MEMS加速度计用于地震测量的可行性研究

论文摘要

本文概述了国内外地震检波器技术的应用现状和发展趋势,比较了传统地震检波器与MEMS数字检波器的主要性能参数并总结了各自的优缺点。通过对比分析三轴MEMS加速度计的性能参数,选择性价比高的ADXL327加速度计研制三分量MEMS加速度传感器,用以检测地震震动(振动)。将低成本、低功耗、多功能的PIC微控制器作为MEMS数字检波器的控制“心脏”,对MEMS加速度传感器的模拟信号进行数字化,以消除传统检波器模拟信号长线传输的干扰;利用MCP6S26可编程增益放大器控制增益和选择输入信道,减少对微控制器的管脚数量,降低了微控制器的成本和功耗需求;采用STA/LTA、外部按键和电平变化中断多种触发方式检测地震震动,使MEMS数字检波器在没有震动时进入休眠模式,极大的降低了MEMS数字检波器的功耗。以MEMS加速度计和PIC微控制器为核心器件研制的MEMS数字检波器,集地震震动检测和数据采集于一体,实现了MEMS数字检波器的微型化、轻型化、低功耗、低成本、宽频带、大动态范围,以适应各种矿山顶板、底板、矿压监测等实际应用的需要,因此,将MEMS加速度计将有力提升地震测量对矿山地质灾害的预测预报能力。精确拾取地震测量微地震事件的P波到时,对于震源定位和震源机制解释具有重要意义。本文对比研究了三种地震测量事件P波到时自动拾取算法,其中STA/LTA算法拾取信噪比高的微地震事件非常有效,令人印象深刻。比较了STA/LTA不同短时窗长度对拾取精度的影响,短时窗长度越大,拾取敏感性降低,触发阈值应随着短时窗长度增加而减小。基于小波变换的多尺度分解思想,用小波变换后的小波系数代替原始信号,应用包含在小波系数中震相的运动学特征和偏振信息,提出了联合小波变换与偏振分析自动拾取P波到时的方法。通过分析信噪比低的微地震事件,拾取P波到时的结果仍然满意。但滑动时窗计算协方差矩阵及定位函数的过程计算量较大,需较长时间。STA/LTA算法不能或无法准确自动拾取弱震相或信噪比低的微地震信号P波到时,而经多尺度小波包去噪后重构微地震信号信噪比得到很大提高。因此,本文提出了小波包去噪联合经典STA/LTA拾取P波到时的方法,实现了全程自动拾取微地震P波到时,提高了拾取精度和效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 微地震监测技术
• 1.2 P 波到时自动拾取和数字检波器研究意义
• 1.3 本文研究思路
• 2 传统地震检波器与 MEMS 数字检波器比较
• 2.1 传统地震检波器原理和特性
• 2.1.1 电磁感应式检波器
• 2.1.2 压电检波器
• 2.1.3 超级检波器
• 2.2 MEMS 检波器发展历史及应用
• 2.2.1 MEMS 的起源
• 2.2.2 MEMS 主要制造工艺技术
• 2.2.3 基于 MEMS 的数字检波器
• 2.3 传统检波器与 MEMS 数字检波器比较
• 2.3.1 地震检波器性能指标综述
• 2.3.2 传统检波器与 MEMS 数字检波器性能参数对比分析
• 2.3.3 传统检波器与 MEMS 数字检波器的优缺点
• 2.4 本章小结
• 3 MEMS 数字检波器电路设计
• 3.1 系统总体设计方案
• 3.1.1 设计原则
• 3.1.2 设计指标
• 3.1.3 技术难点
• 3.1.4 硬件构成
• 3.2 三轴 MEMS 加速度芯片比较与优选
• 3.2.1 MEMS 加速度芯片种类
• 3.2.2 MEMS 芯片的比较与优选
• 3.2.3 MEMS 芯片优选结果
• 3.3 MEMS 加速度传感器电路设计
• 3.3.1 MEMS 电容式微加速度计工作原理
• 3.3.2 ADXL327 电路设计
• 3.4 MCP6S26 电路设计
• 3.4.1 MCP6S26 芯片的功能和性能参数
• 3.4.2 MCP6S26 工作原理
• 3.4.3 MEMS 传感器有源信号放大电路分析
• 3.5 微控制器选型及电路设计
• 3.5.1 微控制器的发展与选择
• 3.5.2 微控制器接口电路设计
• K256 数据缓存电路设计'>3.6 23_K256 数据缓存电路设计
• 3.7 串行通信接口电路设计
• 3.8 系统电源设计
• 3.9 本章小结
• 4 MEMS 数字检波器软件设计
• 4.1 系统软件设计策略和编程语言的选择
• 4.2 系统软件主程序
• 4.2.1 系统初始化子程序
• 4.2.2 MCP6S26 通道选择和增益控制子程序
• 4.2.3 PIC 微控制器 A
• K256 子程序'>4.2.4 读写23_K256 子程序
• 4.2.5 串口通信子程序
• 4.3 中断处理程序
• 4.3.1 中断入口地址设置
• 4.3.2 中断处理初始化子程序
• 4.3.3 外部中断 INT0 处理子程序
• 4.3.4 模拟电压电平变化中断子程序
• 4.3.5 中断管理子程序
• 4.4 长短时窗比振动自动触发判断程序
• 4.4.1 长短时窗平均比算法
• 4.4.2 长短时窗平均比程序
• 4.5 读写 EEPROM 采样率、增益、触发阈值程序
• 4.6 精确控制延时时间函数
• 4.7 软件复位功能
• 4.8 功耗管理
• 4.8.1 全速运行模式与空闲模式切换
• 4.8.2 电池电压监测
• 4.9 本章小结
• 5 串行通信和数据采集处理系统
• 5.1 上位机数据通信和处理系统设计
• 5.2 Matlab 平台下 PC 机与 MEMS 数字检波器串行通信
• 5.3 STA/LTA 拾取 P 波到时对比研究
• 5.3.1 STA/LTA 方法介绍
• 5.3.2 不同短时窗 STA/LTA 拾取 P 波到时对比研究
• 5.4 联合小波变换与偏振分析自动拾取微地震 P 波到时
• 5.4.1 小波理论用于微地震信号处理领域
• 5.4.2 P 波到时自动拾取编程实现
• 5.4.3 自动拾取四川嘉阳煤矿监测的微地震事件 P 波到时
• 5.5 小波包去噪与 STA/LTA 联合拾取 P 波到时
• 5.6 串口通信与数据处理软件
• 5.6.1 串行通信与数据处理软件功能
• 5.6.2 将串行通信与数据处理软件生成可执行文件
• 5.7 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果