CN2783347Y - 一种三分量高精度微机械加速度计振动检波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度微机械加速度计振动检波器，包括一个外壳，外壳上装有尾锥，外壳内封装有采用三个相互垂直方向的微机械加速度计芯片(MEMS)的电路板，各微机械加速度计芯片(MEMS)均与电源电路和微机械加速度计传感和信号调理电路构成检波器电路。它具有体积小、功耗低、分辨率高、灵敏度高等特点，最主要的是能输出模拟信号，可以直接与现有的各种地震勘探数据采集系统连接，用于地震勘探，也可以用于天然地震监测。只需要用高精度的MEMS检波器替换电磁型检波器即可，而无需更换数据采集系统和网络，将节省大笔投资。

Description

一种三分量高精度微机械加速度计振动检波器

技术领域

本实用新型属于一种能检测振动，并将其转化为电信号的装置，特别是涉及微机电系统(MEMS)地震波检测器。

背景技术

检波器是地震勘探中用来检测地震波的振动传感器。检波器有多种类型，有电感式、压电式、压阻式和电容式等。目前在陆地地震勘探中广泛使用的是电磁型检波器，这种检波器采用电磁感应原理测量振动，是一种无源传感器。

电磁型检波器技术已经比较成熟，但这种检波器存在灵敏度低、分辨率低、线性范围窄、响应频带窄、易受电磁干扰等问题，而且由于其传感原理的限制，性能已经很难以提高。高精度油藏勘探要求高精度的检波器，传统的检波器已难以满足要求，需要开发新的高精度检波器。

微机电系统(MEMS)技术是上世纪80年代末首次出现的新技术，它将机械系统与电子系统集成在一个半导体芯片上，实现传感、信号调理一体化。在90年代，MEMS技术飞速发展，特别是微机械加速度计的技术已经比较成熟，出现了各种MEMS加速度计芯片。

MEMS加速度计芯片可以用来开发检波器，国外也已经有公司开发了数字化的MEMS检波器及其配套的数据采集网络和软件系统。但这种系统需要成套引进，价格非常昂贵。尽管数字化的MEMS检波器用于地震波的检测具有诸多优点，如有较好的低频响应性能，动态范围大，适量保真度高等。但是在实际应用中，该技术不能迅速推广的一个最大问题就是，目前国内物探公司普遍采用的是针对电磁型检波器的数据采集系统和软件，与数字化MEMS检波器不兼容。若要采用数字化MEMS检波器，势必要将现有的设备和软件全部更新，这对用户来说，显然是一个很大的经济负担。因地制宜，根据国情开发一种既优于电磁型检波器满足地震勘探需要，又能与现有设备配套的经济型检波器就成为一个具有现实意义的新课题。

发明内容

本实用新型的目的就是基于上述课题的需要，提供一种可以输出模拟信号的三分量高精度微机械加速度计振动检波器，它能与现有的数据采集系统兼容，又具有分辨率高、灵敏度高等特点。

本实用新型是这样实现发明目的的：高精度微机械加速度计振动检波器，包括一个外壳，外壳上装有尾锥，外壳内封装有采用三个相互垂直方向的微机械加速度计芯片(MEMS)电路板，各微机械加速度计芯片(MEMS)均与电源电路和微机械加速度计传感和信号调理电路构成检波器电路。

上述技术方案中，电源电路为微机械加速度计传感和信号处理电路提供电源，微机械加速度计传感和信号调理电路用来去除静态加速度引起的输出直流偏置，并将信号放大后，直接以单端模拟电压信号输出，尾锥用于插入地面，使检波器保持与地之间良好地耦合。。

上述技术方案中微机械加速度计传感和信号调理电路的构成是，每个高精度微机械加速度计芯片均与串联的两个仪表放大器连接，高精度微机械加速度计芯片感受振动后将输出差分电压信号到第一个仪表放大器，该仪表放大器将差分信号转化为单端信号输出，由于静态加速度的作用，输出时会有直流偏置，该信号再经过第二个仪表放大器，并且调节可调电阻，可以去除偏置，最后输出单端模拟信号。

本实用新型的微机械加速度计检波器具有体积小、功耗低、分辨率高、灵敏度高等特点，而且输出模拟信号，可以直接与现有的各种地震勘探数据采集系统连接，用于地震勘探，也可以用于天然地震监测。只需要用高精度的MEMS检波器替换电磁型检波器即可，而无需更换数据采集系统和网络，将节省大笔投资。

附图说明

图1是本实用新型的外部结构示意图。

图2是本实用新型的工作原理图。

图3是本实用新型的电源部分电路图。

图4是本实用新型的微机械加速度计的传感和信号调理电路图。

本实用新型有一外壳1，外壳1上有插孔2，在外壳1的底部设有尾锥3，外壳1内封装有采用三个微机械加速度计芯片(MEMS)的电路板，其外部结构见图1。

附图2是本发明的工作原理图，DC/DC电源部分将外部+3V~12V直流电压转化为+5V和-5V稳定电压，并提供+2.5V参考电压，供三个传感和信号调理电路使用。一个单轴的MEMS加速度计配合信号调理电路检测一个方向的震动，三个加速度计相互垂直就构成三分量检波器。

电源部分的连接见图3。电源部分采用外接3V～12V直流电源，经过JP4接入电路，JP4的第2脚是电源正端，经过保险丝F1和电感L1后接入U3的第4脚，U3的第5脚与地之间接一个极性电容C4就输出+5V稳压电源。外接电源经过保险丝F1后，与地之间接电容C5和C1，接入U1的第6、7脚，U1的第8脚与地之间接电感L2，第1脚与地之间接极性电容C6，U1的第8脚反向接一个二极管后，就输出-5V稳压电源。U3输出的+5V电压接入U2的第4脚，U2的第5脚与第6脚相连，输出+2.5V参考电压。电源部分将+2V~+12V的外部直流电压转化为+5V和-5V的稳定电压，并提供+2.5V的参考电压，这些电源接入插座JP1、JP2和JP3，分别为三个方向的传感电路提供电源。U2选用MAX6043，U1选用MAX764，U3选用MAX631。

微机械加速度计传感和信号调理部分电路如图4所示。三个方向的电路结构完全一样，下面只以其中的一个为例来说明电路原理。

传感部分主要由MEMS加速度计芯片U13构成，JP7接入电源，U13的第3、9、11、14脚接+5V电源，2、5、19、6、18脚接地，17脚接2.5V参考电压，4脚与一个跳线端子W2连接，W2的另一端接+5V电源。U13以双端方式输出信号，12脚是信号正，16脚是信号负，将U13的12脚接U8的3脚，U13的16脚接U8的2脚，U8是一个仪表放大器，将双端信号转化为单端信号，U8的1脚和8脚之间接电阻R9，用来调节放大倍数。U8的第6脚接U7的3脚，U7的2脚接可调电阻R14的一个输出电压，U7是一个仪表放大器，用来去除传感信号中的直流分量，U7的1脚和8脚之间接电阻R7用来调节放大倍数。U7的第6脚输出信号就是整个检波器的输出信号。U13选择SDI公司的1221，U7、U8选择AD620。

将电源电路和三个传感与调理电路固定在机械壳体内，机械壳体具有尾锥可以插入地面，与地之间良好地耦合。在测量振动时，地面的振动传递给壳体，壳体与固定在壳体上的电路板一起振动，三个MEMS加速度计芯片(U13、U14、U15)感受振动，输出的差动电信号就反映了加速度的大小，差动信号经过U8、U10、U12放大后在6脚输出单端信号，再经过U7、U9、U11去除信号中的静态直流分量，就在U7、U9、U11的6脚输出与振动相关的单端模拟电压信号。

本发明的三分量高精度微机械加速度计检波器响应频率范围是0～400Hz，加速度测量范围±2g，灵敏度在2000mV/g以上，分辨率达到2ug，具有分辨率高、灵敏度高、线性度好、响应频带宽等特点。本发明可以直接取代地震勘探中目前使用的电磁型检波器，实现检波器的更新换代。

此外，本实用新型还可以应用于天然地震监测、通用振动检测、模态分析等。

Claims (2)

1、一种高精度微机械加速度计振动检波器，包括一个外壳，外壳上装有尾锥，外壳内封装有采用三个相互垂直方向的微机械加速度计芯片(MEMS)的电路板，各微机械加速度计芯片(MEMS)均与电源电路和微机械加速度计传感和信号调理电路构成检波器电路。

2、根据权利要求1所述的高精度微机械加速度计振动检波器，其特征是所述微机械加速度计传感和信号调理电路由高精度微机械加速度计芯片与串联的两个仪表放大器连接构成。

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