王 雷

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080)

隨著數(shù)字信號(hào)處理與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，地震觀測(cè)及工程測(cè)振對(duì)傳感器的精度、可靠性等性能指標(biāo)的要求越來(lái)越高。本文的研究目的是將模擬量輸出的力平衡加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、觸發(fā)判斷、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能集于一體，組成高精度、低功耗的智能數(shù)字式輸出加速度傳感器，為今后強(qiáng)震觀測(cè)提供有力的技術(shù)支持。本論文主要包括以下內(nèi)容：

(1) 提出了將高精度數(shù)字采集與控制系統(tǒng)應(yīng)用于加速度傳感器構(gòu)成數(shù)字智能傳感器的方案。方案的特點(diǎn)在于采用高精度24位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以高速信號(hào)處理器為控制核心，具有高精度、大動(dòng)態(tài)范圍、功耗低、體積小等特性。

(2) 對(duì)模擬量輸出的力平衡傳感器的工作原理及電路進(jìn)行了理論分析。在理論分析的基礎(chǔ)上，提出了電路改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)了數(shù)字化集成相敏解調(diào)與正弦波振蕩器，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，改進(jìn)了其性能。

(3) 采用磁導(dǎo)法和有限元分析的方法對(duì)傳感器的磁路特性進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析與仿真研究，并與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明兩種方法都能滿足傳感器磁路設(shè)計(jì)的要求，但有限元分析的方法更為準(zhǔn)確。

(4) 對(duì)傳感器的零位電壓與環(huán)境溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了原理分析，并進(jìn)行了高低溫實(shí)驗(yàn)，采用最小二乘法對(duì)傳感器的零位電壓與溫度變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析了采用不同曲線擬合方法的誤差，并設(shè)計(jì)了傳感器的溫度補(bǔ)償電路。指出采用二次、三次曲線擬合進(jìn)行溫度特性補(bǔ)償可以減小零位溫度漂移，采用高次曲線擬合雖能進(jìn)一步減小誤差影響，但其計(jì)算復(fù)雜會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行效率。

(5) 研制成數(shù)字智能三分量力平衡加速度傳感器的樣機(jī)。給出了數(shù)字智能加速度傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與特性，分析了其在有限硬件資源條件下，對(duì)完整TCP/IP協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化方法，移植了適用于智能傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧絋CP/IP協(xié)議和基于網(wǎng)頁(yè)交互控制的嵌入式WebServer協(xié)議；實(shí)現(xiàn)了基于CF卡的嵌入式文件系統(tǒng)以完成數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)；設(shè)計(jì)了基于IIR帶通濾波器的傳感器觸發(fā)采集機(jī)制，并對(duì)濾波器的性能進(jìn)行了測(cè)試。

(6) 在對(duì)傳感器傳遞函數(shù)特性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了采用線性相位與最小相位數(shù)字濾波器對(duì)傳感器特性的影響。通過(guò)激光干涉法與自標(biāo)定法對(duì)傳感器特性進(jìn)行了測(cè)試與分析。通過(guò)傳感器幅頻與相頻特性測(cè)試，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)傳感器的傳遞函數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)分析。分析并研究了傳感器橫向靈敏度和敏測(cè)角對(duì)傳感器性能的影響。

(7) 設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的傳感器自標(biāo)定測(cè)試分析系統(tǒng)；比較分析了傳感器不同標(biāo)定方法測(cè)定結(jié)果之間誤差產(chǎn)生原因和不同標(biāo)定方法所適用的范圍。分析并測(cè)試了基于反饋閉環(huán)式傳感器的噪聲特性與動(dòng)態(tài)范圍，認(rèn)為基于力平衡式傳感器相對(duì)于開(kāi)環(huán)加速度傳感器提高了動(dòng)態(tài)范圍與頻響特性，但是對(duì)于傳感器的自身噪聲特性并無(wú)改善，為了提高傳感器的噪聲特性，必須改進(jìn)傳感器的結(jié)構(gòu)與電路設(shè)計(jì)。

(8) 對(duì)數(shù)字智能三分量力平衡加速度傳感器的樣機(jī)的主要性能進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試，獲得了理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。