差动输出型力平衡加速度传感器设计与噪声测试

改进力平衡加速度传感器的机械设计和电路设计,使其幅频特性、动态范围、噪声等性能具有较大提升,且稳定性较好。该产品的实际测试结果证明其动态范围达到130dB,能够满足强震动监测需求。     

用多通道AD分级采集扩展地震数据采集器的动态范围

地震数据采集是地震信号数字化必不可少的环节,动态范围是其一个重要的性能指标.实际地震信号的动态范围在160dB以上,而目前普遍使用的24位地震数据采集器动态范围相对较小且在50 Hz采样率时最大只达到135dB,致使24位地震数据采集器在实际使用中对小信号分辨率不够,不能有效提取地震信息;在大地震时又容易使数据采集器出现饱和限幅失真的现象而失去地震监测记录功能.本文针对在地震监测和地震研究中需要具有高分辨率和高动态范围的地震数据采集器这个亟待解决的问题,提出一种采用多通道AD转换器并行分级采集的方法,讨论了通道间失配及其标定.对研制实验样机的测试表明,其动态范围在50Hz采样时可以达到157dB以上,线性度优于0.005%.     

高分辨率数字地震仪的实验研究

为提高数字地震仪的分辨率和扩大动态范围，本文简要介绍了在地震仪设计中应用激光移频技术的新思路，简述了其基本原理及初步实验结果，用光ｆ干涉原理制作地震仪能够获得很高的准确度和较高的分辨率，动态范围可达１６０ｄＢ．     

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。     

地震仪自动换档设计

鉴于测震中电子放大地震仪放大器的输出动态范围窄的缺陷，笔者作了自动换档衰减放大倍数的电路技术设计。本设计在长周期、短周期、宽频带等各种电子放大地震仪上适当改制或重新设计放大板即可应用，从而可几十倍甚至更大地拓宽电子放大地震仪的输出动态范围，大幅度增强其适用性。     

宽动态地震数据采集器技术研究

数据采集是地震信号数字化最为根本的环节,其性能优劣直接关系到地震信号采集的质量,并最终影响数据应用处理的结果。对地震数据采集而言,动态范围是一个极其重要的性能指标,它表示在把模拟地震信号转换为数字输出信号的过程中,所能够不失真转换的最大输入信号和最小输入信号的幅度跨度。地震动信号的幅度跨度很大,由监测几千公里之外的微弱地震信号到近场监测8级以上的大地震,总的动态范围达到了160dB以上,宽频带地震计的动态范围也达到了155dB以上。而现代广为使用的基于ΔΣAD(Analog-to-Digital Convert)转换技术的高性能24位地震数据采集器的动态范围目前最大只有135dB@50SPS(Samples Per-second),导致了在实际地震监测中,数据采集器在记录地震时对微小信号分辨率不够、信噪比不高,信号幅度和数据采集器的分辨率处于同一数量级,不能有效地提取地震信息;而在大地震时又容易使数据采集器出现饱和限幅失真的现象,致使在抗震救灾最需要第一手观测资料的时候一些最重要的近源地震台站却几乎失去了地震监测的功能,同时,在地震研究上也失去了记录大震信号的珍贵地震资料的机会。因而实现高分辨率和宽动态范围的地震信号数据采集是当今地震观测技术领域中急待解决的问题。本文系统分析了几种模数转换器的原理、分类、结构和模数转换器主要的性能指标,介绍了典型的24位高精度模数转换器以及几种扩展转换器动态范围的方法。在借鉴和总结前人技术方法的基础上,本文结合地震监测的实际应用提出了一种采用多片AD模数转换器对输入信号进行分幅采集来扩展地震数据采集器动态范围的新方法。论文论述了该方法的实现原理,构建了数学分析模型,分析计算了该方法可能达到的动态范围,并与其它扩展动态范围的技术方法进行了比较。本文设计了基于分幅法的宽动态地震数据采集器的原理样机,通过硬件电路和嵌入式采集软件的设计,在实现了动态范围的有效扩展的同时,还实现了GPS高精度授时和校时功能,设计了配套的实时监控软件。样机测试表明,在50SPS采样率下,输入短路噪声有效值RMS为0.18μV,满幅输入电压大于±40V,有效动态范围达到了157dB,输入阻抗大于100kΩ,线性优于0.5%,实现了动态范围的有效扩展,达到了预期效果。     

海洋电磁低时钟漂移及自动增益采集技术研究

作为地震探测的有效补充,电磁法在海洋油气资源勘探中发挥着越来越重要的作用.本文针对海洋电磁法中极低时钟误差、大动态范围采集等要求,提出使用GPS和高精度原子钟解决低时钟漂移问题;采集电路中设计增益可调的放大电路,MCU通过对采集到的信号进行实时分析,实现增益动态调整,解决海洋电磁信号大动态范围采集问题;研制的海洋电磁信号数据记录单元每天时间误差小于0.3 ms、电场通道动态范围可以达到160 dB、磁场通道动态范围可以达到134 dB.通过在室内指标测试、室外试验,表明设计的数据记录单元能够稳定可靠工作.为证明数据纪录单元的有效性,将数据记录单元和国外商用MT仪器进行野外一致性对比实验,数据记录单元与商用仪器结果基本一致;在水深100 m海域进行了海底MT信号采集,得到了有效的结果.该研究为海洋电磁信号低时钟漂移、大动态范围采集提供了一种有效解决方案.     

高性能地震数据采集方案构想

大动态宽频带观测一直是地震观测中追求的目标,因此“十五”期间在很多台站布设了动态范围大线性度好的宽频带地震仪,但这似乎还不能满足现实需要,比如,2008年的汶川地震,使得千里之外的宽频带地震仪都因为动态范围不足而出现了限幅问题.就当前中国的现状来看,地震计的动态范围(140dB以上)比地震数据采集器的(130 dB左右)大,所以在这里主要针对数据采集器进行了研究,争取达到26位的分辨率、±15V的满量程以及145 dB以上的动态范围,以缓解/消除大地震到来时观测仪器易出现的幅度受限问题.     

福建数字地震台网台址背景噪声分析

在使用福建区数字地震台网选台过程中,用１２个台址得到的背景噪声数字记录,计算分析了其背景噪声地动速度均方根值（ＲＭＳ）,有效测量动态范围、噪声功率谱及功率谱密度。所得结果可作为供评价仪器性能,台址安静程度的参考。对利用仪器所提供的动态范围,根据区域台网周围地震环境和台网记录地震的目的及任务设置适当的增益量程是也是有用的 。     

新疆数字地震台站观测动态范围和台基噪声的分析

介绍了新疆数字地震台仪器的配置,对新疆23个数字地震台站台基噪声进行分析计算。台站的观测动态范围,反映了观测仪器本身的性能和台基环境干扰背景的水平,有效动态范围大小反映记录地震信号的最大能力。台站(台网)的监测能力不仅取决于仪器的性能,而且还与台基的噪声背景有关。得出了各地震台台基的脉动噪声的均方根值、观测动态范围、地噪声功率谱。有效观测动态范围的大小与数字地震仪的种类和配置有关。新疆23个数字地震台中的21个台的台基地动噪声在1~20 Hz内符合中国数字测震台网技术规程的要求,而另外2个台,即二宫和石河子数字地震台没有达到规定指标。     

Measuring accelerometer dynamic range from seismic data using Allan deviation

We propose a new approach for calculating the dynamic range of an accelerometer based on an Allan deviation analysis of production seismic data. This test is intended as a field audit technique and does not require an unconditioned dataset from a low‐noise environment. We first show that Allan deviation can measure white noise levels using two commercial accelerometers. The analysis accurately captures the manufacturing noise density specifications and known relationships between white noise, preamplifier gain, and group forming. We then show that a production seismic dataset is suitable for an Allan deviation analysis because the results are not critically affected by a recording filter. Finally, we illustrate the proposed technique by calculating the dynamic range of an accelerometer channel in a seismic streamer using a production dataset.     

Phase errors in accelerometer arrays: An analysis based on collocated sensors and FEM

The error properties of arrays of accelerometers were studied on the basis of systematic experiments and analysis of the differences in the recordings of collocated sensors. Four identical tri-axial force-balance accelerometers with common recordings and time stamping, were set at symmetrical positions on a prototype oscillator, a T-type inverted pendulum, and were subject to controlled excitations. Based on Finite Element Modeling (FEM) the response of the oscillator was modeled and there were identified time series of acceleration of different collocated sensors predicted to be identical (“comparable”). The differences of the corresponding “comparable” measurement time series, which are functions only of noise, were found important, indicating that the accelerometer arrays are characterized by significant dynamic noise and not by low-amplitude Gaussian noise, as is widely assumed.Further analysis of time series of accelerometer noise was based on spectral analysis techniques in the frequency and the time domain and on coherence, on filtering and on cross-correlation, as well as on examination of the impact of noise in the drift (errors computation of displacements using double numerical integration).The output of this study is that phase noise (jitter, or phase instability) characterizes accelerometers, as in the case with all other array sensors and sensor networks and this is a main source of dynamic noise. The latter becomes significant especially at the level of sampling interval (0.005 sec in our experiments), characterizes strong motions, is not constant and may be regarded as instrument-specific noise. Strategies to overcome this dynamic noise important for the modeling of structural response are discussed.     

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.     

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。     

宽频带超导重力仪的研制进展

本文报道一种构建宽频带高分辨率超导重力仪（SG）的方法.与已商业化的GWR超导重力仪类似,新型超导重力仪同样使用磁悬浮超导检验质量来构建弹簧振子结构,不同的是弹簧振子的固有频率更高,可以有效覆盖地脉动频带.同时,利用基于超导量子干涉器件（SQUID）的位移传感技术,大幅提高了位移传感灵敏度,以保证仪器在测量带宽扩展之后仍具有与GWR仪器相当的测量分辨率,从而实现对时变重力信号与地球背景噪声信号的同时高分辨观测.宽频带超导重力仪核心部件垂向超导加速度计（VSA）的设计、组装和初步测试已经完成.结果表明,加速度计的噪声本底为8 μGal/Hz^1/2@0.1 Hz,实现了对地脉动信号的高分辨率测量.而为了将仪器噪声本底降低到GWR仪器水平,加速度计的固有频率需要进一步减小,该部分参数优化工作正在进行.本文将对垂向超导加速度计的工作原理、结构和测试结果进行详细介绍.     

吉林台网测震台站监测效能评估

由于种种原因,台站地震计的固有周期、阻尼、灵敏度、观测动态范围等参数和台基噪声在运行的过程中会发生变化。本文用阶跃标定和计算观测动态范围、台基噪声功率谱的方法,得到吉林测震台网各台站地震计参数和台基噪声的变化情况,掌握吉林测震台网各台站的监测能力,为以后吉林测震台网的建设和发展提出建议。     

振动测量用叉指式硅微加速度计性能研究

硅MEMS加速度仪可以用于地震以及各种工程振动的测量,目前其精度较低,温度灵敏度较高,为了掌握MEMS加速度计的特性,提高其实用性能,本文介绍了一种叉指式硅微机械加速度计(FMSA)表头微结构和系统的工作原理,推导了微结构梁的刚度,利用ANSYS有限元软件分析了FM-SA加速度计的静态特性、动态特性和温度特性,验证了推导的正确性,说明微结构参数是决定FMSA加速度计性能的主要因素,为改进加速度计性能提供了依据,并对其在振动观测领域实际应用提供了理论指导。     

数字化力平衡加速度传感器设计与应用

在传统模拟式力平衡加速度传感器技术的基础上,通过改进传感器机械结构、内嵌高精度采集器等方法,设计了1款数字化力平衡加速度传感器。针对传感器中三通道模数转换要求完全同步、高分辨率、高采样率等技术难点,本文选用高精度ADS1294模数转换器,以同1个驱动信号完成三通道同步模数转换,实现低干扰、高分辨率的模数转换;采用高速ARM微处理器对模数转换数据进行大容量数据存储、高速数据通讯、数据处理、波形显示和电源管理;采用高精度线性电源芯片作为可开关控制的高精度电源,实现仪器整机低功耗管理。该数字化力平衡加速度传感器实现了大动态测量范围、三通道同步数据转换、高达1000Hz的采样率,且具有网络通讯接口等功能。