王浩丁煒

(中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071)

MEMS加速度計(jì)與傳統(tǒng)地震加速度計(jì)的比較研究*

王浩丁煒

(中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071)

對(duì)MEMS加速度計(jì)記錄的地面震動(dòng)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)地震加速度計(jì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究，探討MEMS加速度計(jì)用于地震監(jiān)測(cè)的可行性。

地震加速度;MEMS加速度計(jì);地震監(jiān)測(cè);地震烈度;地震儀器

1 引言

近年來(lái)，成本低、體積小的MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)加速度傳感器已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)［1］。但是，MEMS加速度計(jì)存在精度較差，靈敏度較低的缺點(diǎn)［2］，能否適用于地震烈度監(jiān)測(cè)，還缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。本課題組設(shè)計(jì)了一套基于MEMS加速度傳感器的硬件系統(tǒng)，通過(guò)與傳統(tǒng)地震加速度計(jì)監(jiān)測(cè)效果的比較，分析MEMS加速度計(jì)是否適用于地震烈度監(jiān)測(cè)。

2 MEMS加速度計(jì)

使用一片單分向和一片兩分向MEMS加速度傳感器組合監(jiān)測(cè)三個(gè)互相垂直分向的加速度信號(hào)。單分向和兩分向傳感器分別選擇ADXL103型和ADXL203型 MEMS芯片［3］。ADXL103/203 的靈敏度典型值為1 V/g，使用GPS模塊獲取時(shí)間信息。使用單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換，采樣率為100 Hz，16位采樣，滿度值(32 768)對(duì)應(yīng)2.5 V。采用高性能的ARM處理器和嵌入式Linux系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。選用的ARM處理器帶有兩個(gè)主USB口，可連接兩個(gè)USB接口的無(wú)線網(wǎng)卡，能夠?qū)崿F(xiàn)多臺(tái)終端組網(wǎng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)也方便與PC機(jī)之間的通信。其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

3 地震加速度計(jì)

選擇941-B型拾振器作為傳統(tǒng)地震加速度計(jì)［4］，靈敏度為0.321 2 Vs2/m。數(shù)據(jù)采集原理如圖2所示。將拾振器與地震烈度監(jiān)測(cè)終端放置在辦公室大理石地面上同一地點(diǎn)。拾振器與一臺(tái)ME-I型微動(dòng)數(shù)據(jù)采集器相連，微動(dòng)數(shù)采與地震烈度監(jiān)測(cè)終端均內(nèi)嵌GPS模塊，保證兩組數(shù)據(jù)的時(shí)鐘同步。

圖1 MEMS終端結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the MEMS terminal

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理略圖Fig.2 Schematic diagram of data acquisition system

4 數(shù)據(jù)的獲取與處理

地震烈度監(jiān)測(cè)終端通過(guò)內(nèi)置的無(wú)線網(wǎng)卡與接在PC機(jī)上的無(wú)線網(wǎng)卡向PC機(jī)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。微動(dòng)數(shù)采的數(shù)據(jù)由PC機(jī)通過(guò)USB線讀出。在PC機(jī)上，使用軟件“微動(dòng)記錄數(shù)據(jù)瀏覽系統(tǒng)”顯示微動(dòng)數(shù)采記錄的數(shù)據(jù)。其效果見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)據(jù)顯示軟件Fig.3 Data display software

實(shí)驗(yàn)中，人為地在大理石地面上制造人工地振動(dòng)，使用兩種儀器同時(shí)采集約20分鐘的加速度數(shù)據(jù)。兩組數(shù)據(jù)均為表示采樣值的整數(shù)數(shù)據(jù)，乘以因子2.5/32768可轉(zhuǎn)換為電壓，根據(jù)941B型拾振器與ADXL103/203型MEMS加速度傳感器的靈敏度，將電壓值轉(zhuǎn)換為以1×10－2ms－2為量綱的加速度數(shù)據(jù)。統(tǒng)一量綱之后的數(shù)據(jù)波形如圖4所示。

圖4 統(tǒng)一量綱后的數(shù)據(jù)波形Fig.4 Data waveform of unified dimention

4.1 噪聲分析

取圖4波形中50～55 s的一段(圖5)進(jìn)行分析，從圖5可見(jiàn)該段沒(méi)有明顯的地震動(dòng)，微動(dòng)儀記錄的最大幅值不足 0.1 ×10－2ms－2，而 MEMS 加速度計(jì)記錄的最大幅值在1×10－2ms－2左右。如果以微動(dòng)儀的記錄為基準(zhǔn)，則MEMS加速度計(jì)存在約1×10－2ms－2的較大噪聲。查閱MEMS加速度計(jì)相關(guān)參數(shù)，可計(jì)算出其產(chǎn)生的噪聲的理論典型值約為0.98×10－2ms－2(均方根)。噪聲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值基本相符。

圖5 局部波形Fig.5 Partial waveform

4.2 震動(dòng)波形分析

圖6 局部放大波形1Fig.6 Partial enlarged waveform 1

圖7 局部放大波形2Fig.7 Partial enlarged waveform 2

再取兩組記錄數(shù)據(jù)中63～66 s的一段(圖6)進(jìn)行分析，從圖6可見(jiàn)該段記錄到了一系列明顯的震動(dòng)，最大幅值約為5×10－2ms－2。再在圖6中取65～65.3s的局部如圖7所示。在圖6中，前兩次振幅較小的震動(dòng)在MEMS加速度計(jì)的記錄中被噪聲淹沒(méi)。而后三次振幅較大的震動(dòng)，MEMS加速度計(jì)記錄的波形與微動(dòng)儀所記錄的波形在形狀和振幅兩方面均較吻合。圖7更加直觀地顯示了與微動(dòng)波形相比，MEMS記錄的波形在震動(dòng)時(shí)間、幅值、形狀、初動(dòng)方向等方面均基本一致。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比分析我們可以發(fā)現(xiàn)，MEMS加速度計(jì)含有最大幅值約1×10－2ms－2的噪聲，當(dāng)震動(dòng)的幅值較小時(shí)，無(wú)法被MEMS加速度計(jì)明顯地記錄到。因此，對(duì)弱小震動(dòng)的監(jiān)測(cè)，MEMS加速度計(jì)并不適用。當(dāng)振幅較大時(shí)，MEMS加速度計(jì)記錄的波形與傳統(tǒng)加速度計(jì)基本吻合，其數(shù)據(jù)的幅頻特性與傳統(tǒng)加速度計(jì)也基本一致。因此對(duì)較強(qiáng)地面震動(dòng)的監(jiān)測(cè)，MEMS加速度計(jì)的效果與傳統(tǒng)加速度計(jì)相當(dāng)。

1 Mougenot D and Thorburn N.MEMS based 3C accelerometer for land seismic acquisition:Is it times［J］.The Leading Edge，2004，3:47 －58.

2 許建華.基于微型傳感器的地震加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)研究［D］.中國(guó)地震局地球物理研究所，2006.

3 Analog D evices.ADXL103/203 Datasheet［ED/OL］.http://www.analog.com.

4 廖成旺，鄧濤，丁煒.微動(dòng)數(shù)據(jù)采集高精度時(shí)鐘同步技術(shù)方案與結(jié)果［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2009，(6):150－153.

COMPARISON AMONG MEMS ACCELEROMETER AND TRADITIONAL SEISMOMETER

Wang Hao and Ding Wei
(Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seimology，CEA，Wuhan 430071)

Data recorded by the MEMS accelerometer and the traditional seismometer are compared.And the feasibility of earthquake monitoring of the MEMS accelerometer is discussed.

earthquake acceleration;MEMS accelerometer;earthquake monitoring;earthquake intensity;seismograph

P224.1

A

1671-5942(2013)Supp.(Ⅱ)-0093-03*

2013-07-31

中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目(XH12032)

王浩，男，1982年生，碩士，研究方向?yàn)榈卣鹩^測(cè)技術(shù)與儀器.E－mail:31317120@qq.com