智能型力平衡加速度傳感器設計

李彩華 滕云田 李小軍 胡星星（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

智能型力平衡加速度傳感器設計

李彩華 滕云田 李小軍 胡星星
（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

基于傳統式力平衡加速度傳感器技術，在傳感器內部嵌入先進的高精度模數轉換器、具有多接口擴展功能的ARM微控制器，設計了一款具有串口、USB口、網口、無線WiFi接口連接方式、支持SD卡大容量存儲、液晶觸摸屏操作和紅外電源遙控管理的低功耗、智能型、24位數字輸出的力平衡加速度傳感器便攜式一體機。

該智能型力平衡加速度傳感器共包含3部分，分別為機械振動傳感器底座、模擬信號調制解調電路部分和高精度模數轉換、數據采集數據處理及數據通訊電路部分。

傳感器機械振動底座負責對振動信號進行檢測。該傳感器機械底座具有真正的三分量一體化磁缸，采用先進的數字加工工廠技術，在一塊純鐵上同時加工出3個垂直正交的機械磁缸，克服傳統單分量組裝的三分向傳感器的不完全正交的現象，解決了傳統分體組裝傳感器橫向靈敏度較大的問題，同時縮小傳感器的體積。并且通過增強傳感器內部磁場強度、調整傳感器質量塊重量方式將傳感器測量頻帶范圍擴展到0～200 Hz；

模擬信號調制解調電路部分負責將傳感器機械底座檢測到的電荷變化轉變為便于測量的電壓信號，此部分電路主要包含橋式振蕩電路、解調電路、放大輸出電路。橋式振蕩電路將自激產生的一定頻率的正弦波，分別被處理成幅值相同、極性相反的正弦波信號后，被分別施加到機械底座的上極板、下極板，因此中間極板輸出信號被由低頻信號調整成了高頻信號。該高頻信號經由場效應管組成的解調電路后，代表地面振動的電壓信號被提取出來，最后經由運算放大電路調理成模擬差動電壓信號進行輸出。

高精度模數轉換電路、數據采集處理及數據通訊電路完成三通道差動模擬電壓信號的高精度模數轉換、數據采集數據處理、數據通信及支持SD存儲、RS232串口、USB口、網絡、無線WiFi、觸摸屏控制、紅外無線電源遙控器等多接口操作的數據處理。其中模數轉換電路把傳感器輸出的三分向模擬電壓信號，經過前置調理電路輸入到ADS1294的差動輸入端，由ADS1294的△-∑轉化器同步完成三通道數據的模數轉換，模數轉換數據經由SPI接口連接到ARM。然后經由ARM的SDIO接口將該數據存儲32G字節的SD存儲卡中永久保存；ARM由UART口讀入GPS模塊數據信息，并由GPS秒脈沖信號來完成對主時鐘信號MCLK的校時工作（由高精度時鐘晶振產生）；由ARM的SPI口完成與無線模塊的通信，并完成AP熱點模式、終端站點模式設計，使得該傳感器可以通過手機、電腦等直接在現場對傳感器進行調試；由ARM 的LCD-TFT控制器完成對LCD觸摸屏的接口設計，可以實現傳感器脫離其他輔助設備而完成本機自身的參數設置、圖形顯示等功能；通過增加紅外無線發射器（PTR2262）、無線接收器(PTR2272）來完成遠距離傳感器電源的遙控啟動、停止操作；通過該ARM芯片自身具有RS232串口、USB口，通過編程設計實現本地對傳感器的管理、操作及數據傳輸，通過自身的網絡端口、擴展的無線WiFi接口可以實現對傳感器的遠程管理、操作及數據傳輸，并且可以通過網絡使多臺智能傳感器自由組網。

該便攜式智能型力平衡加速度傳感器能夠完全替代傳統的力平衡加速度傳感器和強震動數據采集器兩種儀器，并且支持串口、USB口、網絡端口、無線WiFi接口等多種端口操作及數據傳輸，是強震動觀測及結構振動測試的理想儀器。