基于MEMS地震仪的天然地震信号采集系统的开发硕士学位论文 精品.docx

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基于MEMS地震仪的天然地震信号采集系统的开发硕士学位论文精品

中国石油大学硕士研究生学位论文

（申请工学硕士学位）

基于MEMS地震仪的

天然地震信号采集系统的开发

学科专业：

信号与信息处理

培养方向：

信号的检测与处理

TheDevelopmentofSeismicSignalsAcquisition

SystemBasedonMEMSSeismometer

ThesisSubmittedto

ChinaUniversityofPetroleum

inpartialfulfillmentoftherequirement

forthedegreeofMasterofScienceEngineering

by

MAQiu-fang

（SignalandInformationProcessing）

Tutor:

ProfessorMAXi-geng

ProfessorZHOUYao-qi

April,2007

基于MEMS地震仪的天然地震信号采集系统的开发

摘要

检测和分析地震信号可以帮助人类认识地球构造，预测地震自然灾害。

由于地震信号的频率很低且能量非常微弱，所以难以准确检测，因此有必要设计一款高性能的地震信号采集系统。

本文针对传统地震仪体积大、频带窄的缺点，提出了基于MEMS技术的三分量地震仪的设计方案。

使用低频响应好、灵敏度高的MEMS加速度传感芯片1221x-002感测地震信号，并设计放大、滤波、去直流分量等信号调理电路对传感信号进行处理，提高信噪比。

再将整个检测电路进行合理装配和调试，研制出三分量地震仪。

为了构成高精度数据采集系统，还选择24位高分辨率数据采集器DT9820采集地震信号，并设计配套的数据采集处理软件。

数据采集软件使用VisualC++编程，软件的主要功能包括数据采集、曲线绘制、PSN文件存储和FFT频谱分析等。

在设计中，着重分析了系统设计关键，提出了降低功耗、提高抗干扰能力等硬件优化措施和合理分配缓冲区、运用WINDOWS消息响应机制、合理组织软件各功能模块、采用GPS授时器授时等软件措施。

通过这些措施提高了系统实时性和可靠性。

实验结果表明，系统能够进行高精度实时数据采集和信号分析，输出的数据和专业分析软件WinQuake兼容，且应用软件界面友好、稳定可靠，达到了设计要求。

关键词：

MEMS地震仪，数据采集，DT9820，PSN数据格式

TheDevelopmentofSeismicSignalsAcquisitionSystem

BasedonMEMSSeismometer

MAQiu-fang（SignalandInformationProcessing）

DirectedbyProfessorMAXi-geng,ProfessorZHOUYao-qi

Abstract

Detectionandanalysisofseismicsignalscanhelppeopleunderstandearth’sstructureandpredictearthquakedisasters.Itisdifficulttodetectseismicsignalsaccuratelybecauseitsfrequencyistoolowandenergyistooweak.Soitisnecessarytodesignahigh-performanceseismicsignalsacquisitionsystem.

Thisthesesintroducesthedesignofatri-axisseismometerbasedonMEMStechnology,aimstoovercomethedisadvantagesoftraditionalseismometers,suchaslargevolumeandnarrowband.Inthedesign,1221x-002ischosentodetectearthquake,andsubsequentsignalconditioningcircuitsaredesignedtoimprovesignaltonoiseratio,includingamplifying,filteringandDCremoving.Byreasonableassemblyandtesting,aseismometerwiththreesensingdirectionsisfinallydeveloped.ThenDT9820,adataacquisitionboardwith24bitresolution,ischosentoconverttheseismicdata.Basedontheboard,anacquisitionandprocessingsoftwareisprogrammedwithVisualC++6.0.Themainfunctionsofthedevelopedsoftwareincludedataacquisition,curveportray,storingofPSNfilesandFFTspectrumanalysis.

Manymethodsareusedtoimprovethesystem’sreal-timeproperty

andreliability.Powersavingandanti-interferenceareintroducedtooptimizehardwareperformance.Reasonableallocationofbuffers,utilizationofWINDOWSmessagemechanismandGPSmodulearealsoappliedintheacquisitionandprocessingsoftware.

Theresultsofexperimentsprovethatthedevelopedsystemcanmeettheneedofreal-timedataacquisitionandsignalanalysis.ThesaveddatacanbereadbytheWinQuake,aprofessionalseismicsignalsprocessingsoftware.Furthermore,thedesignedsoftwareisfulloffriendlyuserinterfaceandstableperformance.

Keywords：

MEMSSeismometer,DataAcquisition,DT9820,PSNData

Format

第1章前言

1.1选题背景及意义

地震既是一种自然灾害，又是人类认识地球内部结构和演化的一种有力工具。

所以，对天然地震信号进行准确检测以及对采集到的信号进行有效的分析和处理意义重大。

用于地震信号检测的传感器称为地震仪，目前大多数地震仪仍然以机械结构为主，不但体积大、价格高而且频带窄、抗震能力较差，影响信号采集效果。

微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS）是使用微机械和微电子技术将机械元件、传感器、执行器和电路等集成到一个半导体上的微型器件，是近几年来随着微电子技术的快速发展而形成的全新的技术领域[1]。

基于MEMS技术制成的各种传感器比传统传感器性能更为优良，具有频带宽、低频响应好、噪声低、灵敏度高、线性度高等优点，因此研究基于MEMS技术的地震仪，提高信号检测的精度具有重要的意义。

为了进行数据分析，还需要将地震仪的信号通过数据采集器进行采集并存入计算机。

地震数据采集器分辨率的高低、采集系统方案的合适与否，都直接影响地震信号采集的实时性、可靠性和准确性，从而影响数据分析的效果。

因此，设计一套基于高灵敏MEMS地震仪的数据采集系统也至关重要。

1.2课题研究的现状

（1）MEMS地震仪的发展现状

MEMS地震仪测量的是加速度，内部核心元件为MEMS加速度

芯片。

目前开发研制MEMS加速度芯片的厂家主要有美国的ADI、SDI、AppliedMEMS、芬兰的VTI、瑞典的Colibrys等，其中有不少性能参数适合地震检测的芯片，如ADI公司的ADXL103和ADXL203、Colibrys公司的MS8002、SDI公司的1221x-002、AppliedMEMS公司的SF1500L、SF1500S和SF3000L等。

曾经第一个推出24位Δ-Σ模数转换地震仪SYSTEMⅡ的I/O公司已经成功地将MEMS加速度芯片引入到了地震监测领域，以VECTORSEIS命名推出了以筒型外壳封装的三分量数字加速度部件，从而启动了地震数据采集系统下一轮的更新换代。

法国的Sercel公司在2002年也推出了数字传感单元DSU作为408UL地震仪升级的部件。

AppliedMEMS公司也已为美国地质调查局USGS提供Si-FlexMEMS加速度芯片用于地震监测。

国内也有很多大学和研究机构进行MEMS地震监测技术方面的研究，西安石油勘探仪器总厂和物探局一直致力于MEMS研制及应用研究，威海双丰电子传感有限公司与中科院微系统所合作进行基于MEMS技术石油地震勘探传感器的研究。

（2）地震数据采集器的现状

根据地震信号的特点和MEMS地震仪的性能指标，选择的数据采集器至少要达到3个以上通道，以实现单端模拟信号输入和双端差动模拟信号输入；16位以上的A/D转换分辨率，系统噪声有效值至少要小于±3LSB。

北京港震公司生产的EDAS系列是比较专业的24位数据采集器，尤其EDAS-24IP和EDAS-24L还支持流动地震观测，都具有GPS授时，但数据通道个数较少，只能连接少数的地震仪；而美国DataTranslation公司的DT9820系列24位数据采集器具有4个独立

的A/D转换通道，采用USB2.0接口，不需单独供电，系统噪声较小；北京瑞博华公司的AD8200系列16位数据采集器也采用了USB接口，总采样速率最大可达100KHz，而且具有32/16个通道，可同时连接多台地震仪，但是其系统噪声比较大，分辨率也不高。

1.3课题研究的内容

（1）MEMS地震仪的研制

研究现有的地震采集硬件系统的接口规范，了解对地震仪的性能要求，选择一种性能指标符合地震检测的要求、性价比高的MEMS加速度芯片。

研究芯片的接口，设计外围电路，制成MEMS地震仪，使地震仪输出模拟信号，并且能与现有的地震数据采集系统兼容。

（2）数据采集处理软件的开发

选择一款3通道以上的24位A/D转换数据采集器，设计实时采集方案并基于MEMS地震仪开发一套地震数据采集处理软件，与硬件一起构成一套完整的地震信号采集系统。

第2章系统设计方案

2.1系统总体设计方案

如图2-1，三分量地震仪检测地动情况并以电信号输出；数据采集器将地震仪输出的模拟信号转化为数字信号后传入计算机；计算机上运行数据采集处理软件，对数据进行实时显示、处理和保存。

为了保证数据采集时间的准确性，采用GPS授时器对计算机进行授时。

图2-1信号采集系统总体框架

2.2地震仪的设计方案

如图2-2，地震仪一般具有三分量（竖直、东西、南北方向）检测的功能，而目前没有很好的一体化MEMS三分量加速度芯片用于设计。

针对这个现状及天然地震信号微弱、频率低的特点，本课题拟选出灵敏度高、低频响应好、噪声低、适合地震信号采集的单分量MEMS加速度芯片，设计调理电路，使之输出单端模拟电压信号，从而制成单分量加速度传感器。

继而再将三个单分量加速度传感器（A1、A2、A3）相互垂直地装配在一起，做好屏蔽、密封等处理后构成三分量加速度传感器，即三分量地震仪。

A2A3

A1

图2-2三分量地震仪的结构示意图

2.3数据采集处理软件的设计方案

为了采集地震仪输出的模拟信号，数据采集器的选择也至关重要。

通过对比，本课题选用美国DataTranslation公司生产的数据采集器DT9820采集地震数据，它具有4个独立A/D转换通道，24位分辨率，采用USB总线接口。

由于地震发生时间、强度的不确定性，因此就要求数据采集处理软件具有较高的实时性和可靠性。

本课题拟采用面向对象的程序设计语言编写软件，数据采集处理软件需要实现的功能主要包括：

连续数据采集，实时曲线显示

多路地震波形数据采集

存储为规定格式的数据文件

数据文件回放

FFT频谱分析

各个功能通过合理的安排布局融合在软件的整体框架中，并具有友好的界面和较完善的参数设置功能。

第三章MEMS地震仪的设计

3.1概述

由2.2设计方案知，三分量MEMS地震仪可以感测来自空间三个相互垂直方向上的加速度。

本课题采用的是设计单分量加速度传感器，由三个单分量加速度传感器组成三分量地震仪的设计方案。

就电路原理来说，三路信号的检测电路并无太大区别，因此本文将主要说明单分量加速度检测电路的设计过程。

3.2硬件构成

前置放大

如图3-1所示，MEMS地震仪的硬件主要包括传感芯片（MEMS加速度芯片）、调理电路（前置电压放大、低通滤波和去除直流处理）和电源部分（稳压、基准和单双端电源转换）。

下面对各部分分别进行介绍。

MEMS加

速度芯片

电压基

电源

低通滤波

电源

稳压

去直处理

单/双端电

源转换

输出

图3-1地震仪的硬件构成示意图

3.3MEMS加速度传感芯片的选择与设计

天然地震信号的频率范围在0～100Hz，对低频响应的要求较高，且信号较弱不易感测，因此需要选择一款性能优秀的加速度芯片，在此基础上设计地震仪。

为此，首先必须了解加速度计的性能指标。

3.3.1加速度芯片的性能指标

加速度芯片是一种将加速度转换为电信号的器件，主要有以下几个性能指标：

灵敏度、分辨率、频率范围、噪声水平、量程、0g偏置、0g温漂[2]。

对于加速度芯片，我们使用单位g（重力加速度，9.8m/s2）来表示输入加速度的大小。

a.灵敏度：

一般是指加速度芯片的输出电压与输入加速度的比值,单位为：

V/g。

例如，灵敏度为2V/g的加速度芯片，当芯片感受到来自外部大小为1g的加速度时，输出电压就为2V。

b.分辨率：

指可测量的最小加速度值，单位：

mg。

地震信号检测一般要求小于1mg。

c.频率范围：

又称为带宽，单位：

Hz。

由于天然地震信号的频率分布在0～100Hz，所以本课题中所选用的加速度芯片的频率范围一定要大于这个值。

d.噪声水平：

由于加速度芯片内部的机械结构和内部空气流动，以及电路中的信号噪声、电磁干扰、电阻电容热噪声等，使加速度芯片在0g作用时的输出电压不为零，而且这个电压与频率的平方根成正比，这个比值即为加速度芯片的噪声水平，也称为噪声密度。

通常希望这个值越小越好。

e.量程：

指可以测量加速度的范围,单位：

g。

量程的绝对值大于

2g的加速度芯片就可以满足地震检测的要求，但不建议选择量程

过大的加速度芯片，因为量程越大灵敏度就越低。

f．0g偏置：

0g输入时输出的变化，单位：

V。

理想状态下这个值等于0V，但是由于加速度芯片内部敏感轴的方向会有一定的误差，所以输出一般不为0V。

g．0g温漂：

温度每变化1℃时0g输出的变化值，单位：

V/℃。

3.3.2MEMS加速度芯片的种类

MEMS加速度芯片的种类繁多，按照检测机制不同分类，可分为电容式、半导体压阻式、压电式、隧道电流式和微型热对流式MEMS加速度芯片[3]。

（1）压阻式加速度芯片

利用具有压阻效应的晶体在加速度作用下电阻率发生变化，从而引起电压输出。

缺点是温度效应严重，受环境影响大。

（2）压电式加速度芯片

压电式芯片是利用压电效应制成的，当输入加速度时，压电晶体在敏感质量形成的惯性作用下产生电荷，电荷放大输出成比例的电压。

缺点是频带范围一般从0.1～1Hz开始，无法检测超低频地震信号。

（3）热对流式加速度芯片

加速度的输入引起气体的热对流，通过相应电路检测热敏元件的差值得到加速度的数值。

缺点是频带范围窄，灵敏度低。

（4）隧道电流式加速度芯片

利用真空垒势中的电子隧道效应，加速度输入时会引起隧道电极距离变化，从而产生隧道电流，通过测量这个电流可得到加速度的大小。

缺点是对静态加速度输入不敏感。

（5）电容式加速度芯片

利用内部结构间电容量的变化引起输出电压的变化，具有稳定性好、灵敏度较高、低频响应好、适用温度范围广等优点。

特别是利用惯性力矩原理做成的扭摆式加速度芯片，还具有体积小、噪声小、温度漂移小等优点，是本设计的理想选择。

从电容的变化方式来看，电容式加速度芯片有变间距式、变面积式和变介电常数式三种，由于变介电常数式加速度芯片在结构上比较难以实现，所以这里只讨论前两种。

电容式加速度芯片的电容为

（3-1）

其中，ε为介电常数，S为极板正对面积，b、l分别为极板正对面积的宽和长，d0为极板间距（无加速度输入时），可见S和d0的变化都能改变电容的大小[4]。

对于变面积式，当极板平行移动距离为?

l时，电容的变化量Δc为

（3-2）

（3-3）

对于变间距式，当极板间距改变量为Δd时，电容的变化量Δc为

（3-4）

（3-5）

对于式（3-5），当Δd<

（3-6）

可见，式（3-2）和式（3-4）反映的是输入与输出的关系，而式（3-3）和式（3-5）反映的是灵敏度。

变面积式结构的输出与输入是线性关系，变间距式结构在Δd<

但由于电容极板的宽度远大于极板间距，在初始电容相同的情况下，变间距式结构的电容变化量远大于变面积式结构，即变间距式灵敏度高于变面积式。

由于低g加速度芯片的特性要求优先考虑灵敏度，因此本课题选择变间距式电容结构。

3.3.3扭摆式MEMS加速度芯片

扭摆式加速度芯片是变间距电容式加速度芯片的一种，是利用惯性质量片绕支承梁扭转，产生电容变化的MEMS加速度芯片。

图3-2为扭摆式加速度芯片的工作原理图，（a）和（b）分别为扭摆机构的俯视图和侧视剖面图[3]。

图中敏感质量片可以分为五部分，其中a1、a2部分成对出现，以支承梁为对称轴均匀地分布在两侧，而a3部分仅在质量片左侧出现，造成质量片位于支承扭梁两边的质量和惯性矩不相等。

因此当垂直于质量片的加速度输入时，质量片将绕着支承梁扭转。

又由于质量片的下方为玻璃基片，可以和质量片a2的部分构成电容器，质量片的扭转必然造成各部分电容量的变化，而且相应的对称部分电容总是一侧变大、另一侧变小，从而形成差动电容，该电容可以通过电桥测量、交流放大和解调，产生与输入加速度成正比的电压。

以上只是定性分析了扭摆式MEMS加速度芯片的工作原理，为了得到明确的输入输出关系，需要进行定量分析。

图3-2扭摆式MEMS加速度芯片的原理图

如图3-2，设支承梁的长和宽分别为l和w，质量片的厚度为h（即支承梁的厚度为h），质量片的宽度为b，a1部分（力矩发生电极）、a2部分（检测电极）、a3部分（偏心质量）的宽度分别为a1、a2、a3，则质量片的长度为tl=2a1+2a2+a3，那么惯性扭矩带来的扭转角为

（3-7）

式中，Mt为惯性扭矩，

（a为输入加速度，m为敏感质量片偏心质量，ρ为材料密度）；In=βw3h为惯性矩（其中β是与h/w有关的参数）；

为剪切弹性模量（其中E为杨式弹性模量，μ为泊松比）。

因此扭转角又可表示为

（3-8）

可见，扭转角的大小与加速度的大小是成正比的。

此时，检测电极的间隙变化为

（3-9）

式中ld为检测电极中心到支承梁的距离。

由式（3-6）可推得电容变化与加速度之间的关系为

（3-10）

其中d0为输入加速度为0g时极板间距离。

由式（3-10）可见，电容变化与加速度的大小也是正比的。

如果检测电路所能检测的单边最小电容变化为

，那么电路所能检测到的最小加速度为

（3-11）

这就是加速度芯片的分辨率。

3.3.4加速度芯片1221x-002芯片及使用

（1）概述

通过对比，本设计最终选择了SDI公司的高灵敏度、低噪声加速度芯片1221x－002。

如图3-3，它采用20管脚的陶瓷片式无引线载体封装（LCC），内部由微机械电容敏感元件芯片和专用电路集成芯片组成。

由于使用了密封封装，所以对外界温度变化不敏感，性能较稳定[5]。

该芯片的主要技术指标为：

灵敏度2000mVg，带宽0～400Hz，量程±2g，噪声密度

，工作电压5V，工作电流10mA，输出阻抗90Ω，提供模拟电压信号输出（可差动输出或单端输出，加速度为0g时两端均输出2.5V的电压）[5]。

图3-31221x-002管脚图图3-41221x-002典型应用接线图

（2）芯片使用方法

a．芯片主要管脚说明

VDD和GND：

芯片工作电源和地；

AOP和AON：

差动模拟电压输出（AOP为正、AON为负）；

DV：

测试电压输入端，可以模拟加速度输入测试芯片性能；

VR：

内部电压参考端，一般用于提高测量精度；

2.5V：

电压参考端，为差动信号输出提供基准电压；

b．芯片的典型接线与工作过程

如图3-4，芯片的连接较为简单，由＋5V电源给芯片供电，精密电源分压得到＋2.5V电压基准给差动信号输出提供基准电压。

为了保证测量精度，VR端与电源正极相连。

当输入加速度为零时，AOP和AON端输出电压都是＋2.5V。

当有正向加速度输入时，AOP端输出信号变大，AON端输出电压减小，且满足图3-5的关系。

可见AOP和AON输出呈对称关系，且采用差动输出方式的输出电压比单端输出（采用AOP或AON作为信号输出端）电压大一倍，即灵敏度要高一倍。

图3-51221x-002芯片的输入输出关系

（3）芯片性能的分析

a．输出特性

按照2000mVg灵敏度和±2g测量范围计算，差动输出时1221x－002的输出特性有：

静态（0g）特性：

正端2.5V，负端2.5V，输出0V；

量程下限（-2g）：

正端2.5－2=0.5V，负端2.5＋2=4.5V，输出－4V；

量程上限（+2g）：

正端2.5＋2=4.5V，负端2.5－2=0.5V，输出＋4V；

b．噪声抑制特性

设输入加速度所产生的电压为ΔU，噪声信号在两个输出端产生的共模电压为Δu。

此时，正端的输出电压VAOP=2.5V+ΔU/2＋Δu/2，负端的输出电压VAON=2.5V－ΔU/2＋Δu/2，总的输出电压为

VAOP-VAON=ΔU。

可见采用差动输出方式能够有效抑制噪声。

c．芯片的噪声

芯片的噪声由噪声密度来决定，噪声密度是指在常温（25℃）下，噪声在整个通频带内的分布情况[6]。

1221x－002的噪声是高斯白噪声，均匀分布在通频带内，用单位

描述，大小为

。

可见，芯片的噪声与带宽有关，由前面知道地