基于压电传感器的地质灾害监测系统设计

张晓飞，王新杰，吕中虎，孟庆佳

（1.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，保定071051；2.自然资源部 地质环境监测工程技术创新中心，保定071051）

我国是地质灾害多发的国家，地震、滑坡等地质灾害发生前会产生由地应力变化而引起的微小裂隙，从而引起微震；泥石流发生过程中会伴随着产生泥石流地声（振动）。因此，通过监测地质体形变所引起的微震信号或泥石流地声信号，并监测地质灾害触发因素降雨量的大小，可以及时了解地质灾害体的演变过程，为地质灾害的预测预报提供科学依据。本文在设计制作压电加速度传感器的基础上，结合压电雨量传感器、高速4 通道同步采样ADC芯片和STM32F4 微控制器，设计了基于压电传感器的地质灾害监测系统。

1 压电效应及压电材料

某些电介质，经过极化处理后，在其极化方向施加机械变形时，就会产生充放电现象，即“正压电效应”；反之，在其极化方向施加电场，导致其产生机械变形，即导致“逆压电效应”。压电陶瓷是具有压电效应的一种多晶体材料，是压电材料的一种。由于具有较好的力学性能和稳定的压电性能，压电陶瓷作为敏感材料，成为当今世界压电市场的主导材料，广泛应用于水声技术领域、超声技术领域、高电压发生装置、电声设备等领域，尤其在超声换能器及测量各种力加速度、冲击和振动等物理量及其变化的传感器方面应用广泛[1-2]。部分压电陶瓷的主要性能指标如表1所示。

表1 部分压电陶瓷的主要性能指标Tab.1 Main performance indexes of some piezoelectric ceramics

2 基于压电传感器的地质灾害监测系统整体设计

基于压电传感器的地质灾害监测系统整体设计如图1所示，采用压电效应原理研制感知微震信号或泥石流地声信号的传感器，经过信号调理和AD 转换后进入STM32F4 微控制器；同时采用压电效应原理研制雨量传感器测量地质灾害的影响因素降雨量；STM32F4 微控制器同时采集微震或泥石流地声信号、降雨量后通过外接的无线路由将数据传输到云平台[3]。

图1 监测系统框图Fig.1 Block diagram of monitoring system

3 压电传感器设计

3.1 压电加速度传感器设计

压电振子是压电加速度传感器的核心元件，其是否能够有效并准确地将外界加速度变化引起的机械能转换为电信号对整个传感系统非常重要。为此选择了3 种类型5 种几何形状的压电陶瓷与铝、钢、铜3 种金属材料制成的多种压电振子和框架分别组成多种探头，开展了多次发射能量、频谱与接收性能的对比实验。实验结果表明，采用长条形压电陶瓷制作的压电振子和圆柱形钢框架组成的探头测试效果最好。因此基于实验结果，设计的压电式加速度传感器主要由压电陶瓷片、钢基板、钢框架、信号调理电路板、探管5 部分组成，结构如图2所示[4]。为了确保传感器的野外工作性能，采取了橡胶密封、硅油耦合、内外平衡压力的方式密封探头，如图3所示。

图2 压电加速度传感器结构图Fig.2 Structure diagram of piezoelectric acceleration sensor

图3 压电加速度传感器Fig.3 Piezoelectric acceleration sensor

由压电振子的等效电路可知，压电振子等效为一个电荷源和一个电容器并联的等效电路或等效为一个电压源和一个电容器串联的等效电路。因此，为了提高信号灵敏度，采用单电源、轨到轨输出、精密结型场效应晶体管输入运算放大器ADA4625 设计的4 道信号调理电路，如图4所示，通过选择电容，将调理电路的带宽设置为5 Hz～10 kHz，每个压电振子的输出连接信号调理电路，实现了在探头端将压电振子的输出信号放大10 倍。

图4 前置放大电路Fig.4 Front amplifier circuit

3.2 压电雨量传感器设计

雨滴在降落过程中受到雨滴重量和空气阻力的作用，到达地面时速度为恒定速度，根据P=mv，测量冲击即可求出雨滴重量，进而得到持续降雨量。压电式雨量传感器的结构设计如图5所示，主要由雨水接触层、压电陶瓷片、数据采集板和密封罐组成[5]。

图5 压电雨量传感器结构图Fig.5 Structure diagram of piezoelectric rainfall sensor

将圆片式压电陶瓷片胶粘在雨水接触层的背面作为敏感元件，对单个雨滴重量进行测算。雨水接触层位于压电雨量传感器的最外侧，由振动响应好的不锈钢制作而成，其在雨滴的冲击下产生振动信号，压电陶瓷片将振动信号转换为电信号后经过电荷放大器的放大和阻抗转换后，经过滤波电路进入电压放大电路进行电信号的幅度放大，单片机通过自带的AD 转换器采集电信号的幅度和脉冲数量，通过预设算法计算出雨滴的尺寸和数量，进而计算出雨量的大小。每当雨量累计0.1 mm，单片机控制开关量输出管脚输出一个100 ms 的低电平脉冲。

4 硬件电路设计

4.1 信号调理电路设计

监测系统的信号调理电路如图6所示，主要由全差分放大器THS4521 构成，放大器输入端由2 个电阻与电容构成低通滤波与阻抗匹配电路，R1和

图6 信号调理电路Fig.6 Signal conditioning circuit

R11阻值相同，R2和R10的阻值相同，R1和R2、R11和R10构成等比列的放大电路，电路中电容C1与C15具有低通滤波作用，放大器输出端接入AD 采集芯片ADS8584S 的差分输入端。

4.2 AD 电路设计

AD 芯片采用TI 公司的16 位、高速4 通道同步采样ADC 芯片ADS8584S。ADS8584S 器件是一款基于集成式数据采集（DAQ）系统的4 通道、16 位、逐次逼近型（SAR）同步采样模数转换器（ADC），每通道的最大采样频率为330 ksps。

ADS8584S 与STM32F4 微控制器采用并行接口方式，电路如图7所示，主要引脚设置如下：

图7 AD 转换电路Fig.7 AD conversion circuit

（1）OS2/OS1/OS2：设置为110，表示2 倍过采样率。

（2）CONVSTA，CONVSTB（输入）：启动AD 转换的控制信号，连接STM32 的GPIO 引脚输出占空比为50%的PWM，启动AD 转换。

（3）RAGE（输入）：设置为低电平，量程范围选择为±5 V。

（4）RD：连接STM32F4 的并口总线读信号NOE。

（5）RST：连接STM32F4 的GPIO 口，复位ADS-8584S。

（6）BUSY：连接STM32F4 的GPIO 口，当CONVSTA，CONVSTB 的信号启动AD 转换，BUSY 变为高，当转换完成后BUSY 变为低，随后可通过控制RD 将本次转换结果数据通过并口输出。

（7）DB0-DB15：连接并口数据总线（16 位）。

4.3 STM32F4 微控制器电路设计

监测系统采用STM32F429 作为采集控制的核心，连接框图如图8所示。STM32F429 通过PWM 信号输出的GPIO 口连接到ADS8584S 引脚CONVSTA，CONVSTB，当产生上升沿时，ADS8584S 的4 个通道进行同步AD 转换，同时BUSY 信号变为高电平，当AD 转换完成时，BUSY 信号从高电平变为低电平，之后STM32F429 通过并口方式从DB0～DB15读取4 个通道的数据。STM32F429 通过USART 与GPS 授时模块NEO-M8T 的输出连接，接收授时模块的信息，通过GPIO 口与授时模块的PPS 相连，微控制器通过PPS 信号控制PWM 输出，用于启动AD转换的控制以及多个设备之间的采集同步。雨量传感器的输出连接STM32F429 微控制的GPIO 口，STM32F429 通过中断方式采集雨量信号。STM32F429通过GPIO 与SD 卡连接，通过并口方式与以太网控制器芯片DM9000AE 连接，STM32F429 将采集到的监测数据存储在SD 卡后，再通过DM9000AE 与外接的无线路由传输到云平台[6-8]。

图8 微控制器连接框图Fig.8 Microcontroller connection diagram

4.4 供电电路设计

如图9所示，监测系统主要由太阳能板、锂电池、太阳能充电控制、DC/DC 和LDO 组成供电电路。太阳能充电控制模块由适用于太阳能应用且具有最大功率点跟踪功能的独立式同步降压电池充电控制器芯片BQ24650 构成，具有输入反接保护、过压保护、过流保护功能。

图9 供电电路框图Fig.9 Power supply circuit diagram

由于信号调理电路采取正负电源供电，因此采用亚德诺（ADI） 半导体公司的同步降压型转换器LTC3631 设计了±6 V 电源输出电路，如图10所示。+6 V 电源再经过德州仪器（TI）公司超低噪声低压降（LDO）稳压器TPS7A4700 转换为5 V 后为信号调理电路和AD 转换电路提供正电源，-6 V 电源经过德州仪器（TI）公司的超低噪声、高PSRR、低压降线性稳压器TPS7A3001 转换为-5 V 后为信号调理电路提供负电源。太阳能充电控制电路的输出通过降压型直流电源变换芯片XL2596 转换为5 V 后再经过正向低压降稳压器AMS1117 转换为3.3 V，为STM32F4 微控制器相关电路提供电源。

图10 正负电源电路Fig.10 Positive and negative power supply circuit

5 采集软件设计

监测系统的数据采集发送程序主要针对STM32F4 微控制器进行编程，具体实现STM32F429的初始化、GPS 信号获取、数据采集、数据存储和数据发送功能。软件主体采用C 语言编写，其流程如图11所示。

图11 数据采集软件流程Fig.11 Flow chart of data acquisition software

程序流程采取前后台的工作方式。主程序为循环结构，先进行STM32F4 微控制器的初始化后，在主循环结构中接收GPS 的输出信号，STM32F4 微控制器通过GPS 的PPS 信号控制PWM 输出，启动AD转换，然后根据状态标志位来判断是否有新的数据到来，如有新的数据，则采集数据、存储数据进SD卡，通过网口将数据发送出去。在中断服务程序中，依据中断的类型，判断中断类型，如果是雨量传感器触发的中断，则统计降雨量并修改状态标志；如果是AD 中断，则读取AD 转换后的值并修改状态标志。

6 实验测试

6.1 压电加速度传感器测试

将压电加速度传感器放置在铁板上，将其中一个通道的输出连接示波器的同时，接入信号调理电路的通道1，运行采集程序并通过J-Scope 观察采集到的波形。不断敲击铁板，压电加速度传感器通道1的输出波形如图12所示，J-Scope 采集到的数据波形如图13所示。

图12 压电加速度传感器输出波形Fig.12 Waveform of piezoelectric acceleration sensor

图13 数据采集波形Fig.13 Data acquisition waveform

6.2 整机测试

将监测系统通过网线连接到无线路由器，同时将电脑也接入无线路由器并运行数据调试软件，如图14所示。监测系统将采集到的振动信号通过无线路由传输到电脑端的数据调试软件，敲击压电加速度传感器附近地面所接收到的波形如图15所示。从实验可以得出，监测系统通过压电加速度传感器可以很好的捕捉振动信号。

图14 监测系统测试Fig.14 Experiment of monitoring system

图15 测试数据波形Fig.15 Waveform of test data

7 结语

本文基于压电陶瓷片设计制作了压电加速度传感器，并结合压电雨量传感器、4 通道同步采样ADC 芯片和STM32F4 微控制器搭建了基于压电传感器的地质灾害监测系统。通过室内测试，压电加速度传感器能很好的捕捉振动信号，监测系统能实时采集压电加速度传感器的输出并通过无线路由传输到服务器，结合压电雨量传感器的实时采集，对地质灾害监测有一定的工程应用价值。