• ISSN 1673-5722
  • CN 11-5429/P

数字化力平衡加速度传感器设计与应用

李彩华 李小军 滕云田 胡星星 刘成

李彩华, 李小军, 滕云田, 胡星星, 刘成. 数字化力平衡加速度传感器设计与应用[J]. 震灾防御技术, 2018, 13(4): 839-850. doi: 10.11899/zzfy20180411
引用本文: 李彩华, 李小军, 滕云田, 胡星星, 刘成. 数字化力平衡加速度传感器设计与应用[J]. 震灾防御技术, 2018, 13(4): 839-850. doi: 10.11899/zzfy20180411
Li Caihua, Li Xiaojun, Teng Yuntian, Hu Xingxing, Liu Cheng. Design and Application of Digital Force Balanced Accelerometer[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2018, 13(4): 839-850. doi: 10.11899/zzfy20180411
Citation: Li Caihua, Li Xiaojun, Teng Yuntian, Hu Xingxing, Liu Cheng. Design and Application of Digital Force Balanced Accelerometer[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2018, 13(4): 839-850. doi: 10.11899/zzfy20180411

数字化力平衡加速度传感器设计与应用

doi: 10.11899/zzfy20180411
基金项目: 

中国地震局地球物理研究所院所长基金 DQJB15B03

详细信息
    作者简介:

    李彩华, 女, 生于1974年。副研究员。主要从事地震仪器研发、地震仪器质量检测等工作。E-mail:caihli_2004@163.com

Design and Application of Digital Force Balanced Accelerometer

  • 摘要: 在传统模拟式力平衡加速度传感器技术的基础上,通过改进传感器机械结构、内嵌高精度采集器等方法,设计了1款数字化力平衡加速度传感器。针对传感器中三通道模数转换要求完全同步、高分辨率、高采样率等技术难点,本文选用高精度ADS1294模数转换器,以同1个驱动信号完成三通道同步模数转换,实现低干扰、高分辨率的模数转换;采用高速ARM微处理器对模数转换数据进行大容量数据存储、高速数据通讯、数据处理、波形显示和电源管理;采用高精度线性电源芯片作为可开关控制的高精度电源,实现仪器整机低功耗管理。该数字化力平衡加速度传感器实现了大动态测量范围、三通道同步数据转换、高达1000Hz的采样率,且具有网络通讯接口等功能。
  • 图  1  数字化加速度传感器原理框图

    Figure  1.  Functional block diagram of digital force balanced accelerometer

    图  2  高精度模数转换电路原理图

    Figure  2.  Diagram of high precision analog-to-digital circuit

    图  3  前置调理电路原理图

    Figure  3.  Diagram of preconditioning circuit

    图  4  模数转换ADS1294工作原理图

    Figure  4.  Block diagram of analog-to-digital convertor ADS1294

    图  5  S5P4418型ARM核心板原理图

    Figure  5.  Diagram showing principle of S5P4418 ARM circuit board

    图  6  北京白家疃地震台强震观测噪声波形曲线

    Figure  6.  Strong motion noise waves observed from Baijiatuan station

    图  7  安徽金寨地震台强震观测噪声波形曲线

    Figure  7.  Strong motion noise waves observed from Jinzhai station

    图  8  北京白家疃地震台强震观测噪声波形曲线

    Figure  8.  Strong motion noise waves observed from Baijiatuan station

    图  9  安徽金寨地震台强震观测噪声波形曲线

    Figure  9.  Strong motion noise waves observed from Jinzhai station

    图  10  加速度传感器噪声数据功率谱曲线

    Figure  10.  Power spectrum curves of force balanced accelerometer

    图  11  九寨沟强震动波形曲线

    Figure  11.  Strong motion waves of the Jiuzhaigou earthquake

    图  12  振动台震动波形曲线

    Figure  12.  Strong motion curves from shaking table

    图  13  振动台震动波形曲线

    Figure  13.  Strong motion curves from shaking table

    表  1  加速度传感器幅频特性标定数据

    Table  1.   Calibration data for amplitude and frequency characteristics of accelerometer

    频率/Hz 输出灵敏度/V·g-1
    1 2.549
    5 2.548
    10 2.541
    20 2.541
    40 2.432
    60 2.348
    80 2.369
    100 2.348
    110 2.329
    120 2.366
    140 2.382
    160 2.330
    180 2.124
    200 1.748
    220 1.337
    下载: 导出CSV

    表  2  传感器噪声及动态范围

    Table  2.   Noise result and dynamic range of the force balanced accelerometer

    计算项 北京市白家疃地震台 安徽省金寨县地震台
    东西向 南北向 垂直向 东西向 南北向 垂直向
    噪声值RMS/μg 1.2051 1.1260 0.7235 1.3720 1.5805 1.2861
    动态范围/dB 130.42 131.01 134.85 129.29 128.01 129.86
    下载: 导出CSV
  • 李彩华, 李小军, 滕云田, 2014.差动输出型力平衡加速度传感器设计与噪声测试.地震地磁观测与研究, 35(1-2):219-223. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/dzdcgcyyj201401041
    吴海超, 2013.具有WiFi无线监控功能的宽频带地震记录器样机研制.长春: 吉林大学. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10183-1013195441.htm
    Hu X. X., Teng Y. T., Wang X. Z., et al., 2014. The study on 24 Bits ADC's acquisition dynamic range extension method. Applied Mechanics and Materials, 666:98-103. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.666
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-22
  • 刊出日期:  2018-12-01

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