Page 36 - 电力与能源2023年第五期
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458 徐飞杭，等：远距离无线宽频振动传感器的设计与实现
信模块，使用时在第 1 个核心上配置 Wifi 通信功
能，在第 2 个核心上利用 SPI 配置 ADS8866 模数
转 换 芯 片 采 集 ADXL1002 输 出 的 加 速 度 电 压
信号。
2.2 振动加速度传感器
ADXL1002 是 一 款 高 精 度 、高 带 宽 的 单 轴
MEMS 加速度传感器，具有超高频响应和超低噪
声性能，广泛应用于振动测量、机械故障诊断、结
图 1 硬件设计方案 构健康监测等领域。ADXL1002 的主要工作特性
信用。 如表 3 所示。
（2）使用亚诺德半导体的 ADXL1002 超高带 表 3 ADXL1002 工作特性
宽 MEMS 加速度传感器作振动传感器。 序号 项目 参数
（3）使用德州仪器的 16 位高精度、低噪声模 1 输出方式 模拟电压
2 频响范围（3 dB）/kHz 0~11
数转换芯片 ADS8866 作电压采集模块。
3 噪声密度（±50 g）/（μg·Hz -1/2 ） 25
（4）对于电源部分进行设计，主要包括锂电 4 线性度/% ±0.1
池、充电模块以及电平转换模块。 5 电源/VDC 3.3~5.25
以下将依次对这 4 个主要部分进行介绍，并 相 较 于 传 统 的 压 电 式 振 动 传 感 器 ，
分析其在该无线振动传感器中的作用。 ADXL1002 基 于 MEMS 的 特 性 具 有 尺 寸 更 小 、
2.1 无线通信 重量更轻、功耗更低、成本低以及抗环境干扰能
ESP32S3 模组是一款 WiFi 无线通信模组，内
力强等优点。同时 ，与以往其他 MEMS 加速度
部集成了 ESP32S3 芯片及其外部依赖电路，模组
传 感 器 相 比 ，ADXL1002 也 具 备 诸 多 优 势 ：
自 带 通 信 天 线 ，可 以 极 大 地 简 化 开 发 流 程 。
ADXL1002 具有直流 0~11 kHz 的宽工作频率范
ESP32S3 芯片主要工作特性见表 2。
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围以及高达 40 mV·g 的灵敏度和 25 μg·Hz -1/2 的
表 2 ESP32S3 工作特性
超低噪声性能，适用于高速振动测量；ADXL1002
序号 项目 参数
内置温度补偿模块，确保其在不同温度环境下均
1 CPU 主频/MHz 240
2 RAM 384 kB+8 MB 能保持性能的稳定。
3 通信协议 WiFi
ADXL1002 高频响应和超低噪声的特性使其
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4 最大通信速率/（Mbit·s ） 100
极其适合应用在宽频振动传感器的设计当中。在
5 最大可通信距离/m 500
6 供电电源（DC）/V 3.0~3.6 该无线振动传感器中，通过 MEMS 机电转换元件
ESP32S3 芯片内部集成了两个乐鑫科技自 将加速度信号线性转换为电压信号，采集输出电
主研发的 32 位 Xtensa LX7 处理核心，每个核心工 压并进行固定的换算，即可获得加速度信号。
作频率高达 240 MHz，部分型号的芯片还内置了 2.3 模数转换
8 MB 的伪静态随机存储器（PSRAM），可用于振 ADS8866 模数转换芯片是一款高精度、低功
动信号的临时存储。采用 Wifi 通信协议，信号增 耗的 16 位模数转换器（ADC），具有单端输入、速度
益为 20 dB 时，可以实现 100 m 视距内的实时振动 高、外部电路简单等特点，采样率高达 100 kSa·s ，
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数据稳定传输，以及 500 m 视距内的振动数据采 广泛应用于数据采集、工业自动化、医疗器械等领
样回传。 域。ADS8866 的主要工作特性见表 4。
得益于高性能的双核处理器，ESP32S3 模组 基于高精度采样的特点，ADS8866 可以用来
在该无线振动传感器中可同时充当主控和 Wifi 通 直接采集 ADXL1002 的加速度电压信号输出，省
