力平衡加速度传感器的恒温控制系统

詹小艳 章 东 薛莹莹 徐顺强 朱升初

1）中国南京210014 江苏省地震局

2）中国郑州450002 中国地震局地球物理勘探中心

0 引言

强震动观测技术是地震工程得以发展的重要基础，早期主要应用于地震地面运动和工程结构反应，目前应用范围拓展至地震烈度速报与预警。数字强震仪一般采用力平衡加速度传感器，是强震动观测台站即固定台和流动台（郑水明等，2008）以及台网的核心部分，其性能直接关系到强震动观测的质量。现今广泛使用的加速度传感器普遍采用力平衡反馈技术，其能够弥补传感器的一些机械性缺陷（杨黎薇等，2014），以实现宽频带、大动态、低噪声的目标，也称之为力平衡加速度计。早期主要有美国凯尼公司生产的FBA-3 型和FBA-13 型力平衡加速度计，中国地震局工程力学研究所研制生产的DCJ 型伺服式加速度计和RLJ 型差容式力平衡加速度计等（于海英等，2017）。随着技术进步，力平衡加速度计的性能也在不断地完善和提高，且重量和体积越来越小。目前我国主要使用的加速度计有SLJ-100 型、ES-T 型2 类。力平衡加速度计具有许多优点，但环境温度的波动会影响其灵敏度、零漂等指标，进而影响到仪器的稳定性，增加使用和维修成本，降低产出数据质量。因此，分析环境温度对加速度传感器工作状态的影响，并提出改善措施，对于提高加速度传感器的性能和稳定性具有重要意义。

传统上，我国强震动加速度观测多采用阈值触发模式记录地震事件。在事件检测时首先进行高通滤波，仪器零位漂移的影响可以忽略，所以温度漂移也未引起重视。但是，随着国家地震预警与烈度速报系统项目的开展，强震动观测普遍采用实时数据检测传输模式，温度对数据的影响不容忽视（王宇欢等，2017）。近年来，涌现多种降低温度对加速度传感器影响的分析方法：并联式温度补偿法、零点温度补偿法，软件补偿法（杜永苹等，2009）。

在总结前人研究成果的基础上，以ES-T 力平衡式三分量加速度传感器为例，设计实现1 种可用于实际观测的恒温控制系统，为改善强震观测环境，确保观测系统产出连续、可靠的数据提供技术参考。

1 恒温控制系统架构设计

恒温控制系统架构由恒温控制设备和处理模块2 部分构成，见图1。恒温控制部分功耗小于3 W，整机功耗小于20 W。其基本原理为传感器实时监测恒温设备的温度变化，并与设定的阈值温度值进行比较。当监测温度高于设定上限温度时，启动制冷装置对恒温室进行降温；当监测温度低于设定下限温度时，启动加热装置对恒温室进行升温（孙宏志，2016）。处理模块的控制端可实现对各类工作参数、制冷或制热控制的远程修改。如果监测温度值超出预设温度值范围，处理模块立即将监测的温度信息传送至控制端，以便于工作人员掌握实时情况。

如图1 所示，恒温控制系统的温度传感器、制冷装置、加热装置与处理模块通信模块、存储模块、判断模块电性连接，通信模块与控制端通过网络进行通信。各模块的设计功能为：判断模块用于将温度传感器监测的温度值与预设温度值的上下限进行实时校验；处理模块采用单片机，通信模块与处理模块之间设有通信接口，用于控制端的人工指令操作；通信模块支持4G 无线传输和有线传输；存储模块采用电可擦除非易失串行存储器；恒温控制设备采用加热片加热，采用半导体制冷，避免了恒温设备对加速度传感器的影响。

图1 恒温控制系统Fig.1 System diagram of constant temperature control system

1.1 温度补偿方法选择

并联式温度补偿法，理论上可实现完全补偿，实际上只能近似补偿。零点温度补偿法精度较高，但对材料有一定要求。软件补偿法，只需找出输入、输出特性曲线，建立温度模型，即可实现温度的自动补偿。因此，采用软件补偿法设计恒温控制系统。恒温控制系统的设计目标是，以较小的功耗实现较好的恒温效果，将力平衡加速度计局部工作温度控制在一定范围，从而有效保证观测设备工作稳定（李建飞，2012；孙宏志，2016）。

1.2 误差补偿系统设计

环境变化、器件老化等因素引起的干扰叠加在加速度记录中，造成测量误差。通过补偿方法尽可能降低该误差。误差补偿需通过构建完整的模拟信号数字处理系统来实现。系统包含模数转换（ADC）、数字处理（CPU）、数模转换（DAC）、平滑滤波和校正电路5部分。误差补偿系统工作机制如图2 所示。流程如下：将模拟加速度电压经采样和量化转换成数字加速度电压，用数字处理器进行滤波，得到数字补偿电压并转变为模拟信号，经平滑处理得到模拟补偿电压，通过校正电路补偿力平衡加速度计的输出（Havskov et al，2007）。

图2 模拟信号数字处理系统Fig.2 Block diagram of the analog signal digital processing system

用DAC 输出的补偿电压来校正力平衡加速度计输出电压进行。因此，在误差补偿系统中，采用运算放大器构建一个加法器来实现该目标。同时，为了方便传输和减小误差，将单端信号转换为差分信号。这就构成了恒温控制系统中重要的误差补偿系统。

1.3 系统热结构

恒温控制系统的热结构见图3。温控箱中心部位设置1 个加速度传感器安装室，其外壁上加热装置均匀分布，并设置散热装置，只有散热功率与加热功率相等才能最终实现恒温（吴艳霞等，2008）。温控箱外壳与散热装置之间设置有保温材料。

图3 恒温控制系统热结构Fig.3 Thermal structure design drawing of constant temperature control system

2 实验结果与分析

2.1 实验室测试

2.1.1 恒温控制系统噪声。选用工程力学研究所的ES-T 力平衡式三分量传感器作为测试对象，该传感器动态范围优于155 dB，带宽DC 至200 Hz。具有频带宽、灵敏度高、动态范围大、传递函数稳定、噪声水平低等特点，是我国强震观测的主要设备。通过跳线器，用户可选择的量程配置为±0.25g、±0.5g、±1g、±2g、±4g共5 档。

在对小型恒温系统进行性能测试前，测试置于恒温系统中的加速度传感器记录状态。对一个低噪声台基进行24 h 观测。观测房日温度波动范围为2℃—5℃。将其中安静时段记录（2016 年9 月11 日23 时至12 日2 时）用于地脉动加速度功率谱计算。恒温系统通电和断电状态下的地脉动加速度功率谱曲线，如图4 所示。2 种状态下全频带内加速度功率谱曲线一致性较好，仅在高频部分（20—30 Hz）略有差异，差异幅度仅约为5 dB。试验结果表明，在有效频带范围内温控系统不会对加速度计造成干扰。

图4 温控系统与常规观测环境下的地噪声对比Fig.4 Comparison of ground noise between the temperature control system and conventional observation environment

2.1.2 恒温控制系统对加速度传感器灵敏度的影响。2016 年10 月8 日至11 月30 日开展测试实验，将被测加速度传感器置于图5 所示，实验装置（王晓蕾等，2018），进一步获取温度补偿对加速度传感器的影响特征。在加速度传感器及温控箱内分别安装温度传感器，温度范围为-5℃—+40℃，每隔1℃增加1 个测点值，获取每个温度测点值加速度传感器的零点并进行脉冲标定和正弦标定测试（赵龙梅等，2017）。对相关数据及波形进行计算和分析，获得分向灵敏度与温度关系曲线，如图6 所示。

图5 测试实验装置Fig.5 The experimental device

图6 ES-T 力平衡式加速度传感器分向灵敏度与温度数据关系曲线Fig.6 Relationships between the sensitivity of each direction of the ES-T force balance accelerometer and the temperature

在-5℃— +40℃的环境下，各分向灵敏度虽然总体上呈现随温度升高而增大的特征，但变化幅度较小，幅度范围约为1.7%—3.2%。当外部环境为15℃—25℃时，灵敏度变化相对稳定。测试可知，在-5℃— +15℃环境下，灵敏度变化率最大。从另一角度反映出环境温度对强震观测仪器的材料性能、元件等的影响程度。当外界温度过高或过低时，加速度传感器的内部结构会受到一定影响，此为需要恒温环境的原因之一。

2.1.3 恒温控制系统控温过程中的温度变化。将试验环境温度分别设定在38℃、28℃和3℃，恒温系统中的恒温点设定为20℃。在3 种状态下，恒温胆内温度变化过程如图7 所示，到达恒温点的时间分别为87 min、34 min 和142 min。环境温度高于恒温点，降温过程相似，初始时波动剧烈，随后波动幅度逐渐减小。低于恒温点的状态下，温度稳步升高，过程相对较长。稳态时，3 种环境下恒温系统内温度波动均较小，曲线基本保持一致。

图7 不同环境温度下恒温系统内部温度变化曲线Fig.7 Internal temperature curves of the constant temperature system under different ambient temperatures

2.2 试运行

经实验室测试，将ES-T 力平衡式三分量加速度传感器分别于2016 年12 月26 日至2017 年2 月24 日2017 年5 月9 日至2017 年7 月27 日，在启东圆陀角强震台及地球物理勘探中心进行试运行。部分试运行数据见表1。

表1 启东圆陀角强震台及地球物理勘探中心部分试运行数据Table 1 Partial commissioning data of Qidong Yuantuojiao strong seismic station and Geophysical Exploration Center

试运行期间经历冬季及夏季，未出现因环境温度变化导致的机械故障现象，记录数据正常。说明恒温控制系统发挥了温度微调的效能，抑制了环境温度变化带来的影响，使得传感器在近恒温状态下工作，进而提高了设备工作的稳定性。

3 结语

为解决环境温度变化造成的强震观测仪加速度传感器机械性故障这一技术难题，研究设计了小型恒温控制系统。测试结果表明，在-5℃—+40℃的环境下，各分向电压灵敏度虽然总体上呈现随温度升高而增大的特征，但变化幅度较小，幅度范围约为1.7%—3.2%。当外部环境温度为15℃—25℃时，灵敏度变化相对稳定；当外部环境温度为-5℃—+15℃时，灵敏度变化率最大。地脉动对比观测结果表明，恒温控制系统对ES-T 传感器的影响，在有效频带范围内几乎可以忽略。试运行结果证明，将加速度传感器置于温度控制箱内，可以保证加速度传感器的工作稳定性。本恒温控制系统可以满足加速度传感器对温度补偿的要求，可为保障强震观测提供技术解决方案。

将加速度传感器长期放在稳定的温度环境中工作，可以减少加速度传感器故障，进而提高强震动记录数据的可用性。尽管在技术上已经显示出令人鼓舞的前景，但仍有一些细节需要进一步改建与完善。比如小型恒温控制系统，由于温腔体积小，当外界温度急剧变化时，功耗会有所增加，并且可能存在温度补偿不彻底的现象。后续将进一步研究减小温度变化的方法，从根本上降低其对强震观测的影响。