力平衡加速度傳感器的恒溫控制系統

詹小艷 章 東 薛瑩瑩 徐順強 朱升初

1）中國南京210014 江蘇省地震局

2）中國鄭州450002 中國地震局地球物理勘探中心

0 引言

強震動觀測技術是地震工程得以發展的重要基礎，早期主要應用于地震地面運動和工程結構反應，目前應用范圍拓展至地震烈度速報與預警。數字強震儀一般采用力平衡加速度傳感器，是強震動觀測臺站即固定臺和流動臺（鄭水明等，2008）以及臺網的核心部分，其性能直接關系到強震動觀測的質量。現今廣泛使用的加速度傳感器普遍采用力平衡反饋技術，其能夠彌補傳感器的一些機械性缺陷（楊黎薇等，2014），以實現寬頻帶、大動態、低噪聲的目標，也稱之為力平衡加速度計。早期主要有美國凱尼公司生產的FBA-3 型和FBA-13 型力平衡加速度計，中國地震局工程力學研究所研制生產的DCJ 型伺服式加速度計和RLJ 型差容式力平衡加速度計等（于海英等，2017）。隨著技術進步，力平衡加速度計的性能也在不斷地完善和提高，且重量和體積越來越小。目前我國主要使用的加速度計有SLJ-100 型、ES-T 型2 類。力平衡加速度計具有許多優點，但環境溫度的波動會影響其靈敏度、零漂等指標，進而影響到儀器的穩定性，增加使用和維修成本，降低產出數據質量。因此，分析環境溫度對加速度傳感器工作狀態的影響，并提出改善措施，對于提高加速度傳感器的性能和穩定性具有重要意義。

傳統上，我國強震動加速度觀測多采用閾值觸發模式記錄地震事件。在事件檢測時首先進行高通濾波，儀器零位漂移的影響可以忽略，所以溫度漂移也未引起重視。但是，隨著國家地震預警與烈度速報系統項目的開展，強震動觀測普遍采用實時數據檢測傳輸模式，溫度對數據的影響不容忽視（王宇歡等，2017）。近年來，涌現多種降低溫度對加速度傳感器影響的分析方法：并聯式溫度補償法、零點溫度補償法，軟件補償法（杜永蘋等，2009）。

在總結前人研究成果的基礎上，以ES-T 力平衡式三分量加速度傳感器為例，設計實現1 種可用于實際觀測的恒溫控制系統，為改善強震觀測環境，確保觀測系統產出連續、可靠的數據提供技術參考。

1 恒溫控制系統架構設計

恒溫控制系統架構由恒溫控制設備和處理模塊2 部分構成，見圖1。恒溫控制部分功耗小于3 W，整機功耗小于20 W。其基本原理為傳感器實時監測恒溫設備的溫度變化，并與設定的閾值溫度值進行比較。當監測溫度高于設定上限溫度時，啟動制冷裝置對恒溫室進行降溫；當監測溫度低于設定下限溫度時，啟動加熱裝置對恒溫室進行升溫（孫宏志，2016）。處理模塊的控制端可實現對各類工作參數、制冷或制熱控制的遠程修改。如果監測溫度值超出預設溫度值范圍，處理模塊立即將監測的溫度信息傳送至控制端，以便于工作人員掌握實時情況。

如圖1 所示，恒溫控制系統的溫度傳感器、制冷裝置、加熱裝置與處理模塊通信模塊、存儲模塊、判斷模塊電性連接，通信模塊與控制端通過網絡進行通信。各模塊的設計功能為：判斷模塊用于將溫度傳感器監測的溫度值與預設溫度值的上下限進行實時校驗；處理模塊采用單片機，通信模塊與處理模塊之間設有通信接口，用于控制端的人工指令操作；通信模塊支持4G 無線傳輸和有線傳輸；存儲模塊采用電可擦除非易失串行存儲器；恒溫控制設備采用加熱片加熱，采用半導體制冷，避免了恒溫設備對加速度傳感器的影響。

圖1 恒溫控制系統Fig.1 System diagram of constant temperature control system

1.1 溫度補償方法選擇

并聯式溫度補償法，理論上可實現完全補償，實際上只能近似補償。零點溫度補償法精度較高，但對材料有一定要求。軟件補償法，只需找出輸入、輸出特性曲線，建立溫度模型，即可實現溫度的自動補償。因此，采用軟件補償法設計恒溫控制系統。恒溫控制系統的設計目標是，以較小的功耗實現較好的恒溫效果，將力平衡加速度計局部工作溫度控制在一定范圍，從而有效保證觀測設備工作穩定（李建飛，2012；孫宏志，2016）。

1.2 誤差補償系統設計

環境變化、器件老化等因素引起的干擾疊加在加速度記錄中，造成測量誤差。通過補償方法盡可能降低該誤差。誤差補償需通過構建完整的模擬信號數字處理系統來實現。系統包含模數轉換（ADC）、數字處理（CPU）、數模轉換（DAC）、平滑濾波和校正電路5部分。誤差補償系統工作機制如圖2 所示。流程如下：將模擬加速度電壓經采樣和量化轉換成數字加速度電壓，用數字處理器進行濾波，得到數字補償電壓并轉變為模擬信號，經平滑處理得到模擬補償電壓，通過校正電路補償力平衡加速度計的輸出（Havskov et al，2007）。

圖2 模擬信號數字處理系統Fig.2 Block diagram of the analog signal digital processing system

用DAC 輸出的補償電壓來校正力平衡加速度計輸出電壓進行。因此，在誤差補償系統中，采用運算放大器構建一個加法器來實現該目標。同時，為了方便傳輸和減小誤差，將單端信號轉換為差分信號。這就構成了恒溫控制系統中重要的誤差補償系統。

1.3 系統熱結構

恒溫控制系統的熱結構見圖3。溫控箱中心部位設置1 個加速度傳感器安裝室，其外壁上加熱裝置均勻分布，并設置散熱裝置，只有散熱功率與加熱功率相等才能最終實現恒溫（吳艷霞等，2008）。溫控箱外殼與散熱裝置之間設置有保溫材料。

圖3 恒溫控制系統熱結構Fig.3 Thermal structure design drawing of constant temperature control system

2 實驗結果與分析

2.1 實驗室測試

2.1.1 恒溫控制系統噪聲。選用工程力學研究所的ES-T 力平衡式三分量傳感器作為測試對象，該傳感器動態范圍優于155 dB，帶寬DC 至200 Hz。具有頻帶寬、靈敏度高、動態范圍大、傳遞函數穩定、噪聲水平低等特點，是我國強震觀測的主要設備。通過跳線器，用戶可選擇的量程配置為±0.25g、±0.5g、±1g、±2g、±4g共5 檔。

在對小型恒溫系統進行性能測試前，測試置于恒溫系統中的加速度傳感器記錄狀態。對一個低噪聲臺基進行24 h 觀測。觀測房日溫度波動范圍為2℃—5℃。將其中安靜時段記錄（2016 年9 月11 日23 時至12 日2 時）用于地脈動加速度功率譜計算。恒溫系統通電和斷電狀態下的地脈動加速度功率譜曲線，如圖4 所示。2 種狀態下全頻帶內加速度功率譜曲線一致性較好，僅在高頻部分（20—30 Hz）略有差異，差異幅度僅約為5 dB。試驗結果表明，在有效頻帶范圍內溫控系統不會對加速度計造成干擾。

圖4 溫控系統與常規觀測環境下的地噪聲對比Fig.4 Comparison of ground noise between the temperature control system and conventional observation environment

2.1.2 恒溫控制系統對加速度傳感器靈敏度的影響。2016 年10 月8 日至11 月30 日開展測試實驗，將被測加速度傳感器置于圖5 所示，實驗裝置（王曉蕾等，2018），進一步獲取溫度補償對加速度傳感器的影響特征。在加速度傳感器及溫控箱內分別安裝溫度傳感器，溫度范圍為-5℃—+40℃，每隔1℃增加1 個測點值，獲取每個溫度測點值加速度傳感器的零點并進行脈沖標定和正弦標定測試（趙龍梅等，2017）。對相關數據及波形進行計算和分析，獲得分向靈敏度與溫度關系曲線，如圖6 所示。

圖5 測試實驗裝置Fig.5 The experimental device

圖6 ES-T 力平衡式加速度傳感器分向靈敏度與溫度數據關系曲線Fig.6 Relationships between the sensitivity of each direction of the ES-T force balance accelerometer and the temperature

在-5℃— +40℃的環境下，各分向靈敏度雖然總體上呈現隨溫度升高而增大的特征，但變化幅度較小，幅度范圍約為1.7%—3.2%。當外部環境為15℃—25℃時，靈敏度變化相對穩定。測試可知，在-5℃— +15℃環境下，靈敏度變化率最大。從另一角度反映出環境溫度對強震觀測儀器的材料性能、元件等的影響程度。當外界溫度過高或過低時，加速度傳感器的內部結構會受到一定影響，此為需要恒溫環境的原因之一。

2.1.3 恒溫控制系統控溫過程中的溫度變化。將試驗環境溫度分別設定在38℃、28℃和3℃，恒溫系統中的恒溫點設定為20℃。在3 種狀態下，恒溫膽內溫度變化過程如圖7 所示，到達恒溫點的時間分別為87 min、34 min 和142 min。環境溫度高于恒溫點，降溫過程相似，初始時波動劇烈，隨后波動幅度逐漸減小。低于恒溫點的狀態下，溫度穩步升高，過程相對較長。穩態時，3 種環境下恒溫系統內溫度波動均較小，曲線基本保持一致。

圖7 不同環境溫度下恒溫系統內部溫度變化曲線Fig.7 Internal temperature curves of the constant temperature system under different ambient temperatures

2.2 試運行

經實驗室測試，將ES-T 力平衡式三分量加速度傳感器分別于2016 年12 月26 日至2017 年2 月24 日2017 年5 月9 日至2017 年7 月27 日，在啟東圓陀角強震臺及地球物理勘探中心進行試運行。部分試運行數據見表1。

表1 啟東圓陀角強震臺及地球物理勘探中心部分試運行數據Table 1 Partial commissioning data of Qidong Yuantuojiao strong seismic station and Geophysical Exploration Center

試運行期間經歷冬季及夏季，未出現因環境溫度變化導致的機械故障現象，記錄數據正常。說明恒溫控制系統發揮了溫度微調的效能，抑制了環境溫度變化帶來的影響，使得傳感器在近恒溫狀態下工作，進而提高了設備工作的穩定性。

3 結語

為解決環境溫度變化造成的強震觀測儀加速度傳感器機械性故障這一技術難題，研究設計了小型恒溫控制系統。測試結果表明，在-5℃—+40℃的環境下，各分向電壓靈敏度雖然總體上呈現隨溫度升高而增大的特征，但變化幅度較小，幅度范圍約為1.7%—3.2%。當外部環境溫度為15℃—25℃時，靈敏度變化相對穩定；當外部環境溫度為-5℃—+15℃時，靈敏度變化率最大。地脈動對比觀測結果表明，恒溫控制系統對ES-T 傳感器的影響，在有效頻帶范圍內幾乎可以忽略。試運行結果證明，將加速度傳感器置于溫度控制箱內，可以保證加速度傳感器的工作穩定性。本恒溫控制系統可以滿足加速度傳感器對溫度補償的要求，可為保障強震觀測提供技術解決方案。

將加速度傳感器長期放在穩定的溫度環境中工作，可以減少加速度傳感器故障，進而提高強震動記錄數據的可用性。盡管在技術上已經顯示出令人鼓舞的前景，但仍有一些細節需要進一步改建與完善。比如小型恒溫控制系統，由于溫腔體積小，當外界溫度急劇變化時，功耗會有所增加，并且可能存在溫度補償不徹底的現象。后續將進一步研究減小溫度變化的方法，從根本上降低其對強震觀測的影響。