基于MEMS傳感器的工程強(qiáng)震動(dòng)加速度計(jì)研制

楊 江，范 濤，黃 蔚，鄧 濤，黃 俊，袁 瓊

（1.湖北省地震局地震預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430071；2.武漢地震科學(xué)儀器研究院有限公司，湖北咸寧 437100；3.湖北省重大工程地震監(jiān)測(cè)與預(yù)警處置工程技術(shù)研究中心，湖北咸寧 437100；4.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430030）

引言

我國(guó)是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)是工程抗震的四大基石之一［1-2］。我國(guó)應(yīng)用于強(qiáng)震觀測(cè)領(lǐng)域的地震加速度計(jì)普遍采用機(jī)械式力平衡加速度計(jì)［3］，主要產(chǎn)品有美國(guó)凱尼公司ES-T型加速度計(jì)，工力所SLJ-100型加速度計(jì)，北京港震公司BBAS-2型加速度計(jì)，珠海泰德TDA-33M型加速度計(jì)等，其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍高（＞145 dB），主要應(yīng)用于強(qiáng)震專業(yè)臺(tái)站的地震監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求不斷拓展，如重大工程（核電站、水庫(kù)大壩、高速鐵路等）、超高層建筑等各行業(yè)均制定了強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)規(guī)范，相對(duì)于地震專業(yè)臺(tái)站，工程應(yīng)用需求精度要求稍低，更側(cè)重于長(zhǎng)期穩(wěn)定、免維護(hù)等特性。隨著MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)外基于MEMS傳感器的加速度計(jì)大量應(yīng)用于工程強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域［4-9］，如瑞士GEO公司的AC-23型加速度計(jì)應(yīng)用于我國(guó)核電KIS地震儀表系統(tǒng)［10］，瑞士Syscom公司的MR3000強(qiáng)震儀應(yīng)用于國(guó)外多個(gè)高層建筑的強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)。

近幾年，國(guó)內(nèi)MEMS廠家產(chǎn)品也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，代表性廠家包括中電十三所、河北美泰公司，嘉興納杰公司等。為了響應(yīng)國(guó)家國(guó)產(chǎn)化核心設(shè)備的應(yīng)用需求，本文選取國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精度MEMS加速度芯片，通過(guò)電路設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)封裝，研制了一款基于MEMS的高精度加速度計(jì)，其性能指標(biāo)完全滿足工程強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)需求。通過(guò)超高層強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)測(cè)試，得到了良好的數(shù)據(jù)產(chǎn)出。

1 MEMS加速度芯片對(duì)比及選型

目前MEMS加速度傳感器主要有壓電式、壓阻式、石英式、變?nèi)菔?、隧道式等類型?1］。壓電式加速度傳感器低頻截止頻率一般在1Hz左右，無(wú)法實(shí)現(xiàn)零頻檢測(cè)；壓阻式加速度傳感器精度較低；隧道式加速度傳感器工藝復(fù)雜，不利于批量制造；石英式加速度傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其差分電容采用鍍金膜石英擺片黏接反饋線圈實(shí)現(xiàn)，已非傳統(tǒng)意義的MEMS技術(shù)；變?nèi)菔郊铀俣葌鞲衅魍ㄟ^(guò)電容換能，電荷反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，具有優(yōu)異的零頻響應(yīng)，在極低的頻率下，具有高靈敏度和出色的溫度穩(wěn)定性，其原理與地震行業(yè)常用的機(jī)械式力平衡式加速度計(jì)基本相同。因此，目前行業(yè)內(nèi)用于高精度強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)的MEMS加速度傳感器通常采用變?nèi)菔筋愋汀?/p>

變?nèi)菔組EMS加速度傳感器的噪聲來(lái)源主要是機(jī)械熱噪聲和電噪聲［14］，電噪聲水平與機(jī)械力平衡加速度計(jì)相當(dāng)，機(jī)械熱噪聲是影響其精度的主要因素。機(jī)械熱噪聲等效公式為［5-6］：

式中：an為噪聲均方根（m/s2/Hz）；kb為玻爾茲曼常數(shù)（=1.38×10-23J/K）；T為開爾文溫度；ω0為加速度計(jì)固有頻率（rad/s）；Q為加速度計(jì)品質(zhì)因數(shù)；m為電容片等效質(zhì)量（kg）。

MEMS加速度芯片由于等效質(zhì)量的限制，其在高精度強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)中與傳感器力平衡機(jī)械式加速度計(jì)相比主要存在兩方面的不足：一是噪聲水平偏高，量產(chǎn)芯片的動(dòng)態(tài)范圍在100～120 dB之間；二是低頻特性較差，主要是DC-1Hz的特性較差。但對(duì)于工程強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)而言，其性能誤差在可接受范圍之內(nèi)。

高端MEMS加速度傳感器芯片均為單軸向芯片，生產(chǎn)廠商國(guó)外主要有美國(guó)SiLicon Design公司，瑞士Colibrys公司，國(guó)內(nèi)主要有河北美泰公司，嘉興納杰公司。其主流產(chǎn)品參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 主流高端MEMS芯片參數(shù)對(duì)比Table 1 Parameter comparison of mainstream high-end MEMS chips

通過(guò)性能對(duì)比，量產(chǎn)芯片中納杰公司AS1002A芯片具有最低的噪聲密度特性，且其產(chǎn)品具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。本文最終選定納杰公司AS1002A單軸加速度芯片作為基礎(chǔ)封裝芯片。

2 三軸向模塊封裝設(shè)計(jì)

對(duì)于單軸向加速度測(cè)量外圍電路采用具有超低失調(diào)、漂移和偏置電流特性的AD8574運(yùn)算放大器搭建［13］。采用差分輸出模式（MODE引腳接地），保留溫補(bǔ)控制輸出和ERR系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)輸出功能。儀器輸出不做放大處理，靈敏度保持原始出廠值1.8V/g，滿量程輸出0.7 V～4.3 V（2.5 V偏置差分），自檢功能需要在STEN引腳輸入5 V高電平，輸出為19 Hz周期性方波。AS1002信號(hào)調(diào)理電路圖如圖1所示。

圖1 AS1002信號(hào)調(diào)理電路圖Fig.1 Schematic of signal conditioning for AS1002

為了方便集成及批量化生產(chǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種三軸一體的封裝模塊，模塊采用高精度機(jī)械加工底座，保證3個(gè)測(cè)量方向的位置精度。模塊采用5 V供電，三軸向信號(hào)差分輸出，并具備自檢功能，輸出定義接口如表2所示。

表2 三軸向模塊封裝引腳定義Table 2 Definitions of the pins for three-axis module package

設(shè)計(jì)完成的三軸向封裝模塊如圖2所示。

圖2 三軸向模塊封裝結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of the three-axis module package

3 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)加速度儀規(guī)范要求，用于強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)的加速度計(jì)需要滿足以下要求：第一，9-18V寬幅供電輸入（標(biāo)稱值為12V）；第二，靈敏度標(biāo)稱值為2.5 V/g；第三，滿量程輸出標(biāo)稱值為±5V；因此需要對(duì)供電和信號(hào)輸出進(jìn)行調(diào)理。

（1）電源處理及保護(hù)［12］

利用9～18V寬幅輸入DC-DC模塊為調(diào)理電路進(jìn)行供電，前級(jí)串聯(lián)壓敏電阻和氣體放電管進(jìn)行一級(jí)防雷保護(hù)，增加TVS管和保險(xiǎn)絲進(jìn)行二級(jí)保護(hù)，因氣體放電管響應(yīng)時(shí)間慢，兩級(jí)防護(hù)之間增加10 uH電感，確保一級(jí)防護(hù)起主要作用。利用電解電容和繞線電阻組成LC濾波電路，去除高頻干擾，電源處理如圖3所示。

圖3 寬幅供電處理原理圖Fig.3 Principle diagram of the wide power supply processing

（2）三軸向模塊供電處理［15］

為了保證輸入及放大后的信號(hào)足夠偏離電源軌，同時(shí)提高電源轉(zhuǎn)換效率增加電路保護(hù)，對(duì)三軸向模塊的供電設(shè)計(jì)為±8V左右。以正電源為例，采用LT1763系列LDO電源，最終輸出為：Vout=1.22( )

1+R3/R5=7.68(V)。模塊正電源處理如圖4所示，前級(jí)增加LC濾波及去耦電容去除高頻干擾及紋波，后級(jí)增加TVS管進(jìn)行保護(hù)。

圖4 三軸向模塊供電原理圖Fig.4 Principle diagram of power supply of three-axis module package

負(fù)電源采用LT1964實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)模塊自檢功能，增加一路+5V輸出，采用MIC5207實(shí)現(xiàn)。（3）模塊輸出信號(hào)處理

三軸向模塊的差分信號(hào)輸出量程為0.7～4.3V，因此為了滿足強(qiáng)震規(guī)范要求，需要將輸出信號(hào)調(diào)理為量程±5V，且為對(duì)地平衡差分［16］。

以Z軸向?yàn)槔秒p運(yùn)放OPA2277U搭建典型的差分運(yùn)放電路，如圖5所示。此時(shí)：

圖5 單軸輸出信號(hào)調(diào)理原理圖Fig.5 Principle diagram of the single-axis output signal conditioning

因加速度計(jì)的輸出信號(hào)可能會(huì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸，為了防止感應(yīng)雷的反向擊穿，在輸出增加由壓敏電阻、電感、TVS管組成的二級(jí)防雷防護(hù)。

4 外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加速度計(jì)外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要滿足以下幾個(gè)要求：第一，IP67防護(hù)等級(jí)；第二，易于調(diào)平；第三，方便地面固定安裝。外殼采用整塊鋁精銑加工，上蓋與本體間設(shè)計(jì)防水凹槽并安裝防水墊圈，上蓋安裝IP67防護(hù)等級(jí)的接插件及調(diào)平水泡，保證儀器的防護(hù)等級(jí)。底面均布3個(gè)可自鎖的調(diào)平地腳螺絲，方便調(diào)平及鎖定。底部設(shè)計(jì)不銹鋼卡座，便于使用膨脹螺絲進(jìn)行地面固定。儀器外殼機(jī)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 加速度計(jì)外殼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.6 Design drawing of the shell mechanism of the accelerometer

5 性能測(cè)試

為了驗(yàn)證MEMS加速度計(jì)特性，本文進(jìn)行了室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)性能比測(cè)和噪聲比測(cè)［17］。振動(dòng)臺(tái)比測(cè)主要包括線性度測(cè)試、加速度誤差測(cè)試、幅頻特性測(cè)試3個(gè)方面內(nèi)容，采用BASALT六通道數(shù)采同時(shí)接入MEMS加速度計(jì)和凱尼ES-T加速度計(jì)，2個(gè)傳感器同向固定于単軸向振動(dòng)臺(tái)上。以凱尼傳感器X軸向的輸出值作為標(biāo)準(zhǔn)值，MEMS加速度計(jì)X軸向輸出值為測(cè)量值。噪聲比測(cè)主要選取安靜環(huán)境下一個(gè)小時(shí)的連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。

（1）線性度比測(cè)

振動(dòng)臺(tái)的測(cè)試信號(hào)的頻率選擇為10 Hz，測(cè)試信號(hào)幅度的有效值選擇為測(cè)量范圍上限值的7%、14%、21%、28%、35%、42%、49%、56%、63%和67%。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 線性度比測(cè)數(shù)據(jù)Table 3 Comparison test data of linearity

式中：VS1為加速度傳感器輸出電壓擬合值；a為標(biāo)準(zhǔn)加速度值；V0為用最小二乘法求出的回歸常數(shù)項(xiàng)；k為用最小二乘法求出的回歸系數(shù)；VS為加速度傳感器輸出電壓實(shí)測(cè)值。

兩款加速度計(jì)靈敏度均為2.5 V/g，測(cè)試結(jié)果線性度誤差為0.24%。

（2）加速度誤差及幅頻特性比測(cè)

因本次測(cè)試的振動(dòng)臺(tái)最高頻率為50 Hz，為保證測(cè)試精度在1～35 Hz選取10個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行加速度誤差和幅頻特性測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。加速度誤差計(jì)算公式，幅頻特性誤差計(jì)算公式

表4 加速度誤差及幅頻特性誤差比測(cè)數(shù)據(jù)Table 4 Comparison test data of acceleration error and amplitude-frequency characteristic error

式中：W為加速度誤差；Fdb為幅頻特性誤差；Ac為加速度測(cè)試值；Ab為加速度標(biāo)準(zhǔn)值。

計(jì)算結(jié)果如表2所示，最大加速度誤差為35 Hz時(shí)，誤差值為0.6%。幅頻特性誤差＜±0.1dB（1-35 Hz）。

（3）自噪聲比測(cè)及對(duì)比分析

采用六通道數(shù)采同時(shí)接入MEMS加速度計(jì)和凱尼ES-T加速度計(jì)靜置在實(shí)驗(yàn)室一樓，選取凌晨12點(diǎn)至1點(diǎn)的一個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以NS向?yàn)槔湓肼晫?duì)比如圖7所示。

受背景噪聲的影響，實(shí)測(cè)ES-T噪聲有效均值為0.002 63 cm/s2，MEMS加速度計(jì)噪聲有效均值為0.003 38 cm/s2。

圖8是在各個(gè)典型重大工程實(shí)測(cè)背景噪聲數(shù)據(jù)曲線，所有噪聲數(shù)據(jù)測(cè)試均采用凱尼ES-T傳感器和BASALT記錄器采集。其中大壩底層背景有效噪聲約為0.013 32 cm/s2，高層建筑底層背景有效噪聲約為0.006 81 cm/s2，高速鐵路AT所背景有效噪聲約為0.026 27 cm/s2，核電站自由場(chǎng)背景有效噪聲約為0.008 142 cm/s2。由圖7、圖8數(shù)據(jù)可知，基于AS1002A的MEMS加速度計(jì)有效自噪聲均小于典型重大工程的實(shí)測(cè)背景有效噪聲。

圖7 MEMS加速度計(jì)與ES-T加速度計(jì)噪聲對(duì)比曲線Fig.7 Noise comparison curve of MEMS accelerometer and ES-T accelerometer

圖8 典型重大工程背景噪聲曲線Fig.8 Background noise curve of typical major projects

6 同址觀測(cè)對(duì)比

在武漢市某高層建筑的56層的電井中，采用本文的基于MEMS的加速度計(jì)和常用的機(jī)械式ETNA2強(qiáng)震儀進(jìn)行同址觀測(cè)，記錄到的背景噪聲和功率譜如圖9所示。

由圖9可知，基于MEMS的強(qiáng)震儀的自噪聲水平相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式加速度傳感器偏高，但是在高層建筑強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)中，能夠滿足監(jiān)測(cè)需求，其在高層建筑背景噪聲水平上兩者在一個(gè)數(shù)量級(jí)水平，誤差5%以內(nèi)。由圖10可知，藍(lán)色代表基于MEMS的強(qiáng)震儀的功率譜，紅色代表ENTA2的功率譜。在低頻段，基于MEMS的強(qiáng)震儀的強(qiáng)震儀相比傳統(tǒng)的機(jī)械式強(qiáng)震儀的噪聲水平偏高，但在大于1Hz以上頻帶兩者相差不大。對(duì)于工程強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)而言，其頻帶及精度滿足要求。

圖9 采用基于MEMS的強(qiáng)震儀和ETNA2同址觀測(cè)的時(shí)程圖Fig.9 Background noise curve of MEMS senor and ETNA2

圖10 采用基于MEMS的強(qiáng)震儀和ETNA2同址觀測(cè)的功率譜圖Fig.10 Power spectral density function curve of the MEMS senor and ETNA2

7 實(shí)際觀測(cè)

2019年，基于MEMS加速度計(jì)安裝于湖北省武漢江漢區(qū)福星華府小區(qū)，用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。2019年12月26日湖北應(yīng)城發(fā)生4.9級(jí)地震，震中距離福星華府小區(qū)85.58公里，見(jiàn)表5。系統(tǒng)全程記錄了地震過(guò)程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，以2棟頂層安裝的強(qiáng)震儀記錄的地震數(shù)據(jù)為例，加速度時(shí)程曲線見(jiàn)圖11。對(duì)時(shí)程曲線三軸向分別求功率譜，同時(shí)在地震事件前取一段時(shí)間（120 s）的噪聲求功率譜，功率譜密度函數(shù)見(jiàn)圖12。

表5 2019年12月26日應(yīng)城地震基本信息Table 5 Basic information of the Yingcheng earthquake on December 26，2019

圖11 應(yīng)城4.9級(jí)地震中福星華府2棟頂層加速度時(shí)程曲線Fig.11 Acceleration duration curve of the top floor of Building 2，F(xiàn)uxing Huafu in the Yingcheng 4.9-magnitude earthquake

圖12 應(yīng)城4.9級(jí)地震中福星華府2棟頂層功率譜密度函數(shù)曲線Fig.12 PowerspectraldensityfunctioncurveofthetopfloorofBuilding 2，F(xiàn)uxing Huafu in the Yingcheng 4.9-magnitude earthquake

8 結(jié)語(yǔ)

本文選擇納杰公司AS1002A芯片進(jìn)行三軸向模塊封裝，依據(jù)地震行業(yè)加速度計(jì)接口規(guī)范，設(shè)計(jì)電源輸入及信號(hào)輸出調(diào)理電路，開展了基于標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的性能對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該款加速度計(jì)的線性度誤差僅為0.24%，在1～35 Hz范圍內(nèi)幅頻特性誤差＜±0.1 dB，白噪聲測(cè)試精度高于0.005 cm/s2。通過(guò)同址實(shí)際觀測(cè)，對(duì)比本文研制的強(qiáng)震加速度計(jì)和凱尼公司的ENTA2強(qiáng)震儀數(shù)據(jù)，在低頻段MEMS的背景噪聲偏大，但均能滿足工程強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求?；贛EMS的強(qiáng)震儀存在無(wú)零漂，不需要機(jī)械調(diào)零和基線校正。

目前已量產(chǎn)自噪聲最低的MEMS加速度芯片是Colibrys公司的Digital-3數(shù)字三軸向芯片，其噪聲密度約為，但對(duì)國(guó)內(nèi)禁售。華中科技大學(xué)研制的MEMS加速度芯片，實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)的噪聲密度優(yōu)于但暫時(shí)還不具備量產(chǎn)條件。在工程強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，對(duì)DC-1Hz的要求不高，隨著MEMS傳感器的不斷完善及成本降低，以及MEMS的加速度芯片具備高精度、易集成、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，MEMS加速度計(jì)在工程強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域可全面取代傳統(tǒng)機(jī)械式加速度計(jì)。隨著MEMS加速度計(jì)在低頻段的持續(xù)改進(jìn)，相信MEMS加速度計(jì)在全領(lǐng)域可全面取代傳統(tǒng)機(jī)械式加速度計(jì)。