力平衡加速度計(jì)的溫度補(bǔ)償技術(shù)研究.pdf

1、加速度傳感器是組成強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站和臺(tái)網(wǎng)的核心部分,它的性能指標(biāo)關(guān)系到強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)的質(zhì)量?，F(xiàn)在強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)中廣泛使用的加速度傳感器,普遍采用了力平衡反饋技術(shù),以實(shí)現(xiàn)寬觀測(cè)頻帶、大動(dòng)態(tài)范圍、低儀器噪聲的目標(biāo),稱之為力平衡加速度計(jì)。
　　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、零點(diǎn)漂移等指標(biāo),進(jìn)而影響到儀器的穩(wěn)定性,增加使用和維護(hù)成本,降低產(chǎn)出數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
　　論文以力平衡加速度計(jì)為研究對(duì)象,探索其溫度補(bǔ)償方法,

2、抑制力平衡加速度計(jì)的零點(diǎn)漂移,改善力平衡加速度計(jì)的溫度穩(wěn)定性,提高加速度記錄的質(zhì)量。
　　論文的核心思想是通過構(gòu)建一個(gè)零點(diǎn)漂移很小的基準(zhǔn)源與力平衡加速度計(jì)進(jìn)行對(duì)比觀測(cè),進(jìn)而對(duì)力平衡加速度計(jì)的輸出進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)一種新型的復(fù)合加速度傳感器,兼具噪聲低、零點(diǎn)漂移小的特性。
　　MEMs加速度計(jì)是采用微機(jī)電技術(shù)制作的單芯片型加速度計(jì),在振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域和其它精密儀器中有著愈加廣泛的應(yīng)用;雖然它的噪聲和分辨率等指標(biāo),與力平衡加速度計(jì)有差距

3、,但具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),例如體積小、功耗低、外圍電路簡單等。
　　在論文的實(shí)驗(yàn)方案中,我們以較小的功耗和簡單的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一個(gè)小型恒溫系統(tǒng),使 MEMs加速度計(jì)的工作區(qū)域溫度保持穩(wěn)定,進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)低溫度漂移的基準(zhǔn)加速度輸出量,對(duì)力平衡加速度計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
　　針對(duì)兩種加速度計(jì)不同的特點(diǎn),在進(jìn)行系統(tǒng)集成時(shí),我們需要設(shè)計(jì)低通濾波器來抑制 MEMs加速度計(jì)的噪聲對(duì)力平衡加速度計(jì)的噪聲的影響,使補(bǔ)償只在低頻段進(jìn)行。我們參考地震波的

4、頻段、加速度計(jì)的應(yīng)用范圍、兩種加速度計(jì)的噪聲對(duì)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(hào)數(shù)字處理技術(shù)設(shè)計(jì)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?cè)O(shè)計(jì)了包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字處理器電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。
　　我們使用重力法,通過旋轉(zhuǎn)平臺(tái),對(duì)MEMs加速度計(jì)和力平衡加速度計(jì)的靈敏度和方位角的偏差進(jìn)行測(cè)試,并根據(jù)坐標(biāo)變換的原理對(duì)補(bǔ)償值進(jìn)行修正。
　　當(dāng)研究的方案完成確定后,我們構(gòu)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(jì)系統(tǒng),恒溫MEMs加速度計(jì)系統(tǒng),溫度補(bǔ)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(jìn)行軟件開發(fā),控制信號(hào)數(shù)字處理系統(tǒng)的工作,進(jìn)行校正和
　　加速度傳感器是組成強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站和臺(tái)網(wǎng)的核心部分,它的性能指標(biāo)關(guān)系到強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)的質(zhì)量。現(xiàn)在強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)中廣泛使用的加速度傳感器,普遍采用了力平衡反饋技術(shù),以實(shí)現(xiàn)寬觀測(cè)頻帶、大動(dòng)態(tài)范圍、低儀器噪聲的目標(biāo),稱之為力平衡加速度計(jì)

6、。
　　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、零點(diǎn)漂移等指標(biāo),進(jìn)而影響到儀器的穩(wěn)定性,增加使用和維護(hù)成本,降低產(chǎn)出數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
　　論文以力平衡加速度計(jì)為研究對(duì)象,探索其溫度補(bǔ)償方法,抑制力平衡加速度計(jì)的零點(diǎn)漂移,改善力平衡加速度計(jì)的溫度穩(wěn)定性,提高加速度記錄的質(zhì)量。
　　論文的核心思想是通過構(gòu)建一個(gè)零點(diǎn)漂移很小的基準(zhǔn)源與力平衡加速度計(jì)進(jìn)行對(duì)比觀測(cè),進(jìn)而對(duì)力平衡加速度計(jì)的輸出進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)一種新型

7、的復(fù)合加速度傳感器,兼具噪聲低、零點(diǎn)漂移小的特性。
　　MEMs加速度計(jì)是采用微機(jī)電技術(shù)制作的單芯片型加速度計(jì),在振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域和其它精密儀器中有著愈加廣泛的應(yīng)用;雖然它的噪聲和分辨率等指標(biāo),與力平衡加速度計(jì)有差距,但具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),例如體積小、功耗低、外圍電路簡單等。
　　在論文的實(shí)驗(yàn)方案中,我們以較小的功耗和簡單的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一個(gè)小型恒溫系統(tǒng),使 MEMs加速度計(jì)的工作區(qū)域溫度保持穩(wěn)定,進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)低溫度漂移的基準(zhǔn)加速

8、度輸出量,對(duì)力平衡加速度計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
　　針對(duì)兩種加速度計(jì)不同的特點(diǎn),在進(jìn)行系統(tǒng)集成時(shí),我們需要設(shè)計(jì)低通濾波器來抑制 MEMs加速度計(jì)的噪聲對(duì)力平衡加速度計(jì)的噪聲的影響,使補(bǔ)償只在低頻段進(jìn)行。我們參考地震波的頻段、加速度計(jì)的應(yīng)用范圍、兩種加速度計(jì)的噪聲對(duì)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(hào)數(shù)字處理技術(shù)設(shè)計(jì)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?cè)O(shè)計(jì)了包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字處理器電路、數(shù)

9、模轉(zhuǎn)換電路的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。
　　我們使用重力法,通過旋轉(zhuǎn)平臺(tái),對(duì)MEMs加速度計(jì)和力平衡加速度計(jì)的靈敏度和方位角的偏差進(jìn)行測(cè)試,并根據(jù)坐標(biāo)變換的原理對(duì)補(bǔ)償值進(jìn)行修正。
　　當(dāng)研究的方案完成確定后,我們構(gòu)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(jì)系統(tǒng),恒溫MEMs加速度計(jì)系統(tǒng),溫度補(bǔ)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(jìn)行軟件開發(fā),控制信號(hào)數(shù)字處理系統(tǒng)的工作,進(jìn)行校正和濾波等運(yùn)算,得到

10、實(shí)時(shí)的補(bǔ)償量。
　　當(dāng)系統(tǒng)完成后,我們測(cè)試了恒溫系統(tǒng)的性能、加速度計(jì)的零點(diǎn)漂移指標(biāo)及噪聲指標(biāo)等,測(cè)試結(jié)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(nèi),內(nèi)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(jì)的零點(diǎn)漂移指標(biāo)由o.5mg/℃降低至0.1mg/℃以下。
　　2、經(jīng)過溫控箱測(cè)試,補(bǔ)償后的力平衡加速度計(jì),三分向的零點(diǎn)漂移值由大于1mg/℃降低至恒溫MEMs加速度計(jì)