李彩華 李小軍 滕云田 胡星星 劉 成

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081）

引言

力平衡加速度傳感器和強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)采集器是進(jìn)行強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)的2種重要儀器。通常2種儀器各自獨(dú)立，但是部分廠商已經(jīng)開始將其合成為1種儀器，即將強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)采集器嵌入到力平衡加速度傳感器內(nèi)部，使得2種獨(dú)立儀器合成為強(qiáng)震動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及記錄一體機(jī)。這種強(qiáng)震動(dòng)測(cè)量一體機(jī)具有體積小、便于攜帶和聯(lián)網(wǎng)等特點(diǎn)，尤其適用于流動(dòng)觀測(cè)。同時(shí)，為了保證獲得高質(zhì)量的強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，要求強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)采集器的信噪比和動(dòng)態(tài)范圍足夠大、采樣率高且具有足夠的存儲(chǔ)空間；隨著高速、大容量存儲(chǔ)介質(zhì)的出現(xiàn)，高頻率采樣成為強(qiáng)震儀器的發(fā)展趨勢(shì)。本文基于傳統(tǒng)三分量力平衡加速度傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了三分量一體化加速度傳感器機(jī)械底座，并以低噪音寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路完成加速度傳感器模擬電壓信號(hào)輸出；在傳感器內(nèi)部嵌入以24位Δ-∑型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1294為基礎(chǔ)的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，嵌入擴(kuò)展多種接口的1.4GHz×4微控制器主板，形成1款具有高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換、具備串口、USB口、網(wǎng)口等多種接口的低功耗、24位數(shù)字輸出的力平衡加速度傳感器。

該數(shù)字化力平衡加速度傳感器共包含4部分，分別為機(jī)械振動(dòng)傳感器底座、模擬信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路、三通道同步高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和高速ARM微控制器主板及數(shù)據(jù)處理電路，其基本結(jié)構(gòu)見圖1。其中前2部分是傳統(tǒng)模擬式力平衡加速度傳感器，而后2部分組成了強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)采集器或記錄器。其中，機(jī)械振動(dòng)傳感器底座負(fù)責(zé)對(duì)震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，模擬信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路部分負(fù)責(zé)將傳感器機(jī)械底座檢測(cè)到的電荷變化轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌跍y(cè)量的電壓信號(hào)，三通道同步高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分完成三通道信號(hào)的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，并提供精準(zhǔn)時(shí)鐘及時(shí)鐘校正功能；高速ARM微控制器主板完成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的控制與數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、RS232串口、USB口、網(wǎng)絡(luò)、電源管理模塊等多接口操作。

圖1 數(shù)字化加速度傳感器原理框圖Fig.1 Functional block diagram of digital force balanced accelerometer

1 傳感器原理及設(shè)計(jì)

傳感器機(jī)械振動(dòng)底座負(fù)責(zé)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。一般單分量的力平衡加速度傳感器由磁缸、磁鐵、反饋線圈和中間極板、上極板、下極板等組成部件（李彩華等，2014）。反饋線圈與中間極板共同構(gòu)成傳感器的可動(dòng)部件，其余部分均為不可動(dòng)部件。3個(gè)正交的單分量力平衡加速度傳感器組成三分向力平衡加速度傳感器底座。本文中的傳感器機(jī)械底座具有一體化加工的三分量正交磁缸，采用先進(jìn)的數(shù)字加工技術(shù)，在1塊純鐵上同時(shí)加工出3個(gè)垂直正交的機(jī)械磁缸，減小了正交誤差，解決了傳統(tǒng)分體組裝傳感器橫向靈敏度較大的問題，同時(shí)縮小傳感器的體積。并且通過增強(qiáng)傳感器內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度、調(diào)整傳感器質(zhì)量塊重量方式將傳感器測(cè)量頻帶范圍擴(kuò)展到0—200Hz。

傳感器中調(diào)制解調(diào)電路部分負(fù)責(zé)將傳感器機(jī)械底座的電荷變化轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌跍y(cè)量的電壓信號(hào)。此部分電路主要包含橋式振蕩電路、解調(diào)電路、放大輸出電路和反饋電路。橋式振蕩電路自激產(chǎn)生一定頻率的正弦波，分別被處理成幅值相同、極性相反的正弦波信號(hào)后被分別施加到機(jī)械底座的上、下極板，因此中間極板輸出信號(hào)由低頻信號(hào)調(diào)整成了高頻信號(hào)。該高頻信號(hào)經(jīng)由場(chǎng)效應(yīng)管組成的解調(diào)電路后，代表地面振動(dòng)的電壓信號(hào)被提取出來，最后由運(yùn)算放大電路調(diào)理成模擬差動(dòng)電壓信號(hào)進(jìn)行輸出。為了調(diào)整傳感器頻帶特性，輸出電壓信號(hào)經(jīng)過反饋電路將重新輸入到傳感器線圈中。

2 高精度數(shù)據(jù)采集器原理及設(shè)計(jì)

高精度數(shù)據(jù)采集器電路負(fù)責(zé)將傳感器輸出的3個(gè)模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，完成計(jì)算處理操作后，由本地存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)，經(jīng)串口、USB口、網(wǎng)口等通訊端口發(fā)送出去（吳海超，2013；Hu等，2014）。本文的采集器電路從功能上主要分為高精度數(shù)據(jù)采集電路和高速ARM核心處理電路。

2.1 高精度數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

高精度數(shù)據(jù)采集電路板主要完成三通道數(shù)據(jù)的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘讀取，其基本設(shè)計(jì)原理見圖2。主要分為前置調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、低速ARM處理器電路和時(shí)鐘管理電路4部分。

2.1.1 前置調(diào)理電路

強(qiáng)震信號(hào)尤其遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)震信號(hào)是極其微弱的低頻信號(hào)，其有用頻率在0.1—20Hz頻帶內(nèi)，從抑制基線漂移和帶外噪聲以及保護(hù)后續(xù)電路等方面考慮，在采集器前置處理電路中需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、調(diào)理及限幅。本文設(shè)計(jì)的前置調(diào)理電路為3路完全相同的差動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路，將加速度傳感器的輸出電壓信號(hào)調(diào)理成與模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1294輸入范圍一致的電壓信號(hào)。圖3為單通道前置調(diào)理電路，其中電阻對(duì)R1與R3、R2與R4分別完成正負(fù)向電壓信號(hào)的比例分壓，阻容電路R5與C2、R6與C3完成正負(fù)向電壓信號(hào)的低通濾波，并經(jīng)由雙二極管BAT54S并將AINP、AINN端輸出電壓信號(hào)鉗制在-2.5—2.5V范圍內(nèi)，將后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入電壓鉗制在合理輸入范圍內(nèi)，可以避免后續(xù)電路遭高電壓破壞。

2.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

電路選用四通道的同步24位Δ-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1294。該元件內(nèi)置多通道可變?cè)鲆娌罘州斎敕糯笃鳎€具有電源參考源和晶振。該芯片每個(gè)通道的最高采樣率為32ksps，是1款基于SPI接口的可編程芯片，通過內(nèi)部寄存器可以選擇內(nèi)部電路開關(guān)，設(shè)置增益、采樣率等，其24位A/D轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到μV級(jí)，完全滿足強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)儀器數(shù)據(jù)采集的需要。高分辨率模式下功耗為10.1mW，低功耗模式下為8.3mW。在采樣率不超過8ksps時(shí)仍能具有24位的轉(zhuǎn)換精度。內(nèi)部集成了4個(gè)程控差分輸入放大器、Wilson電阻網(wǎng)絡(luò)等，結(jié)合高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，將基線漂移、工頻干擾等噪聲處理設(shè)置在模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字處理部分，可以大大簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集前端的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)震信號(hào)的采集。

圖3 前置調(diào)理電路原理圖Fig.3 Diagram of preconditioning circuit

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換ADS1294工作原理圖Fig.4 Block diagram of analog-to-digital convertor ADS1294

2.1.3 低速ARM控制器及時(shí)鐘管理電路

為了完成500Hz、1000Hz等高頻率采樣時(shí)大量數(shù)據(jù)的處理工作，本研究在該模數(shù)轉(zhuǎn)換電路板上內(nèi)置了低速ARM芯片STM32F407，由該芯片及其相關(guān)電路與GPS模塊、高精度晶振電路、高速ARM核心微控制器主板共同配合完成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的各種時(shí)序控制。其中GPS模塊產(chǎn)生3個(gè)控制信號(hào)，即GPS_TX、GPS_RX和TIMEPUSLE，分別實(shí)現(xiàn)GPS信息發(fā)送、接收和GPS秒脈沖傳送，并經(jīng)通用數(shù)據(jù)接口PB5口輸入到STM32F407內(nèi)部參與邏輯控制和時(shí)序控制。高精度晶振電路負(fù)責(zé)生成高精度時(shí)鐘信號(hào)，由STM32F407根據(jù)GPS秒脈沖數(shù)據(jù)對(duì)高精度晶振進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)。具體實(shí)現(xiàn)方法為STM32F407同時(shí)讀入GPS秒脈沖信號(hào)TIMEPUSLE、高精度時(shí)鐘晶振輸出信號(hào)OSC_IN，計(jì)算兩者差值，并根據(jù)差值大小由STM32F407通用數(shù)據(jù)輸出口輸出電壓調(diào)節(jié)信號(hào)DAC到運(yùn)放OPA333的正向輸入端，該運(yùn)放的輸出端信號(hào)再連接到高精度晶振的電壓控制端進(jìn)行調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)高精度晶振的輸出信號(hào)OSC_IN的頻率偏差，從而利用GPS秒脈沖信號(hào)完成了校正實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能。

2.2 高速ARM核心電路

高速ARM核心電路板需要完成與高精度數(shù)據(jù)采集電路板的通訊，數(shù)據(jù)處理與SD存儲(chǔ)卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，串口模塊、USB模塊、有線網(wǎng)絡(luò)模塊和無線Wi-Fi模塊4種通訊模塊管理與數(shù)據(jù)通訊，以及各種模塊的電源管理控制。以上功能對(duì)ARM核心電路的CPU要求較高，不僅要求芯片速度快、可管理多種接口通訊，而且必須具備低功耗特性。因此，本設(shè)計(jì)中選用三星公司相對(duì)成熟的型號(hào)為S5P4418的ARM芯片做為核心電路主CPU，且為本儀器定制1款專用ARM核心電路板。

2.2.1 S5P4418型ARM芯片簡(jiǎn)介

ARM芯片S5P4418采用4核處理器Cortex-A9，主頻為1.4GHz×4，片內(nèi)配置32KB×4 I/D一級(jí)緩存，1MB二級(jí)緩存，單通道32位數(shù)據(jù)總線，內(nèi)存DDR3 800MHz存儲(chǔ)帶寬，板載4個(gè)USB Host 2.0主設(shè)備接口和1個(gè)USB Otg 2.0從設(shè)備接口，板上2路SDIO 2.0，引出1個(gè)SD/MMC卡槽，支持4個(gè)UART串行口，波特率115200bps，用于GPS通信、普通串口、調(diào)試信息輸出等。采用此ARM芯片的電路板可直接用作高性能強(qiáng)震記錄器的核心CPU板，從而節(jié)約強(qiáng)震儀器的開發(fā)時(shí)間。

2.2.2 高速ARM核心電路板設(shè)計(jì)

高速ARM核心電路板有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)與命令顯示、數(shù)據(jù)傳輸與命令通訊和電源管理4大功能模塊，模塊與ARM芯片S5P4418的接口設(shè)計(jì)見圖5。對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)，首先S5P4418通過GPIO端口從高精度數(shù)據(jù)采集板卡讀出模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和發(fā)送命令信息，同時(shí)也通過SPI端口讀取GPS信息及秒脈沖數(shù)據(jù)，然后S5P4418把讀出的數(shù)據(jù)信息和GPS時(shí)間信息通過SDIO端口存儲(chǔ)到SD卡中，完成永久固態(tài)存儲(chǔ)強(qiáng)震記錄；在數(shù)據(jù)與命令顯示模塊的設(shè)計(jì)中，S5P4418通過1個(gè)I2C總線和LCD-TFT控制器管理控制觸摸屏顯示，實(shí)現(xiàn)發(fā)送顯示數(shù)據(jù)和命令數(shù)據(jù)讀取的交互操作；本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)傳輸與命令通訊模塊共支持4種通訊端口，分別為串口、USB口、有線網(wǎng)絡(luò)端口和無線Wi-Fi口。其中串口、USB口、有線網(wǎng)絡(luò)由S5P4418芯片內(nèi)置相應(yīng)功能端口直接管理，而無線Wi-Fi口則由S5P4418芯片的SPI和GPIO口通過無線Wi-Fi模塊GS2011擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，由于GS2011內(nèi)部具有CPU模塊和存儲(chǔ)器，當(dāng)需要處理數(shù)據(jù)時(shí)，GS2011與S5P4418通過中斷進(jìn)行程序執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通訊；在電源管理模塊設(shè)計(jì)中，S5P4418通過線性電源模塊輸出高精度電源，并且由ARM芯片判斷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、通訊等各個(gè)模塊是否需要工作，來開關(guān)各個(gè)模塊的線性電源供電操作，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感器電路的低功耗管理。

圖5 S5P4418型ARM核心板原理圖Fig.5 Diagram showing principle of S5P4418 ARM circuit board

3 傳感器測(cè)試

數(shù)字化力平衡加速度傳感器整機(jī)達(dá)到了如下技術(shù)指標(biāo)：

（1）加速度測(cè)量頻率范圍為0—200Hz；

（2）加速度測(cè)量范圍±4g；

（3）輸出靈敏度為2.5V/g；

（4）動(dòng)態(tài)范圍≥130dB；

（5）線性度優(yōu)于1%；

（6）2個(gè)水平向、1個(gè)垂直向，三分向一體；

（7）具有防雷保護(hù)電路；

（8）采集器采樣率支持50Hz、100Hz、200Hz、400Hz、800Hz、1000Hz；

（9）采集器量程支持±1.25V、±2.5V、±5V、±10V；

（10）支持USB口、網(wǎng)絡(luò)端口通訊；

（11）單＋12V DC供電，整機(jī)功耗1.1W；

為了驗(yàn)證該數(shù)字化加速度傳感器各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及整機(jī)的可靠性，對(duì)傳感器樣機(jī)分別進(jìn)行了傳感器的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)檢定試驗(yàn)、傳感器運(yùn)行觀測(cè)實(shí)驗(yàn)以及結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)臺(tái)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，以上測(cè)試實(shí)驗(yàn)中采集器采樣率均為100Hz，5V量程。

首先，在中航工業(yè)北京長(zhǎng)城測(cè)試計(jì)量研究院的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)對(duì)傳感器的幅頻特性、靈敏度等進(jìn)行測(cè)試，表1給出了該傳感器的幅頻特性檢定結(jié)果，從中可以看出傳感器頻帶可以達(dá)到200Hz。

表1 加速度傳感器幅頻特性標(biāo)定數(shù)據(jù)Table 1 Calibration data for amplitude and frequency characteristics of accelerometer

其次，在北京白家疃地震臺(tái)、安徽金寨縣地震臺(tái)進(jìn)行了多天傳感器運(yùn)行觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，取得了大量的強(qiáng)震動(dòng)噪聲觀測(cè)數(shù)據(jù)，并且在安徽省金寨縣地震臺(tái)獲取了2017年8月8日四川省九寨溝強(qiáng)震記錄。隨機(jī)選取了2017年2月8日3時(shí)的北京白家疃地震臺(tái)噪聲觀測(cè)數(shù)據(jù)、2017年8月3日3時(shí)的安徽省金寨縣地震臺(tái)噪聲觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖6、7分別為北京白家疃地震臺(tái)、安徽金寨縣地震臺(tái)的1000點(diǎn)噪聲觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線，圖8、9分別為以上2組數(shù)據(jù)剔除基線值的噪聲波形曲線。從噪聲曲線波形來看，該傳感器噪聲峰值小于5μg，對(duì)上述2時(shí)段的噪聲數(shù)據(jù)計(jì)算得到噪聲均方根值和動(dòng)態(tài)范圍值（表2），從計(jì)算結(jié)果可以看出傳感器噪聲均方根值最低為0.7235μg，動(dòng)態(tài)范圍最大可達(dá)134.85dB。為了分析該傳感器的頻域特性，對(duì)2個(gè)臺(tái)站噪聲觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自功率譜分析，圖10（a）、（b）、（c）分別為白家疃臺(tái)站傳感器東西向、南北向和垂直向的自功率譜曲線，圖10（d）、（e）、（f）分別為金寨縣臺(tái)站傳感器東西向、南北向和垂直向自功率譜曲線。從圖中可以看出，該傳感器0.1Hz處功率譜約為－120dB，1Hz處功率譜約為－125dB。同時(shí)，該傳感器在安徽省金寨縣地震臺(tái)進(jìn)行觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中，獲得了2018年8月8日四川省九寨溝強(qiáng)震動(dòng)記錄，其強(qiáng)震動(dòng)波形見圖11。

圖6 北京白家疃地震臺(tái)強(qiáng)震觀測(cè)噪聲波形曲線Fig.6 Strong motion noise waves observed from Baijiatuan station

圖7 安徽金寨地震臺(tái)強(qiáng)震觀測(cè)噪聲波形曲線Fig.7 Strong motion noise waves observed from Jinzhai station

圖8 北京白家疃地震臺(tái)強(qiáng)震觀測(cè)噪聲波形曲線Fig.8 Strong motion noise waves observed from Baijiatuan station

圖9 安徽金寨地震臺(tái)強(qiáng)震觀測(cè)噪聲波形曲線Fig.9 Strong motion noise waves observed from Jinzhai station

表2 傳感器噪聲及動(dòng)態(tài)范圍Table 2 Noise result and dynamic range of the force balanced accelerometer

圖10 加速度傳感器噪聲數(shù)據(jù)功率譜曲線Fig.10 Power spectrum curves of force balanced accelerometer

圖11 九寨溝強(qiáng)震動(dòng)波形曲線Fig.11 Strong motion waves of the Jiuzhaigou earthquake

最后，為了進(jìn)一步測(cè)試該傳感器性能，將傳感器與美國(guó)凱尼公司的TSA-SMA型強(qiáng)震動(dòng)記錄器同時(shí)安裝在曲面橋結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，測(cè)試實(shí)驗(yàn)在中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所的燕郊園區(qū)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行，共安排了50組不同參數(shù)的振動(dòng)波形實(shí)驗(yàn)，2套設(shè)備都完整記錄了50組震動(dòng)波形，此處僅展示其中1組振動(dòng)波形曲線，該振動(dòng)波形發(fā)生于2017年12月14日16時(shí)29分，圖12為本文研制設(shè)備所記錄的地震波曲線，圖13為凱尼公司設(shè)備所記錄的地震波曲線，從上至下依次為東西向、南北向和垂直向震動(dòng)波形，其中振動(dòng)臺(tái)東西向輸出波形加速度峰值為0.7g，從圖中可以看出2種設(shè)備記錄的強(qiáng)震動(dòng)峰值基本相同。

圖12 振動(dòng)臺(tái)震動(dòng)波形曲線Fig.12 Strong motion curves from shaking table

通過以上3種不同類型的測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明，該數(shù)字化加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期，且質(zhì)量穩(wěn)定、性能可靠，該類型儀器完全可以應(yīng)用于各種低頻振動(dòng)的測(cè)量。

圖13 振動(dòng)臺(tái)震動(dòng)波形曲線Fig.13 Strong motion curves from shaking table

4 結(jié)論

本文選用數(shù)字加工工廠技術(shù)設(shè)計(jì)了傳感器三分量一體化機(jī)械底座，并通過改進(jìn)機(jī)械參數(shù)、調(diào)制電路參數(shù)，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展傳感器頻帶范圍的目標(biāo)。在此技術(shù)基礎(chǔ)上，通過內(nèi)嵌高精度三通道數(shù)據(jù)采集器，完成3路同步24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換，使該傳感器成為三分量加速度數(shù)字化測(cè)量一體機(jī)。測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，該傳感器不僅達(dá)到設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，并且能夠穩(wěn)定可靠地測(cè)量微弱遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)震動(dòng)，可以普遍應(yīng)用于強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)和各種結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)。