CN110531407B - 地震烈度仪中的加速度传感器模块及其测量应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的地震烈度仪中的加速度传感器模块及其测量应用方法，包括水平设置的底座板、三个MEMS加速度传感器和数据采集器，三个MEMS加速度传感器为结构相同的三个单分向MEMS加速度传感器，三个MEMS加速度传感器分别同侧的安装于三个结构相同且呈等腰三角形的印刷电路板上；等腰三角体的三个相等底边形成正三角形面、且以120°角度为间隔均匀排列的贴紧安装于底座板上，等腰三角体的顶点中心线垂直于水平设置的底座板；等腰三角体安装于底座板上，三个等腰三角形印刷电路板上的MEMS加速度传感器形成UVW坐标系的安装固定连接；通过UVW‑XYZ转换算法来还原成正交坐标系信号，解决地震烈度仪中水平和垂直通道性能不一致问题，减少因无法完全安装正交所带来的误差。

Description

地震烈度仪中的加速度传感器模块及其测量应用方法

技术领域

本发明涉及地震监测技术，尤其涉及地震烈度仪中的加速度传感器模块及其测量应用方法。

背景技术

目前，MEMS加速度传感器为微机电型传感器，能够测量加速度、倾斜、振动或冲击，由于其具有体积小、重量轻、功耗低、可大批量生产、成本低、可靠性高等一系列传统惯性传感器所没有的优点，被广泛应用于航空、航天、航海、汽车工业、工业监控、地震监测、机器人及消费类电子产品等领域。

现有的MEMS加速度传感器，具有单分向和三分向两种形式。通常来说，单分向MEMS加速度传感器具有更高的性能，但是体积较大。而三分向一体的MEMS加速度传感器，虽然性能较低，然而体积较小，安装简单。因此，在高性能要求下，采用单分向MEMS加速度传感器为更好的选择，并且通常使用3片单分向MEMS加速度传感器，通过正交的安装方式实现三分向加速度测量；但是，三个正交方式安装的三分向加速度传感器，即使在出厂前进行校准，也无法消除正交的偏差，且难以长时间的稳定工作；并且正交的偏差在实际测量中会被其它正交分向测量得到。

发明内容

本发明提供一种结构紧凑、体积小、重量轻，符合烈度观测场景需求，通过适用UVW坐标系的安装方式，解决水平和垂直通道性能不一致问题，减少因无法完全正交安装所带来误差的地震烈度仪中的加速度传感器模块及其测量应用方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

地震烈度仪中的加速度传感器模块，包括底座板、三个MEMS加速度传感器和数据采集器，三个MEMS加速度传感器与数据采集器电连接，所述数据采集器实时接收三个MEMS加速度传感器的输出信号、并实时记录数据；所述底座板水平设置；所述三个MEMS加速度传感器为结构相同的三个单分向MEMS加速度传感器，三个MEMS加速度传感器分别同侧的安装于三个结构相同且呈等腰三角形的印刷电路板上，所述三个等腰三角形印刷电路板的底边和腰相等；所述三个等腰三角形印刷电路板的等腰边相互邻接形成等腰三角体，等腰三角体的三个相等底边形成正三角形面、且以120°角度为间隔均匀排列的贴紧安装于水平设置的底座板上，所述等腰三角体的顶点中心线垂直于水平设置的底座板；所述等腰三角体安装于水平设置的底座板上，三个等腰三角形印刷电路板上的MEMS加速度传感器形成UVW坐标系的安装固定连接。

进一步地，所述底座板为设置有调理电路且分别与三个MEMS加速度传感器和数据采集器电连接的底座电路板。

进一步地，所述三角形印刷电路板与底座板之间的夹角为θ，夹角θ取值范围为0°＜θ≤60°。

进一步地，所述三角形印刷电路板为三边相等的等边三角形印刷电路板，三个等边三角形印刷电路板的腰边相互邻接形成等边三角体，所有等边三角形印刷电路板与底座板之间的夹角为60°。

地震烈度仪中的加速度传感器模块测量应用方法，包括以下步骤：

步骤一：将设置有调理电路的底座板水平放置；

步骤二：将三个结构相同的单分向MEMS加速度传感器分别贴面安装于三个结构相同且呈等腰三角形的印刷电路板上；

步骤三：将三个等腰三角形印刷电路板的等腰边相互邻接形成等腰三角体，等腰三角体的三个相等底边形成正三角形面、且以120°角度为间隔均匀排列的贴紧安装于水平设置的底座板上，等腰三角体的顶点中心线垂直于水平设置的底座板，每个等腰三角形印刷电路板与底座板之间的夹角为θ，三个等腰三角形印刷电路板上的MEMS加速度传感器形成UVW坐标系的安装固定连接；

步骤四：三个等腰三角形印刷电路板上的三个单分向MEMS加速度传感器分别通过底座板上的调理电路与数据采集器电连接；

步骤五：由于每个等腰三角形印刷电路板与底座板之间的夹角为θ，则每个等腰三角形印刷电路板上的单分向MEMS加速度传感器与底座板之间的夹角为θ；

步骤六：通电后，等腰三角体上的单分向MEMS加速度传感器输出UWV坐标系加速度信号，经过底座板上的调理电路，数据采集器实时接收三个MEMS加速度传感器的输出信号、并实时记录数据，经公式转换调整后输出XYZ坐标系的加速度信号；

其中，在UWV坐标系中，三个单向MEMS加速度传感器在各自运动方向上的输出分别为a、b、c，根据UWV-XYZ算法得出，在XYZ坐标系中三个垂直轴X、Y、Z三个方向的正交坐标系信号，具体的公式分别为：

Z＝sinθ(a+b+c)，

在XYZ坐标系中三个垂直轴X、Y、Z三个方向，由三个单向MEMS加速度传感器的输出分量a、b、c，根据上式的坐标转换电路公式，计算得出X、Y、Z三个方向的正交坐标系信号。

具体地，步骤二中印刷电路板为等边三角形，对应的步骤三中的等腰三角体为等边三角体，对应的步骤五中每个等边三角形印刷电路板上的单分向MEMS加速度传感器与底座板之间的夹角为θ，且θ为60°，则cosθ＝1/2；

根据公式单向MEMS加速度传感器对应的U向加速度信号，经过-2放大电路，通过X分量求和运算电路，与V向加速度信号、W向加速度信号进行求和，再经过/>倍放大电路，转换为X分量输出；

根据公式单向MEMS加速度传感器对应的V向加速度信号，通过Y分量求和运算电路，与U向加速度信号、W向加速度信号进行求和，再经过/>倍放大电路，转换为Y分量输出；

根据公式Z＝sinθ(a+b+c)，单向MEMS加速度传感器对应的W向加速度信号，通过Z分量求和运算电路，与U向加速度信号、V向加速度信号进行求和，再经过倍放大电路，转换为Z分量输出。

本发明的有益效果是：

本发明通过在三个结构相同的印刷电路板分别安装三个单分向MEMS加速度传感器，三个结构相同的印刷电路板拼接成三角体后，垂直安装于水平放置的底座板上，三个单分向MEMS加速度传感器倾斜安装，通过适用UVW坐标系的安装方式，通过UVW-XYZ坐标算法转换电路公式，还原成正交坐标系信号，计算得出X、Y、Z三个方向的正交坐标系信号，解决地震烈度仪中水平和垂直通道性能不一致问题，减少因无法完全安装正交所带来的误差。

附图说明

图1是本发明一个电路板及其MEMS加速度计的正面安装结构示意图；

图2是本发明的三分向立体结构示意图；

图3是本发明加速度信号换算的电路原理示意图；

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

地震烈度仪中的加速度传感器模块，如图1和图2所示，包括水平设置的底座板1、三个MEMS加速度传感器2和数据采集器(图中未示)，三个MEMS加速度传感器2与数据采集器电连接，该数据采集器实时接收三个MEMS加速度传感器2的输出信号、并实时记录数据；三个MEMS加速度传感器2为结构相同的三个单分向MEMS加速度传感器，三个MEMS加速度传感器2分别同侧的安装于三个结构相同且呈等边三角形的印刷电路板3上，三个等边三角形印刷电路板3相互邻接形成等边三角体，等边三角体的三个相等底边形成正三角形面、且以120°角度为间隔均匀排列的贴紧安装于水平设置的底座板1上，等边三角体的顶点中心线垂直于水平设置的底座板1；三个等边三角形印刷电路板3上的MEMS加速度传感器2形成UVW坐标系的安装固定连接。

其中，底座板1为设置有调理电路且分别与三个MEMS加速度传感器2和数据采集器电连接的底座电路板，三角形印刷电路板3与底座板1之间的夹角为θ，夹角θ取值为60°。

该地震烈度仪中的加速度传感器模块对应的测量应用方法，如图1至图3所示，包括以下步骤：

步骤一：将设置有调理电路的底座板1水平放置；

步骤二：将三个结构相同的单分向MEMS加速度传感器2分别贴面安装于三个结构相同且呈等边三角形的印刷电路板3上；

步骤三：将三个等边三角形印刷电路板3的腰边相互邻接形成等边三角体，等边三角体的三个相等底边形成正三角形面、且以120°角度为间隔均匀排列的贴紧安装于水平设置的底座板1上，等边三角体的顶点中心线垂直于水平设置的底座板1，每个等边三角形印刷电路板3与底座板1之间的夹角为θ，三个等边三角形印刷电路板3上的MEMS加速度传感器2形成UVW坐标系的安装固定连接；

步骤四：三个等边三角形印刷电路板3上的三个单分向MEMS加速度传感器2分别通过底座板1上的调理电路与数据采集器电连接；

步骤五：由于每个等边三角形印刷电路板3与底座板1之间的夹角为θ，则每个等边三角形印刷电路板3上的单分向MEMS加速度传感器2与底座板1之间的夹角为θ，且夹角θ取值为60°；

步骤六：通电后，等边三角体上的单分向MEMS加速度传感器2输出UWV坐标系加速度信号，经过底座板1上的调理电路，数据采集器实时接收三个MEMS加速度传感器2的输出信号、并实时记录数据，经公式转换调整后输出XYZ坐标系的加速度信号；

其中，在UWV坐标系中，三个单向MEMS加速度传感器2在各自运动方向上的输出分别为a、b、c，根据UWV-XYZ算法得出，在XYZ坐标系中三个垂直轴X、Y、Z三个方向的正交坐标系信号，具体的公式分别为：

Z＝sinθ(a+b+c)，

由于θ为60°，则cosθ＝1/2；

根据公式单向MEMS加速度传感器2对应的U向加速度信号，经过-2放大电路，通过X分量求和运算电路，与V向加速度信号、W向加速度信号进行求和，再经过/>倍放大电路，转换为X分量输出；

根据公式单向MEMS加速度传感器2对应的V向加速度信号，通过Y分量求和运算电路，与U向加速度信号、W向加速度信号进行求和，再经过/>倍放大电路，转换为Y分量输出；

根据公式Z＝sinθ(a+b+c)，单向MEMS加速度传感器2对应的W向加速度信号，通过Z分量求和运算电路，与U向加速度信号、V向加速度信号进行求和，再经过倍放大电路，转换为Z分量输出。

所以，在XYZ坐标系中三个垂直轴X、Y、Z三个方向，由三个单向MEMS加速度传感器2的输出分量a、b、c，根据上式的坐标转换电路公式，计算得出X、Y、Z三个方向的正交坐标系信号。

即通过三个单分向MEMS加速度传感器2倾斜安装，适用UVW坐标系的安装方式，并通过UVW-XYZ坐标算法转换电路公式，还原成正交坐标系信号，计算得出X、Y、Z三个方向的正交坐标系信号，解决地震烈度仪中水平和垂直通道性能不一致问题，减少因无法完全安装正交所带来的误差。

以上所述实施例只是为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，凡依本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.地震烈度仪中的加速度传感器模块测量应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将设置有调理电路的底座板水平放置；

步骤二：将三个结构相同的单分向MEMS加速度传感器分别贴面安装于三个结构相同且呈等腰三角形的印刷电路板上；

步骤三：将三个等腰三角形印刷电路板的等腰边相互邻接形成等腰三角体，等腰三角体的三个相等底边形成正三角形面、且以120°角度为间隔均匀排列的贴紧安装于水平设置的底座板上，等腰三角体的顶点中心线垂直于水平设置的底座板，每个等腰三角形印刷电路板与底座板之间的夹角为θ，三个等腰三角形印刷电路板上的MEMS加速度传感器形成UVW坐标系的安装固定连接；

步骤四：三个等腰三角形印刷电路板上的三个单分向MEMS加速度传感器分别通过底座板上的调理电路与数据采集器电连接；

步骤五：由于每个等腰三角形印刷电路板与底座板之间的夹角为θ，则每个等腰三角形印刷电路板上的单分向MEMS加速度传感器与底座板之间的夹角为θ；

步骤六：通电后，等腰三角体上的单分向MEMS加速度传感器输出UWV坐标系加速度信号，经过底座板上的调理电路，数据采集器实时接收三个MEMS加速度传感器的输出信号、并实时记录数据，经公式转换调整后输出XYZ坐标系的加速度信号；

其中，在UWV坐标系中，三个单向MEMS加速度传感器在各自运动方向上的输出分别为a、b、c，根据UWV-XYZ算法得出，在XYZ坐标系中三个垂直轴X、Y、Z三个方向的正交坐标系信号，具体的公式分别为：

Z＝sinθ(a+b+c)，

在XYZ坐标系中三个垂直轴X、Y、Z三个方向，由三个单向MEMS加速度传感器的输出分量a、b、c，根据上式的坐标转换电路公式，计算得出X、Y、Z三个方向的正交坐标系信号。

2.根据权利要求1所述的地震烈度仪中的加速度传感器模块测量应用方法，其特征在于，所述底座板为设置有调理电路且分别与三个MEMS加速度传感器和数据采集器电连接的底座电路板。

3.根据权利要求1所述的地震烈度仪中的加速度传感器模块测量应用方法，其特征在于，所述三角形印刷电路板与底座板之间的夹角为θ，夹角θ取值范围为0°＜θ≤60°。

4.根据权利要求1所述的地震烈度仪中的加速度传感器模块测量应用方法，其特征在于，所述三角形印刷电路板为三边相等的等边三角形印刷电路板，三个等边三角形印刷电路板的腰边相互邻接形成等边三角体，所有等边三角形印刷电路板与底座板之间的夹角为60°。

5.根据权利要求1所述的地震烈度仪中的加速度传感器模块测量应用方法，其特征在于，步骤二中印刷电路板为等边三角形，对应的步骤三中的等腰三角体为等边三角体，对应的步骤五中每个等边三角形印刷电路板上的单分向MEMS加速度传感器与底座板之间的夹角为θ，且θ为60°，则cosθ＝1/2；

根据公式单向MEMS加速度传感器对应的U向加速度信号，经过-2放大电路，通过X分量求和运算电路，与V向加速度信号、W向加速度信号进行求和，再经过倍放大电路，转换为X分量输出；

根据公式单向MEMS加速度传感器对应的V向加速度信号，通过Y分量求和运算电路，与U向加速度信号、W向加速度信号进行求和，再经过/>倍放大电路，转换为Y分量输出；

根据公式Z＝sinθ(a+b+c)，单向MEMS加速度传感器对应的W向加速度信号，通过Z分量求和运算电路，与U向加速度信号、V向加速度信号进行求和，再经过倍放大电路，转换为Z分量输出。