便攜式力平衡加速度傳感器檢測裝置研究*

于來寶 于來剛 陳志高 吳雄偉

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)中國石油天然氣管道工程有限公司，廊坊006500)

便攜式力平衡加速度傳感器檢測裝置研究*

于來寶1)于來剛2)陳志高1)吳雄偉1)

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)中國石油天然氣管道工程有限公司，廊坊006500)

在對力平衡加速度傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理研究的基礎(chǔ)上，提出一種便攜式力平衡加速度傳感器簡易檢測裝置的設(shè)計方案，方案符合數(shù)字強震動數(shù)字加速度儀(DB/T10-2001)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且經(jīng)實驗驗證，切實可行。

力平衡加速度傳感器;檢測;傳遞函數(shù);標(biāo)準(zhǔn);核電站地震監(jiān)控系統(tǒng)

1 背景

力平衡加速度傳感器相對于電磁式加速度計、撓性電容式伺服加速度計等具有靈敏度高、線性范圍大、動態(tài)范圍大(低頻可到0 Hz)等優(yōu)點。力平衡加速度傳感器的廣泛應(yīng)用特別是在一些特殊場合的應(yīng)用對其檢測裝置提出了新的要求，例如核電站地震監(jiān)控系統(tǒng)中，安裝在標(biāo)高20 m處及安全底板的傳感器的檢修及故障排查相當(dāng)不便。本文結(jié)合武漢地震科學(xué)儀器研究院所生產(chǎn)的KIS系列核電站地震監(jiān)控系統(tǒng)，通過對力平衡加速度傳感器的工作原理進行分析，提出了一種便攜式力平衡加速度傳感器簡易檢測裝置的設(shè)計方案，方案符合數(shù)字強震動數(shù)字加速度儀(DB/T10-2001)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且通過實驗驗證，切實可行。

2 原理分析

力平衡加速度傳感器是振動傳感器的一種，它是將非電量機械振動加速度的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化加以測量。目前國內(nèi)使用的力平衡加速度傳感器主要有美國肯尼公司(KINEMETRICS)產(chǎn)FBA-23、瑞士 GeoSIGLtd.生產(chǎn) AC-63、日本明石公司(AKASHI)產(chǎn)品V4OI-BT及哈爾濱功力所生產(chǎn)的SLJ-100系列等幾種，在設(shè)計上，基本采用相同的思路，即激勵信號調(diào)制、解調(diào)，加入力平衡反饋進行電壓輸出，輸出電壓的大小與電容極板運動位移成正比，而電容極板的位移量與傳感器外殼體運動的加速度成正比。力平衡加速度傳感器的工作原理如圖1所示［1］。

圖1 力平衡加速度傳感器工作原理示意圖Fig.1 Sketch of the operational principle of force balance accelerometer

力平衡加速度傳感器中間電容極板共承受3種類型的力：阻尼力、彈性恢復(fù)力和反饋電磁力。通過對這3種力進行分析，我們可以得到力平衡加速度傳感器的微分方程［2］：

其中，V為傳感器輸出電壓;Kd=KaV1L，其中Ka、V、L見傳感器工作原理圖;Kf為力平衡反饋線圈單位電流產(chǎn)生的力;m為反饋電容和質(zhì)量塊的質(zhì)量;Y為Y=(x+y)″，其中，y為傳感器外殼相對于地面的位移，x為傳感器相對于外殼的位移。

將式(1)進行拉普拉斯變換后可得傳感器的傳遞函數(shù)：

由式(2)可知，靈敏度

由式(3)知，靈敏度只與質(zhì)量塊的質(zhì)量、比例電阻和電流一力參數(shù) 與傳感器的幅度響應(yīng)Kf有關(guān)，是一個常數(shù)，在對傳感器進行靜態(tài)重力法檢測時，輸出電壓V與重力加速度在被檢測軸上的分量保持正比例關(guān)系，這就是靜態(tài)重力檢測法的理論基礎(chǔ)。

此外，為了便于對傳感器進行現(xiàn)場標(biāo)定，力平衡加速度傳感器內(nèi)部均提供了對自振頻率和阻尼常數(shù)進行測定的“自標(biāo)定”電路，測定時對指定功能引腳輸入規(guī)定波形后，“自標(biāo)定”電路一方面切斷微分移相電路，使系統(tǒng)的電反饋阻尼去掉;另一方面使活動極板驅(qū)動線圈受到一個偏壓的作用，然后釋放，從而使活動極板進入無阻尼自由振動狀態(tài)，觀察各軸輸出波形，通過計算即可獲得指定參數(shù)。圖2給出了“自標(biāo)定”系統(tǒng)典型返回典型曲線。

圖2 “自標(biāo)定”系統(tǒng)典型返回波形Fig.2 Typical return waveform of self-calibration system

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

通過對力平衡加速度傳感器工作原理的詳細(xì)分析，本文提出了一種便攜式力平衡加速度傳感器檢測裝置的設(shè)計方案(圖3)，裝置的功能模塊主要包括：電源模塊、充電模塊、數(shù)據(jù)采集及調(diào)理模塊、標(biāo)定模塊、數(shù)據(jù)處理及判斷模塊及通訊模塊等部分。

圖3 檢測裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of test hardware

在無外部供電的情況下可穩(wěn)定運行，是便攜式設(shè)備的基本要求。考慮到本系統(tǒng)的功耗及傳感器的供電要求，裝置采用兩個12 V的閥控式鉛酸蓄電池為傳感器及系統(tǒng)供電，同時設(shè)計了蓄電池的充電電路。

信號采集及調(diào)理電路是整個硬件電路的核心。按照(DB/T 10-2001)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)選用24位Σ-△型ADC ADS1201芯片，為保證采集信號最低位的有效性，外圍器件均選用MAX309、AD620A等高性能器件［3］。

標(biāo)定電路主要用于產(chǎn)生“自標(biāo)定”電路所指定的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，標(biāo)定返回波形由傳感器各軸輸出，仍由采集電路采集。

4 數(shù)據(jù)處理及分析

由力平衡加速度傳感器工作原理及傳遞函數(shù)的分析知，檢測時，只需將傳感器固定在分度頭上，機械調(diào)平及電子調(diào)平后，旋轉(zhuǎn)指定的角度(精確到秒)，測量輸出的電壓值，即可計算出傳感器的靈敏度。計算公式如下［4］：

式中，S為傳感器的靈敏度;φ為分度頭轉(zhuǎn)動的角度(精確到秒);Vc為分度頭逆時針轉(zhuǎn)動φ角度時，加速度計的輸出電壓值(單位為V);Vw為分度頭順時針轉(zhuǎn)動φ角度時，加速度計的輸出電壓值(單位為V)。

利用傳感器“自標(biāo)定”電路，測定時對指定功能引腳輸入規(guī)定波形后，觀察記錄各軸輸出波形后，即可得出傳感器的阻尼常數(shù)：

式(6)、(7)中y1、y2定義見圖2，D為傳感器阻尼常數(shù)。由圖2知，計算y1、y2的只需獲取P1、P2的值，P1為“自標(biāo)定”返回脈沖采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波處理后的最大值;P2則是對所有采集數(shù)據(jù)通過K-近鄰算法搜索獲取，獲取P1、P2后，即可計算出阻尼常數(shù)D。

通過觀察阻尼常數(shù)及靈敏度與傳感器出廠參數(shù)進行對比，即可對傳感器是否工作正常做出判斷。此外，將傳感器置于水平位置，機械調(diào)平及電子調(diào)平后，檢測傳感器的電壓輸出水平，即可獲得傳感器的噪聲數(shù)據(jù)。

5 誤差分析處理及檢測結(jié)果

系統(tǒng)誤差主要來自于兩個方面：一是電源噪聲，二是AD模擬器件的平均噪聲。設(shè)計過程從硬件和軟件兩個方面對誤差進行了處理，取得了較好的效果。

硬件方面：1)對來自于開關(guān)電源的高頻開關(guān)噪聲，系統(tǒng)采用了比較有效的π(CLC)型濾波電路濾除高頻干擾，同時將模擬電源通過一個電阻與數(shù)字電源進行隔離，并在電阻的兩端各自去耦;2)對模擬地、數(shù)字地獨立設(shè)計，隔離布板，最后一個0歐姆電阻連接，避免噪聲串?dāng)_;3)選用高精度外部基準(zhǔn)電壓芯片MAX6325。

軟件方面：1)采用靜態(tài)重力法對靈敏度進行的測試中，設(shè)置ADS1201采樣率設(shè)置為78 k/s，采用中值濾波的算法，降低誤差;2)“自標(biāo)定”結(jié)果則是通過離散的傅里葉變換對信號進行低通濾波，濾除高頻噪聲。

表1給出了幾組對 SLJ-100FBA-T(編號2059172)的測量數(shù)據(jù)，從表中可以看出系統(tǒng)具有較好的可重現(xiàn)性。

表1 測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

6 結(jié)語

通過對力平衡加速度傳感器工作原理及傳遞函數(shù)的分析，設(shè)計出了一種便攜式力平衡加速度傳感器檢測裝置，實踐證明，該裝置可在無外部電源的情況下，穩(wěn)定運行12小時以上，能夠成功地完成基于靜態(tài)重力法的靈敏度檢測、噪聲水平測試、阻尼常數(shù)測試等功能，為現(xiàn)場排除故障、系統(tǒng)檢修提供了方便。

1 陳渝，等.電容式力平衡加速度計的設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2006，19(2)：411-414.

2 李彩華.力平衡加速度傳感器設(shè)計分析［J］.傳感器技術(shù)，2005，24(8)：46-48.

3 鄧濤，等.YRY型鉆孔應(yīng)變儀數(shù)據(jù)采集的高精度實現(xiàn)［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2007，(3)：118-121.

4 數(shù)字強震動數(shù)字加速度儀(DB/T 10-2001)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).地震標(biāo)準(zhǔn)匯編2009(第二版)，637-655.

RESEARCH ON PORTABLE TESTING DEVICE OF FORCE BALANCE ACCELEROMETER

Yü Laibao1)，Yü Laigang1)，Chen Zhigao1)and Wu Xiongwei1)

(1)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang006500)

On the basis of the study on the operational principle and structure of force balance accelerometer，a portable testing device of force balance accelerometer was designed.The device meets the industry standard(DB/ T 10-2001)of digital strong motion accelerometer，and a practical experiment has confirmed the feasibility of the testing device.

force balance accelerometer;test;transfer function;standard;seismic monitoring system at nuclear power plant

1671-5942(2011)Supp.-0171-03

2011-03-02

中國地震局地震研究所所長基金(6072)

于來寶，男，1984年生，碩士，主要從事地震監(jiān)控儀器的研制工作.E-mail：yulaibao8@163.com

TH76.3

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