Система регистрации для 2-х компонентного конвекционного акселерометра

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Система регистрации для 2-х компонентного конвекционного акселерометра

П.Г. Бутырин

В настоящее время для регистрации сейсмических колебаний в основном используются два типа датчиков: электродинамические велосиметры и акселерометры. Целевой частотный диапазон сейсмологических наблюдений составляет от долей до десятков Гц в зависимости от масштабного уровня и детальности сейсмологических исследований. Большинство велосиметров имеют конструктивное ограничение на нижний предел частоты, связанное с значительным увеличением массы маятника и предельными возможностями его подвесов. Для пьезоэлектрических акселерометров характерна более широкая, по сравнению с электродинамическими датчиками, рабочая полоса частот. Однако, высокий уровень шумов в области низких частот, возрастающий при интегрировании, а также высокое выходное сопротивление и, как следствие, чувствительность к статическому электричеству ограничивает применение этого вида сейсмодатчиков [1].

Идея создания нового типа акселерометра возникла на основе опыта изучения конвективных течений, которые чувствительны в внешним воздействиям (в частности, инерционным воздействиям). На физическом факультете Пермского Государственного Университета в рамках работ по гранту РФФИ (Урал-2007 № 07-08-97620) было проведено проектирование уникального по характеристикам конвективного акселерометра, чувствительность которого достигает порядка 10-5g, что уже на порядок превосходит существующие аналоги [2].

Одним из существующих аналогов является однокристальный конвективный акселерометр MXD2020E, производимый компанией MEMSIC [4]. Для сопоставления датчика, разработанного в ПГУ, и датчика MXD2020E в Горном институте УрО РАН был создан стендовый образец системы регистрации сейсмических сигналов.

Принцип работы тепловых акселерометров MEMSIC основывается на тепловой конвекции и заключается в измерении величины смещения прогретой области газа (сейсмической массы) при его движении с ускорением в герметичной воздушной полости над полупроводниковой подложкой в корпусе датчика. «Сердцем» тепловых акселерометров, разработанных компанией MEMSIC, является размещенный на полупроводниковой подложке блок с нагревательным элементом и симметрично расположенными вокруг него термопарами. При подаче напряжения питания над нагревательным элементом образуется область нагретого воздуха шарообразной формы. Максимальная температура газа в герметичной полости приходится на центр этой области и постепенно спадает по мере удаления от нагревательного элемента. Расположенные вокруг нагревательного элемента термопары регистрируют температуру окружающего их воздуха и формируют сигнал для схемы его обработки. В статическом режиме (в отсутствие ускорения) температура воздуха над термопарами будет постоянной. При приложении к акселерометру внешнего воздействия силы, вызывающей инерционное ускорение, например вибрации, область нагретого воздуха, расположенная над центром нагревательного элемента, смещается в сторону направления воздействия, поскольку плотность холодного воздуха вокруг шара выше, чем теплого воздуха над нагревательным элементом. В результате батареей термопар будет зафиксировано изменение температуры окружающего их воздуха (температурный градиент), влияющее на их сопротивление. С выходов дифференциальной конфигурации термопар снимается дифференциальный сигнал, пропорциональный ускорению, по разности значений которого определяется величина и направление внешнего воздействия [3].

Данный интегральный акселерометр имеет две оси чувствительности и соответствующие им цифровые выходные сигналы. Также для корректировки получаемых данных в зависимости от температуры датчик имеет выходной непрерывный сигнал пропорциональный температуре кристалла. Выходной сигнал представляет собой прямоугольные импульсы (рис. 1), следующие с периодом Т2=0.01 с. Ширина импульса T1 пропорциональна ускорению на соответствующем направлении. Таким образом ускорение А определяется по формуле (1):

сейсмический колебание акселерометр герметичный

Рис. 1 Форма выходного цифрового сигнала

. (1)

Система регистрации выполнена на основе однокристального микроконтроллера Atmel семейства AVR Atmega16. Для одновременной регистрации цифровых сигналов применен алгоритм поочередно-конвеерного измерения параметров цифрового сигнала. Для точного определения переходов используется механизм внешних прерываний. Принцип измерения состоит в следующем:

· измеряется канал Х (вход Y нечувствителен);

· ожидается приход фронта сигнала;

· при получении фронта выполняется процедура прерывания, которая запускает заполнение счетчика импульсов;

· ожидается спад сигнала;

· при получении спада значение счетчика записывается в память и обнуляется, счетчик продолжает заполняться;

· выключается канал Х, включается канал Y (фронт сигнала происходит одновременно на обоих каналах); ожидается фронт сигнала на канале Y;

· при получении фронта значение счетчика снова записывается в память, счетчик обнуляется и продолжает считать уже длину положительного импульса канала Y;

· полученные два значения в памяти определяют ускорение на канале X;

· последующие два значения будут определять ускорение на канале Y.

Передача данных накопленных в памяти осуществляется асинхронно, для чего общий объем памяти поделен на два полубуфера. Каждая половина буфера формирует пакет данных, в начале которого включается значение температуры. Программа регистрации (разработана в лаборатории природной и техногенной сейсмичности Горного института УРО РАН), обрабатывает получаемые пакеты данных в соответствии с корректировочными коэффициентами для конкретного датчика и формирует файлы непрерывных данных пригодных для анализа сейсмического отклика.

При проведении градуировки датчика дифференциальной медь-константановой термопарой (38.5 мкВ/°С) измерялась температура корпуса датчика, который находился в теплоизолированной системе, по отношению к известной температуре. Полученные коэффициенты температурной шкалы приведены в формуле (2):

, (2)

где - чувствительность самого прибора, по умолчанию равна 1;

- значения полученные с термометра акселерометра, (оК);

- рассчитанное значение температуры, (оК)

Процедура расчета температурных коэффициентов и корректировки ускорения производится по формуле (3):

 (3)

где - скорректированное значение ускорения,

- измеренное значение ускорения при температуре

, , - измеренные значения ускорения при температурах , , соответсвенно.

В экспериментах по определению угла наклона оси чувствительности Х или Y датчика к плоскости горизонта чувствительность датчика пропадает в интервале угла наклона 80-100 градусов. В этом интервале датчик выдает хаотично меняющиеся значения. Также с ростом угла значения, рассчитываемые программно по результатам термопарных измерений смещения теплового поля, уменьшаются по сравнению с реально заданным углом наклона. Опыт с наклонной плоскостью показал, что температурные сигналы по осям чувствительности Х и Y, по которым находится угол наклона, практически совпадают [3].

Использование однокристального конвективного акселерометра обосновано только с области низких частот и сильных сигналов. На сегодняшний день система регистрации ориентирована на лабораторное использование, но может быть приспособлена для полевых испытаний с незначительными дополнениями.

Список литературы

1. Сейсмоприемник на основе ячейки Хеле-Шоу / Бабушкин И.А., Глухов А.Ф., Дёмин В.А., Маловичко Д.А., Дягилев Р.А. // Прикладная физика. ? 2008. ? №3. - С. 134-140.

2. Сейсмологические измерения с помощью конвективного датчика / Кондрашов А.Н., Бабушкин И.А., Дёмин В.А., Дягилев Р.А., Маловичко Д.А. // Зимняя школа по механике сплошных сред (шестнадцатая). Механика сплошных сред как основа современных технологий [Электронный ресурс] / ИМСС УрО РАН. - Пермь, 2009. - 1 электрон. опт. диск. (СD-ROM).

3. Гравитационно-чувствительные приборы на основе конвективных течений / Плетенев С.Г., Бабушкин И.А., Дягилев Р.А., Маловичко Д.А. // Зимняя школа по механике сплошных сред (шестнадцатая). Механика сплошных сред как основа современных технологий [Электронный ресурс] / ИМСС УрО РАН. - Пермь, 2009. - 1 электрон. опт. диск. (СD-ROM).

4. MEMSIC [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.memsic.com.

Размещено на Allbest.ru