智能型力平衡加速度传感器设计

李彩华 滕云田 李小军 胡星星（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

智能型力平衡加速度传感器设计

李彩华 滕云田 李小军 胡星星
（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

基于传统式力平衡加速度传感器技术，在传感器内部嵌入先进的高精度模数转换器、具有多接口扩展功能的ARM微控制器，设计了一款具有串口、USB口、网口、无线WiFi接口连接方式、支持SD卡大容量存储、液晶触摸屏操作和红外电源遥控管理的低功耗、智能型、24位数字输出的力平衡加速度传感器便携式一体机。

该智能型力平衡加速度传感器共包含3部分，分别为机械振动传感器底座、模拟信号调制解调电路部分和高精度模数转换、数据采集数据处理及数据通讯电路部分。

传感器机械振动底座负责对振动信号进行检测。该传感器机械底座具有真正的三分量一体化磁缸，采用先进的数字加工工厂技术，在一块纯铁上同时加工出3个垂直正交的机械磁缸，克服传统单分量组装的三分向传感器的不完全正交的现象，解决了传统分体组装传感器横向灵敏度较大的问题，同时缩小传感器的体积。并且通过增强传感器内部磁场强度、调整传感器质量块重量方式将传感器测量频带范围扩展到0～200 Hz；

模拟信号调制解调电路部分负责将传感器机械底座检测到的电荷变化转变为便于测量的电压信号，此部分电路主要包含桥式振荡电路、解调电路、放大输出电路。桥式振荡电路将自激产生的一定频率的正弦波，分别被处理成幅值相同、极性相反的正弦波信号后，被分别施加到机械底座的上极板、下极板，因此中间极板输出信号被由低频信号调整成了高频信号。该高频信号经由场效应管组成的解调电路后，代表地面振动的电压信号被提取出来，最后经由运算放大电路调理成模拟差动电压信号进行输出。

高精度模数转换电路、数据采集处理及数据通讯电路完成三通道差动模拟电压信号的高精度模数转换、数据采集数据处理、数据通信及支持SD存储、RS232串口、USB口、网络、无线WiFi、触摸屏控制、红外无线电源遥控器等多接口操作的数据处理。其中模数转换电路把传感器输出的三分向模拟电压信号，经过前置调理电路输入到ADS1294的差动输入端，由ADS1294的△-∑转化器同步完成三通道数据的模数转换，模数转换数据经由SPI接口连接到ARM。然后经由ARM的SDIO接口将该数据存储32G字节的SD存储卡中永久保存；ARM由UART口读入GPS模块数据信息，并由GPS秒脉冲信号来完成对主时钟信号MCLK的校时工作（由高精度时钟晶振产生）；由ARM的SPI口完成与无线模块的通信，并完成AP热点模式、终端站点模式设计，使得该传感器可以通过手机、电脑等直接在现场对传感器进行调试；由ARM 的LCD-TFT控制器完成对LCD触摸屏的接口设计，可以实现传感器脱离其他辅助设备而完成本机自身的参数设置、图形显示等功能；通过增加红外无线发射器（PTR2262）、无线接收器(PTR2272）来完成远距离传感器电源的遥控启动、停止操作；通过该ARM芯片自身具有RS232串口、USB口，通过编程设计实现本地对传感器的管理、操作及数据传输，通过自身的网络端口、扩展的无线WiFi接口可以实现对传感器的远程管理、操作及数据传输，并且可以通过网络使多台智能传感器自由组网。

该便携式智能型力平衡加速度传感器能够完全替代传统的力平衡加速度传感器和强震动数据采集器两种仪器，并且支持串口、USB口、网络端口、无线WiFi接口等多种端口操作及数据传输，是强震动观测及结构振动测试的理想仪器。