基于力平衡负反馈的电化学地震检波器*

李光磊， 王军波， 陈连宏， 陈 健， 陈德勇

(1.中国科学院电子学研究所 传感技术国家重点实验室，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100039)

0 引 言

地震检波器是一种可以将地震动信号转换为可直接测量与处理的电信号的传感器，广泛应用于油气勘探、自然灾害预警以及地震监测等领域[1]。现阶段应用比较广泛的几种地震检波器有动圈式地震检波器[2]、电容摆式地震检波器、微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)电容式加速度计[3]以及MEMS电化学地震检波器[4～8]，每种地震检波器都有着各自不同的优点，在不同的领域发挥着重要的作用。相较于其他类型的地震检波器，MEMS电化学地震检波器由于其低频灵敏度高、无机械噪声以及可安装倾角范围大正在受到越来越大的关注。

电化学地震检波器首先于二十世纪六、七十年代被美国海军装备实验室提出[7]；然后由俄罗斯莫斯科物理研究所进行深入研究，设计出可以测量震动信号的电化学地震检波器；2012年中国科学院电子学研究所的何文涛等人将MEMS技术与电化学地震检波器相结合，研制出首个MEMS电化学地震检波器[10]，使电化学地震检波器的一致性大大提高的同时也减小了制作成本，为电化学地震检波器的广泛应用奠定了基础。但同其他地震检波器相比，电化学地震检波器的初始工作频带需要经过拓宽才可以进行更广泛的应用，传统的频带拓展方法通过提高地震检波器的惯性体体积与质量以减小地震检波器的谐振频率，但这种方法大大降低了地震检波器的便捷性，不利于其在复杂环境下的应用。

本文通过将力平衡负反馈技术与频率补偿电路相结合，提出了一种小型的电化学微震检波器，不仅拓展了电化学地震检波器的工作频带，而且保证了电化学地震检波器的体积与重量不受影响，与传统方法相比，本文方法更适合电化学地震检波器的频带拓展。

1 基本结构和工作原理

基于力平衡负反馈系统的MEMS电化学微震检波器原理如图1所示，其壳体由有机玻璃外壳与橡胶膜组成，内部为碘与碘化钾的混合溶液以及敏感电极，敏感电极固定在有机玻璃上，反馈线圈与检波器壳体相固定，而反馈磁铁则固定在橡胶膜上。在电化学地震检波器的敏感电极上施以0.3 V的直流偏置电压，在阴阳电极两端会产生如下的可逆氧化还原反应

(1)

(2)

氧化还原反应会使阴极与阳极之间产生离子浓度梯度，当电化学地震检波器处于稳定状态时，两个阴极端的电解液浓度相同，经过差分后不会有信号输出；而当电化学地震检波器感受到外界震动信号时，由于惯性电解液与电化学地震检波器壳体会产生相对运动，从而使一个阴极处的离子浓度升高而另一个阴极处的离子浓度减小，导致两个阴极输出电流不同，经过差分后即可得到与外界震动信号成比例的输出信号。

图1 基于力平衡负反馈系统的MEMS电化学微震检波器

2 力平衡负反馈频带拓展原理

MEMS电化学微震检波器的工作频带通过力平衡负反馈系统与频率补偿电路相结合来进行拓展，如图2和图3所示为带有力平衡负反馈系统的MEMS电化学微震检波器闭环工作原理框图及实物图。当地震检波器检测到震动信号后即可得到原始的输出信号，原始输出信号经过频率补偿电路对原始信号进行简单处理，然后经过反馈环节，反馈环节中的PID调节器主要对反馈信号的相位进行调节以避免产生由负反馈带来的共振问题，然后经过处理的反馈信号进入反馈线圈，当反馈线圈中存在交流信号时就会对处于线圈中的反馈磁铁产生电磁感应力，此电磁感应力作为反馈力与震动信号相反以使惯性体保持原来的位置，通过牺牲一定的灵敏度来达到拓展工作频带的目的。此外，带有力平衡负反馈系统的MEMS电化学微震检波器的底面直径为5 cm，高为9 cm，质量只有355.2 g，十分方便携带并且适合用在恶劣的工作环境下。在力平衡负反馈系统工作状态下，电化学地震检波器的闭环传递函数为

(3)

式中G(w)为电化学地震检波器的传递函数表达式，F(w)为反馈环节传递函数表达式，当F(w)G(w)的值远大于1时，即系统处于深度负反馈时，电化学地震检波器的闭环输出可以表示为

H(w)=1/F(w)

(4)

通过调节反馈环节的传递函数即可以得到所需的输出频率特性曲线。

图2 MEMS电化学微震检波器闭环工作原理框图

图3 MEMS电化学微震检波器实物

3 测试平台与测试结果

MEMS电化学微震检波器的标定需要使用振动台以及数据采集系统。信号发生器给出所需交流信号至功率放大器，由功率放大器进一步调节输出信号的放大倍数，振动台(BK4048，B&K，丹麦)接收到固定频率与幅值的交流信号后开始振动；固定在振动台台面上的电化学微震检波器与标准动圈式地震检波器(CDJ—DW2，重庆地质仪器厂，中国)检测到振动信号输出至数据采集系统(NI4472B，NI公司，美国)，然后对两种地震检波器的输出信号大小通过比例运算即可得到电化学微震检波器的输出频率特性。

图4所示为MEMS电化学微震检波器的原始输出频率特性和经过反馈与补偿电路拓展后的输出频率特性，进行频带拓展后，MEMS电化学微震检波器的3 dB工作带宽从7～20 Hz拓展至0.1～50 Hz。

图4 MEMS电化学微震检波器输出频率特性

图5为示波器显示的MEMS电化学微震检波器与标准动圈式地震检波器的输出信号，可以看到电化学地震检波器的输出信号为动圈式地震检波器的161.4倍，说明MEMS电化学微震检波器拥有十分高的灵敏度。

图5 两种地震检波器的输出信号

4 结 论

本文介绍了一种基于力平衡负反馈系统的MEMS电化学微震检波器，利用负反馈原理与频率补偿电路相结合使MEMS电化学微震检波器的工作频带拓展至0.1～50 Hz，同时保证了电化学微震检波器拥有较小的体积与质量，本论文提出的MEMS电化学微震检波器可以广泛的应用于工作环境恶劣的地质勘探及地震监测领域。