力平衡加速度计的温度补偿技术研究

摘要

加速度传感器是组成强震动观测台站和台网的核心部分,它的性能指标关系到强震动观测的质量。现在强震观测台网中广泛使用的加速度传感器,普遍采用了力平衡反馈技术,以实现宽观测频带、大动态范围、低仪器噪声的目标,称之为力平衡加速度计。
　　力平衡加速度计具有许多优点,但环境温度的波动会影响其灵敏度、零点漂移等指标,进而影响到仪器的稳定性,增加使用和维护成本,降低产出数据的质量。
　　论文以力平衡加速度计为研究对象,探索其温度补偿方法,抑制力平衡加速度计的零点漂移,改善力平衡加速度计的温度稳定性,提高加速度记录的质量。
　　论文的核心思想是通过构建一个零点漂移很小的基准源与力平衡加速度计进行对比观测,进而对力平衡加速度计的输出进行补偿,实现一种新型的复合加速度传感器,兼具噪声低、零点漂移小的特性。
　　MEMs加速度计是采用微机电技术制作的单芯片型加速度计,在振动检测领域和其它精密仪器中有着愈加广泛的应用;虽然它的噪声和分辨率等指标,与力平衡加速度计有差距,但具有很多独特的优点,例如体积小、功耗低、外围电路简单等。
　　在论文的实验方案中,我们以较小的功耗和简单的结构,设计了一个小型恒温系统,使 MEMs加速度计的工作区域温度保持稳定,进而构建一个低温度漂移的基准加速度输出量,对力平衡加速度计进行温度补偿。
　　针对两种加速度计不同的特点,在进行系统集成时,我们需要设计低通滤波器来抑制 MEMs加速度计的噪声对力平衡加速度计的噪声的影响,使补偿只在低频段进行。我们参考地震波的频段、加速度计的应用范围、两种加速度计的噪声对比和环境温度的变化来确定低通滤波器的参数;并需要采用信号数字处理技术设计数字低通滤波器来完成我们的方案。因此,在论文的研究工作中,我们设计了包括模数转换电路、数字处理器电路、数模转换电路的温度补偿系统。
　　我们使用重力法,通过旋转平台,对MEMs加速度计和力平衡加速度计的灵敏度和方位角的偏差进行测试,并根据坐标变换的原理对补偿值进行修正。
　　当研究的方案完成确定后,我们构建了硬件支持系统和嵌入式软件系统。硬件支持系统包括:力平衡加速度计系统,恒温MEMs加速度计系统,温度补偿系统;嵌入式软件系统是依托于ARM7核心的处理器芯片进行软件开发,控制信号数字处理系统的工作,进行校正和
　　加速度传感器是组成强震动观测台站和台网的核心部分,它的性能指标关系到强震动观测的质量。现在强震观测台网中广泛使用的加速度传感器,普遍采用了力平衡反馈技术,以实现宽观测频带、大动态范围、低仪器噪声的目标,称之为力平衡加速度计。
　　力平衡加速度计具有许多优点,但环境温度的波动会影响其灵敏度、零点漂移等指标,进而影响到仪器的稳定性,增加使用和维护成本,降低产出数据的质量。
　　论文以力平衡加速度计为研究对象,探索其温度补偿方法,抑制力平衡加速度计的零点漂移,改善力平衡加速度计的温度稳定性,提高加速度记录的质量。
　　论文的核心思想是通过构建一个零点漂移很小的基准源与力平衡加速度计进行对比观测,进而对力平衡加速度计的输出进行补偿,实现一种新型的复合加速度传感器,兼具噪声低、零点漂移小的特性。
　　MEMs加速度计是采用微机电技术制作的单芯片型加速度计,在振动检测领域和其它精密仪器中有着愈加广泛的应用;虽然它的噪声和分辨率等指标,与力平衡加速度计有差距,但具有很多独特的优点,例如体积小、功耗低、外围电路简单等。
　　在论文的实验方案中,我们以较小的功耗和简单的结构,设计了一个小型恒温系统,使 MEMs加速度计的工作区域温度保持稳定,进而构建一个低温度漂移的基准加速度输出量,对力平衡加速度计进行温度补偿。
　　针对两种加速度计不同的特点,在进行系统集成时,我们需要设计低通滤波器来抑制 MEMs加速度计的噪声对力平衡加速度计的噪声的影响,使补偿只在低频段进行。我们参考地震波的频段、加速度计的应用范围、两种加速度计的噪声对比和环境温度的变化来确定低通滤波器的参数;并需要采用信号数字处理技术设计数字低通滤波器来完成我们的方案。因此,在论文的研究工作中,我们设计了包括模数转换电路、数字处理器电路、数模转换电路的温度补偿系统。
　　我们使用重力法,通过旋转平台,对MEMs加速度计和力平衡加速度计的灵敏度和方位角的偏差进行测试,并根据坐标变换的原理对补偿值进行修正。
　　当研究的方案完成确定后,我们构建了硬件支持系统和嵌入式软件系统。硬件支持系统包括:力平衡加速度计系统,恒温MEMs加速度计系统,温度补偿系统;嵌入式软件系统是依托于ARM7核心的处理器芯片进行软件开发,控制信号数字处理系统的工作,进行校正和滤波等运算,得到实时的补偿量。
　　当系统完成后,我们测试了恒温系统的性能、加速度计的零点漂移指标及噪声指标等,测试结果表明:
　　1、恒温系统最大消耗功率约为o.37w,具有50℃的工作范围,在工作范围内,内外温度的变化比率小于o.1％;配置恒温系统后,MEMs加速度计的零点漂移指标由o.5mg/℃降低至0.1mg/℃以下。
　　2、经过温控箱测试,补偿后的力平衡加速度计,三分向的零点漂移值由大于1mg/℃降低至恒温MEMs加速度计系统的零点漂移水平。
　　3、经过实际台站测试,在日常温度变化的情况下,温度补偿系统可以降低力平衡加速度计的低频段噪声,而对高频段噪声影响很小。
　　研究结果表明,论文中阐述的温度补偿技术使力平衡加速度计的零点漂移指标有了较大的改善,同时补偿后的力平衡加速度计的低频段噪声受温度变化的影响有所降低;由于应用了信号数字处理系统,加速度计的功能得到了扩展。

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第一章 引言

第二章 原理分析

第三章 硬件支持系统

第四章 嵌入式软件系统的实现

第五章 测试与结果

第六章 结论

参考文献

致谢

作者简历