应用于MEMS加速度计的小型恒温系统的实现

介绍一种小型恒温系统的实现方法,使MEMS加速度计的工作区域温度保持恒定,从而改善MEMS加速度计的相关技术指标.小型恒温系统采用独特工艺,实现简单;恒温点可以根据环境温度的变化而改变,以降低功耗.实验结果表明,应用该系统的MEMS加速度计,由温度所引起的零点漂移值明显减小.     

应用于MEMS加速度计的小型恒温系统的实现

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)加速度计是采用微机电技术制作的产品,具有体积小、功耗低、外围电路简单等特点,广泛应用于振动检测领域;一些新型倾角仪的设计中也采用MEMS加速度计来记录静态加速度,然后进行后续计算.     

强震观测用MEMS型加速度计研究

强震观测中记录的加速度时程是城市大型建筑抗震设计的重要依据,为城市抗震设防提供可靠的数据支持。因此,对加速度计在稳定性、线性度、动态范围和直流响应等性能方面有着很高的要求。提出利用静电力反馈控制技术与传感器技术相结合形成闭环力平衡式MEMS加速度计,使之具有良好的低频特性。并采用四阶ΣΔ调制器完成低噪声信号采样,确保其动态范围高于140 dB,完全满足现有强震观测规范对该项指标的要求。     

基于离散时间反馈的闭环MEMS加速度计研究

MEMS加速度计的噪声和线性指标是地震监测应用领域的关键问题,采用闭环力反馈是提高这些性能的有效途径。然而,由于对质量块不需要额外的电极来施加电静力,并且其残余位移会给闭环传递函数带来显著的非线性,从而影响该方法的有效性。因此,本文提出一种基于离散时间反馈的闭环MEMS加速度计,分时完成电容变化检测及静电力反馈,最大程度的减小了反馈信号对检测信号的馈通及耦合。利用开关电容电路中的相关双采样电路噪声消除技术,及电路参数噪声优化,可实现噪声谱密度小于0.5μg/Hz^1/2的微加速度计。     

MEMS型加速度传感器在超高层建筑振动监测中的性能对比测试

为开展MEMS型加速度传感器在超高层建筑振动监测应用中的性能对比测试,选取4种不同类型MEMS型加速度传感器与G1B型力平衡式加速度传感器,将其安装在地王大厦相同测点,对MEMS型、G1B型加速度传感器记录的结构环境振动数据进行时程、频谱和模态频率对比分析,并对其记录的结构地震响应进行时域及频域对比。研究结果表明,不同类型MEMS型加速度传感器仪器噪声均大于G1B型加速度传感器,其中MEMS-I型加速度传感器噪声水平相对较小,与G1B型加速度传感器模态频率识别结果及地震响应监测数据吻合较好,验证了MEMS-I型加速度传感器可较准确地记录到结构强振动响应,适用于超高层建筑日常结构振动监测。     

基于MEMS传感器的速度型地震计技术研究

低功耗、微型化、芯片化、智能化、网络化、低成本高可靠以及全频带观测是地震传感器发展的方向,利用MEMS技术可以集成满足现代传感器要求的"芯片仪器",便于布设低成本、高密度的智能化现代传感器网络.本文提出了从MEMS加速度计经积分放大器获得速度地震计的技术方案,研究指出:1)为获得50Hz有效带宽内动态范围能达到电源电压的满摆幅输出,折合后级的放大倍数在内,积分放大器的积分时间常数只能是小于3.2ms;2)为克服积分器的漂移和噪声,提出了斩波多相积分技术;3)采用成品MEMS加速度计研制的速度型地震计,动态范围可达94dB,带宽在实测的100s～100Hz内响应平坦.提出了以MEMS加速度计的差分电容作为斩波多相积分器的斩波部件而研制高分辨率MEMS速度地震计的技术方案.     

基于激光干涉的强震动加速度计绝对校准试验

分析了激光干涉校准的基本原理,应用绝对校准法开展强震动加速度计的相位测试,通过振动校准试验,在振动台与强震动加速度计的记录输出波形中找出振幅变化趋势,以叠加两个波形的延时对比推断出强震动加速度计的相位差。实例证明,绝对校准可为标准强震动加速度计的性能校准奠定高精度基础。     

强震动观测仪器面临的机遇和挑战

本文介绍了国内外强震仪、力平衡加速度计、烈度计、MEMS加速度仪等强震动观测仪器的发展历史与现状,概述了强震动记录中典型异常波形产生的原因和力平衡加速度计的仪器响应误差及校正,建议了解决强震仪器缺陷的措施,分析了强震仪在强震动观测发展中面临的机遇和挑战。研究结果如下:① 进行强震动记录异常波形的研究是有针对性改进现有强震仪存在问题的很好途径;② 早期数字强震仪（力平衡加速度计频带范围0至30Hz）获取的强震动记录应进行仪器校正;③ 应跟踪强震动观测新方法和相关领域新技术,发展MEMS加速度仪和光纤加速度仪等新型仪器。     

力平衡加速度计传递函数和标定方法分析

介绍了MBA-30型力平衡加速度传感器的工作原理,通过分析它的机电结构,来推导其传递函数;对标准振动台和标定线圈分别测得的加速度计幅频特性数据进行对比分析.定性的给出了采用标定线圈来标定加速度计幅频特性时的相对误差.     

近钻头井斜动态测量重力加速度信号提取方法研究

利用加速度计进行近钻头井斜动态测量时,钻具的高速旋转,井下强振动、强冲击环境给重力加速度测量带来极大干扰,如何从干扰噪声中有效提取重力加速度信号对于提高井斜角和工具面角的测量精度至关重要.根据重力加速度径向和切向分量为周期性信号,轴向分量为近似直流信号,离心加速度为缓慢变化信号,振动和冲击加速度为随机信号的特征,提出一种基于互相关检测的重力加速度信号提取方法,选择径向或切向磁力计信号作为参考信号.利用相关检测方法分别对仿真数据、实验室旋转测试数据和振动测试数据进行处理,并计算了井斜角和工具面角,结果表明相关检测方法可以有效提取重力加速度信号,基于MEMS加速度计的井斜角测量精度优于0.5°,工具面角变化连续平滑,满足井斜动态测量需求.通过进一步开展实际钻井环境测试,该方法有望应用于近钻头地质导向系统或旋转导向钻井系统等需要近钻头井斜动态测量的场合.     

静电悬浮加速度计在轨质心位置的最小二乘估计

本文使用国内首次搭载飞行的静电悬浮加速度计在轨数据与卫星姿态数据,对加速度计与卫星质心的相对位置进行了估计测量.文中分析得到,在卫星姿态机动时,加速度计的输入加速度主要来自于离心加速度及角加速度引入的线加速度.结合卫星姿态机动时陀螺仪的测量数据,使用最小二乘法对加速度计质心位置的三个分量进行了联合估计.结果表明:质心位置的估计精度达到约6 mm水平,主要受限于卫星平台条件和加速度计测量精度限制.利用本文方法对未来重力卫星任务进行了分析,若使用精度为1×10~(-10)m·s~(-2)加速度计以及2角秒分辨率的星敏感器,可将质心位置估计精度提高至4.6×10~(-6)m水平.     

基于无线网络的构筑物强震监测仪器设计

设计了基于MEMS加速度传感器和无线网络传输的构筑物强震监测仪器,仪器由MEMS传感器、数据采集器、无线网络传输模块及存储模块组成.该强震监测仪器具有体积小、质量轻、功耗低、价格低的优点.测试证明,其性能可以满足强震观测的需要.     

基于GRACE星载加速度计数据的热层密度反演

本文主要研究了利用GRACE星载加速度计数据反演热层密度.首先联合采用GRACE卫星2007—2009年星载加速度计数据和星载GPS数据进行动力学定轨并同时估计加速度计校正参数,依此对加速度计数据进行了校正.根据Sentman稀薄空气动力学方程计算卫星空气动力系数,对校正后的加速度计数据进行处理,反演得到了该时期沿轨热层大气密度.为分析反演密度的精度,将本文反演得到的GRACE-A卫星沿轨密度与Doornbos的解算结果,以及经验密度模型NRLMSISE00,HASDM模型进行比较分析.统计结果表明,本文反演结果比Doornbos系统性偏大约5%~8%,二者间的标准差(STD,standard deviation)在10%以内,具有较好的符合性.其差异主要是由于采用了不同的加速度标校以及空气动力系数计算策略.本文反演得到的热层密度较HASDM模型表现为正的系统性偏差且幅度在4%以内,而Doornbos的结果较HASDM模型约系统性偏小4%~7%,二者与HASDM模型的标准差均为30%左右.另外,本文反演密度与NRLMSISE00模型之间存在约30%~40%的系统性bias,其STD也在30%左右.     

Data correction of the force balanced accelerometer

Conclusion Successive formula method for data correction of force balanced accelerometer proposed in this paper is obviously effective for time domain data processing. The method has such characteristics that computing precision is high and is not artificial ascertain filter frequency window. Using successive formula can give a parameter identifying method of the damping ratio and the natural angular frequency for force balanced accelerometer. On this problem, we will research in another paper.     

SLJ-100DH型井下数字三分向力平衡加速度计装置研制

介绍了新研制的井下数字三分向力平衡加速度计装置技术性能、工作原理,分析讨论了仪器的特点。     

基于反卷积干涉法的土层地震反应特性研究

美国阿拉斯加安克雷奇德兰尼公园的土层地震反应观测台阵建有6个井下观测点和1个地表观测点, 每个观测点设置一个三分量加速度传感器, 该台阵建成后记录了多次地震事件. 本文通过反卷积地震干涉法对这些地震记录进行土层反应分析, 根据该分析结果提取土层结构的等效剪切波速和阻尼比. 所有层位的地震记录对地表记录的反卷积波形均反映出在土层中传播的上、 下行波, 其上行与下行至每一层的时间差别明显. 根据每一层的到时差, 确定土层中的等效剪切波速和分层等效剪切波速, 该结果与现场土层等效剪切波速测试结果吻合较好; 根据等效剪切波速计算出的土层卓越频率, 其一致性亦较好; 根据上、 下行波的峰值分析确定该场地土层的等效阻尼比, 也与软土的阻尼比经验值相当. 这些参数为后续的土层反应模拟和土结相互作用研究奠定了良好的数据基础. 结果表明, 反卷积干涉法能够用于土层反应分析和土层地震反应特性的提取.      

What Can be Expected from the GRACE-FO Laser Ranging Interferometer for Earth Science Applications?

The primary objective of the gravity recovery and climate experiment follow-on (GRACE-FO) satellite mission, due for launch in August 2017, is to continue the GRACE time series of global monthly gravity field models. For this, evolved versions of the GRACE microwave instrument, GPS receiver, and accelerometer will be used. A secondary objective is to demonstrate the effectiveness of a laser ranging interferometer (LRI) in improving the satellite-to-satellite tracking measurement performance. In order to investigate the expected enhancement for Earth science applications, we have performed a full-scale simulation over the nominal mission lifetime of 5 years using a realistic orbit scenario and error assumptions both for instrument and background model errors. Unfiltered differences between the synthetic input and the finally recovered time-variable monthly gravity models show notable improvements with the LRI, on a global scale, of the order of 23 %. The gain is realized for wavelengths smaller than 240 km in case of Gaussian filtering but decreases to just a few percent when anisotropic filtering is applied. This is also confirmed for some typical regional Earth science applications which show randomly distributed patterns of small improvements but also degradations when using DDK4-filtered LRI-based models. Analysis of applied error models indicates that accelerometer noise followed by ocean tide and non-tidal mass variation errors are the main contributors to the overall GRACE-FO gravity model error. Improvements in these fields are therefore necessary, besides optimized constellations, to make use of the increased LRI accuracy and to significantly improve gravity field models from next-generation gravity missions.     

Broadband Registration of High-Frequency Seismic Noise for Studying Tidal Effects

The possibility of registering high-frequency seismic noise in a broadband frequency range (f = 5–400 Hz) has been considered. The use of an accelerometer on based on the S mode of bending vibrations increases the sensitivity and expanses the frequency range. The operating principle of the accelerometer and its main technical characteristics have been described. Pilot registration of seismic noise was organized at Nachiki seismic station in Kamchatka. The comparative results of tidal effects in seismic noise have been presented according to the data of the broadband accelerometer (f = 5–400 Hz) and resonance sensor (f₀ = 30 Hz) during long-term registration on a common base.