力平衡加速度計的溫度補償技術研究.pdf

1、加速度傳感器是組成強震動觀測臺站和臺網的核心部分,它的性能指標關系到強震動觀測的質量?，F(xiàn)在強震觀測臺網中廣泛使用的加速度傳感器,普遍采用了力平衡反饋技術,以實現(xiàn)寬觀測頻帶、大動態(tài)范圍、低儀器噪聲的目標,稱之為力平衡加速度計。
　　力平衡加速度計具有許多優(yōu)點,但環(huán)境溫度的波動會影響其靈敏度、零點漂移等指標,進而影響到儀器的穩(wěn)定性,增加使用和維護成本,降低產出數(shù)據(jù)的質量。
　　論文以力平衡加速度計為研究對象,探索其溫度補償方法,

2、抑制力平衡加速度計的零點漂移,改善力平衡加速度計的溫度穩(wěn)定性,提高加速度記錄的質量。
　　論文的核心思想是通過構建一個零點漂移很小的基準源與力平衡加速度計進行對比觀測,進而對力平衡加速度計的輸出進行補償,實現(xiàn)一種新型的復合加速度傳感器,兼具噪聲低、零點漂移小的特性。
　　MEMs加速度計是采用微機電技術制作的單芯片型加速度計,在振動檢測領域和其它精密儀器中有著愈加廣泛的應用;雖然它的噪聲和分辨率等指標,與力平衡加速度計有差距

3、,但具有很多獨特的優(yōu)點,例如體積小、功耗低、外圍電路簡單等。
　　在論文的實驗方案中,我們以較小的功耗和簡單的結構,設計了一個小型恒溫系統(tǒng),使 MEMs加速度計的工作區(qū)域溫度保持穩(wěn)定,進而構建一個低溫度漂移的基準加速度輸出量,對力平衡加速度計進行溫度補償。
　　針對兩種加速度計不同的特點,在進行系統(tǒng)集成時,我們需要設計低通濾波器來抑制 MEMs加速度計的噪聲對力平衡加速度計的噪聲的影響,使補償只在低頻段進行。我們參考地震波的

4、頻段、加速度計的應用范圍、兩種加速度計的噪聲對比和環(huán)境溫度的變化來確定低通濾波器的參數(shù);并需要采用信號數(shù)字處理技術設計數(shù)字低通濾波器來完成我們的方案。因此,在論文的研究工作中,我們設計了包括模數(shù)轉換電路、數(shù)字處理器電路、數(shù)模轉換電路的溫度補償系統(tǒng)。
　　我們使用重力法,通過旋轉平臺,對MEMs加速度計和力平衡加速度計的靈敏度和方位角的偏差進行測試,并根據(jù)坐標變換的原理對補償值進行修正。
　　當研究的方案完成確定后,我們構建了

5、硬件支持系統(tǒng)和嵌入式軟件系統(tǒng)。硬件支持系統(tǒng)包括:力平衡加速度計系統(tǒng),恒溫MEMs加速度計系統(tǒng),溫度補償系統(tǒng);嵌入式軟件系統(tǒng)是依托于ARM7核心的處理器芯片進行軟件開發(fā),控制信號數(shù)字處理系統(tǒng)的工作,進行校正和
　　加速度傳感器是組成強震動觀測臺站和臺網的核心部分,它的性能指標關系到強震動觀測的質量?，F(xiàn)在強震觀測臺網中廣泛使用的加速度傳感器,普遍采用了力平衡反饋技術,以實現(xiàn)寬觀測頻帶、大動態(tài)范圍、低儀器噪聲的目標,稱之為力平衡加速度計

6、。
　　力平衡加速度計具有許多優(yōu)點,但環(huán)境溫度的波動會影響其靈敏度、零點漂移等指標,進而影響到儀器的穩(wěn)定性,增加使用和維護成本,降低產出數(shù)據(jù)的質量。
　　論文以力平衡加速度計為研究對象,探索其溫度補償方法,抑制力平衡加速度計的零點漂移,改善力平衡加速度計的溫度穩(wěn)定性,提高加速度記錄的質量。
　　論文的核心思想是通過構建一個零點漂移很小的基準源與力平衡加速度計進行對比觀測,進而對力平衡加速度計的輸出進行補償,實現(xiàn)一種新型

7、的復合加速度傳感器,兼具噪聲低、零點漂移小的特性。
　　MEMs加速度計是采用微機電技術制作的單芯片型加速度計,在振動檢測領域和其它精密儀器中有著愈加廣泛的應用;雖然它的噪聲和分辨率等指標,與力平衡加速度計有差距,但具有很多獨特的優(yōu)點,例如體積小、功耗低、外圍電路簡單等。
　　在論文的實驗方案中,我們以較小的功耗和簡單的結構,設計了一個小型恒溫系統(tǒng),使 MEMs加速度計的工作區(qū)域溫度保持穩(wěn)定,進而構建一個低溫度漂移的基準加速

8、度輸出量,對力平衡加速度計進行溫度補償。
　　針對兩種加速度計不同的特點,在進行系統(tǒng)集成時,我們需要設計低通濾波器來抑制 MEMs加速度計的噪聲對力平衡加速度計的噪聲的影響,使補償只在低頻段進行。我們參考地震波的頻段、加速度計的應用范圍、兩種加速度計的噪聲對比和環(huán)境溫度的變化來確定低通濾波器的參數(shù);并需要采用信號數(shù)字處理技術設計數(shù)字低通濾波器來完成我們的方案。因此,在論文的研究工作中,我們設計了包括模數(shù)轉換電路、數(shù)字處理器電路、數(shù)

9、模轉換電路的溫度補償系統(tǒng)。
　　我們使用重力法,通過旋轉平臺,對MEMs加速度計和力平衡加速度計的靈敏度和方位角的偏差進行測試,并根據(jù)坐標變換的原理對補償值進行修正。
　　當研究的方案完成確定后,我們構建了硬件支持系統(tǒng)和嵌入式軟件系統(tǒng)。硬件支持系統(tǒng)包括:力平衡加速度計系統(tǒng),恒溫MEMs加速度計系統(tǒng),溫度補償系統(tǒng);嵌入式軟件系統(tǒng)是依托于ARM7核心的處理器芯片進行軟件開發(fā),控制信號數(shù)字處理系統(tǒng)的工作,進行校正和濾波等運算,得到

10、實時的補償量。
　　當系統(tǒng)完成后,我們測試了恒溫系統(tǒng)的性能、加速度計的零點漂移指標及噪聲指標等,測試結果表明:
　　1、恒溫系統(tǒng)最大消耗功率約為o.37w,具有50℃的工作范圍,在工作范圍內,內外溫度的變化比率小于o.1％;配置恒溫系統(tǒng)后,MEMs加速度計的零點漂移指標由o.5mg/℃降低至0.1mg/℃以下。
　　2、經過溫控箱測試,補償后的力平衡加速度計,三分向的零點漂移值由大于1mg/℃降低至恒溫MEMs加速度計