力平衡加速度傳感器的恒溫控制系統(tǒng)

詹小艷 章 東 薛瑩瑩 徐順強(qiáng) 朱升初

1）中國南京210014 江蘇省地震局

2）中國鄭州450002 中國地震局地球物理勘探中心

0 引言

強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)技術(shù)是地震工程得以發(fā)展的重要基礎(chǔ)，早期主要應(yīng)用于地震地面運(yùn)動(dòng)和工程結(jié)構(gòu)反應(yīng)，目前應(yīng)用范圍拓展至地震烈度速報(bào)與預(yù)警。數(shù)字強(qiáng)震儀一般采用力平衡加速度傳感器，是強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站即固定臺(tái)和流動(dòng)臺(tái)（鄭水明等，2008）以及臺(tái)網(wǎng)的核心部分，其性能直接關(guān)系到強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)的質(zhì)量?，F(xiàn)今廣泛使用的加速度傳感器普遍采用力平衡反饋技術(shù)，其能夠彌補(bǔ)傳感器的一些機(jī)械性缺陷（楊黎薇等，2014），以實(shí)現(xiàn)寬頻帶、大動(dòng)態(tài)、低噪聲的目標(biāo)，也稱之為力平衡加速度計(jì)。早期主要有美國凱尼公司生產(chǎn)的FBA-3 型和FBA-13 型力平衡加速度計(jì)，中國地震局工程力學(xué)研究所研制生產(chǎn)的DCJ 型伺服式加速度計(jì)和RLJ 型差容式力平衡加速度計(jì)等（于海英等，2017）。隨著技術(shù)進(jìn)步，力平衡加速度計(jì)的性能也在不斷地完善和提高，且重量和體積越來越小。目前我國主要使用的加速度計(jì)有SLJ-100 型、ES-T 型2 類。力平衡加速度計(jì)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但環(huán)境溫度的波動(dòng)會(huì)影響其靈敏度、零漂等指標(biāo)，進(jìn)而影響到儀器的穩(wěn)定性，增加使用和維修成本，降低產(chǎn)出數(shù)據(jù)質(zhì)量。因此，分析環(huán)境溫度對(duì)加速度傳感器工作狀態(tài)的影響，并提出改善措施，對(duì)于提高加速度傳感器的性能和穩(wěn)定性具有重要意義。

傳統(tǒng)上，我國強(qiáng)震動(dòng)加速度觀測(cè)多采用閾值觸發(fā)模式記錄地震事件。在事件檢測(cè)時(shí)首先進(jìn)行高通濾波，儀器零位漂移的影響可以忽略，所以溫度漂移也未引起重視。但是，隨著國家地震預(yù)警與烈度速報(bào)系統(tǒng)項(xiàng)目的開展，強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)普遍采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)傳輸模式，溫度對(duì)數(shù)據(jù)的影響不容忽視（王宇歡等，2017）。近年來，涌現(xiàn)多種降低溫度對(duì)加速度傳感器影響的分析方法：并聯(lián)式溫度補(bǔ)償法、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償法，軟件補(bǔ)償法（杜永蘋等，2009）。

在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，以ES-T 力平衡式三分量加速度傳感器為例，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)1 種可用于實(shí)際觀測(cè)的恒溫控制系統(tǒng)，為改善強(qiáng)震觀測(cè)環(huán)境，確保觀測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)出連續(xù)、可靠的數(shù)據(jù)提供技術(shù)參考。

1 恒溫控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

恒溫控制系統(tǒng)架構(gòu)由恒溫控制設(shè)備和處理模塊2 部分構(gòu)成，見圖1。恒溫控制部分功耗小于3 W，整機(jī)功耗小于20 W。其基本原理為傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)恒溫設(shè)備的溫度變化，并與設(shè)定的閾值溫度值進(jìn)行比較。當(dāng)監(jiān)測(cè)溫度高于設(shè)定上限溫度時(shí)，啟動(dòng)制冷裝置對(duì)恒溫室進(jìn)行降溫；當(dāng)監(jiān)測(cè)溫度低于設(shè)定下限溫度時(shí)，啟動(dòng)加熱裝置對(duì)恒溫室進(jìn)行升溫（孫宏志，2016）。處理模塊的控制端可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類工作參數(shù)、制冷或制熱控制的遠(yuǎn)程修改。如果監(jiān)測(cè)溫度值超出預(yù)設(shè)溫度值范圍，處理模塊立即將監(jiān)測(cè)的溫度信息傳送至控制端，以便于工作人員掌握實(shí)時(shí)情況。

如圖1 所示，恒溫控制系統(tǒng)的溫度傳感器、制冷裝置、加熱裝置與處理模塊通信模塊、存儲(chǔ)模塊、判斷模塊電性連接，通信模塊與控制端通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。各模塊的設(shè)計(jì)功能為：判斷模塊用于將溫度傳感器監(jiān)測(cè)的溫度值與預(yù)設(shè)溫度值的上下限進(jìn)行實(shí)時(shí)校驗(yàn)；處理模塊采用單片機(jī)，通信模塊與處理模塊之間設(shè)有通信接口，用于控制端的人工指令操作；通信模塊支持4G 無線傳輸和有線傳輸；存儲(chǔ)模塊采用電可擦除非易失串行存儲(chǔ)器；恒溫控制設(shè)備采用加熱片加熱，采用半導(dǎo)體制冷，避免了恒溫設(shè)備對(duì)加速度傳感器的影響。

圖1 恒溫控制系統(tǒng)Fig.1 System diagram of constant temperature control system

1.1 溫度補(bǔ)償方法選擇

并聯(lián)式溫度補(bǔ)償法，理論上可實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，實(shí)際上只能近似補(bǔ)償。零點(diǎn)溫度補(bǔ)償法精度較高，但對(duì)材料有一定要求。軟件補(bǔ)償法，只需找出輸入、輸出特性曲線，建立溫度模型，即可實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)補(bǔ)償。因此，采用軟件補(bǔ)償法設(shè)計(jì)恒溫控制系統(tǒng)。恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是，以較小的功耗實(shí)現(xiàn)較好的恒溫效果，將力平衡加速度計(jì)局部工作溫度控制在一定范圍，從而有效保證觀測(cè)設(shè)備工作穩(wěn)定（李建飛，2012；孫宏志，2016）。

1.2 誤差補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

環(huán)境變化、器件老化等因素引起的干擾疊加在加速度記錄中，造成測(cè)量誤差。通過補(bǔ)償方法盡可能降低該誤差。誤差補(bǔ)償需通過構(gòu)建完整的模擬信號(hào)數(shù)字處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)包含模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）、數(shù)字處理（CPU）、數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）、平滑濾波和校正電路5部分。誤差補(bǔ)償系統(tǒng)工作機(jī)制如圖2 所示。流程如下：將模擬加速度電壓經(jīng)采樣和量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字加速度電壓，用數(shù)字處理器進(jìn)行濾波，得到數(shù)字補(bǔ)償電壓并轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，經(jīng)平滑處理得到模擬補(bǔ)償電壓，通過校正電路補(bǔ)償力平衡加速度計(jì)的輸出（Havskov et al，2007）。

圖2 模擬信號(hào)數(shù)字處理系統(tǒng)Fig.2 Block diagram of the analog signal digital processing system

用DAC 輸出的補(bǔ)償電壓來校正力平衡加速度計(jì)輸出電壓進(jìn)行。因此，在誤差補(bǔ)償系統(tǒng)中，采用運(yùn)算放大器構(gòu)建一個(gè)加法器來實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。同時(shí)，為了方便傳輸和減小誤差，將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。這就構(gòu)成了恒溫控制系統(tǒng)中重要的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)熱結(jié)構(gòu)

恒溫控制系統(tǒng)的熱結(jié)構(gòu)見圖3。溫控箱中心部位設(shè)置1 個(gè)加速度傳感器安裝室，其外壁上加熱裝置均勻分布，并設(shè)置散熱裝置，只有散熱功率與加熱功率相等才能最終實(shí)現(xiàn)恒溫（吳艷霞等，2008）。溫控箱外殼與散熱裝置之間設(shè)置有保溫材料。

圖3 恒溫控制系統(tǒng)熱結(jié)構(gòu)Fig.3 Thermal structure design drawing of constant temperature control system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

2.1.1 恒溫控制系統(tǒng)噪聲。選用工程力學(xué)研究所的ES-T 力平衡式三分量傳感器作為測(cè)試對(duì)象，該傳感器動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于155 dB，帶寬DC 至200 Hz。具有頻帶寬、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、傳遞函數(shù)穩(wěn)定、噪聲水平低等特點(diǎn)，是我國強(qiáng)震觀測(cè)的主要設(shè)備。通過跳線器，用戶可選擇的量程配置為±0.25g、±0.5g、±1g、±2g、±4g共5 檔。

在對(duì)小型恒溫系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試前，測(cè)試置于恒溫系統(tǒng)中的加速度傳感器記錄狀態(tài)。對(duì)一個(gè)低噪聲臺(tái)基進(jìn)行24 h 觀測(cè)。觀測(cè)房日溫度波動(dòng)范圍為2℃—5℃。將其中安靜時(shí)段記錄（2016 年9 月11 日23 時(shí)至12 日2 時(shí)）用于地脈動(dòng)加速度功率譜計(jì)算。恒溫系統(tǒng)通電和斷電狀態(tài)下的地脈動(dòng)加速度功率譜曲線，如圖4 所示。2 種狀態(tài)下全頻帶內(nèi)加速度功率譜曲線一致性較好，僅在高頻部分（20—30 Hz）略有差異，差異幅度僅約為5 dB。試驗(yàn)結(jié)果表明，在有效頻帶范圍內(nèi)溫控系統(tǒng)不會(huì)對(duì)加速度計(jì)造成干擾。

圖4 溫控系統(tǒng)與常規(guī)觀測(cè)環(huán)境下的地噪聲對(duì)比Fig.4 Comparison of ground noise between the temperature control system and conventional observation environment

2.1.2 恒溫控制系統(tǒng)對(duì)加速度傳感器靈敏度的影響。2016 年10 月8 日至11 月30 日開展測(cè)試實(shí)驗(yàn)，將被測(cè)加速度傳感器置于圖5 所示，實(shí)驗(yàn)裝置（王曉蕾等，2018），進(jìn)一步獲取溫度補(bǔ)償對(duì)加速度傳感器的影響特征。在加速度傳感器及溫控箱內(nèi)分別安裝溫度傳感器，溫度范圍為-5℃—+40℃，每隔1℃增加1 個(gè)測(cè)點(diǎn)值，獲取每個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)值加速度傳感器的零點(diǎn)并進(jìn)行脈沖標(biāo)定和正弦標(biāo)定測(cè)試（趙龍梅等，2017）。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)及波形進(jìn)行計(jì)算和分析，獲得分向靈敏度與溫度關(guān)系曲線，如圖6 所示。

圖5 測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 The experimental device

圖6 ES-T 力平衡式加速度傳感器分向靈敏度與溫度數(shù)據(jù)關(guān)系曲線Fig.6 Relationships between the sensitivity of each direction of the ES-T force balance accelerometer and the temperature

在-5℃— +40℃的環(huán)境下，各分向靈敏度雖然總體上呈現(xiàn)隨溫度升高而增大的特征，但變化幅度較小，幅度范圍約為1.7%—3.2%。當(dāng)外部環(huán)境為15℃—25℃時(shí)，靈敏度變化相對(duì)穩(wěn)定。測(cè)試可知，在-5℃— +15℃環(huán)境下，靈敏度變化率最大。從另一角度反映出環(huán)境溫度對(duì)強(qiáng)震觀測(cè)儀器的材料性能、元件等的影響程度。當(dāng)外界溫度過高或過低時(shí)，加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)受到一定影響，此為需要恒溫環(huán)境的原因之一。

2.1.3 恒溫控制系統(tǒng)控溫過程中的溫度變化。將試驗(yàn)環(huán)境溫度分別設(shè)定在38℃、28℃和3℃，恒溫系統(tǒng)中的恒溫點(diǎn)設(shè)定為20℃。在3 種狀態(tài)下，恒溫膽內(nèi)溫度變化過程如圖7 所示，到達(dá)恒溫點(diǎn)的時(shí)間分別為87 min、34 min 和142 min。環(huán)境溫度高于恒溫點(diǎn)，降溫過程相似，初始時(shí)波動(dòng)劇烈，隨后波動(dòng)幅度逐漸減小。低于恒溫點(diǎn)的狀態(tài)下，溫度穩(wěn)步升高，過程相對(duì)較長(zhǎng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，3 種環(huán)境下恒溫系統(tǒng)內(nèi)溫度波動(dòng)均較小，曲線基本保持一致。

圖7 不同環(huán)境溫度下恒溫系統(tǒng)內(nèi)部溫度變化曲線Fig.7 Internal temperature curves of the constant temperature system under different ambient temperatures

2.2 試運(yùn)行

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，將ES-T 力平衡式三分量加速度傳感器分別于2016 年12 月26 日至2017 年2 月24 日2017 年5 月9 日至2017 年7 月27 日，在啟東圓陀角強(qiáng)震臺(tái)及地球物理勘探中心進(jìn)行試運(yùn)行。部分試運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。

表1 啟東圓陀角強(qiáng)震臺(tái)及地球物理勘探中心部分試運(yùn)行數(shù)據(jù)Table 1 Partial commissioning data of Qidong Yuantuojiao strong seismic station and Geophysical Exploration Center

試運(yùn)行期間經(jīng)歷冬季及夏季，未出現(xiàn)因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的機(jī)械故障現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù)正常。說明恒溫控制系統(tǒng)發(fā)揮了溫度微調(diào)的效能，抑制了環(huán)境溫度變化帶來的影響，使得傳感器在近恒溫狀態(tài)下工作，進(jìn)而提高了設(shè)備工作的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

為解決環(huán)境溫度變化造成的強(qiáng)震觀測(cè)儀加速度傳感器機(jī)械性故障這一技術(shù)難題，研究設(shè)計(jì)了小型恒溫控制系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，在-5℃—+40℃的環(huán)境下，各分向電壓靈敏度雖然總體上呈現(xiàn)隨溫度升高而增大的特征，但變化幅度較小，幅度范圍約為1.7%—3.2%。當(dāng)外部環(huán)境溫度為15℃—25℃時(shí)，靈敏度變化相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)外部環(huán)境溫度為-5℃—+15℃時(shí)，靈敏度變化率最大。地脈動(dòng)對(duì)比觀測(cè)結(jié)果表明，恒溫控制系統(tǒng)對(duì)ES-T 傳感器的影響，在有效頻帶范圍內(nèi)幾乎可以忽略。試運(yùn)行結(jié)果證明，將加速度傳感器置于溫度控制箱內(nèi)，可以保證加速度傳感器的工作穩(wěn)定性。本恒溫控制系統(tǒng)可以滿足加速度傳感器對(duì)溫度補(bǔ)償?shù)囊?，可為保障?qiáng)震觀測(cè)提供技術(shù)解決方案。

將加速度傳感器長(zhǎng)期放在穩(wěn)定的溫度環(huán)境中工作，可以減少加速度傳感器故障，進(jìn)而提高強(qiáng)震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)的可用性。盡管在技術(shù)上已經(jīng)顯示出令人鼓舞的前景，但仍有一些細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步改建與完善。比如小型恒溫控制系統(tǒng)，由于溫腔體積小，當(dāng)外界溫度急劇變化時(shí)，功耗會(huì)有所增加，并且可能存在溫度補(bǔ)償不徹底的現(xiàn)象。后續(xù)將進(jìn)一步研究減小溫度變化的方法，從根本上降低其對(duì)強(qiáng)震觀測(cè)的影響。