基于mems地震儀的天然地震信號(hào)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)碩士學(xué)位論文-預(yù)覽頁(yè)
【正文】 儀的性能要求，選擇一種性能指標(biāo)符合地震檢測(cè)的要求、性價(jià)比高的MEMS加速度芯片。為了保證數(shù)據(jù)采集時(shí)間的準(zhǔn)確性，采用GPS授時(shí)器對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行授時(shí)。 豎直 A2 A3東西 A1南北圖22三分量地震儀的結(jié)構(gòu)示意圖 為了采集地震儀輸出的模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)采集器的選擇也至關(guān)重要。第三章MEMS地震儀的設(shè)計(jì)，三分量MEMS地震儀可以感測(cè)來(lái)自空間三個(gè)相互垂直方向上的加速度。下面對(duì)各部分分別進(jìn)行介紹。對(duì)于加速度芯片，我們使用單位g（重力加速度，）來(lái)表示輸入加速度的大小。地震信號(hào)檢測(cè)一般要求小于1mg。通常希望這個(gè)值越小越好。理想狀態(tài)下這個(gè)值等于0V，但是由于加速度芯片內(nèi)部敏感軸的方向會(huì)有一定的誤差，所以輸出一般不為0V。缺點(diǎn)是溫度效應(yīng)嚴(yán)重，受環(huán)境影響大。缺點(diǎn)是頻帶范圍窄，靈敏度低。特別是利用慣性力矩原理做成的扭擺式加速度芯片，還具有體積小、噪聲小、溫度漂移小等優(yōu)點(diǎn)，是本設(shè)計(jì)的理想選擇。變面積式結(jié)構(gòu)的輸出與輸入是線性關(guān)系，變間距式結(jié)構(gòu)在Δdd0時(shí)近似線性，因此從線性關(guān)系上說(shuō)，變面積式結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的。圖32為扭擺式加速度芯片的工作原理圖，（a）和（b）分別為扭擺機(jī)構(gòu)的俯視圖和側(cè)視剖面圖[3]。以上只是定性分析了扭擺式MEMS加速度芯片的工作原理，為了得到明確的輸入輸出關(guān)系，需要進(jìn)行定量分析。由式（36）可推得電容變化與加速度之間的關(guān)系為 （310） 其中d0為輸入加速度為0g時(shí)極板間距離。如圖33，它采用20管腳的陶瓷片式無(wú)引線載體封裝（LCC），內(nèi)部由微機(jī)械電容敏感元件芯片和專用電路集成芯片組成。圖33 1221x002管腳圖 圖34 1221x002典型應(yīng)用接線圖（2）芯片使用方法 a．芯片主要管腳說(shuō)明 VDD和GND：芯片工作電源和地； AOP和AON：差動(dòng)模擬電壓輸出（AOP為正、AON為負(fù)）； DV：測(cè)試電壓輸入端，可以模擬加速度輸入測(cè)試芯片性能； VR：內(nèi)部電壓參考端，一般用于提高測(cè)量精度； ：電壓參考端，為差動(dòng)信號(hào)輸出提供基準(zhǔn)電壓； b．芯片的典型接線與工作過(guò)程 如圖34，芯片的連接較為簡(jiǎn)單，由＋5V電源給芯片供電，精密電源分壓得到＋?？梢?jiàn)AOP和AON輸出呈對(duì)稱關(guān)系，且采用差動(dòng)輸出方式的輸出電壓比單端輸出（采用AOP或AON作為信號(hào)輸出端）電壓大一倍，即靈敏度要高一倍。可見(jiàn)采用差動(dòng)輸出方式能夠有效抑制噪聲。由于此放大電路設(shè)在信號(hào)的最前端，對(duì)后繼電路具有重要的影響，通常被稱為前置放大電路，因此必須慎重選擇和設(shè)計(jì)。高共模抑制比是對(duì)前放的最基本要求，抑制共模干擾是前放的首要任務(wù)，一般要求其大于105。假定它們的等效輸入噪聲分別為VINVINVINVIN4，增益分別為KKKK4，則采集系統(tǒng)電路的總輸出噪聲應(yīng)為 (317)實(shí)際上圖中K、K、K均為1，故上式簡(jiǎn)化為 (318)此噪聲折算到前置放大電路的輸入端即得到采集系統(tǒng)電路的總的等效輸入噪聲VIN (319)可見(jiàn)，前放產(chǎn)生的噪聲被后面各級(jí)放大，因此，電路中的噪聲主要由前置放大電路決定，要減小總噪聲，關(guān)鍵在于減小前放部分的噪聲。而運(yùn)算放大器的正負(fù)輸入端表現(xiàn)為不平衡的輸入電阻，因此共模干擾信號(hào)不能很好的被抑制，為此需要引入儀表放大器。圖37是一個(gè)由三個(gè)運(yùn)算放大器組成的典型儀表放大器[9]，我們對(duì)電路的增益、共模抑制能力等進(jìn)行分析。理論上由電路的結(jié)構(gòu)可以看出當(dāng)有一差分電壓加到輸入端時(shí)，整個(gè)輸入電壓呈現(xiàn)在Rg的兩端。另外，由于電路的對(duì)稱性，使得其在整個(gè)溫度范圍內(nèi)兩個(gè)運(yùn)算器AA2彼此之間有良好的一致性，能夠提供匹配的高輸入阻抗，故可把輸入源阻抗對(duì)電路的共模干擾影響降為最小。5V時(shí)。單元增益減法器A3消除共模信號(hào)，并且相對(duì)參考電位產(chǎn)生單端輸出[8]。另外，由于輸入器件的集電極電流和基極電阻的關(guān)系，使得輸入電壓噪聲可以減少到9 nV/Hz。圖39前置放大器電路連接圖 由芯片1221x002的工作特性可知，若采用差動(dòng)輸出方式，則當(dāng)加速度為0g時(shí)，差動(dòng)輸出正負(fù)端輸出均為+，差動(dòng)電壓為0V；當(dāng)加速度為+1g時(shí)，芯片的差動(dòng)輸出的正負(fù)端輸出均分別為+，+，差動(dòng)壓為2V；當(dāng)加速度為滿量程＋2g時(shí)，差動(dòng)輸出正負(fù)端輸出分別為++，差動(dòng)電壓為4V。儀表放大器的綜合誤差可分為四類，即輸入誤差、輸出誤差、RTI總誤差和RTO總誤差。下面分別進(jìn)行分析，計(jì)算時(shí)統(tǒng)一將所有誤差都折合到輸出端。所以，由共模電壓引起的輸出電壓是 (328) 第6章結(jié)論本文根據(jù)天然地震信號(hào)的特點(diǎn)，基于MEMS技術(shù)，綜合運(yùn)用傳感器、信號(hào)調(diào)理、電源設(shè)計(jì)、抗干擾、低功耗等電子線路設(shè)計(jì)知識(shí)，研制了高性能三分量MEMS地震儀。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地震儀靈敏度高、頻帶寬、低頻響應(yīng)好，且機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，使用方便；整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度高、實(shí)時(shí)性好、人機(jī)接口較好，可以實(shí)現(xiàn)高精度連續(xù)數(shù)據(jù)采集，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 參考文獻(xiàn)[1]梁宏軍，；26(1):6062[2]::6869[3]－:：2131,7784[4]::1719[5]SILICON DESIGNS,.USA:[6]；13(4):217219[7]孫傳友,::3840[8]::29,5761,8898[9]、：:3263[10]Charles Kitchin,Lew :Analog Devices,:57,58[11]康光華,:高等教育出:233236[12]姚福安,；19(2):2023[13]Maxim/::15[14]Maxim/.USA::13[15]Maxim/.USA::18[16]Maxim/::13[17]：機(jī)械工業(yè)出版社.2000:150167[18]何麗華,；1(4)：48[19]：:460505[20] C++::177178,303[21] C++高級(jí)編程技術(shù)—：電子工業(yè)出版社，[22]Data Translation, Data :16[23] 2000 WDM驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)技術(shù)的研究:[碩士學(xué)位論文],西安電子科技大學(xué),西安:2001[24]Data Translation, SDK User’:3346,52,6668,8390[25]Data Translation, Series User’:1620,4556[26] :3[27] C++：人民郵電出版社，2004：180181，261265[28]Redwood City Public Seismic Type 4 Format.[29]Redwood City Public Seismic SensitivityCalculator.[30]吳興惠,:電子工業(yè)出版社.1998:379393[31]::6882,136139，435－439[32]：[碩士學(xué)位論文]，沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng)：2005[33]蔡亞先,；24(3):113114
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