數(shù)字化力平衡加速度傳感器設計與應用1

李彩華 李小軍 滕云田 胡星星 劉 成

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

引言

力平衡加速度傳感器和強震動數(shù)據(jù)采集器是進行強震動觀測的2種重要儀器。通常2種儀器各自獨立，但是部分廠商已經(jīng)開始將其合成為1種儀器，即將強震動數(shù)據(jù)采集器嵌入到力平衡加速度傳感器內部，使得2種獨立儀器合成為強震動測量、數(shù)據(jù)轉換及記錄一體機。這種強震動測量一體機具有體積小、便于攜帶和聯(lián)網(wǎng)等特點，尤其適用于流動觀測。同時，為了保證獲得高質量的強震動觀測數(shù)據(jù)，要求強震動數(shù)據(jù)采集器的信噪比和動態(tài)范圍足夠大、采樣率高且具有足夠的存儲空間；隨著高速、大容量存儲介質的出現(xiàn)，高頻率采樣成為強震儀器的發(fā)展趨勢。本文基于傳統(tǒng)三分量力平衡加速度傳感器技術，設計了三分量一體化加速度傳感器機械底座，并以低噪音寬動態(tài)范圍的信號調制解調電路完成加速度傳感器模擬電壓信號輸出；在傳感器內部嵌入以24位Δ-∑型模數(shù)轉換器ADS1294為基礎的高精度模數(shù)轉換電路，嵌入擴展多種接口的1.4GHz×4微控制器主板，形成1款具有高精度模數(shù)轉換、具備串口、USB口、網(wǎng)口等多種接口的低功耗、24位數(shù)字輸出的力平衡加速度傳感器。

該數(shù)字化力平衡加速度傳感器共包含4部分，分別為機械振動傳感器底座、模擬信號調制解調電路、三通道同步高精度模數(shù)轉換電路和高速ARM微控制器主板及數(shù)據(jù)處理電路，其基本結構見圖1。其中前2部分是傳統(tǒng)模擬式力平衡加速度傳感器，而后2部分組成了強震動數(shù)據(jù)采集器或記錄器。其中，機械振動傳感器底座負責對震動信號進行檢測，模擬信號調制解調電路部分負責將傳感器機械底座檢測到的電荷變化轉變?yōu)楸阌跍y量的電壓信號，三通道同步高精度模數(shù)轉換電路部分完成三通道信號的同步模數(shù)轉換、數(shù)據(jù)處理，并提供精準時鐘及時鐘校正功能；高速ARM微控制器主板完成模數(shù)轉換電路的控制與數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)存儲、RS232串口、USB口、網(wǎng)絡、電源管理模塊等多接口操作。

圖1 數(shù)字化加速度傳感器原理框圖Fig.1 Functional block diagram of digital force balanced accelerometer

1 傳感器原理及設計

傳感器機械振動底座負責對振動信號進行檢測。一般單分量的力平衡加速度傳感器由磁缸、磁鐵、反饋線圈和中間極板、上極板、下極板等組成部件（李彩華等，2014）。反饋線圈與中間極板共同構成傳感器的可動部件，其余部分均為不可動部件。3個正交的單分量力平衡加速度傳感器組成三分向力平衡加速度傳感器底座。本文中的傳感器機械底座具有一體化加工的三分量正交磁缸，采用先進的數(shù)字加工技術，在1塊純鐵上同時加工出3個垂直正交的機械磁缸，減小了正交誤差，解決了傳統(tǒng)分體組裝傳感器橫向靈敏度較大的問題，同時縮小傳感器的體積。并且通過增強傳感器內部磁場強度、調整傳感器質量塊重量方式將傳感器測量頻帶范圍擴展到0—200Hz。

傳感器中調制解調電路部分負責將傳感器機械底座的電荷變化轉變?yōu)楸阌跍y量的電壓信號。此部分電路主要包含橋式振蕩電路、解調電路、放大輸出電路和反饋電路。橋式振蕩電路自激產(chǎn)生一定頻率的正弦波，分別被處理成幅值相同、極性相反的正弦波信號后被分別施加到機械底座的上、下極板，因此中間極板輸出信號由低頻信號調整成了高頻信號。該高頻信號經(jīng)由場效應管組成的解調電路后，代表地面振動的電壓信號被提取出來，最后由運算放大電路調理成模擬差動電壓信號進行輸出。為了調整傳感器頻帶特性，輸出電壓信號經(jīng)過反饋電路將重新輸入到傳感器線圈中。

2 高精度數(shù)據(jù)采集器原理及設計

高精度數(shù)據(jù)采集器電路負責將傳感器輸出的3個模擬電壓信號轉換為數(shù)字信號，完成計算處理操作后，由本地存儲介質存儲，經(jīng)串口、USB口、網(wǎng)口等通訊端口發(fā)送出去（吳海超，2013；Hu等，2014）。本文的采集器電路從功能上主要分為高精度數(shù)據(jù)采集電路和高速ARM核心處理電路。

2.1 高精度數(shù)據(jù)采集電路設計

高精度數(shù)據(jù)采集電路板主要完成三通道數(shù)據(jù)的同步模數(shù)轉換、時鐘讀取，其基本設計原理見圖2。主要分為前置調理電路、模數(shù)轉換電路、低速ARM處理器電路和時鐘管理電路4部分。

2.1.1 前置調理電路

強震信號尤其遠場強震信號是極其微弱的低頻信號，其有用頻率在0.1—20Hz頻帶內，從抑制基線漂移和帶外噪聲以及保護后續(xù)電路等方面考慮，在采集器前置處理電路中需要對輸入信號進行濾波、調理及限幅。本文設計的前置調理電路為3路完全相同的差動信號調理電路，將加速度傳感器的輸出電壓信號調理成與模數(shù)轉換器ADS1294輸入范圍一致的電壓信號。圖3為單通道前置調理電路，其中電阻對R1與R3、R2與R4分別完成正負向電壓信號的比例分壓，阻容電路R5與C2、R6與C3完成正負向電壓信號的低通濾波，并經(jīng)由雙二極管BAT54S并將AINP、AINN端輸出電壓信號鉗制在-2.5—2.5V范圍內，將后續(xù)模數(shù)轉換電路輸入電壓鉗制在合理輸入范圍內，可以避免后續(xù)電路遭高電壓破壞。

2.1.2 模數(shù)轉換電路

電路選用四通道的同步24位Δ-∑模數(shù)轉換器ADS1294。該元件內置多通道可變增益差分輸入放大器，還具有電源參考源和晶振。該芯片每個通道的最高采樣率為32ksps，是1款基于SPI接口的可編程芯片，通過內部寄存器可以選擇內部電路開關，設置增益、采樣率等，其24位A/D轉換精度可以達到μV級，完全滿足強震動觀測儀器數(shù)據(jù)采集的需要。高分辨率模式下功耗為10.1mW，低功耗模式下為8.3mW。在采樣率不超過8ksps時仍能具有24位的轉換精度。內部集成了4個程控差分輸入放大器、Wilson電阻網(wǎng)絡等，結合高精度的模數(shù)轉換，將基線漂移、工頻干擾等噪聲處理設置在模數(shù)轉換后的數(shù)字處理部分，可以大大簡化數(shù)據(jù)采集前端的設計，實現(xiàn)強震信號的采集。

圖3 前置調理電路原理圖Fig.3 Diagram of preconditioning circuit

圖4 模數(shù)轉換ADS1294工作原理圖Fig.4 Block diagram of analog-to-digital convertor ADS1294

2.1.3 低速ARM控制器及時鐘管理電路

為了完成500Hz、1000Hz等高頻率采樣時大量數(shù)據(jù)的處理工作，本研究在該模數(shù)轉換電路板上內置了低速ARM芯片STM32F407，由該芯片及其相關電路與GPS模塊、高精度晶振電路、高速ARM核心微控制器主板共同配合完成模數(shù)轉換電路的各種時序控制。其中GPS模塊產(chǎn)生3個控制信號，即GPS_TX、GPS_RX和TIMEPUSLE，分別實現(xiàn)GPS信息發(fā)送、接收和GPS秒脈沖傳送，并經(jīng)通用數(shù)據(jù)接口PB5口輸入到STM32F407內部參與邏輯控制和時序控制。高精度晶振電路負責生成高精度時鐘信號，由STM32F407根據(jù)GPS秒脈沖數(shù)據(jù)對高精度晶振進行時鐘校準。具體實現(xiàn)方法為STM32F407同時讀入GPS秒脈沖信號TIMEPUSLE、高精度時鐘晶振輸出信號OSC_IN，計算兩者差值，并根據(jù)差值大小由STM32F407通用數(shù)據(jù)輸出口輸出電壓調節(jié)信號DAC到運放OPA333的正向輸入端，該運放的輸出端信號再連接到高精度晶振的電壓控制端進行調壓，實現(xiàn)調節(jié)高精度晶振的輸出信號OSC_IN的頻率偏差，從而利用GPS秒脈沖信號完成了校正實時時鐘功能。

2.2 高速ARM核心電路

高速ARM核心電路板需要完成與高精度數(shù)據(jù)采集電路板的通訊，數(shù)據(jù)處理與SD存儲卡的數(shù)據(jù)存儲，串口模塊、USB模塊、有線網(wǎng)絡模塊和無線Wi-Fi模塊4種通訊模塊管理與數(shù)據(jù)通訊，以及各種模塊的電源管理控制。以上功能對ARM核心電路的CPU要求較高，不僅要求芯片速度快、可管理多種接口通訊，而且必須具備低功耗特性。因此，本設計中選用三星公司相對成熟的型號為S5P4418的ARM芯片做為核心電路主CPU，且為本儀器定制1款專用ARM核心電路板。

2.2.1 S5P4418型ARM芯片簡介

ARM芯片S5P4418采用4核處理器Cortex-A9，主頻為1.4GHz×4，片內配置32KB×4 I/D一級緩存，1MB二級緩存，單通道32位數(shù)據(jù)總線，內存DDR3 800MHz存儲帶寬，板載4個USB Host 2.0主設備接口和1個USB Otg 2.0從設備接口，板上2路SDIO 2.0，引出1個SD/MMC卡槽，支持4個UART串行口，波特率115200bps，用于GPS通信、普通串口、調試信息輸出等。采用此ARM芯片的電路板可直接用作高性能強震記錄器的核心CPU板，從而節(jié)約強震儀器的開發(fā)時間。

2.2.2 高速ARM核心電路板設計

高速ARM核心電路板有數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)與命令顯示、數(shù)據(jù)傳輸與命令通訊和電源管理4大功能模塊，模塊與ARM芯片S5P4418的接口設計見圖5。對數(shù)據(jù)存儲模塊設計，首先S5P4418通過GPIO端口從高精度數(shù)據(jù)采集板卡讀出模數(shù)轉換數(shù)據(jù)和發(fā)送命令信息，同時也通過SPI端口讀取GPS信息及秒脈沖數(shù)據(jù)，然后S5P4418把讀出的數(shù)據(jù)信息和GPS時間信息通過SDIO端口存儲到SD卡中，完成永久固態(tài)存儲強震記錄；在數(shù)據(jù)與命令顯示模塊的設計中，S5P4418通過1個I2C總線和LCD-TFT控制器管理控制觸摸屏顯示，實現(xiàn)發(fā)送顯示數(shù)據(jù)和命令數(shù)據(jù)讀取的交互操作；本設計中數(shù)據(jù)傳輸與命令通訊模塊共支持4種通訊端口，分別為串口、USB口、有線網(wǎng)絡端口和無線Wi-Fi口。其中串口、USB口、有線網(wǎng)絡由S5P4418芯片內置相應功能端口直接管理，而無線Wi-Fi口則由S5P4418芯片的SPI和GPIO口通過無線Wi-Fi模塊GS2011擴展實現(xiàn)，由于GS2011內部具有CPU模塊和存儲器，當需要處理數(shù)據(jù)時，GS2011與S5P4418通過中斷進行程序執(zhí)行，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通訊；在電源管理模塊設計中，S5P4418通過線性電源模塊輸出高精度電源，并且由ARM芯片判斷數(shù)據(jù)存儲、顯示、通訊等各個模塊是否需要工作，來開關各個模塊的線性電源供電操作，從而實現(xiàn)整個傳感器電路的低功耗管理。

圖5 S5P4418型ARM核心板原理圖Fig.5 Diagram showing principle of S5P4418 ARM circuit board

3 傳感器測試

數(shù)字化力平衡加速度傳感器整機達到了如下技術指標：

（1）加速度測量頻率范圍為0—200Hz；

（2）加速度測量范圍±4g；

（3）輸出靈敏度為2.5V/g；

（4）動態(tài)范圍≥130dB；

（5）線性度優(yōu)于1%；

（6）2個水平向、1個垂直向，三分向一體；

（7）具有防雷保護電路；

（8）采集器采樣率支持50Hz、100Hz、200Hz、400Hz、800Hz、1000Hz；

（9）采集器量程支持±1.25V、±2.5V、±5V、±10V；

（10）支持USB口、網(wǎng)絡端口通訊；

（11）單＋12V DC供電，整機功耗1.1W；

為了驗證該數(shù)字化加速度傳感器各項技術指標及整機的可靠性，對傳感器樣機分別進行了傳感器的標準振動臺檢定試驗、傳感器運行觀測實驗以及結構模型的振動臺觀測實驗，以上測試實驗中采集器采樣率均為100Hz，5V量程。

首先，在中航工業(yè)北京長城測試計量研究院的標準振動臺對傳感器的幅頻特性、靈敏度等進行測試，表1給出了該傳感器的幅頻特性檢定結果，從中可以看出傳感器頻帶可以達到200Hz。

表1 加速度傳感器幅頻特性標定數(shù)據(jù)Table 1 Calibration data for amplitude and frequency characteristics of accelerometer

其次，在北京白家疃地震臺、安徽金寨縣地震臺進行了多天傳感器運行觀測實驗，取得了大量的強震動噪聲觀測數(shù)據(jù)，并且在安徽省金寨縣地震臺獲取了2017年8月8日四川省九寨溝強震記錄。隨機選取了2017年2月8日3時的北京白家疃地震臺噪聲觀測數(shù)據(jù)、2017年8月3日3時的安徽省金寨縣地震臺噪聲觀測數(shù)據(jù)進行分析。圖6、7分別為北京白家疃地震臺、安徽金寨縣地震臺的1000點噪聲觀測數(shù)據(jù)曲線，圖8、9分別為以上2組數(shù)據(jù)剔除基線值的噪聲波形曲線。從噪聲曲線波形來看，該傳感器噪聲峰值小于5μg，對上述2時段的噪聲數(shù)據(jù)計算得到噪聲均方根值和動態(tài)范圍值（表2），從計算結果可以看出傳感器噪聲均方根值最低為0.7235μg，動態(tài)范圍最大可達134.85dB。為了分析該傳感器的頻域特性，對2個臺站噪聲觀測數(shù)據(jù)進行自功率譜分析，圖10（a）、（b）、（c）分別為白家疃臺站傳感器東西向、南北向和垂直向的自功率譜曲線，圖10（d）、（e）、（f）分別為金寨縣臺站傳感器東西向、南北向和垂直向自功率譜曲線。從圖中可以看出，該傳感器0.1Hz處功率譜約為－120dB，1Hz處功率譜約為－125dB。同時，該傳感器在安徽省金寨縣地震臺進行觀測實驗中，獲得了2018年8月8日四川省九寨溝強震動記錄，其強震動波形見圖11。

圖6 北京白家疃地震臺強震觀測噪聲波形曲線Fig.6 Strong motion noise waves observed from Baijiatuan station

圖7 安徽金寨地震臺強震觀測噪聲波形曲線Fig.7 Strong motion noise waves observed from Jinzhai station

圖8 北京白家疃地震臺強震觀測噪聲波形曲線Fig.8 Strong motion noise waves observed from Baijiatuan station

圖9 安徽金寨地震臺強震觀測噪聲波形曲線Fig.9 Strong motion noise waves observed from Jinzhai station

表2 傳感器噪聲及動態(tài)范圍Table 2 Noise result and dynamic range of the force balanced accelerometer

圖10 加速度傳感器噪聲數(shù)據(jù)功率譜曲線Fig.10 Power spectrum curves of force balanced accelerometer

圖11 九寨溝強震動波形曲線Fig.11 Strong motion waves of the Jiuzhaigou earthquake

最后，為了進一步測試該傳感器性能，將傳感器與美國凱尼公司的TSA-SMA型強震動記錄器同時安裝在曲面橋結構模型實驗的振動臺臺面上，測試實驗在中國地震局工程力學研究所的燕郊園區(qū)振動臺進行，共安排了50組不同參數(shù)的振動波形實驗，2套設備都完整記錄了50組震動波形，此處僅展示其中1組振動波形曲線，該振動波形發(fā)生于2017年12月14日16時29分，圖12為本文研制設備所記錄的地震波曲線，圖13為凱尼公司設備所記錄的地震波曲線，從上至下依次為東西向、南北向和垂直向震動波形，其中振動臺東西向輸出波形加速度峰值為0.7g，從圖中可以看出2種設備記錄的強震動峰值基本相同。

圖12 振動臺震動波形曲線Fig.12 Strong motion curves from shaking table

通過以上3種不同類型的測試實驗證明，該數(shù)字化加速度傳感器技術指標達到預期，且質量穩(wěn)定、性能可靠，該類型儀器完全可以應用于各種低頻振動的測量。

圖13 振動臺震動波形曲線Fig.13 Strong motion curves from shaking table

4 結論

本文選用數(shù)字加工工廠技術設計了傳感器三分量一體化機械底座，并通過改進機械參數(shù)、調制電路參數(shù)，實現(xiàn)擴展傳感器頻帶范圍的目標。在此技術基礎上，通過內嵌高精度三通道數(shù)據(jù)采集器，完成3路同步24位的模數(shù)轉換，使該傳感器成為三分量加速度數(shù)字化測量一體機。測試實驗數(shù)據(jù)分析表明，該傳感器不僅達到設計的技術指標，并且能夠穩(wěn)定可靠地測量微弱遠場強震動，可以普遍應用于強震動觀測和各種結構振動監(jiān)測。