探空儀的連接。

根據(jù)MEMS三維電場探空儀使用的端口、波特率和高壓源表使用的端口、波特率進(jìn)行MEMS三維電場探空儀上位機(jī)串口通訊設(shè)置,實(shí)現(xiàn)MEMS三維電場探空儀的數(shù)據(jù)傳遞與解析和高壓源表的電壓控制,根據(jù)傳感器零點(diǎn)校驗(yàn)要求,輸入平滑點(diǎn)數(shù)完成如圖12所示的傳感器零點(diǎn)校驗(yàn)。

圖12 零點(diǎn)校驗(yàn)結(jié)果顯示

根據(jù)標(biāo)定需求,在MEMS三維電場探空儀上位機(jī)界面輸入初值、終值、顯示點(diǎn)數(shù)、平滑點(diǎn)數(shù)、極板間距、往返行程等信息后實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電場標(biāo)定裝置電壓范圍輸入、傳感器性能參數(shù)校準(zhǔn)點(diǎn)、校準(zhǔn)循環(huán)等信息的錄入,通過高壓源表的自動控制及MEMS三維電場探空儀的數(shù)據(jù)接收,完成標(biāo)定測試實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 電場儀單個傳感器性能標(biāo)定測試

根據(jù)MEMS三維電場探空儀標(biāo)定測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),獲得如圖13所示的電場傳感器A、如圖14所示的電場傳感器B、如圖15所示的電場傳感器C、如圖16所示的電場傳感器D的標(biāo)定測試結(jié)果,如表1所示的性能參數(shù)。

圖13 傳感器A標(biāo)定測試結(jié)果

圖14 傳感器B標(biāo)定測試結(jié)果

圖15 傳感器C標(biāo)定測試結(jié)果

圖16 傳感器D標(biāo)定測試結(jié)果

3.2.2 三維電場探空儀標(biāo)定測試

根據(jù)電場傳感器A、電場傳感器B、電場傳感器C、電場傳感器D的標(biāo)定實(shí)驗(yàn),獲得電場傳感器A、電場傳感器B、電場傳感器C、電場傳感器D的標(biāo)定系數(shù)后,進(jìn)行三維電場試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示,其中Etotal擬合直線的表達(dá)式如式(5)所示。

圖17 施加電場后電場探空儀三分量及總場強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果

y=-0.743-1.072x

(5)

式中:y為MEMS三維電場探空儀總場強(qiáng)的輸出值;x為施加的標(biāo)定場強(qiáng)。

試驗(yàn)結(jié)果表明:經(jīng)測試系統(tǒng)標(biāo)定后的三維電場探空儀可實(shí)現(xiàn)三維電場的檢測,MEMS三維電場探空儀的總場強(qiáng)的線性度為1.32%、總場強(qiáng)的重復(fù)性為3.6%、總場強(qiáng)的準(zhǔn)確度為5.68%。

4 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)空中大氣電場的準(zhǔn)確探測,開展基于MEMS技術(shù)的新型三維電場探空儀測試系統(tǒng)的設(shè)計,實(shí)現(xiàn)了電場探空儀多路電場信號采集、傳感器零點(diǎn)校驗(yàn)、標(biāo)定測試、性能參數(shù)計算等功能,完成了該測試系統(tǒng)對研制的MEMS三維電場探空儀的標(biāo)定與性能測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三維電場探空儀的標(biāo)定與性能測試,經(jīng)測試系統(tǒng)標(biāo)定后的三維電場探空儀總場強(qiáng)的線性度為1.32%、總場強(qiáng)的重復(fù)性為3.6%、總場強(qiáng)的準(zhǔn)確度為5.68%。