基于傅里葉變換的MEMS地震檢波器設(shè)計(jì)

引言

地震檢波器是石油、煤炭、金屬等礦產(chǎn)及工程地震勘探等數(shù)據(jù)采集中重要的傳感器，它的性能將直接影響到地震資料及技術(shù)成果的準(zhǔn)確性，目前我國的測試系統(tǒng)技術(shù)水平相對(duì)落后，檢波器體積較大、不便攜帶，CPU功能有限、功耗較大。本設(shè)計(jì)采用MEMS檢波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，信號(hào)經(jīng)低功耗主控芯片MSP430F247完成A/D轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行FFT變換，得到采集信號(hào)的頻譜特性，可以大大提高勘探的準(zhǔn)確性，減小系統(tǒng)的體積、重量、功耗等，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘探、石油開采等現(xiàn)場作業(yè)。

硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由MEMS檢測傳感器、MSP430F247控制芯片和波形顯示三部分組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。 MEMS采集地震波并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由MSP430完成 A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)FFT變換，得出其頻譜特性圖。


圖1 系統(tǒng)框圖

檢測部分

檢測部分的核心是MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）傳感器，它以硅材料為基底，采用微機(jī)械加工工藝和IC工藝加工出差動(dòng)電容式微機(jī)械加速度計(jì)，感應(yīng)重力的變化，為了提高加速度計(jì)的工作靈敏度，通常采用電容式結(jié)構(gòu)，采用質(zhì)量塊—彈簧—阻尼器系統(tǒng)來感應(yīng)加速度。結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。


圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)加速度計(jì)連同外界物體一起加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊就受到慣性力的作用向相反的方向運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量塊發(fā)生的位移受到彈簧和阻尼器的限制，位移變化，引起可動(dòng)臂和固定臂之間的電容發(fā)生相應(yīng)的變化，引起輸出電壓的變化，工作原理圖如圖3所示。


圖3 工作原理圖