基于MEMS傳感器的工程強震動加速度計研制

楊 江，范 濤，黃 蔚，鄧 濤，黃 俊，袁 瓊

（1.湖北省地震局地震預警湖北省重點實驗室，湖北武漢 430071；2.武漢地震科學儀器研究院有限公司，湖北咸寧 437100；3.湖北省重大工程地震監(jiān)測與預警處置工程技術研究中心，湖北咸寧 437100；4.武漢地鐵集團有限公司，湖北武漢 430030）

引言

我國是世界上地震災害最嚴重的國家之一，強震動觀測是工程抗震的四大基石之一［1-2］。我國應用于強震觀測領域的地震加速度計普遍采用機械式力平衡加速度計［3］，主要產(chǎn)品有美國凱尼公司ES-T型加速度計，工力所SLJ-100型加速度計，北京港震公司BBAS-2型加速度計，珠海泰德TDA-33M型加速度計等，其優(yōu)點是動態(tài)范圍高（＞145 dB），主要應用于強震專業(yè)臺站的地震監(jiān)測。近年來，強震動監(jiān)測的應用需求不斷拓展，如重大工程（核電站、水庫大壩、高速鐵路等）、超高層建筑等各行業(yè)均制定了強震動監(jiān)測規(guī)范，相對于地震專業(yè)臺站，工程應用需求精度要求稍低，更側重于長期穩(wěn)定、免維護等特性。隨著MEMS技術的迅速發(fā)展，國外基于MEMS傳感器的加速度計大量應用于工程強震動監(jiān)測領域［4-9］，如瑞士GEO公司的AC-23型加速度計應用于我國核電KIS地震儀表系統(tǒng)［10］，瑞士Syscom公司的MR3000強震儀應用于國外多個高層建筑的強震動監(jiān)測。

近幾年，國內MEMS廠家產(chǎn)品也取得了長足進步，代表性廠家包括中電十三所、河北美泰公司，嘉興納杰公司等。為了響應國家國產(chǎn)化核心設備的應用需求，本文選取國內具有自主知識產(chǎn)權的高精度MEMS加速度芯片，通過電路設計及結構封裝，研制了一款基于MEMS的高精度加速度計，其性能指標完全滿足工程強震動監(jiān)測需求。通過超高層強震動觀測測試，得到了良好的數(shù)據(jù)產(chǎn)出。

1 MEMS加速度芯片對比及選型

目前MEMS加速度傳感器主要有壓電式、壓阻式、石英式、變容式、隧道式等類型［11］。壓電式加速度傳感器低頻截止頻率一般在1Hz左右，無法實現(xiàn)零頻檢測；壓阻式加速度傳感器精度較低；隧道式加速度傳感器工藝復雜，不利于批量制造；石英式加速度傳感器結構復雜，其差分電容采用鍍金膜石英擺片黏接反饋線圈實現(xiàn)，已非傳統(tǒng)意義的MEMS技術；變容式加速度傳感器通過電容換能，電荷反饋實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，具有優(yōu)異的零頻響應，在極低的頻率下，具有高靈敏度和出色的溫度穩(wěn)定性，其原理與地震行業(yè)常用的機械式力平衡式加速度計基本相同。因此，目前行業(yè)內用于高精度強震動監(jiān)測的MEMS加速度傳感器通常采用變容式類型。

變容式MEMS加速度傳感器的噪聲來源主要是機械熱噪聲和電噪聲［14］，電噪聲水平與機械力平衡加速度計相當，機械熱噪聲是影響其精度的主要因素。機械熱噪聲等效公式為［5-6］：

式中：an為噪聲均方根（m/s2/Hz）；kb為玻爾茲曼常數(shù)（=1.38×10-23J/K）；T為開爾文溫度；ω0為加速度計固有頻率（rad/s）；Q為加速度計品質因數(shù)；m為電容片等效質量（kg）。

MEMS加速度芯片由于等效質量的限制，其在高精度強震動觀測中與傳感器力平衡機械式加速度計相比主要存在兩方面的不足：一是噪聲水平偏高，量產(chǎn)芯片的動態(tài)范圍在100～120 dB之間；二是低頻特性較差，主要是DC-1Hz的特性較差。但對于工程強震動觀測而言，其性能誤差在可接受范圍之內。

高端MEMS加速度傳感器芯片均為單軸向芯片，生產(chǎn)廠商國外主要有美國SiLicon Design公司，瑞士Colibrys公司，國內主要有河北美泰公司，嘉興納杰公司。其主流產(chǎn)品參數(shù)對比如表1所示。

表1 主流高端MEMS芯片參數(shù)對比Table 1 Parameter comparison of mainstream high-end MEMS chips

通過性能對比，量產(chǎn)芯片中納杰公司AS1002A芯片具有最低的噪聲密度特性，且其產(chǎn)品具有完全的自主知識產(chǎn)權。本文最終選定納杰公司AS1002A單軸加速度芯片作為基礎封裝芯片。

2 三軸向模塊封裝設計

對于單軸向加速度測量外圍電路采用具有超低失調、漂移和偏置電流特性的AD8574運算放大器搭建［13］。采用差分輸出模式（MODE引腳接地），保留溫補控制輸出和ERR系統(tǒng)報錯輸出功能。儀器輸出不做放大處理，靈敏度保持原始出廠值1.8V/g，滿量程輸出0.7 V～4.3 V（2.5 V偏置差分），自檢功能需要在STEN引腳輸入5 V高電平，輸出為19 Hz周期性方波。AS1002信號調理電路圖如圖1所示。

圖1 AS1002信號調理電路圖Fig.1 Schematic of signal conditioning for AS1002

為了方便集成及批量化生產(chǎn)，本文設計了一種三軸一體的封裝模塊，模塊采用高精度機械加工底座，保證3個測量方向的位置精度。模塊采用5 V供電，三軸向信號差分輸出，并具備自檢功能，輸出定義接口如表2所示。

表2 三軸向模塊封裝引腳定義Table 2 Definitions of the pins for three-axis module package

設計完成的三軸向封裝模塊如圖2所示。

圖2 三軸向模塊封裝結構圖Fig.2 Structural diagram of the three-axis module package

3 調理電路設計

根據(jù)數(shù)字強震動加速度儀規(guī)范要求，用于強震動觀測的加速度計需要滿足以下要求：第一，9-18V寬幅供電輸入（標稱值為12V）；第二，靈敏度標稱值為2.5 V/g；第三，滿量程輸出標稱值為±5V；因此需要對供電和信號輸出進行調理。

（1）電源處理及保護［12］

利用9～18V寬幅輸入DC-DC模塊為調理電路進行供電，前級串聯(lián)壓敏電阻和氣體放電管進行一級防雷保護，增加TVS管和保險絲進行二級保護，因氣體放電管響應時間慢，兩級防護之間增加10 uH電感，確保一級防護起主要作用。利用電解電容和繞線電阻組成LC濾波電路，去除高頻干擾，電源處理如圖3所示。

圖3 寬幅供電處理原理圖Fig.3 Principle diagram of the wide power supply processing

（2）三軸向模塊供電處理［15］

為了保證輸入及放大后的信號足夠偏離電源軌，同時提高電源轉換效率增加電路保護，對三軸向模塊的供電設計為±8V左右。以正電源為例，采用LT1763系列LDO電源，最終輸出為：Vout=1.22( )

1+R3/R5=7.68(V)。模塊正電源處理如圖4所示，前級增加LC濾波及去耦電容去除高頻干擾及紋波，后級增加TVS管進行保護。

圖4 三軸向模塊供電原理圖Fig.4 Principle diagram of power supply of three-axis module package

負電源采用LT1964實現(xiàn)，同時為了實現(xiàn)模塊自檢功能，增加一路+5V輸出，采用MIC5207實現(xiàn)。（3）模塊輸出信號處理

三軸向模塊的差分信號輸出量程為0.7～4.3V，因此為了滿足強震規(guī)范要求，需要將輸出信號調理為量程±5V，且為對地平衡差分［16］。

以Z軸向為例，利用雙運放OPA2277U搭建典型的差分運放電路，如圖5所示。此時：

圖5 單軸輸出信號調理原理圖Fig.5 Principle diagram of the single-axis output signal conditioning

因加速度計的輸出信號可能會經(jīng)過長電纜傳輸，為了防止感應雷的反向擊穿，在輸出增加由壓敏電阻、電感、TVS管組成的二級防雷防護。

4 外殼結構設計

加速度計外殼結構設計主要滿足以下幾個要求：第一，IP67防護等級；第二，易于調平；第三，方便地面固定安裝。外殼采用整塊鋁精銑加工，上蓋與本體間設計防水凹槽并安裝防水墊圈，上蓋安裝IP67防護等級的接插件及調平水泡，保證儀器的防護等級。底面均布3個可自鎖的調平地腳螺絲，方便調平及鎖定。底部設計不銹鋼卡座，便于使用膨脹螺絲進行地面固定。儀器外殼機構圖如圖6所示。

圖6 加速度計外殼機構設計圖Fig.6 Design drawing of the shell mechanism of the accelerometer

5 性能測試

為了驗證MEMS加速度計特性，本文進行了室內振動臺性能比測和噪聲比測［17］。振動臺比測主要包括線性度測試、加速度誤差測試、幅頻特性測試3個方面內容，采用BASALT六通道數(shù)采同時接入MEMS加速度計和凱尼ES-T加速度計，2個傳感器同向固定于単軸向振動臺上。以凱尼傳感器X軸向的輸出值作為標準值，MEMS加速度計X軸向輸出值為測量值。噪聲比測主要選取安靜環(huán)境下一個小時的連續(xù)數(shù)據(jù)進行比對分析。

（1）線性度比測

振動臺的測試信號的頻率選擇為10 Hz，測試信號幅度的有效值選擇為測量范圍上限值的7%、14%、21%、28%、35%、42%、49%、56%、63%和67%。測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 線性度比測數(shù)據(jù)Table 3 Comparison test data of linearity

式中：VS1為加速度傳感器輸出電壓擬合值；a為標準加速度值；V0為用最小二乘法求出的回歸常數(shù)項；k為用最小二乘法求出的回歸系數(shù)；VS為加速度傳感器輸出電壓實測值。

兩款加速度計靈敏度均為2.5 V/g，測試結果線性度誤差為0.24%。

（2）加速度誤差及幅頻特性比測

因本次測試的振動臺最高頻率為50 Hz，為保證測試精度在1～35 Hz選取10個測點進行加速度誤差和幅頻特性測試。測試數(shù)據(jù)如表4所示。加速度誤差計算公式，幅頻特性誤差計算公式

表4 加速度誤差及幅頻特性誤差比測數(shù)據(jù)Table 4 Comparison test data of acceleration error and amplitude-frequency characteristic error

式中：W為加速度誤差；Fdb為幅頻特性誤差；Ac為加速度測試值；Ab為加速度標準值。

計算結果如表2所示，最大加速度誤差為35 Hz時，誤差值為0.6%。幅頻特性誤差＜±0.1dB（1-35 Hz）。

（3）自噪聲比測及對比分析

采用六通道數(shù)采同時接入MEMS加速度計和凱尼ES-T加速度計靜置在實驗室一樓，選取凌晨12點至1點的一個小時數(shù)據(jù)進行分析，以NS向為例，其噪聲對比如圖7所示。

受背景噪聲的影響，實測ES-T噪聲有效均值為0.002 63 cm/s2，MEMS加速度計噪聲有效均值為0.003 38 cm/s2。

圖8是在各個典型重大工程實測背景噪聲數(shù)據(jù)曲線，所有噪聲數(shù)據(jù)測試均采用凱尼ES-T傳感器和BASALT記錄器采集。其中大壩底層背景有效噪聲約為0.013 32 cm/s2，高層建筑底層背景有效噪聲約為0.006 81 cm/s2，高速鐵路AT所背景有效噪聲約為0.026 27 cm/s2，核電站自由場背景有效噪聲約為0.008 142 cm/s2。由圖7、圖8數(shù)據(jù)可知，基于AS1002A的MEMS加速度計有效自噪聲均小于典型重大工程的實測背景有效噪聲。

圖7 MEMS加速度計與ES-T加速度計噪聲對比曲線Fig.7 Noise comparison curve of MEMS accelerometer and ES-T accelerometer

圖8 典型重大工程背景噪聲曲線Fig.8 Background noise curve of typical major projects

6 同址觀測對比

在武漢市某高層建筑的56層的電井中，采用本文的基于MEMS的加速度計和常用的機械式ETNA2強震儀進行同址觀測，記錄到的背景噪聲和功率譜如圖9所示。

由圖9可知，基于MEMS的強震儀的自噪聲水平相對于傳統(tǒng)的機械式加速度傳感器偏高，但是在高層建筑強震動監(jiān)測中，能夠滿足監(jiān)測需求，其在高層建筑背景噪聲水平上兩者在一個數(shù)量級水平，誤差5%以內。由圖10可知，藍色代表基于MEMS的強震儀的功率譜，紅色代表ENTA2的功率譜。在低頻段，基于MEMS的強震儀的強震儀相比傳統(tǒng)的機械式強震儀的噪聲水平偏高，但在大于1Hz以上頻帶兩者相差不大。對于工程強震動觀測而言，其頻帶及精度滿足要求。

圖9 采用基于MEMS的強震儀和ETNA2同址觀測的時程圖Fig.9 Background noise curve of MEMS senor and ETNA2

圖10 采用基于MEMS的強震儀和ETNA2同址觀測的功率譜圖Fig.10 Power spectral density function curve of the MEMS senor and ETNA2

7 實際觀測

2019年，基于MEMS加速度計安裝于湖北省武漢江漢區(qū)福星華府小區(qū)，用于監(jiān)測結構在地震作用下的響應。2019年12月26日湖北應城發(fā)生4.9級地震，震中距離福星華府小區(qū)85.58公里，見表5。系統(tǒng)全程記錄了地震過程中的結構響應，以2棟頂層安裝的強震儀記錄的地震數(shù)據(jù)為例，加速度時程曲線見圖11。對時程曲線三軸向分別求功率譜，同時在地震事件前取一段時間（120 s）的噪聲求功率譜，功率譜密度函數(shù)見圖12。

表5 2019年12月26日應城地震基本信息Table 5 Basic information of the Yingcheng earthquake on December 26，2019

圖11 應城4.9級地震中福星華府2棟頂層加速度時程曲線Fig.11 Acceleration duration curve of the top floor of Building 2，F(xiàn)uxing Huafu in the Yingcheng 4.9-magnitude earthquake

圖12 應城4.9級地震中福星華府2棟頂層功率譜密度函數(shù)曲線Fig.12 PowerspectraldensityfunctioncurveofthetopfloorofBuilding 2，F(xiàn)uxing Huafu in the Yingcheng 4.9-magnitude earthquake

8 結語

本文選擇納杰公司AS1002A芯片進行三軸向模塊封裝，依據(jù)地震行業(yè)加速度計接口規(guī)范，設計電源輸入及信號輸出調理電路，開展了基于標準振動臺的性能對比測試。測試結果表明，該款加速度計的線性度誤差僅為0.24%，在1～35 Hz范圍內幅頻特性誤差＜±0.1 dB，白噪聲測試精度高于0.005 cm/s2。通過同址實際觀測，對比本文研制的強震加速度計和凱尼公司的ENTA2強震儀數(shù)據(jù)，在低頻段MEMS的背景噪聲偏大，但均能滿足工程強震動監(jiān)測應用需求。基于MEMS的強震儀存在無零漂，不需要機械調零和基線校正。

目前已量產(chǎn)自噪聲最低的MEMS加速度芯片是Colibrys公司的Digital-3數(shù)字三軸向芯片，其噪聲密度約為，但對國內禁售。華中科技大學研制的MEMS加速度芯片，實驗室實測的噪聲密度優(yōu)于但暫時還不具備量產(chǎn)條件。在工程強震動監(jiān)測領域，對DC-1Hz的要求不高，隨著MEMS傳感器的不斷完善及成本降低，以及MEMS的加速度芯片具備高精度、易集成、維護成本低等優(yōu)點，MEMS加速度計在工程強震動監(jiān)測領域可全面取代傳統(tǒng)機械式加速度計。隨著MEMS加速度計在低頻段的持續(xù)改進，相信MEMS加速度計在全領域可全面取代傳統(tǒng)機械式加速度計。