基于傅里叶变换的MEMS地震检波器设计

2012-02-21 09:05:10来源: eefocus

  引言

  地震检波器是石油、煤炭、金属等矿产及工程地震勘探等数据采集中重要的传感器,它的性能将直接影响到地震资料及技术成果的准确性,目前我国的测试系统技术水平相对落后,检波器体积较大、不便携带,CPU功能有限、功耗较大。本设计采用MEMS检波器对信号进行采集,信号经低功耗主控芯片MSP430F247 完成A/D转换后存储数据,将其进行FFT变换,得到采集信号的频谱特性,可以大大提高勘探的准确性,减小系统的体积、重量、功耗等,实现地质勘探、石油开采等现场作业。

  硬件设计

  本设计由MEMS检测传感器、MSP430F247控制芯片和波形显示三部分组成,系统框图如图1所示。 MEMS采集地震波并将其转换为电压信号,由MSP430完成 A/D转换,经FFT变换,得出其频谱特性图。

系统框图

图1 系统框图

  检测部分

  检测部分的核心是MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)传感器,它以硅材料为基底,采用微机械加工工艺和IC工艺加工出差动电容式微机械加速度计,感应重力的变化,为了提高加速度计的工作灵敏度,通常采用电容式结构,采用质量块—弹簧—阻尼器系统来感应加速度。结构示意如图2所示。

结构示意图

图2 结构示意图

  当加速度计连同外界物体一起加速运动时,质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制,位移变化,引起可动臂和固定臂之间的电容发生相应的变化,引起输出电压的变化,工作原理图如图3所示。

工作原理图
图3 工作原理图

  Vm表示输入电压信号,Vs表示输出电压,Cs1与Cs2分别表示固定臂与可动臂之间的两个电容,外界加速度与输出电压的关系为:

外界加速度与输出电压的关系

  可见,在加速度计的结构和输入电压确定的情况下,输出电压与加速度呈正比关系。

  A/D转换

  MSP430 系列单片机具有处理能力强、运行速度快、资源丰富等优点,有很高的性价比,内部自带12位A/D,可以选择多个通道的模拟输入,转换内核由一个采样保持器和一个转换器组成,对高速变化的信号进行瞬时采样时,一旦ADC 开始转换,采样保持器则进行保持,即使现场输入的信号的变化比较快,也不会影响到ADC的转换工作。

  采样信号高的时候采样,低的时候转换,自动将转换的结果保存到相应的存储器里。ADC12一共有12个转换通道,有16个转换存储器,存储的数据再经过FFT变换,得到相应的幅频特性。

  FFT变换

  经过A/D转换后的数据,利用傅里叶变换可以把信号从时域转换到频域,进行频域分析,可以看到各个频率下的信号信息,有利于对地震波进行更准确的分析。

  离散傅里叶变换分析如下:一个周期为的函数可用傅里叶基数展开为

傅里叶基数展开

  其中:

算法进行编程

  通过以上算法进行编程,实现对采集信号进行FFT变换,得到其频谱特性图。

[1] [2]

关键字:傅里叶变换  MEMS  地震检波器

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0221/article_4677.html
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