（电路与系统专业论文）石油勘测MEMS传感器数据采集器设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 将基于m e m s 传感器的集成化、微型化和数字化的采集系统应用在石油、煤矿勘 探当中，以提高探测的深度和精度，一直是国内外相关领域研究的热点问题之一。在国 家8 6 3 微机电系统重大专项课锺驴石油勘探m e m s 加速度传感器制造与实用化研究y 课 题编号：2 0 0 4 a a 4 0 4 2 1 0 ) 的研究背景下，本文根据石油勘探m e m s 传感器的特点，研制 出了一套高速采集、快速处理的数据采集系统，解决了石油勘探中传感器输出信号信噪 比低、谐波失真大、灵敏度低、频谱特性差，不具备数字采集等问题。 通过对m e m s 加速度传感器的特点研究，研制了针对差动电容传感器的信号提取 电路。文章给出了电路的具体设计，并分析求解，得到了输出电压与电容变化的线性关 系。系统以d s p 处理器用作数据采集和信号处理，a r m 处理器作为主控单元，构建了 双c p u 数字处理系统。采用r s 4 8 5 与c a n 总线构建了高实时性和准确性通信网络，完 成数据采集。通过采用高隔离度的d c d c 电源和低噪低漂移运放，使用光电隔离和滤 波器等设计，采集装置具有了很强的抗干扰特性。 为提高系统在低信噪比环境下的信号检测性能，在对比几种信号检测方法后，文章 采用基于提升小波降噪的数字信号处理方法。在分析了基小波的选取和阈值降噪的原理 后，本文提出了一种采用均值与阈值相结合的改进方案，实验结果证明了方法的可行性。 软件设计中，本文完成了a d 、d a 、串行通信和双机通信等底层驱动功能，并在 d s p 中实现了基于小波降噪的信号处理程序。采用v c 开发上位机调试软件，实现了参 数设定、数据保存、波形和频谱实时显示等功能。 测试数据和油田勘探的实验结果证明，采集器的输出信号信噪比大幅提高、诣波失 真小、灵敏度高，并且具有更好的频谱特性，在探测精度、深度、频率范围和可靠性等 性能上，要大大优于老式检波器。 关键词：- 嘴加速度传感器；嘴p ；a 叫；提升小波 大连理1 大学硕士学位论文 d e s i g no f d a t ac o l l e c t o rf o rp e t r o l e u me x p l o r a t i o nm e m s s e n s o r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，d a t ac o l l e c t o ro fc o a la n dp e t r o l e u m e x p l o r a t i o n 、i mm e m ss c m s o rn e e dm o r em i e r o m a t i o na n di n t e g r a t i o n h o wt oa d v a n c e s u r r e yd e p t ha n dp r e c i s i o ni sa l w a y sh o t s p o tp r o b l e mi ni n t e r n a t i o n a lc o r r e l a t i o nr e g i o n t h i st o p i ci ss u b t o p i co f t h en a t i o n8 6 3p r o j e c t ”t h em a n u f a c t u r ea n dp r a c t i c a lr e s e a r c h o f t h ep e t r o l e u me x p l o r a t i o nm e m sa e c o l e r a t i o ns e n s o r ( t h et o p i cs e r i a ln u m b e r ：2 0 0 4 a a 一 4 0 4 2 1 0 ) u n d e rt h em i c r oe l e c t r o n i ca n dm a c h i n e ds y s t e mr e s e a r c hb a c k g r o u n d , t h i st h e s i s p u tf o r w a r da s e to fa p p l i c a t i o ns o l u t i o n b ya n a l y s i n gc h a r a c t e r i s t i co fs e n s o r , t h i sp a p e r d e v e l o p sad a t ac o l l e c ts y s t e mo fh i g hs p e e dc o l l e c t i n ga n di m m e d i a t ep r o c e s s i n g ，a n d r e s o l v e st h ep r o b l e mo fl o ws n r , h i g l lh a r m o n i c sd i s t o r t i o n , l o ws e n s i t i v i t yi nt h ep e t r o l e u m e x p l o r a t i o n b yr e s e a r c h i n ga e e e l e r o m e t e r , an e ws i g n a lp i c k - u pc i r c u i to fd y n a m i c ss e n s o ra c t i v a t e d b yd i f f e r e n t i a lc a p a c i t a n c ei sd e v e l o p e d e l e c t r o n i cc o m p o n e n t so ft h ec i r c u i ta r el i s t e d a d i r e c tr a t i ob e t w e e no u t p u tv o l t a g ea n dc a p a c i t a n c ev a r i a t i o nw a so b t a i n e dt h r o u g ha n a l y z i n g t h ec i r c u i tp e r f o r m a n c e s t h ea r t i c l ep r e s e n t st h a td s p p r o c e s s o ri sr e s p o n s i b l ef o rs a m p l i n g a n da n a l y z i n g , a r m 7p r o c e s s o ri sam a s t e ro fc o n t r o l l e r i na d d i t i o n , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e s t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb a s e do nr s 4 8 5a n dc a nb u s b yu s i n gd c - d cp o w e rs o u r c e ， l o wd r i f to p e r a t i o n a la m p l i f i e r s ，o p t i c a l l yc o u p l e di s o l a t o r sa n df i l t e rd e s i g n , t h es y s t e mh a sa g o o dc h a r a c t e r i s t i co f a n t i d i s t u r b a n c e i no r d e rt oi m p r o v es i g n a ld e t e c t i o np e r f o r m a n c eo nt h el o ws n re n v i r o n m e n t , t h e t h e s i sa d o p t sl i f t - w a v e l e ta p p r o a c ht or e d u c en o i s ea n de x t r a c tw e a ka n a l o gs i g n a l s b a s e do n t h et h r e s h o l dd e n o i s i n g ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dad e - n o i s i n gm e t h o dt h a tc o m b i n e sm e a n a p p r o x i m a t i o na n dt h r e s h o l dt o g e t h e r s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e sa d ，d a ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，d u a l - c p uc o m m u n i c a t i o n a n do t h e rd r i v e rf u n c t i o n s , a n da l s oa c c o m p l i s hd s pp r o g r a mo fl i f tw a v e l e ta n a l y s e s m o n i t o rp r o g r a m sf i n i s hp a r a m e t e rs e t t i n g s ，d a t as a v e ，w a v e f o r ma n df r e q u e n c ys p e c t r u m r e a l - t i m ed i s p l a ya n ds oo n a tl a s t , t h ea r t i c l ea n a l y s e se x p e r i m e n t a lr e s u l t so f m e a s u r e m e n t a n do i lf i e l de x p l o r a t i o ni nd e t a i l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dp e t r o l e u me x p l o r a t i o nr e s u l t sb o t hp r o v et h a tt h i ss o l u t i o n c a na d v a n c et h es e n s o r ss e n s i t i v i t ya n dd e t e c t i o nd e p t h , p e r f o r m a n c eo f t h ec o l l e c t o ri sb e t t e r t h a nt r a d i t i o n a ld e t e c t o r k e y w o r d s ：m e m sa c c e l e r a t i o ns e n s o r ；d s p ：a r i gl i f tw a v e l e t ，i i i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：呈起日期：三! ! ! ：! ! ：! ! 人连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：3 起 聊签2 缝2 幽1 年上月日 大连理j 二大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 地震勘探方法是采用人工地震产生地震波，通过地表布置的传感器接收地震波在不 同地质层的反射波的信号，然后进行数据的分析，从而得到地质结构图的一种方法。随 着地震勘探的发展，对传感器以及勘探相应的数字地震仪器、数字信号处理手段提出了 更高的要求。目前利用传统检波器对全国可能有油气的区块已进行多次勘探，但传统检 波器由于动态范围小、矢量保真度低、交叉轴灵敏度大等缺点，不能检测深层低频地震 信号，直接影响到地震数据采集的质量，已成为制约石油物探技术继续发展的主要瓶颈 l l l o 近年来美国的i n p u t o u t p u t 公司( 简称i o 公司) 已经研发出以m e m s 为基础的新型数 字地震检波器。这种检波器采用m e m s 力h 速度传感器，性能指标上已有大幅提高，另外 i o 公司以把2 4 位a d 和m e m s 传感器集成封装到一起，可以直接数字化输出1 2 1 1 3 。除美 国的怕公司外，法国的c g g 公司也声称开发出基于m e m s 传感器的地震数字检波器。 同时这些园外公司开始技术推广，国内有些物探公司已经采购相应的设备，但引进一套 m e m s 检波器的成本为1 0 0 0 美元。所以开发基于m e m s 力d 速度传感器的数字检波器，对 于提升石油勘探行业的技术水平具有重要的社会和经济效益，对于保持我国经济的高 速、持续和稳定发展具有重要的战略意义。国内许多科研机构和企业在研究、开发m e m s 加速度传感器，威海双丰电子集团有限公司、中科院上海微系统所、中石化南京物探研 究所共同承担国家8 6 3 计划，研究m e m s 力h 速度传感器在石油勘探领域的应用。 本次项目是与威海双丰电子合作，采用其设计的m e m s 传感器，该项研究已在石油 勘探m e m s h h 速度传感器的设计、制造、封装、检测及应用等方面取得了突破性进展， 但离高分辨率、高保真、高精度勘探的需求还有一定差距。本次课题将m e m s 传感器与 数字采集和处理电路集成封装在一起，输出同时具有模拟量和数字量两种形式。经过实 验证明，输出信号的信噪比大幅提高、谐波失真小、灵敏度高，并且具有更好的频谱特 性，数字通信有很高的实时性和准确性，现场可以方便的完成通信组网。目前已经在油 田进行了2 次野外试验，与传统的检波器做了对比，取得了初步的成果。 1 2m e m s 传感器数据采集的主要技术 ( 1 ) m e m s 技术和工业应用 m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t 锄) 是一项有着广泛应用前景的应用基础技术 4 1 。利用m e m s 技术可以使电子设备中元器件实现微型化、低功耗以及便携性等技术要 求( 5 1 。m e m s 利用表层蚀刻技术，可实现宏观意义上的机械三维结构，使元器件生产小 石油勘测m e m s 传感器数据采集器设计 型化成为可能。m e m s 器件主要以硅晶体为加工材料，可以类似半导体器件的生产方法， 以相对较低成本批量生产。m e m s 器件在当今汽车应用电子以及计算机外设等方面得到 广泛应用。m e m s 制造方法大致有表面微机械加工、整体微机械加工、混合微机械加工 等几种方法【6 j 。 ( 2 ) d s p 技术的应用和发展状况 目前，d s p 经过2 0 多年的发展，已经发展到第五代。它的系统集成度更高，速度更 快，如t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 定点d s p 的运算能力可达1 6 0 0 m i p s ，完成2 0 4 8 定点f f t 的时间只有 7 0 。u s ，而且功耗却更低。同时由于越来越多的外围芯片被集成到芯片中，使得d s p 在消 费类产品中的使用比例大为增加嗍。未来d s p 的发展方向主要有以下几方面：微处理器 和数字信号处理器混合；d s p 和实时操作系统( r t o s ) 的结合；支持高级编程语言的d s p 开发软件；并行处理结构等。 ( 3 ) a r m 微处理器的发展和特点 a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e oc o m p u t e r c p u 开发领域不断取得突破。由于a r m 公司自成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ) 提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加 上其设计的芯核具有功耗低、成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂 商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有7 5 以上的3 2 位r i s c 嵌入式产品市场。在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。 a r m 微处理器具有：处理速度快；超低功耗；价格低廉；可利用的软件丰富等特点1 9 。 ( 4 ) 地震勘探技术及发展 所谓的地震勘探就是利用人工方法引起地壳振动，如利用炸药爆炸产生人工地震， 再用精密仪器记录下爆炸后地面上各点的震动情况。利用记录下来的资料，推断地下地 质构造的特点。地震勘探是在地面上某点打井放炮后，爆炸产生的地震波向下传播。地 震波遇到地层( 速度与密度的乘积有差异) 的分界面时，通常会发生反射；同时另一部分 地震波还会继续向下传播，碰到相似的地层界面后还会产生反射和透射，即一部分地震 波的能量反射回地面，另一部分继续向下传播。与此同时，地面上精密的仪器把来自各 个地层分界面的反射波引起地面振动的情况记录下来。然后根据地震波从地面开始向下 传播的时刻和地层分界面反射波到达地面的时刻，得出地震波从地面向下传播到达地层 分界面，又反射回地面的总时间，再用别的方法测定出地震波在岩层中传播的速度，最 后就可得到地层分界面的埋藏深度了，如图1 1 。 沿着地面上的一条测线，一段一段地进行观测，对观测结果进行处理后，就可得到 形象地反映地下岩层分界面埋藏深度起伏变化的资料一地震剖面图。在一个可能有油气 的地区( 称为工区) 内，布置多条测线，形成测线网，并在多条测线上进行这种观测之后， 大连理t 大学硕士学位论文 可得到地下地层起伏的完整概念。再综合其它物探方法和地质、钻井等各方面的资料， 进行分析、研究，就能查明可能储存油气的地质构造，最后确定钻探的井位。 但事实上，在沙漠或黄土覆盖的地区要用人工方法产生较强的地震波就很不容易； 炸药爆炸后，地面上的仪器除了接收来自地层界面的反射波外，还会接收其它各种各样 的波，它们都会干扰反射波的接收。为此人们需要不断的发展用于指导地震勘探生产实 践的理论和更加精密的仪器设备。本次就是将数据采集器应用在地震勘探中，这使传感 器可以实现真正意义上的数字信号输出，且具有内在的、较高的矢量精度和优良的频率 响应特性。 1 3 本文主要工作 k 地下覆盖段 一 图1 1 反射波测距 f i g 1 1m e a s u r ed i s t a n c e o f r e f l e c t i o n w a v e 1 3 1 项目的目标 根据8 6 3 项目提出的要求，通过本项目的实施，应完成以下基本功能： ( 1 ) 通过对m e m s = ! j f l 速度传感器研究，研制传感器数据采集与处理方法及装置，降 低传感器测量噪声，提高灵敏度使探测深度得到提高。 ( 2 ) 采集器具有模拟输出接口和网络接口，能够将传感器连接到现有的石油探测系 统中，提供网络接口，使其具有数字化采集能力。 ( 3 ) 使用数字滤波和数据融合技术，进一步提高传感器的信噪比。 其中要达到的技术指标： ( 1 ) 传感器灵敏度v p = 1 2 v g ，动态范围至少大于8 0 d b 。 ( 2 ) 采集器灵敏度达至r j v p ( 电压峰峰值) = l o o , v 。 ( 3 ) 输出信号频带宽度至少5 5 0 0 i - i z 。 ( 4 ) 谐波失真小于0 1 。 石油勘测m e m s 传感器数据采集器设计 ( 5 ) 软件校准传感器灵敏度，校准精度优于0 1 。 ( 6 ) 外部供电电源范围在9 4 0 v 系统都可正常工作，并为传感器提供5 v 电源。 仃1 线路板宽度小于4 0 m m ，长度小于8 5 m m 。 ( 8 ) 系统功耗低于5 w 。 ( 9 ) 系统工作的环境温度：4 0 + 8 5 。 ( 1 0 ) 可在相对湿度8 5 下正常工作。 1 3 2 系统设计方案 采集器将同时提供模拟接口与数字接口，即可以与油田现有模拟采集设备相连，也 可以使用自己研制的数字采集站设备。系统既可以通过c a n 总线组网，也可以通过 r s 4 8 5 对单一设备进行设置和监控，输出的模拟信号同时可以接入模拟采集站。总体框 图如1 1 所示，这样现场可以同时对分布的上百个点进行检测记录。 现场的采集器都将提供范围为5 v 的模拟信号输出接口，油田现有的模拟工作站将 对模拟信号进行分时采集、记录，并绘制剖面图。在现场设备层的r s 4 8 5 网络中，采集 器作为下位机设备，下面可接微机或液晶显示器等人机交互单元。通过近距离r s 4 8 5 通 信访问采集器，完成参数设置和数据交换，从而方便地实现本地人机交互。上位机可以 按照标准串行通信协议，如m o d b u s 协议、研华a d a v l 协议，主动发出读命令读取采集 器的模拟量输入数据以及寄存器值。由c a n 总线组成的通信网络，可以完成多点的同时 采集，今后将由自行研制的数字工作站对线上所有的数据采集设备进行实时调度。 图1 2 系统结构 f i g 1 2s y s t e ms t r u c t u r e 大连理t 大学硕士学位论文 1 3 3 本文的主要工作 项目设计期间，本文完成了硬件电路原理图设计、p c b 板设计、底层驱动程序设计、 数字信号处理程序、上层监控软件设计和实验测试等工作。 硬件设计包括d c d c 隔离电源，传感器信号提取放大电路，d s p 系统( a d 转换接口， 双机通信接口和c a n 总线接口1 ，a r m 7 系统( d a 转换接口电路，r s 4 8 5 接口和双机通信 接口) 。检测方法上：通过对m e m s 信号采集分析，并对比几种低信噪比信号检测方法的 效果后，本文提出了采用基于提升小波算法的信号处理方法。软件设计主要包括d s p 的 驱动程序、双机通信程序和信号处理程序，a r m 的驱动程序和通信程序，以及采用v c 开发的上位机监控软件。设备测试包括温漂、频率相应、灵敏度、抗干扰性等几个方面， 通过实验室测试的数据结果，论证了采集器的优缺点。通过野外的实验采集处理，得到 了二维剖面图、频谱图等数据结果，进一步地验证了方案的可行性和实用性。 石油勘测m e m s 传感器数据采集器设计 2 硬件设计与开发 采集器的硬件设计分为传感器放大电路、电源电路、d s p 系统电路和a r m 系统电路 4 个部分。另外，由于采集器将在野外现场使用，会受到较强的噪声干扰，所以在抗干 扰和电磁兼容方面本文做了很多工作，确保了输出信号的高信噪比。 2 1 硬件电路总体结构 根据项目的目标和基本技术指标，并研究m e m s j j i 速度传感器原理和特点，采集器 采用低噪声运放o p a 4 2 2 8 设计了高信噪比的模拟放大电路，使用2 4 位高分辨率高速的 a d 芯片c s 5 3 6 0 高速采样接入d s pt m s 3 2 0 c 5 5 0 9 ，在d s p 中采用数字信号处理方法，根 据信号的时域与频域特性，提取弱信号，提高信噪比。a r m 7l p c 2 1 0 4 微处理器与d s p 通过光耦隔离以s p i 方式通信，采用高精度1 6 位d a 芯片a d 6 6 0 1 1 5 l 将检测的信号以模拟信 号形式输出。网络接口将同时采用r s 4 8 5 和c a n 总线，通信接口都使用光耦隔离。设计 的高隔离度的d c d c 电源，以减少供电系统和外界对系统的影响。系统框图如图2 1 。 l 璺| 2 1 硬件结构框图 f i g 2 1t h ec h a r to fh a r d w a r es t r u c t u r e 电压信号 输出 t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 是1 r i 公司生产的将丰富的外设和低功率性能结合在一起的定点1 6 位d s p 。c p u 主频可达2 0 0 m h z ，一个指令周期5 n s l l 2 1 。由于采集器的设计要求的尺寸很 小，而5 5 0 9 内部r a m 较大，这样就不用外扩r a m 就可以完成信号处理。l p c 2 1 0 4 是基 于一个支持实时仿真和跟踪的a r m 7 t d m i sc p u l l 3 】，并带有1 2 8 k 字节嵌入的高速f l a s h 存储器。由于芯片体积小，引脚少，功耗低，内部f l a s h 较大，烧写速度快，这样可以完 大连理工大学硕士学位论文 成一定量的参数设置和数据存储，并且可以根据设置控审u 5 5 0 9 ，同时l p c 2 1 0 4 可以完成 模拟量的输出。两个控制器由光耦进行隔离，这样将会进一步减小噪声干扰。 2 2m e m s 加速度传感器 ( 1 ) 石油勘探m e m s 加速度传感器为威海双丰电子设计，传感器是以硅为基础，差 动电容式加速度传感器。差动式电容加速度传感器中问电极是由加速度传感器质量块构 成，其电容器的中间电极面积即为质量块的面积。两边电极和质量块形成两个电容器。 当在y 方向有加速度时，质量块就向y 的负方向偏离，导致两个电容发生相对变化，测 出电容变化的大小，就得到加速度的值。实际设计采用一种三臂梁结构的m e m s j j t l 速度 传感器，结构如图2 2 所示。 图2 2 三臂梁( 3 b l ) 三明治结构 f i g 2 2t h r e ea l t l lb e a ms a n d w i c hs t r u c t u r e s 该结构的特点是质量块不是方形结构，而是一个正六边形结构，其梁与硅片主晶向 不全部成平行和垂直取向。其优点是抗横向干扰强，灵敏度高。 ( 2 ) 其主要技术指标是灵敏度、频率响应、固有频率、非线性、阻尼、噪音、可靠 性i 。 灵敏度： y = 等e b h g ( 2 1 ) j 。 加速度传感器的灵敏度是以终端挠度大小来标定的，差动电容传感器的基本结构是 悬臂梁、质量块、边框构成的二维弹性分量，悬臂梁终点的最大挠度。 公式( 2 1 ) 中：肌为质量块质量；e 为s i 材料的杨氏模量；l 为梁长；b 为梁宽；| j l 为梁 厚度；g 为重力加速度。 固有频率( 自然频率) ： 传感器的固有频率是由传感器悬臂梁的材料和结构尺寸决定的，其固有角频率： 石油勘测m e m s 传感器数据采集器设计 q 一括 ( 2 2 ) 则，固有频率： 一去q ；去摆 ( 2 s ) 其中：k 为弹簧常数，所为质量块质量。式( 2 2 ) 中弹簧常数： 七一东= 鲁4 m l = 堕4 l 3 ( 2 4 ) y m ， 将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) 中，固有频率： l = 去j 甓 c z s ， 非线性误差： 刈于单电容传感器，电容量为： c 。2 等0 ( 2 e ) n ( 2 6 ) 式e e ：e o - - - - 8 8 5 x i o 。2 ( f m ) 为真空介电常数；幽为平行板间距离；s ， v 一一9 - 一一”e 、l 。 当外力使扳间距发生变化时，引起电容发生棚对变化量为： 笪c 一等”等+ 等) 2 + 】 ( z ，) 磊氐、磊。 。 单电容传感器板间距的相对变化量与电容变化量是非线性关系，非线性误差，忽略 高次项为： 旷踹姐嗍= i 争姗 ( 2 9 ) 电容传感器的灵敏度如等告学 对于差动电容式传感器，当传感器发生外力后，中间电极产生位移，使c l ，c 2 变化 为： 等屯等【1 + 尝) 2 + 等) 4 + 】 亿埘 那么灵敏度：k 一2 杀 则，非线性误差： 旷笨错姐o o 一c 等2 姐o o 大连理工大学硕士学位论文 可见差动电容式传感器的灵敏度增加一倍，非线性将大大降低。 2 3 放大电路设计 前端放大电路通过外加激励信号将m e m s 传感器的机械振动转化为差动输出的电 压信号，微弱的电压信号经过放大电路后控制在a d 的输入范围之内。由于m e m s 传感 器出来的为微弱的差值信号，很容易受到干扰而输出较大的噪声，所以采用高共模抑制 比、高输入阻抗、高精度、高速、低漂移极低噪声的运算放大器o p a 4 2 2 8 作为前端放大 电路，这样可以很大程度上减小放大时运放加入的噪声。 o p a 4 2 2 8 1 7 】为1 1 公司生产的高速低噪高精度运算放大器，供电范围为2 5 v 1 8 v ，3 3 m h z 带宽，共模抑制比到达1 3 8 d b ，最大1 0 h a 输入偏置电流和7 跏v 偏置电压， 温漂o 跏v c 。特别是该运运放具有很低的噪声特性，输入噪声密度达到1 0 h z ： 3 5 n v 舷，1 k i - i z ：3 n v 胁，低频输入噪声0 1 h z 至i j l 0 h z 最大为9 0 n v ( 峰峰值1 。 设计过程中提出了两种方案，方案1 为交流不平衡电桥式电路，方案2 为电容运放反 馈式电路。其中方案1 得到了实际验证并投入到现场勘探当中，方案2 尚处在实验和改进 阶段。 2 3 1 方案1 图2 3 放大电路框图 f i g 2 3a m p l i f i c a t o r yc i r c u i t 以m e m s 技术为基础发展起来的微型加速度传感器，其敏感部位为差分电容结构f 参 见2 2 节) 。差动电容敏感结构对温度变化不敏感，有极佳的灵敏度，但是由于微机械电容 敏感式力学传感器的电容量小，要提取此小的电容变化信号，对提取电路的要求就很高。 该电路主要由方波激励、电容一电压变换电路、差分放大、有源滤波器四部分组成， 如图2 3 所示。 石油勘测m e m s 传感器数据采集器设计 方波激励采用1 m h z 的有源晶振，这种晶振价格低、噪声低、功率低，而且温度稳 定性较好。电容电压变换电路由可变间距差动电容c 1 和c 2 ，充放电二极管d 1 、d 2 、 d 3 、d 4 ，r 1 、r 2 和c 3 、c 4 构成。低噪声运放o p a 4 2 2 8 构成仪器放大电路，由r 3 、r 4 和r g ，r 5 、r 6 和r 7 、r 8 决定放大倍数。c 5 和c 6 为隔离直流电容。二阶有源滤波电路设 计为5 0 0 h z 范围，可以消除高频噪声。通过r l l 和r 1 2 可以进一步调整放大倍数。 ( 1 ) 电容一电压变换电路 如图2 3 所示，电桥的上面两臂是电阻r 1 、r 2 和d i 、d 2 的并联，下面两臂是拾取 信号电容器c 1 和c 2 ，电流通过r 1 、r 2 对电容器c 1 和c 2 充电，当然也通过反向二极管。 但是，通过二极管的电流小，在实际情况下，可以忽略，特别是考虑到器件的输出信号 不会受到反向电流的绝对值的影响，而只和它们的差值有关。这样，电容器c 1 和c 2 拾 取的电压为脉冲电压，如图2 4 所示【1 。 5 v o v 图2 4 脉冲波形 f i g 2 4i m p l u s ew a v e f o r mg e n e r a t o r 在t = 0 一乃( 巴为5 v ) 时，电容器拾取的电压取决于电容器的值，而在t = 乃一t ( e 4 = o v ) 时，电压是由二极管的特性决定，可以认为0 。 下面分别分析充电和放电过程，并求出输出信号和电容变化的关系。在充电过程中， 即：k t t 7 + i 1k = 0 ，1 ，2 “ 由基尔霍夫定律得： 口：拦二 亿埘 1 卜c l 警- o 坦1 2 式中：为激励信号毖的幅值，嘲二级管导通电压，。为电容器c 1 的电压，为 流经r 1 的电流，如图所示。解方程( 2 1 2 ) 得到： 圪= ( 一) ( 1 一e 焉q ) ( 2 1 3 ) 同理： t ( 吒一吃) ( 1 一er 2 c 2 ) ( 2 1 4 ) 大连理工大学硕士学位论文 在放电过程中，即：k t + t 1 t m 1 ) t k = 0 ，1 ，2 由于二极管的正向导电电阻很小，电容器c 1 的电荷通过二极管d 1 瞬间释放为0 ，所 以圪= 0 。电桥在a 端输出压电的直流成分为 呒一永毋= 毕卧删一e 矗) 】 ( 2 1 5 ) 考虑到敏感头的实际结构，设c l = g + cc 2 = 岛一c ，式中：c o 为敏感头在不 受力时极板间的固有电容，a c 为受力后的电容变化量，由于a c c o ，所以c l = 陆c c o ，故 冗一永出一半小州c o + c ) ( 1 乒- r , ) 】 ( 2 1 6 ) 同理： 呒。手驴疵- 半肾邸。- c ) ( 1 _ e 矗) 】 ( 2 1 7 ) 这样： 冗。；形一露。2 壁2 二坐( 1 一e 最( 2 1 8 ) ) a c 1 8 圪 = 圪一k 一2 2 j i ! ! ( 1 一e h ( 2 把r j = r 2 = 4 7 k 0 ，t = l u s ，t l = o 5 u s ，v m = 5 v , c o = 3 0 p bc = d 埘，v d = o 7 p 代入 得：瓦= 3 9 2 5 1 8 m v 。 做仿真验证，结果如表2 1 ，v 1 与v 2 的电压差值为5 7 8 3 1 0 m y 5 7 4 9 8 4 m v = 3 3 2 6 m v ， 仿真二极管、电容都采用的实际参数，理论值和仿真数据基本接近。 表2 1a c 与输出电压 t a b 2 1a ca n do u t p u tv o l t a g e ( 2 ) 解调放大 由c 3 和r 1 3 构成的一阶滤波电路同时可以滤掉载波频率o = i m h z ，c 3 = c 4 = 0 1 u f ， r 1 3 = r 1 4 = l k o ，根据公式：三一 r ， 2 z c q ，_ j 5 9 2 k h z ，远小于1 m h z 。 厂- z 杀石，算出传感器信号输出截至频率： 放大器o p a l 4 2 2 8 对由输出的电压值进行放大后，表示为： 石油勘测m e m s 传感器数据采集器设计 v o m = g ( 2 1 9 ) 其中g 为经过o p a 4 2 2 8 的放大倍数，r 3 = r 4 ，r 5 = 尺7 ，r 6 = r s ；如图2 3 所示。 g 巾z i r 6 笋 亿z 。， ( 2 1 9 ) 式进一步表示为= ka c ，这样： k ，2 监幽鱼( 1 一e 最) g ( 2 2 1 ) l 。 i y , r g = i 5 k o ，r 3 = r 4 = 3 0 k o ，r s = r 7 = j 5 k o ，r 6 = r s = 3 0 k o 是选定的，放大倍数g = 8 2 0 ， 那么理论值睁3 2 1 8 6 4 v 在外部电路参数不变的情况下，改变c 的值可以得到检测电路的灵敏度。由于电容 式微机械传感器，其电容很小( 几十皮法左右) ，而电容的变化量更小( 0 0 0 1 1 0 0p f ) ，通 过计算，当电容变化0 0 0 1 p f 时，按g = 8 2 0 算，就有3 0 m v 的输出电压。如果增大，r j 和g 的值，可以进一步提高电路的灵敏度。 ( 3 ) 滤波电路设计 设计一个有源低通滤波器，指标为：截止频率f c = 5 0 0 h z ，通带电压放大倍数：气。= 2 ， 在f = l o f c 时，要求幅度衰减为4 0 d b 。 d e c y y o 图2 5 二阶l p f 的幅频特性 f i g 2 5m a g n i t u d e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s 删。礓若蕊1 。苇 眨2 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 喜压( 2 2 3 ) 虿叫z u “驯 如图2 3 ，通带内的电压放大倍数： 厶- 1 + 卺 ( 2 2 4 ) 滤波器的截止角频率： 魄- 艿亍= 杀_ 2 玎c 崔2 彤x 5 0 0 ( 2 2 5 ) 0 r $ # s ” 詈2 去+ 瓦1 i + ( ，一气) 去一纫s 0 0 压 ( z z 。) 墨+ r 。一墨。墨： ( 2 2 7 ) 当彳m 朋寸，取彤= 尺加2 r ，c 7 2 白= c 口由( 2 2 4 ) ，( 2 2 5 ) ，( 2 2 6 ) 得：3 4 。吉所以， 气= 3 - 1 4 1 4 = 1 5 8 6 ；r 1 ，一0 5 8 6 x p h ：；确定电容c 7 = 岛的值，即取： c 7 = c 8 = o 0 6 妒，r = 民；面1 ；云五五五i 1 万丽= 5 3 x l 旷q 由( 2 2 7 1 式，可分别求得：l ，。2 8 6 9 k f 2 ，l ，。1 6 8 1 k q 。仿真电路波特图如图2 6 图2 6 波特图 f i g 2 6b o d ep l o l 如波特图所示，按、z 1 0 的电路参数代入后，5 0 0 h z ( 0 9 9 4 d b = 2 0 1 0 9 ( a 。j 2 ) ， a i 。= 1 5 8 6 处) ，所以整个电路频带宽为5 0 0 h z 。 石油勘测m e m s 传感器数据采集器设计 2 3 2 方案2 图2 7 放大电路框图 f i g 2 7a m p l i f i c a t o r yc i r c u i t 使用的m e m s 力1 1 速度传感器为单分量传感器，设计的电路采用电容放大闭环反馈模 式，也就是由传感器经过开环放大后得到模拟信号，反馈f l q p w m 控制i “。放大电路图 如图2 7 。 ( 1 ) 开环部分： 由1 m 有源晶振芹n 7 4 h c 0 4 构成的相位差为1 8 0 。的交流电压源对m e m s 传感器激励， 根据m e m s 加速度传感器的结构，质量块与极板之间构成两个电容c 1 和c 2 ，这样两个电 容与运放后一级的固定电容就构成了一个差动电压放大电路，当c 1 与c 2 相等时输出信 号为零。如图2 8 ，输出的电压： v o ；c 1 ，- 1 ：2v s , ( 2 2 8 ) l ， 输出的信号是一个带调幅载波的加速度信号，由震动产生平行板电容变化而导致的 电压信号还需要同步解调。 图2 8 差动电压放大电路 f i g 2 8t h ed i f f e r e n c ev o l t a g ea m p l i t i e a t o r yc i r c u i t 大连理工大学硕士学位论文 为了将调幅载波去掉，输出信号将分两路放大相同倍数通过以1 m h z 频率交替开关 的模拟开关( c d 7 4 h c 4 0 1 6 ) ，最终输出的电压信号会将1 m h z 的载波滤掉，完成信号的 同步解调。 c 图2 9 增益控制电路 f i g 2 9t h eg a i nc o n t r o lc i r c u i t 经过解调的电压信号再通过最后一级由平行结构电阻和电容组成的低通滤波反相 放大电路，调整电阻和电容可以得到合理的放大倍数和频带，根据图2 9 可以得到： r | _ = 乓 坠。一 ! 竺! ( 2 2 9 ) r 这样低通滤波截至频率d = l rc | ，增益g = r 2 r 1 。这样根据项目要求在图2 1 中我们将选择合适的电阻电容使滤波的截至频率高于5 0 0 h z 。 由于每个传感器制造工艺有不同，特别是由于传感器中的质量块由于重力作用，将 不可能使质量块与上下级的平行板保持同样距离，这样板间电容大小就有差异，如果只 有开环电路输出电压将有一个直流偏置电压。另外当传感器产生强振动时，质量块由于 惯性作用，当外界停止振动时，质量块将进行欠阻尼运动，直到停止，如果只有开环电 路那将输出幅度逐渐衰减的正弦波。所以需要有一个反馈电路去改善输出信号，同时也 要保证输出信号的灵敏度和线性度。 ( 2 ) 反馈部分： 包括一个压控p w m ( 脉宽调制) 电路( t i a 9 4 ) ，输出信号由1 k 电阻分压后连接到 p w m 芯片上。脉宽频率根据p w m 芯片选择一定值的电阻电容设置为2 0 0 k h z ，这个频率 大大高于加速度传感器的固有频率，这样反馈的脉宽电信号可以在传感器上产生电压。 p w m 芯片根据输出信号的电压，改变脉宽，从而对传感器进行反相控制以达到调节输 出的目的。 这表明了反馈电路已经改变了整个加速度传感器系统的极点，如图2 1 0 ，使用 m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 对动态系统进行建模、仿真和分析，m 模块代表加速度传感 器它将加速