便携式力平衡加速度传感器检测装置研究*

于来宝 于来刚 陈志高 吴雄伟

(1)中国地震局地震研究所，武汉 430071 2)中国石油天然气管道工程有限公司，廊坊006500)

便携式力平衡加速度传感器检测装置研究*

于来宝1)于来刚2)陈志高1)吴雄伟1)

(1)中国地震局地震研究所，武汉 430071 2)中国石油天然气管道工程有限公司，廊坊006500)

在对力平衡加速度传感器结构及工作原理研究的基础上，提出一种便携式力平衡加速度传感器简易检测装置的设计方案，方案符合数字强震动数字加速度仪(DB/T10-2001)行业标准，且经实验验证，切实可行。

力平衡加速度传感器;检测;传递函数;标准;核电站地震监控系统

1 背景

力平衡加速度传感器相对于电磁式加速度计、挠性电容式伺服加速度计等具有灵敏度高、线性范围大、动态范围大(低频可到0 Hz)等优点。力平衡加速度传感器的广泛应用特别是在一些特殊场合的应用对其检测装置提出了新的要求，例如核电站地震监控系统中，安装在标高20 m处及安全底板的传感器的检修及故障排查相当不便。本文结合武汉地震科学仪器研究院所生产的KIS系列核电站地震监控系统，通过对力平衡加速度传感器的工作原理进行分析，提出了一种便携式力平衡加速度传感器简易检测装置的设计方案，方案符合数字强震动数字加速度仪(DB/T10-2001)行业标准，且通过实验验证，切实可行。

2 原理分析

力平衡加速度传感器是振动传感器的一种，它是将非电量机械振动加速度的变化转换成电压变化加以测量。目前国内使用的力平衡加速度传感器主要有美国肯尼公司(KINEMETRICS)产FBA-23、瑞士 GeoSIGLtd.生产 AC-63、日本明石公司(AKASHI)产品V4OI-BT及哈尔滨功力所生产的SLJ-100系列等几种，在设计上，基本采用相同的思路，即激励信号调制、解调，加入力平衡反馈进行电压输出，输出电压的大小与电容极板运动位移成正比，而电容极板的位移量与传感器外壳体运动的加速度成正比。力平衡加速度传感器的工作原理如图1所示［1］。

图1 力平衡加速度传感器工作原理示意图Fig.1 Sketch of the operational principle of force balance accelerometer

力平衡加速度传感器中间电容极板共承受3种类型的力：阻尼力、弹性恢复力和反馈电磁力。通过对这3种力进行分析，我们可以得到力平衡加速度传感器的微分方程［2］：

其中，V为传感器输出电压;Kd=KaV1L，其中Ka、V、L见传感器工作原理图;Kf为力平衡反馈线圈单位电流产生的力;m为反馈电容和质量块的质量;Y为Y=(x+y)″，其中，y为传感器外壳相对于地面的位移，x为传感器相对于外壳的位移。

将式(1)进行拉普拉斯变换后可得传感器的传递函数：

由式(2)可知，灵敏度

由式(3)知，灵敏度只与质量块的质量、比例电阻和电流一力参数 与传感器的幅度响应Kf有关，是一个常数，在对传感器进行静态重力法检测时，输出电压V与重力加速度在被检测轴上的分量保持正比例关系，这就是静态重力检测法的理论基础。

此外，为了便于对传感器进行现场标定，力平衡加速度传感器内部均提供了对自振频率和阻尼常数进行测定的“自标定”电路，测定时对指定功能引脚输入规定波形后，“自标定”电路一方面切断微分移相电路，使系统的电反馈阻尼去掉;另一方面使活动极板驱动线圈受到一个偏压的作用，然后释放，从而使活动极板进入无阻尼自由振动状态，观察各轴输出波形，通过计算即可获得指定参数。图2给出了“自标定”系统典型返回典型曲线。

图2 “自标定”系统典型返回波形Fig.2 Typical return waveform of self-calibration system

3 系统硬件设计

通过对力平衡加速度传感器工作原理的详细分析，本文提出了一种便携式力平衡加速度传感器检测装置的设计方案(图3)，装置的功能模块主要包括：电源模块、充电模块、数据采集及调理模块、标定模块、数据处理及判断模块及通讯模块等部分。

图3 检测装置硬件结构框图Fig.3 Block diagram of test hardware

在无外部供电的情况下可稳定运行，是便携式设备的基本要求。考虑到本系统的功耗及传感器的供电要求，装置采用两个12 V的阀控式铅酸蓄电池为传感器及系统供电，同时设计了蓄电池的充电电路。

信号采集及调理电路是整个硬件电路的核心。按照(DB/T 10-2001)行业标准，系统选用24位Σ-△型ADC ADS1201芯片，为保证采集信号最低位的有效性，外围器件均选用MAX309、AD620A等高性能器件［3］。

标定电路主要用于产生“自标定”电路所指定的标准脉冲，标定返回波形由传感器各轴输出，仍由采集电路采集。

4 数据处理及分析

由力平衡加速度传感器工作原理及传递函数的分析知，检测时，只需将传感器固定在分度头上，机械调平及电子调平后，旋转指定的角度(精确到秒)，测量输出的电压值，即可计算出传感器的灵敏度。计算公式如下［4］：

式中，S为传感器的灵敏度;φ为分度头转动的角度(精确到秒);Vc为分度头逆时针转动φ角度时，加速度计的输出电压值(单位为V);Vw为分度头顺时针转动φ角度时，加速度计的输出电压值(单位为V)。

利用传感器“自标定”电路，测定时对指定功能引脚输入规定波形后，观察记录各轴输出波形后，即可得出传感器的阻尼常数：

式(6)、(7)中y1、y2定义见图2，D为传感器阻尼常数。由图2知，计算y1、y2的只需获取P1、P2的值，P1为“自标定”返回脉冲采样数据经过数字滤波处理后的最大值;P2则是对所有采集数据通过K-近邻算法搜索获取，获取P1、P2后，即可计算出阻尼常数D。

通过观察阻尼常数及灵敏度与传感器出厂参数进行对比，即可对传感器是否工作正常做出判断。此外，将传感器置于水平位置，机械调平及电子调平后，检测传感器的电压输出水平，即可获得传感器的噪声数据。

5 误差分析处理及检测结果

系统误差主要来自于两个方面：一是电源噪声，二是AD模拟器件的平均噪声。设计过程从硬件和软件两个方面对误差进行了处理，取得了较好的效果。

硬件方面：1)对来自于开关电源的高频开关噪声，系统采用了比较有效的π(CLC)型滤波电路滤除高频干扰，同时将模拟电源通过一个电阻与数字电源进行隔离，并在电阻的两端各自去耦;2)对模拟地、数字地独立设计，隔离布板，最后一个0欧姆电阻连接，避免噪声串扰;3)选用高精度外部基准电压芯片MAX6325。

软件方面：1)采用静态重力法对灵敏度进行的测试中，设置ADS1201采样率设置为78 k/s，采用中值滤波的算法，降低误差;2)“自标定”结果则是通过离散的傅里叶变换对信号进行低通滤波，滤除高频噪声。

表1给出了几组对 SLJ-100FBA-T(编号2059172)的测量数据，从表中可以看出系统具有较好的可重现性。

表1 测试数据Tab.1 Test data

6 结语

通过对力平衡加速度传感器工作原理及传递函数的分析，设计出了一种便携式力平衡加速度传感器检测装置，实践证明，该装置可在无外部电源的情况下，稳定运行12小时以上，能够成功地完成基于静态重力法的灵敏度检测、噪声水平测试、阻尼常数测试等功能，为现场排除故障、系统检修提供了方便。

1 陈渝，等.电容式力平衡加速度计的设计［J］.传感技术学报，2006，19(2)：411-414.

2 李彩华.力平衡加速度传感器设计分析［J］.传感器技术，2005，24(8)：46-48.

3 邓涛，等.YRY型钻孔应变仪数据采集的高精度实现［J］.大地测量与地球动力学，2007，(3)：118-121.

4 数字强震动数字加速度仪(DB/T 10-2001)行业标准.地震标准汇编2009(第二版)，637-655.

RESEARCH ON PORTABLE TESTING DEVICE OF FORCE BALANCE ACCELEROMETER

Yü Laibao1)，Yü Laigang1)，Chen Zhigao1)and Wu Xiongwei1)

(1)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang006500)

On the basis of the study on the operational principle and structure of force balance accelerometer，a portable testing device of force balance accelerometer was designed.The device meets the industry standard(DB/ T 10-2001)of digital strong motion accelerometer，and a practical experiment has confirmed the feasibility of the testing device.

force balance accelerometer;test;transfer function;standard;seismic monitoring system at nuclear power plant

1671-5942(2011)Supp.-0171-03

2011-03-02

中国地震局地震研究所所长基金(6072)

于来宝，男，1984年生，硕士，主要从事地震监控仪器的研制工作.E-mail：yulaibao8@163.com

TH76.3

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