MEMS加速度計與傳統(tǒng)地震加速度計的比較研究*

王浩丁煒

(中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071)

MEMS加速度計與傳統(tǒng)地震加速度計的比較研究*

王浩丁煒

(中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071)

對MEMS加速度計記錄的地面震動數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)地震加速度計記錄的數(shù)據(jù)進行對比研究，探討MEMS加速度計用于地震監(jiān)測的可行性。

地震加速度;MEMS加速度計;地震監(jiān)測;地震烈度;地震儀器

1 引言

近年來，成本低、體積小的MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)加速度傳感器已經(jīng)開始應(yīng)用于地震監(jiān)測［1］。但是，MEMS加速度計存在精度較差，靈敏度較低的缺點［2］，能否適用于地震烈度監(jiān)測，還缺少實驗數(shù)據(jù)的驗證。本課題組設(shè)計了一套基于MEMS加速度傳感器的硬件系統(tǒng)，通過與傳統(tǒng)地震加速度計監(jiān)測效果的比較，分析MEMS加速度計是否適用于地震烈度監(jiān)測。

2 MEMS加速度計

使用一片單分向和一片兩分向MEMS加速度傳感器組合監(jiān)測三個互相垂直分向的加速度信號。單分向和兩分向傳感器分別選擇ADXL103型和ADXL203型 MEMS芯片［3］。ADXL103/203 的靈敏度典型值為1 V/g，使用GPS模塊獲取時間信息。使用單片機控制A/D轉(zhuǎn)換，采樣率為100 Hz，16位采樣，滿度值(32 768)對應(yīng)2.5 V。采用高性能的ARM處理器和嵌入式Linux系統(tǒng)，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力。選用的ARM處理器帶有兩個主USB口，可連接兩個USB接口的無線網(wǎng)卡，能夠?qū)崿F(xiàn)多臺終端組網(wǎng)監(jiān)測，同時也方便與PC機之間的通信。其結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

3 地震加速度計

選擇941-B型拾振器作為傳統(tǒng)地震加速度計［4］，靈敏度為0.321 2 Vs2/m。數(shù)據(jù)采集原理如圖2所示。將拾振器與地震烈度監(jiān)測終端放置在辦公室大理石地面上同一地點。拾振器與一臺ME-I型微動數(shù)據(jù)采集器相連，微動數(shù)采與地震烈度監(jiān)測終端均內(nèi)嵌GPS模塊，保證兩組數(shù)據(jù)的時鐘同步。

圖1 MEMS終端結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the MEMS terminal

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理略圖Fig.2 Schematic diagram of data acquisition system

4 數(shù)據(jù)的獲取與處理

地震烈度監(jiān)測終端通過內(nèi)置的無線網(wǎng)卡與接在PC機上的無線網(wǎng)卡向PC機傳輸實時數(shù)據(jù)。微動數(shù)采的數(shù)據(jù)由PC機通過USB線讀出。在PC機上，使用軟件“微動記錄數(shù)據(jù)瀏覽系統(tǒng)”顯示微動數(shù)采記錄的數(shù)據(jù)。其效果見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)顯示軟件Fig.3 Data display software

實驗中，人為地在大理石地面上制造人工地振動，使用兩種儀器同時采集約20分鐘的加速度數(shù)據(jù)。兩組數(shù)據(jù)均為表示采樣值的整數(shù)數(shù)據(jù)，乘以因子2.5/32768可轉(zhuǎn)換為電壓，根據(jù)941B型拾振器與ADXL103/203型MEMS加速度傳感器的靈敏度，將電壓值轉(zhuǎn)換為以1×10－2ms－2為量綱的加速度數(shù)據(jù)。統(tǒng)一量綱之后的數(shù)據(jù)波形如圖4所示。

圖4 統(tǒng)一量綱后的數(shù)據(jù)波形Fig.4 Data waveform of unified dimention

4.1 噪聲分析

取圖4波形中50～55 s的一段(圖5)進行分析，從圖5可見該段沒有明顯的地震動，微動儀記錄的最大幅值不足 0.1 ×10－2ms－2，而 MEMS 加速度計記錄的最大幅值在1×10－2ms－2左右。如果以微動儀的記錄為基準(zhǔn)，則MEMS加速度計存在約1×10－2ms－2的較大噪聲。查閱MEMS加速度計相關(guān)參數(shù)，可計算出其產(chǎn)生的噪聲的理論典型值約為0.98×10－2ms－2(均方根)。噪聲的實驗結(jié)果與理論值基本相符。

圖5 局部波形Fig.5 Partial waveform

4.2 震動波形分析

圖6 局部放大波形1Fig.6 Partial enlarged waveform 1

圖7 局部放大波形2Fig.7 Partial enlarged waveform 2

再取兩組記錄數(shù)據(jù)中63～66 s的一段(圖6)進行分析，從圖6可見該段記錄到了一系列明顯的震動，最大幅值約為5×10－2ms－2。再在圖6中取65～65.3s的局部如圖7所示。在圖6中，前兩次振幅較小的震動在MEMS加速度計的記錄中被噪聲淹沒。而后三次振幅較大的震動，MEMS加速度計記錄的波形與微動儀所記錄的波形在形狀和振幅兩方面均較吻合。圖7更加直觀地顯示了與微動波形相比，MEMS記錄的波形在震動時間、幅值、形狀、初動方向等方面均基本一致。

5 結(jié)論

通過對比分析我們可以發(fā)現(xiàn)，MEMS加速度計含有最大幅值約1×10－2ms－2的噪聲，當(dāng)震動的幅值較小時，無法被MEMS加速度計明顯地記錄到。因此，對弱小震動的監(jiān)測，MEMS加速度計并不適用。當(dāng)振幅較大時，MEMS加速度計記錄的波形與傳統(tǒng)加速度計基本吻合，其數(shù)據(jù)的幅頻特性與傳統(tǒng)加速度計也基本一致。因此對較強地面震動的監(jiān)測，MEMS加速度計的效果與傳統(tǒng)加速度計相當(dāng)。

1 Mougenot D and Thorburn N.MEMS based 3C accelerometer for land seismic acquisition:Is it times［J］.The Leading Edge，2004，3:47 －58.

2 許建華.基于微型傳感器的地震加速度監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)研究［D］.中國地震局地球物理研究所，2006.

3 Analog D evices.ADXL103/203 Datasheet［ED/OL］.http://www.analog.com.

4 廖成旺，鄧濤，丁煒.微動數(shù)據(jù)采集高精度時鐘同步技術(shù)方案與結(jié)果［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2009，(6):150－153.

COMPARISON AMONG MEMS ACCELEROMETER AND TRADITIONAL SEISMOMETER

Wang Hao and Ding Wei
(Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seimology，CEA，Wuhan 430071)

Data recorded by the MEMS accelerometer and the traditional seismometer are compared.And the feasibility of earthquake monitoring of the MEMS accelerometer is discussed.

earthquake acceleration;MEMS accelerometer;earthquake monitoring;earthquake intensity;seismograph

P224.1

A

1671-5942(2013)Supp.(Ⅱ)-0093-03*

2013-07-31

中國地震局地震科技星火計劃項目(XH12032)

王浩，男，1982年生，碩士，研究方向為地震觀測技術(shù)與儀器.E－mail:31317120@qq.com