数字智能三分量力平衡加速度传感器研究
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摘要
随着数字信号处理与网络技术的发展，地震观测及工程测振对传感器的精度、可靠性等性能指标的要求越来越高。本文研究目的是将模拟量输出的力平衡加速度传感器、数据采集、计算、触发判断、数据传输和数据存储等功能集于一体，组成高精度、低功耗的智能数字式输出加速度传感器，为今后强震观测提供了有力的技术支持。本论文主要包括以下内容：
1提出了将高精度数字采集与控制系统应用于加速度传感器构成数字智能传感器的方案。方案的特点在于采用高精度24位A/D模数转换器，以高速信号处理器为控制核心，具有高精度、大动态范围、功耗低、体积小等特性。
2对模拟量输出的力平衡传感器的工作原理及电路进行理论分析。在理论分析的基础上，提出了电路改进方案，设计了数字化集成相敏解调与正弦波振荡器，并通过实验测试，改进了其性能。
3采用磁导法和有限元分析的方法对传感器的磁路特性进行了设计分析与仿真研究，并与测量数据进行对比分析，结果表明两种方法都能满足传感器磁路设计的要求，但有限元分析的方法更为准确。
4对传感器的零位电压与环境温度之间的关系进行了原理分析，并进行了高低温实验，采用最小二乘法对传感器的零位电压与温度变化的数据进行分析，分析了采用不同曲线拟合方法的误差，并设计了传感器的温度补偿电路。指出采用二次、三次曲线拟合进行温度特性补偿可以减小零位温度漂移，采用高次曲线拟合虽能进一步减小误差影响，但其计算复杂会影响系统运行效率。
5研制成数字智能三分量力平衡加速度传感器的样机。给出了数字智能加速度传感器系统的传递函数与特性，分析了其在有限硬件资源条件下，对完整TCP/IP协议进行优化方法，移植了适用于智能传感器数据传输的嵌入式TCP/IP协议和基于网页交互控制的嵌入式WebServer协议；实现了基于CF卡的嵌入式文件系统以完成数据的采集与存储；设计了基于IIR带通滤波器的传感器触发采集机制，并对滤波器的性能进行测试。
6在对传感器传递函数特性分析的基础上，进一步分析了采用线性相位与最小相位数字滤波器对传感器特性的影响。通过激光干涉法与自标定法对传感器特性进行了测试与分析。通过传感器幅频与相频特性测试，利用实验数据对传感器的传递函数进行了辨识分析。分析并研究了传感器横向灵敏度和敏测角对传感器性能的影响。
7设计了基于虚拟仪器的传感器自标定测试分析系统；比较分析了传感器不同标定方法测定结果之间误差产生原因和不同标定方法所适用的范围。分析并测试了基于反馈闭环式传感器的噪声特性与动态范围，认为基于力平衡式传感器相对于开环加速度传感器提高了动态范围与频响特性，但是对于传感器的自身噪声特性并无改善，为了提高传感器的噪声特性，必须改进传感器的结构与电路设计。
8对数字智能三分量力平衡加速度传感器的样机的主要性能进行了详细的测试，获得了理想的实验数据。
With the development of digital signal processing and network technology,vibration sensor must have higher accuracy and reliability. Digital intelligentaccelerometer can perform data acquisition, control calculation, triggerjudgment and data transmission. It has the characteristic of high precisionand low power consumption. On the basis of original analog force balanceaccelerometer, the intelligent digital output accelerometer is studied toprovide technical support for the strong motion observation. This dissertationmainly includes the following work:
1This paper presents a scheme of digital smart accelerometer combinedwith high-precision digital acquisition system and control system. Thecharacteristics of the scheme are using high-precision24-bit A/D converter,high-speed signal processor as the controller. The accelerometers have largedynamic range, low power consumption and small size features.
2This paper analyzes the operating principle of force balanceaccelerometer. Under the basis of theoretical analysis, the circuit design ofdigital integrated demodulation and sine wave oscillator is performed and theimprovement is experimental tested.
3The accelerometer magnetic circuit is analyzed with permeance methodand finite element method. Measurement data show that both methods canmeet the requirement of the sensor magnetic circuit design, but finite elementanalysis method is more accurate.
4The relationship between drift voltage of the accelerometer and theambient temperature is studied using the least squares method through thetemperature experimental test. Error brought up by using different curvefitting methods is tested. The temperature compensation circuit is designedfor the accelerometer. This paper points out that quadratic and cubic curvefitting for temperature compensation can reduce the temperature voltage drift.Although the high curve fitting is able to further minimize the drift, whichalso increase the computational complexity and affect the efficiency ofsystem operation.
5The prototype of intelligent tri-axial force balance accelerometer isdeveloped. Transfer function of digital accelerometer is studied by analyzingits working principle. Under the conditions of limited hardware resources,the method for optimize the TCP/IP protocol is studied, which can be used inthe embedded system of the intelligent sensor for the data transmission andweb-based interactive control. Embedded file system based on CF card isdesigned for data collection and storage. Strong motion records trigger filterare designed for the accelerometer, and its performance is tested.
6In this paper, the transfer function and characteristic parameters areanalyzed. Linear phase and minimum phase digital filters used in digitalprocession are introduced which have different features and different usage scope. Features of accelerometer are tested by laser interferometry methodand self calibration method. The transfer function fitting analysis isperformed by experimental data using least squares fitting method. Thecross-axis sensitivity and misalignment angle are measured and analyzed,which would affect the accelerometer performance.
7The accelerometer calibration system based on virtual instrument isdesigned for testing the factor of sensor. The differences arising from usingdifferent calibration method are comparative analyzed to make it clear theapplication scope of the methods. The noise characteristics and dynamicrange of digital accelerometer are analyzed.
8Digital tri-axial accelerometer is tested in detail, and experimental datashows that its performance achieve the expected the design requirements.
1提出了将高精度数字采集与控制系统应用于加速度传感器构成数字智能传感器的方案。方案的特点在于采用高精度24位A/D模数转换器，以高速信号处理器为控制核心，具有高精度、大动态范围、功耗低、体积小等特性。
2对模拟量输出的力平衡传感器的工作原理及电路进行理论分析。在理论分析的基础上，提出了电路改进方案，设计了数字化集成相敏解调与正弦波振荡器，并通过实验测试，改进了其性能。
3采用磁导法和有限元分析的方法对传感器的磁路特性进行了设计分析与仿真研究，并与测量数据进行对比分析，结果表明两种方法都能满足传感器磁路设计的要求，但有限元分析的方法更为准确。
4对传感器的零位电压与环境温度之间的关系进行了原理分析，并进行了高低温实验，采用最小二乘法对传感器的零位电压与温度变化的数据进行分析，分析了采用不同曲线拟合方法的误差，并设计了传感器的温度补偿电路。指出采用二次、三次曲线拟合进行温度特性补偿可以减小零位温度漂移，采用高次曲线拟合虽能进一步减小误差影响，但其计算复杂会影响系统运行效率。
5研制成数字智能三分量力平衡加速度传感器的样机。给出了数字智能加速度传感器系统的传递函数与特性，分析了其在有限硬件资源条件下，对完整TCP/IP协议进行优化方法，移植了适用于智能传感器数据传输的嵌入式TCP/IP协议和基于网页交互控制的嵌入式WebServer协议；实现了基于CF卡的嵌入式文件系统以完成数据的采集与存储；设计了基于IIR带通滤波器的传感器触发采集机制，并对滤波器的性能进行测试。
6在对传感器传递函数特性分析的基础上，进一步分析了采用线性相位与最小相位数字滤波器对传感器特性的影响。通过激光干涉法与自标定法对传感器特性进行了测试与分析。通过传感器幅频与相频特性测试，利用实验数据对传感器的传递函数进行了辨识分析。分析并研究了传感器横向灵敏度和敏测角对传感器性能的影响。
7设计了基于虚拟仪器的传感器自标定测试分析系统；比较分析了传感器不同标定方法测定结果之间误差产生原因和不同标定方法所适用的范围。分析并测试了基于反馈闭环式传感器的噪声特性与动态范围，认为基于力平衡式传感器相对于开环加速度传感器提高了动态范围与频响特性，但是对于传感器的自身噪声特性并无改善，为了提高传感器的噪声特性，必须改进传感器的结构与电路设计。
8对数字智能三分量力平衡加速度传感器的样机的主要性能进行了详细的测试，获得了理想的实验数据。
With the development of digital signal processing and network technology,vibration sensor must have higher accuracy and reliability. Digital intelligentaccelerometer can perform data acquisition, control calculation, triggerjudgment and data transmission. It has the characteristic of high precisionand low power consumption. On the basis of original analog force balanceaccelerometer, the intelligent digital output accelerometer is studied toprovide technical support for the strong motion observation. This dissertationmainly includes the following work:
1This paper presents a scheme of digital smart accelerometer combinedwith high-precision digital acquisition system and control system. Thecharacteristics of the scheme are using high-precision24-bit A/D converter,high-speed signal processor as the controller. The accelerometers have largedynamic range, low power consumption and small size features.
2This paper analyzes the operating principle of force balanceaccelerometer. Under the basis of theoretical analysis, the circuit design ofdigital integrated demodulation and sine wave oscillator is performed and theimprovement is experimental tested.
3The accelerometer magnetic circuit is analyzed with permeance methodand finite element method. Measurement data show that both methods canmeet the requirement of the sensor magnetic circuit design, but finite elementanalysis method is more accurate.
4The relationship between drift voltage of the accelerometer and theambient temperature is studied using the least squares method through thetemperature experimental test. Error brought up by using different curvefitting methods is tested. The temperature compensation circuit is designedfor the accelerometer. This paper points out that quadratic and cubic curvefitting for temperature compensation can reduce the temperature voltage drift.Although the high curve fitting is able to further minimize the drift, whichalso increase the computational complexity and affect the efficiency ofsystem operation.
5The prototype of intelligent tri-axial force balance accelerometer isdeveloped. Transfer function of digital accelerometer is studied by analyzingits working principle. Under the conditions of limited hardware resources,the method for optimize the TCP/IP protocol is studied, which can be used inthe embedded system of the intelligent sensor for the data transmission andweb-based interactive control. Embedded file system based on CF card isdesigned for data collection and storage. Strong motion records trigger filterare designed for the accelerometer, and its performance is tested.
6In this paper, the transfer function and characteristic parameters areanalyzed. Linear phase and minimum phase digital filters used in digitalprocession are introduced which have different features and different usage scope. Features of accelerometer are tested by laser interferometry methodand self calibration method. The transfer function fitting analysis isperformed by experimental data using least squares fitting method. Thecross-axis sensitivity and misalignment angle are measured and analyzed,which would affect the accelerometer performance.
7The accelerometer calibration system based on virtual instrument isdesigned for testing the factor of sensor. The differences arising from usingdifferent calibration method are comparative analyzed to make it clear theapplication scope of the methods. The noise characteristics and dynamicrange of digital accelerometer are analyzed.
8Digital tri-axial accelerometer is tested in detail, and experimental datashows that its performance achieve the expected the design requirements.
引文
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