數字智能三分量力平衡加速度傳感器研究

王 雷

(中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080)

隨著數字信號處理與網絡技術的發展，地震觀測及工程測振對傳感器的精度、可靠性等性能指標的要求越來越高。本文的研究目的是將模擬量輸出的力平衡加速度傳感器、數據采集、計算、觸發判斷、數據傳輸和數據存儲等功能集于一體，組成高精度、低功耗的智能數字式輸出加速度傳感器，為今后強震觀測提供有力的技術支持。本論文主要包括以下內容：

(1) 提出了將高精度數字采集與控制系統應用于加速度傳感器構成數字智能傳感器的方案。方案的特點在于采用高精度24位A/D模數轉換器，以高速信號處理器為控制核心，具有高精度、大動態范圍、功耗低、體積小等特性。

(2) 對模擬量輸出的力平衡傳感器的工作原理及電路進行了理論分析。在理論分析的基礎上，提出了電路改進方案，設計了數字化集成相敏解調與正弦波振蕩器，并通過實驗測試，改進了其性能。

(3) 采用磁導法和有限元分析的方法對傳感器的磁路特性進行了設計分析與仿真研究，并與測量數據進行對比分析，結果表明兩種方法都能滿足傳感器磁路設計的要求，但有限元分析的方法更為準確。

(4) 對傳感器的零位電壓與環境溫度之間的關系進行了原理分析，并進行了高低溫實驗，采用最小二乘法對傳感器的零位電壓與溫度變化的數據進行分析，分析了采用不同曲線擬合方法的誤差，并設計了傳感器的溫度補償電路。指出采用二次、三次曲線擬合進行溫度特性補償可以減小零位溫度漂移，采用高次曲線擬合雖能進一步減小誤差影響，但其計算復雜會影響系統運行效率。

(5) 研制成數字智能三分量力平衡加速度傳感器的樣機。給出了數字智能加速度傳感器系統的傳遞函數與特性，分析了其在有限硬件資源條件下，對完整TCP/IP協議進行優化方法，移植了適用于智能傳感器數據傳輸的嵌入式TCP/IP協議和基于網頁交互控制的嵌入式WebServer協議；實現了基于CF卡的嵌入式文件系統以完成數據的采集與存儲；設計了基于IIR帶通濾波器的傳感器觸發采集機制，并對濾波器的性能進行了測試。

(6) 在對傳感器傳遞函數特性分析的基礎上，進一步分析了采用線性相位與最小相位數字濾波器對傳感器特性的影響。通過激光干涉法與自標定法對傳感器特性進行了測試與分析。通過傳感器幅頻與相頻特性測試，利用實驗數據對傳感器的傳遞函數進行了辨識分析。分析并研究了傳感器橫向靈敏度和敏測角對傳感器性能的影響。

(7) 設計了基于虛擬儀器的傳感器自標定測試分析系統；比較分析了傳感器不同標定方法測定結果之間誤差產生原因和不同標定方法所適用的范圍。分析并測試了基于反饋閉環式傳感器的噪聲特性與動態范圍，認為基于力平衡式傳感器相對于開環加速度傳感器提高了動態范圍與頻響特性，但是對于傳感器的自身噪聲特性并無改善，為了提高傳感器的噪聲特性，必須改進傳感器的結構與電路設計。

(8) 對數字智能三分量力平衡加速度傳感器的樣機的主要性能進行了詳細的測試，獲得了理想的實驗數據。