李光磊， 王軍波， 陳連宏， 陳 健， 陳德勇

(1.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

0 引 言

地震檢波器是一種可以將地震動信號轉(zhuǎn)換為可直接測量與處理的電信號的傳感器，廣泛應(yīng)用于油氣勘探、自然災(zāi)害預(yù)警以及地震監(jiān)測等領(lǐng)域[1]?，F(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的幾種地震檢波器有動圈式地震檢波器[2]、電容擺式地震檢波器、微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)電容式加速度計[3]以及MEMS電化學(xué)地震檢波器[4～8]，每種地震檢波器都有著各自不同的優(yōu)點，在不同的領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。相較于其他類型的地震檢波器，MEMS電化學(xué)地震檢波器由于其低頻靈敏度高、無機械噪聲以及可安裝傾角范圍大正在受到越來越大的關(guān)注。

電化學(xué)地震檢波器首先于二十世紀六、七十年代被美國海軍裝備實驗室提出[7]；然后由俄羅斯莫斯科物理研究所進行深入研究，設(shè)計出可以測量震動信號的電化學(xué)地震檢波器；2012年中國科學(xué)院電子學(xué)研究所的何文濤等人將MEMS技術(shù)與電化學(xué)地震檢波器相結(jié)合，研制出首個MEMS電化學(xué)地震檢波器[10]，使電化學(xué)地震檢波器的一致性大大提高的同時也減小了制作成本，為電化學(xué)地震檢波器的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但同其他地震檢波器相比，電化學(xué)地震檢波器的初始工作頻帶需要經(jīng)過拓寬才可以進行更廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的頻帶拓展方法通過提高地震檢波器的慣性體體積與質(zhì)量以減小地震檢波器的諧振頻率，但這種方法大大降低了地震檢波器的便捷性，不利于其在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。

本文通過將力平衡負反饋技術(shù)與頻率補償電路相結(jié)合，提出了一種小型的電化學(xué)微震檢波器，不僅拓展了電化學(xué)地震檢波器的工作頻帶，而且保證了電化學(xué)地震檢波器的體積與重量不受影響，與傳統(tǒng)方法相比，本文方法更適合電化學(xué)地震檢波器的頻帶拓展。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

基于力平衡負反饋系統(tǒng)的MEMS電化學(xué)微震檢波器原理如圖1所示，其殼體由有機玻璃外殼與橡膠膜組成，內(nèi)部為碘與碘化鉀的混合溶液以及敏感電極，敏感電極固定在有機玻璃上，反饋線圈與檢波器殼體相固定，而反饋磁鐵則固定在橡膠膜上。在電化學(xué)地震檢波器的敏感電極上施以0.3 V的直流偏置電壓，在陰陽電極兩端會產(chǎn)生如下的可逆氧化還原反應(yīng)

(1)

(2)

氧化還原反應(yīng)會使陰極與陽極之間產(chǎn)生離子濃度梯度，當電化學(xué)地震檢波器處于穩(wěn)定狀態(tài)時，兩個陰極端的電解液濃度相同，經(jīng)過差分后不會有信號輸出；而當電化學(xué)地震檢波器感受到外界震動信號時，由于慣性電解液與電化學(xué)地震檢波器殼體會產(chǎn)生相對運動，從而使一個陰極處的離子濃度升高而另一個陰極處的離子濃度減小，導(dǎo)致兩個陰極輸出電流不同，經(jīng)過差分后即可得到與外界震動信號成比例的輸出信號。

圖1 基于力平衡負反饋系統(tǒng)的MEMS電化學(xué)微震檢波器

2 力平衡負反饋頻帶拓展原理

MEMS電化學(xué)微震檢波器的工作頻帶通過力平衡負反饋系統(tǒng)與頻率補償電路相結(jié)合來進行拓展，如圖2和圖3所示為帶有力平衡負反饋系統(tǒng)的MEMS電化學(xué)微震檢波器閉環(huán)工作原理框圖及實物圖。當?shù)卣饳z波器檢測到震動信號后即可得到原始的輸出信號，原始輸出信號經(jīng)過頻率補償電路對原始信號進行簡單處理，然后經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)，反饋環(huán)節(jié)中的PID調(diào)節(jié)器主要對反饋信號的相位進行調(diào)節(jié)以避免產(chǎn)生由負反饋帶來的共振問題，然后經(jīng)過處理的反饋信號進入反饋線圈，當反饋線圈中存在交流信號時就會對處于線圈中的反饋磁鐵產(chǎn)生電磁感應(yīng)力，此電磁感應(yīng)力作為反饋力與震動信號相反以使慣性體保持原來的位置，通過犧牲一定的靈敏度來達到拓展工作頻帶的目的。此外，帶有力平衡負反饋系統(tǒng)的MEMS電化學(xué)微震檢波器的底面直徑為5 cm，高為9 cm，質(zhì)量只有355.2 g，十分方便攜帶并且適合用在惡劣的工作環(huán)境下。在力平衡負反饋系統(tǒng)工作狀態(tài)下，電化學(xué)地震檢波器的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(3)

式中G(w)為電化學(xué)地震檢波器的傳遞函數(shù)表達式，F(xiàn)(w)為反饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)表達式，當F(w)G(w)的值遠大于1時，即系統(tǒng)處于深度負反饋時，電化學(xué)地震檢波器的閉環(huán)輸出可以表示為

H(w)=1/F(w)

(4)

通過調(diào)節(jié)反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)即可以得到所需的輸出頻率特性曲線。

圖2 MEMS電化學(xué)微震檢波器閉環(huán)工作原理框圖

圖3 MEMS電化學(xué)微震檢波器實物

3 測試平臺與測試結(jié)果

MEMS電化學(xué)微震檢波器的標定需要使用振動臺以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。信號發(fā)生器給出所需交流信號至功率放大器，由功率放大器進一步調(diào)節(jié)輸出信號的放大倍數(shù)，振動臺(BK4048，B&K，丹麥)接收到固定頻率與幅值的交流信號后開始振動；固定在振動臺臺面上的電化學(xué)微震檢波器與標準動圈式地震檢波器(CDJ—DW2，重慶地質(zhì)儀器廠，中國)檢測到振動信號輸出至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(NI4472B，NI公司，美國)，然后對兩種地震檢波器的輸出信號大小通過比例運算即可得到電化學(xué)微震檢波器的輸出頻率特性。

圖4所示為MEMS電化學(xué)微震檢波器的原始輸出頻率特性和經(jīng)過反饋與補償電路拓展后的輸出頻率特性，進行頻帶拓展后，MEMS電化學(xué)微震檢波器的3 dB工作帶寬從7～20 Hz拓展至0.1～50 Hz。

圖4 MEMS電化學(xué)微震檢波器輸出頻率特性

圖5為示波器顯示的MEMS電化學(xué)微震檢波器與標準動圈式地震檢波器的輸出信號，可以看到電化學(xué)地震檢波器的輸出信號為動圈式地震檢波器的161.4倍，說明MEMS電化學(xué)微震檢波器擁有十分高的靈敏度。

圖5 兩種地震檢波器的輸出信號

4 結(jié) 論

本文介紹了一種基于力平衡負反饋系統(tǒng)的MEMS電化學(xué)微震檢波器，利用負反饋原理與頻率補償電路相結(jié)合使MEMS電化學(xué)微震檢波器的工作頻帶拓展至0.1～50 Hz，同時保證了電化學(xué)微震檢波器擁有較小的體積與質(zhì)量，本論文提出的MEMS電化學(xué)微震檢波器可以廣泛的應(yīng)用于工作環(huán)境惡劣的地質(zhì)勘探及地震監(jiān)測領(lǐng)域。