MEMS加速度计与传统地震加速度计的比较研究*

王浩丁炜

(中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071)

MEMS加速度计与传统地震加速度计的比较研究*

王浩丁炜

(中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071)

对MEMS加速度计记录的地面震动数据与传统地震加速度计记录的数据进行对比研究，探讨MEMS加速度计用于地震监测的可行性。

地震加速度;MEMS加速度计;地震监测;地震烈度;地震仪器

1 引言

近年来，成本低、体积小的MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)加速度传感器已经开始应用于地震监测［1］。但是，MEMS加速度计存在精度较差，灵敏度较低的缺点［2］，能否适用于地震烈度监测，还缺少实验数据的验证。本课题组设计了一套基于MEMS加速度传感器的硬件系统，通过与传统地震加速度计监测效果的比较，分析MEMS加速度计是否适用于地震烈度监测。

2 MEMS加速度计

使用一片单分向和一片两分向MEMS加速度传感器组合监测三个互相垂直分向的加速度信号。单分向和两分向传感器分别选择ADXL103型和ADXL203型 MEMS芯片［3］。ADXL103/203 的灵敏度典型值为1 V/g，使用GPS模块获取时间信息。使用单片机控制A/D转换，采样率为100 Hz，16位采样，满度值(32 768)对应2.5 V。采用高性能的ARM处理器和嵌入式Linux系统，具有较强的数据处理能力。选用的ARM处理器带有两个主USB口，可连接两个USB接口的无线网卡，能够实现多台终端组网监测，同时也方便与PC机之间的通信。其结构框图见图1。

3 地震加速度计

选择941-B型拾振器作为传统地震加速度计［4］，灵敏度为0.321 2 Vs2/m。数据采集原理如图2所示。将拾振器与地震烈度监测终端放置在办公室大理石地面上同一地点。拾振器与一台ME-I型微动数据采集器相连，微动数采与地震烈度监测终端均内嵌GPS模块，保证两组数据的时钟同步。

图1 MEMS终端结构框图Fig.1 Block diagram of the MEMS terminal

图2 数据采集系统原理略图Fig.2 Schematic diagram of data acquisition system

4 数据的获取与处理

地震烈度监测终端通过内置的无线网卡与接在PC机上的无线网卡向PC机传输实时数据。微动数采的数据由PC机通过USB线读出。在PC机上，使用软件“微动记录数据浏览系统”显示微动数采记录的数据。其效果见图3。

图3 数据显示软件Fig.3 Data display software

实验中，人为地在大理石地面上制造人工地振动，使用两种仪器同时采集约20分钟的加速度数据。两组数据均为表示采样值的整数数据，乘以因子2.5/32768可转换为电压，根据941B型拾振器与ADXL103/203型MEMS加速度传感器的灵敏度，将电压值转换为以1×10－2ms－2为量纲的加速度数据。统一量纲之后的数据波形如图4所示。

图4 统一量纲后的数据波形Fig.4 Data waveform of unified dimention

4.1 噪声分析

取图4波形中50～55 s的一段(图5)进行分析，从图5可见该段没有明显的地震动，微动仪记录的最大幅值不足 0.1 ×10－2ms－2，而 MEMS 加速度计记录的最大幅值在1×10－2ms－2左右。如果以微动仪的记录为基准，则MEMS加速度计存在约1×10－2ms－2的较大噪声。查阅MEMS加速度计相关参数，可计算出其产生的噪声的理论典型值约为0.98×10－2ms－2(均方根)。噪声的实验结果与理论值基本相符。

图5 局部波形Fig.5 Partial waveform

4.2 震动波形分析

图6 局部放大波形1Fig.6 Partial enlarged waveform 1

图7 局部放大波形2Fig.7 Partial enlarged waveform 2

再取两组记录数据中63～66 s的一段(图6)进行分析，从图6可见该段记录到了一系列明显的震动，最大幅值约为5×10－2ms－2。再在图6中取65～65.3s的局部如图7所示。在图6中，前两次振幅较小的震动在MEMS加速度计的记录中被噪声淹没。而后三次振幅较大的震动，MEMS加速度计记录的波形与微动仪所记录的波形在形状和振幅两方面均较吻合。图7更加直观地显示了与微动波形相比，MEMS记录的波形在震动时间、幅值、形状、初动方向等方面均基本一致。

5 结论

通过对比分析我们可以发现，MEMS加速度计含有最大幅值约1×10－2ms－2的噪声，当震动的幅值较小时，无法被MEMS加速度计明显地记录到。因此，对弱小震动的监测，MEMS加速度计并不适用。当振幅较大时，MEMS加速度计记录的波形与传统加速度计基本吻合，其数据的幅频特性与传统加速度计也基本一致。因此对较强地面震动的监测，MEMS加速度计的效果与传统加速度计相当。

1 Mougenot D and Thorburn N.MEMS based 3C accelerometer for land seismic acquisition:Is it times［J］.The Leading Edge，2004，3:47 －58.

2 许建华.基于微型传感器的地震加速度监测系统技术研究［D］.中国地震局地球物理研究所，2006.

3 Analog D evices.ADXL103/203 Datasheet［ED/OL］.http://www.analog.com.

4 廖成旺，邓涛，丁炜.微动数据采集高精度时钟同步技术方案与结果［J］.大地测量与地球动力学，2009，(6):150－153.

COMPARISON AMONG MEMS ACCELEROMETER AND TRADITIONAL SEISMOMETER

Wang Hao and Ding Wei
(Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seimology，CEA，Wuhan 430071)

Data recorded by the MEMS accelerometer and the traditional seismometer are compared.And the feasibility of earthquake monitoring of the MEMS accelerometer is discussed.

earthquake acceleration;MEMS accelerometer;earthquake monitoring;earthquake intensity;seismograph

P224.1

A

1671-5942(2013)Supp.(Ⅱ)-0093-03*

2013-07-31

中国地震局地震科技星火计划项目(XH12032)

王浩，男，1982年生，硕士，研究方向为地震观测技术与仪器.E－mail:31317120@qq.com