智能地动仪

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单晶硅锭

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查看: 78回复: 1 发表于 2019-11-29 09:25:10   只看该作者
    智能地动仪摘要:
    地震的发生虽然有其一定的规律,但由于各地地质结构千差万别,震源普遍很深,致使这种规律十分复杂,局部地区或小范围测量已不能满足准确监测的需求。而高密度的数据采集网络是有利于通过统计方法监测和预报地震的。而且在地震多发区,人们也都希望自己有一-台地动仪能为家庭和工作单位提供防震依据。
    本作品基于TI公司的MSP430F247混合信号处理器,利用装载重物的称重传感器感知地面震动,经信号调理电路将信号放大滤波,最终得到的地面震动信号经ADC采样后送PC机处理、保存,为家庭及企事业单位的防震工作提供及时参考数据。

    关键字:地震监测地震预报加速度传感器地动仪

    1作品简介
    本作品的设计目标是一部价格低廉、 高灵敏度、具有智能数据处理功能的地震监控、测量和记录仪器。以相对低廉的成本实现对地震加速度的测量及地震波形的实时显示与记录,并能根据地震的加速度波形计算地震烈度、报警、以及保存地震波形数据。该作品由传感器、信号调理及采集模块、上位机软件三 部分组成,通过两个加载重物的称重传感器将地震波X、Y方向的加速度转化为微弱的电压信号,该信号经放大、滤波、处理后被MSP430单片机采集,在单片机内进行相关的计算,并通过USB接口发送给计算机。通过自行设计的地震监测软件实时显示地震波形,并及时保存有效数据。由于该智能地动仪价格低廉,容易维护,家庭或企事业单位均可配备,有助于实现地震测量网点在地震多发区的大量普及,从而协助国家地震台网获得更完善更详细的地震强度数据,完善地震数据库,便于科学工作者用统计学的方法分析和预测地震,也可以为家庭或企事业单位的防震工作提供必要的参考,有助于减小地震带来的损失。借助TI高性能的模拟放大器件及MSP430系列混合信号处理器,该智能地动仪对地震波引起的加速度的测量分辨率可达到0.0002g总量程0.42g,最终实现了烈度3级到烈度9级的实时测量。

    2方案设计
    2.1理论分析目前,对地震的监测有多种方法:测地震波,测地应力,测水体氡含量,测地电阻。测地应力,测水体氡含量,测地电阻等。这些方法因技术要求高,设备昂贵,安装与维护都较困难。不宜制作出便于普及推广的地动仪。地震的能量大部分通过地震波的形式向外传播。地震表现出的最明显的现象是地面震动。对于地震监测机构来说,关心地震的震级(地震释放总能量),但对于普通居民来说,只关心当地的地震烈度(当地的地震波强度)。本作品就是一.种测量当地地震烈度的仪器。地震波分为水平震动波(横波)和垂直震动波(纵波)两类,其中地震主要的危害是横波造成的。本仪器通过测量地震波在水平方向上的加速度来估算烈度等级。由于普通的加速度传感器灵敏度不够,我们将称重传感器上悬挂大质量物体,自行设计了--种高灵敏度的加速度传感器。使用两只加速度传感器分别感知两个垂直方向(东-西,南-北)的加速度瞬时值,用矢量合成的方法就能获得地震加速度在水平面内的矢量。

    加速度传感器满量程输出电压只有1mV左右,而且环境中也存在许多震动,信号调理电路的设计难点在于微弱信号的放大以及环境震动干扰的滤除。对于微弱的差分信号,采用TI公司高性能的仪表放大器进行放大,同时抑制共模的工频干扰。由于地震波能量主要集中在1^ 10Hz 左右,环境震动(如汽车、发动机、行人、声音等)的主能量一般都高于10Hz 以上。在电路中加入-一个二阶巴特沃斯低通滤波器可较好地将这些干扰震动滤除,同时保持带内幅频特性平坦,不影响地震波的测量。

    调理完成的震动波形信号经TI的混合信号处理器MSP430F247的12位ADC    采样后,去除加在信号上的直流偏置,并进行矢量合成运算。之后采用ModBus协议通过USB发往PC机,由地震波绘制软件接收并绘制出地震波波形,并估算地震烈度。

    2.2器件选型
    仪表放大器(INA118) :
    信号提取电路承担着抑制共模干扰,放大差模信号的任务。由于传感器输出的是满量程1mV左右的微弱电压信号,极易受到干扰,而且环境中就存在着很强的共模工频干扰,这就要求选取的仪表放大器必须有很强的共模抑制能力和极小的失调电压。INA118是TI公司的一.款仪表放大器,其最大失调电压仅为50uV,共模抑制比最小也可达到110dB, 十分适合我们的要求。另外,INA118 的有很宽的供电电压范围:士1.35V~土18V,可以在低电压条件下很好的工作,适合用在本系统中。而且其工作电流仅为350uA,低功耗特性也是我们选择的理由之一。

    低通滤波电路中的运算放大器(OPA228) :
    OPA228是TI的一- 款高精度,低噪声( 3nV1√Hz )运放。其信号带宽为33MHz,失调电压最大仅75uV。它具有的低噪声低、失调特性十分适合在高精度、弱信号电路中使用。所以在低通滤波器设计中选用了该运放。

    混合信号处理器(MSP430F247) :
    MSP430系列是TI公司生产的16 位RISC指令集模数混合信号处理器,以其低功耗和高效著称。我们的系统需要用到高精度ADC,同时要对采集的数据进行较耗时的矢量合成运算,另外为保证数据传输的可靠性还需要在处理器上运行ModBus通信协议。这对处理器提出了较高要求。MSP430F247是430家族中2系列的产品,代码执行速度可达16MIPS,集成有12位ADC、UART模块,拥有48个I0口,这些资源正好满足我们系统的需要。

    USB数据传输(TUSB3410) :
    对于单片机来说,最容易实现的传输方式是使用UART。但考虑到现有的PC机(特别是笔记本)大多没有串口,但都有USB接口。为便于智能地动仪的推广普及我们希望通过USB接口与PC机通信。TUSB3410是TI公司的一-款USB/UART桥接器,它拥有8052的内核及12KB的RAM,能将许多串行逻辑转换为USB格式,即方便了通讯程序的编写,也增加了通用性。通过USB取电也解决了整个系统的电源供电问题。

2.3设计方案论证
实测传感器在满量程情况下的输出电压为士1.5mV,放大500倍后为土750mV,即信号峰峰值为1.5V。 MSP430F247 的ADC12的基准电压有1.5V和2.5V两种。我们选择2.5V基准以留一-定的裕度。但ADC12模块以VSS为参考点,且不支持差分输入,因而无法采集负电压。将2.5V基准输出1/2 分压后作为模拟信号参考地,缓冲后送入仪表放大器的REF引脚,将信号整体抬升1.25V,则信号实际的电压范围为0.5V~2.0V,还留有一-定的余量。

将称重传感器垂直安装时,它只能测水平受力。在垂直方向安装重量为m的砝码,当水平加速度为a时,水平方向受力:
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对于满量程M千克,满量程输出电压Up伏的传感器来说,输出电压Vo与加速度之间的关系为:
01.jpg
选用满量程250克的传感器,实测它250克的满量程输出约1.5mV。 在其垂直方向安装500克砝码,输出信号经过500倍放大送入12位ADC,代入上式,可得理论加速度分辨率为:
01.jpg
加速度满量程为:
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这个范围的加速度测量能力使得该系统能够测量3级到9级的地震烈度(详见测试部分),足以满足大部分的测量要求。

3系统实现
3.1硬件设计
3.1.1硬件总体设计地动仪系统的总体结构如图3-1 所示。传感平台上竖直固定有两个在X, Y方向的载有重物的称重传感器。在地震发生时,传感器能将重物受到的力转换成电压信号。信号经屏蔽线传送给平台上的数据采集模块。

    数据采集模块由信号调理电路、采集电路、数据传输电路及人机交互电路组成。信号调理电路通过仪表放大器和一个二阶巴特沃斯低通滤波器实现信号的共模抑制、放大、滤波。数据采集、数据处理、人机交互由MSP430F247完成,采集到的数据用ModBus通信协议经USB发送到上位机显示波形。

    用户可以通过PC机上显示的地震加速度波形直观判断当地发生的地震烈度,智能地动仪可以保存有用数据,成为地震监测网的-一个数据采集点。由于智能地动仪灵敏度较高,只要将其放在远离人为震动的地方,便可测到烈度较小的地震,因此也可提前提醒人们作好防震准备。

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3.1.2功能模块与接口设计
1.高灵敏度加速度传感器设计般的集成加速度传感器的灵敏度满足不了地震测量的需要,提高灵敏度和降低响应频率的方法是使用大质量重物作物惯性源,测量惯性物体在某方向的受力,即可计算出该方向上的加速度。

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    我们自行设计并加工了图3-2a所示的加速度传感器。用铝合金制作应变桥,其中圆孔两侧应力最集中,受力时此处形变最大。在这四个形变最大的位置粘贴4片应变片,水平方向的受力将导致四个应变片电阻的变化。在应变桥的上方悬挂安装一只500克的砝码。平时砝码的重量不会引起应变片形变,只有水平方向分量的震动才会导致信号输出。

    如图3-2b,将两只加速度传感器呈90°安装,分别测量东西方向和南北方向的加速度分量。用10mm 钢板加工基座,保证足够的刚性与稳固性。同时在基座下方安装了3只可调节高度的脚钉,用于调整基座的水平度。

2.信号调理电路的设计
从加速度传感器输出的信号在满幅时也仅有1.5mV,需要进行放大后才能送入进行ADC采样。对于弱信号来说,环境中存在强烈的工频干扰是不可忽略的,采用TI公司的仪表放大器INA118完成差动放大,在500倍放大时仍能获得110dB左右的共模抑制比,消除共模的工频干扰。传感器输出至信号处理板的传输线均采用屏蔽双绞线,进一步防止干扰。

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RI与R2保证了传感器未连接时放大器的直流电位为0V,R3、R4、C1、C2构成低通滤波器,消除射频段的干扰,防止运放的解调效应。
Rg决定了仪放的增益,按照手册上给出的增益计算公式:
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    取G=500,可得R=100.2欧姆。取100欧姆,增益误差通过数字方法校准。

    公式3.1中,Rg阻值位于分母位置,其微小变化将导致增益很大变化,该电阻选择极低温度系数(5ppm)的军品级金属膜电阻。

    震动将使传感器输出对称的交流波形,它必然含有负压。而ADC12模块以AVSS为参考点,无法测量负压,也不支持差分输入,我们考虑将电压抬升Vref/2,以采样点2048作为零值。通过仪放的REF脚可以实现电压抬升,但该引脚需要接低阻抗的信号(该脚输入阻抗仅有25k)。MSP430单片机内部基准电压(2.5V)通过R7、R8分压得到Vref/2电压,通过跟随器(U2)得到低阻抗的1.25V 电压,送入INA118的REF端,实现电压的抬升。

    本仪器并非在严格的专业环境中使用的地动仪,其使用环境噪声背景非常复杂,如汽车、发动机、风机、行人、噪音等,这些人为振动都会被传感器感知到。

    为了准确测量地震信息,需要将这些干扰滤除。地震波的主能量主要集中在10Hz以下,而人为振动的频率多在10Hz以上。通过U3及R5、R6、C3、C4构成二阶有源巴特沃思低通滤波器,因而我们采用二阶巴特沃斯低通有源滤波器滤除信号中频率较高的干扰,巴特沃思滤波器在通带内非常平坦,不会影响地震波测量的幅频特性。经过试验,截止频率取25Hz时效果最好。

    信号调理部分的仿真结果如图3-4所示,幅频特性的转折点(-3dB 点)在23.7Hz处,且带内十分平坦。带外,幅频曲线以-40dB/10倍频程的斜率迅速下降。在输入端输入5Hz,1mV 的信号模拟地震波,同时叠加有100Hz,1mV 的干扰信号,从示波器上看到干扰信号已被滤除,且信号被正确的放大、抬升。

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3.通信接口电路设计地震仪与计算机之间采用USB接口进行通讯,同时从USB接口获得的5V电源可以为整个仪器供电。单片机的串口通过USB/UART桥接器芯片TUSB3410转换成USB接口,对于单片机来说操作串口,该方案编程最为简单。

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    图3-5是USB接口部分电路,MSP430 单片机的UART接口(UTXDO、URXDO引脚)与TUSB3410的SIN、SOUT相连。EEPROM(U3) 内存有设备名称等信息,USB插入计算机时,会提示找到“智能地动仪”设备。

    4.单片机系统的设计
    单片机系统包括MSP430F247单片机、晶振、LCD、按键、以及JTAG调试接口组成。图略。

    3.1.3硬件设计注意事项及技巧本系统属于精细测量仪器,其硬件电路,尤其是模拟部分电路的设计十分关键。特别是前端微弱信号相关的电路,需要仔细处理各种细节问题。在本仪器的硬件设计过程中,采用了下列的方法或技巧:
    1.退藕与滤波电容每块数字芯片的电源和地之间都按环路最近原则就近放置- -枚0. 1uF退藕
    电容。电源入口及每个电源芯片的输出端就近加一-枚47uF的钽电容作为电源滤波,同时并联一一个 0, 1uF小电容作为高频旁路。采用双电源供电的模拟器件(如0PA228)的正负电源引脚就近对地各接一枚luP钽电容。
    基准电压采用单片机内部2.5V基准,基准引脚对模拟地之间也加了一枚1uP钽电容。

    2.独立的激励电源传感器的输出对激励电压变化也是敏感的,如果与单片机系统共用一枚稳压芯片,可能会因为系统工作电流的改变造成电压的略微改变:如果与运放公用电源,可能会由此产生潜在的反馈,造成自激震荡。因此,采用了- - 个独立的稳压电路为传感器提供激励电源,同时也在传感器激励源上并联了100uF滤波电容。

    3.热稳定性的考虑温度变化会引起误差电阻阻值的变化,在信号调理电路中(图3-3),Rg是最容易引起误差的器件,选用极低温漂的军品金属膜电阻(温度系数5ppm/'C)。

    4.布线、搂地与屏蔽在小信号放大电路中,对地线的处理尤为小心,将模拟地与数字地分开布线,其中模拟地与单片机的AVSS相连,数字地与单片机的DVSS相连,最后模拟地与数字地在电源滤波电容处一点接地。

    将全部元件置于顶面,走线也尽量走顶面,在整个电路板大面积铺铜(模拟地与数字地分开铺铜),使得整个电路板的底面形成了-一个完整的地平面。完整的地平面具有很低的阻抗,同时相当于一个天然的屏蔽层。

    使用屏蔽电缆连接传感器与信号处理板,电缆外层与模拟地相连,杜绝空间电磁干扰进入。整个仪器具有金属底板及金属结构件,全部在电源入口处就近接地。

    5.无电位器设计(数字校准)
    由于基准源、激励源、传感器灵敏度、电阻都存在1%-5%的误差,如果需要精确校准,传统的放大器电路一般采用电位器进行调节。 电位器容易老化,且:怕震动。在震动测量仪器使用过程中振动是不可避免的,应该避免使用电位器。

    MSP430混合信号处理器提供的计算能力为数字校准提供了保证,全部的校准参数(增益系数、零点值)都存于单片机的Flash内,在每次采样后由单片机根据?

    校准参数进行计算,消除误差,通过软件修改校准参数即可实现调试与校准。在硬件设计中,与精度有关的元件只要保证稳定即可。

3.2软件设计

3.2.1单片机软件单片机软件主要完成定时采集数据、数据的计算、处理与上传过程,另外驱动本地LCD同步的显示地震烈度。其中定时采样通过TA定时器的定时中断实现。调理电路滤除了23Hz以上的频率分量,根据乃奎斯特采样定理,只需46    次/秒采样即可获得无混叠的波形数据。实验发现取50次/秒时,波形分辨率略嫌粗糙,提高到128次/秒后效果较好。

    数据的处理包括消除零点漂移以及矢量合成两个步骤。由于调理电路抬升了输入信号,ADC以2048为零点。但实际上零点数值不可能恰为2048,而且由于温飘、水平度等缓慢变化,零点会存在以数小时至数天为周期的慢漂移。单片机需要实时补偿零点的偏移。零点补偿采用了一个时常数为100秒的IIR数字滤波器提取100秒内的采样值平均量作为零点值。采用IR滤波器只需迭代计算(3.2式),无需消耗额外的RAM空间来记录前100秒的数据值。
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该滤波器的零点非常接近单位圆,为避免截断误差,采用双精度浮点运算,MSP430F247单片机的硬件乘法器保证了算法的速度足够。地震波形周期远小于10分钟,且均值为0,滤波后将只剩直流偏移量,将此值作为零点Do,即可实时补偿零点偏移。将采样值减去零点值得到振幅:
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两个方向的振幅数据进行矢量合成,得到振幅数值:
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软件流程如下,其中采样、计算、串口通讯都在中断内完成。主程序负扫描键盘、显示以及检查各种标志位。

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    单片机与计算机的通讯采用Modbus协议,因为小巧简单可靠性高,且有官方协议测试软件,方便了设计与调试。当收到有效请求帧时,单片机返回振幅数据。平时LCD显示振幅数据以及烈度等级,当检测到键盘按键事件,切换显示内容。可以切换为时钟、历史地震查询、校准测试三种不同的显示模式。当10秒钟无按键后,自动回到地震烈度实时显示模式。

    主程序每循环一次后立即进入LPM3休眠模式,等待被定时中断唤醒继续执行,从而降低了功耗。

3.2.2PC机软件
我们用C++Builder为智能地动仪设计了一款地震监测软件。软件的主要功能包括:自动检测设备、实时监控并显示地震波形、保存地震波数据文件以及地震报警功能。

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    1.自动检测设备的实现:
    在PC机上,TUSB3410 被虚拟成了标准串口设备,通过逐次打开计算机串口端口,若当前端口能够打开,向端口发送- -个数据请求帧。如果地动仪连接在此端口,应该会给出正确的回应,否则闭此端口并尝试检测下一一个端口,直到搜索到设备。如果到最后一个端口仍未检测到设备,则弹出“设备未连接”的错误提示。

    2.数据通信与波形绘制:
    计算机与地动仪之间采用57600bps波特率通信,PC机向单片机系统发出请求后,应该在10ms内收到回应信息。如果超过50ms仍未收到回应帧,则重发一次请求帧,当3次重发都未收到回应,则弹出“检查设备连接”提示。

    如果收到了正确的回应数据,根据坐标绘制在屏幕上。由于地震波形需要长时间记录,需要很宽的显示区域,但屏幕宽度有限,用水平滚动条虽然可以解决记录长度问题,但不方便查看最近较长时间的历史数据。在水平方向上采用逐行记录的方法,既能充分利用屏幕面积,也能直观看到较长的历史信息。

    3.地震报警与数据保存在地震仪记录的数据中,大部分都是无用的数据(无地震)。在软件中采用了自动记录的方法。只有检测到烈度超过一-定门限时, 才保存数据。大大减少了硬盘的占用量。同时,根据烈度等级,软件会发出不同等级的报警。

4作品性能测试与分析
4.1标定与测试所用的仪器与工具1.固纬GDM-8055五 位半数字电压表。
    2.安捷伦HP33250A信号源。
    3. -40dB (100: 1 )衰减器。
    4.50~250g 砝码一套5.智能地动仪系统。
    6.PC机7.可晃动的桌子。
    4.2标定与测试方法1.晃动桌子,模拟地震,观察输出波形,验证电路功能正确2.通过砝码,给传感器加已知的力,测量输出电压,计算灵敏度。
    3.根据灵敏度以及文献资料4,计算出不同烈度下传感器的输出电压。
    4.用信号源加-40dB衰减器替代传感器,输入各个烈度的电压值。
    5.根据ADC实际采样峰值,作为烈度的门限值,完成标定。
    4.3测试与标定数据1.传感器灵敏度测量:
    将传感器水平放置,挂不同砝码,用五位半电压表测量输出电压:

01.jpg

传感器的线性度较好,用最小二乘法计算出传感器灵敏度k:
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在垂直方向重物m=500克时,推算出水平加速度与输出电压的关系为:
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    2.地震烈度的标定:
    在实验室条件下很难准确模拟出准确的地震烈度,参考文献4中给出了地震烈度等级与加速度之间的关系,见下表。再根据4.2式的结果可以计算出传感器在各个烈度等级下的输出电压。
    表4-2

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用信号源加衰减器替代传感器,输出峰值(Vpp/2) 等于上述电压门限的正弦波,送入测量系统。记录下各个门限信号输入时,ADC采样的峰值数据,存入Flash内,作为烈度门限使用。用相同的方法校准另-通道的传感器,过程略。

    3.总体性能指标:
    功耗: <25mA灵敏度: 0.0002g (g= =9.8m/s2 )最大量程: 0.42g地震波测量带宽: 0.01Hz~23Hz可测量地震烈度等级: 3-9级报警时间迟滞: <1秒

    4.4误差分析及改进措施
    ●地震本身就是一种难以测量和准确标定的自然现象,其实际破坏程度虽然与烈度有关,但也与其他环境因素,如建筑结构、地形、地质结构有很大关系。本仪器可以为居民第一-时间提供地震资料,但不能替代专业的地质灾害预报。
    ●地震烈度与加速度并非线性关系,而是指数上升关系。为了保证最大量程,小地震就难以测量,保证了小地震的测量分辨率,最大地震幅度就不足。如果在信号调理电路中增加一级对数放大器,还可以进一-步扩大测量范围。
    ●环境振动干扰中,也不乏20Hz以下的振动频率,是主要的干扰源。仪器最好能放在人为干扰较小的地方,如大楼的地下室。可以考虑改用无线发送的方法将量化的地震波信号发给远处的PC机。

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