專利名稱：一種高精度微機(jī)械加速度計振動檢波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于一種能檢測振動，并將其轉(zhuǎn)化為電信號的裝置，特別是涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)地震波檢測器。
背景技術(shù)：
檢波器是地震勘探中用來檢測地震波的振動傳感器。檢波器有多種類型，有電感式、壓電式、壓阻式和電容式等。目前在陸地地震勘探中廣泛使用的是電磁型檢波器，這種檢波器采用電磁感應(yīng)原理測量振動，是一種無源傳感器。
電磁型檢波器技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但這種檢波器存在靈敏度低、分辨率低、線性范圍窄、響應(yīng)頻帶窄、易受電磁干擾等問題，而且由于其傳感原理的限制，性能已經(jīng)很難以提高。高精度油藏勘探要求高精度的檢波器，傳統(tǒng)的檢波器已難以滿足要求，需要開發(fā)新的高精度檢波器。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是上世紀(jì)80年代末首次出現(xiàn)的新技術(shù)，它將機(jī)械系統(tǒng)與電子系統(tǒng)集成在一個半導(dǎo)體芯片上，實現(xiàn)傳感、信號調(diào)理一體化。在90年代，MEMS技術(shù)飛速發(fā)展，特別是微機(jī)械加速度計的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，出現(xiàn)了各種MEMS加速度計芯片。
MEMS加速度計芯片可以用來開發(fā)檢波器，國外也已經(jīng)有公司開發(fā)了數(shù)字化的MEMS檢波器及其配套的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和軟件系統(tǒng)。但這種系統(tǒng)需要成套引進(jìn)，價格非常昂貴。盡管數(shù)字化的MEMS檢波器用于地震波的檢測具有諸多優(yōu)點，如有較好的低頻響應(yīng)性能，動態(tài)范圍大，適量保真度高等。但是在實際應(yīng)用中，該技術(shù)不能迅速推廣的一個最大問題就是，目前國內(nèi)物探公司普遍采用的是針對電磁型檢波器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和軟件，與數(shù)字化MEMS檢波器不兼容。若要采用數(shù)字化MEMS檢波器，勢必要將現(xiàn)有的設(shè)備和軟件全部更新，這對用戶來說，顯然是一個很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因地制宜，根據(jù)國情開發(fā)一種既優(yōu)于電磁型檢波器滿足地震勘探需要，又能與現(xiàn)有設(shè)備配套的經(jīng)濟(jì)型檢波器就成為一個具有現(xiàn)實意義的新課題。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的就是基于上述課題的需要，提供一種可以輸出模擬信號的高精度微機(jī)械加速度計振動檢波器，它能與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兼容，又具有分辨率高、靈敏度高等特點。
本實用新型是這樣實現(xiàn)發(fā)明目的的高精度微機(jī)械加速度計振動檢波器，包括一個外殼，外殼內(nèi)封裝有采用微機(jī)械加速度計芯片(MEMS)的電路板，微機(jī)械加速度計芯片(MEMS)與電源電路和微機(jī)械加速度計傳感和信號調(diào)理電路構(gòu)成檢波器電路。
上述技術(shù)方案中，電源電路為微機(jī)械加速度計傳感和信號處理電路提供電源，微機(jī)械加速度計傳感和信號調(diào)理電路用來去除靜態(tài)加速度引起的輸出直流偏置，并將信號放大后，直接以單端模擬電壓信號輸出，尾錐用于插入地面，使檢波器保持與地之間良好地耦合。
上述技術(shù)方案中微機(jī)械加速度計傳感和信號調(diào)理電路的構(gòu)成是，高精度微機(jī)械加速度計芯片與串聯(lián)的兩個儀表放大器連接，高精度微機(jī)械加速度計芯片感受振動后將輸出差分電壓信號到第一個儀表放大器，該儀表放大器將差分信號轉(zhuǎn)化為單端信號輸出，由于靜態(tài)加速度的作用，輸出時會有直流偏置，該信號再經(jīng)過第二個儀表放大器，并且調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，可以去除偏置，最后輸出單端模擬信號。
本實用新型的外殼上可以裝有尾錐，檢波器通過尾錐插入地面保持與地之間良好的耦合。
本實用新型的微機(jī)械加速度計檢波器具有體積小、功耗低、分辨率高、靈敏度高等特點，且輸出模擬信號，可以直接與現(xiàn)有的各種地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，可用于地震勘探和天然地震監(jiān)測。應(yīng)用中只需要用高精度的MEMS檢波器替換電磁型檢波器即可，而無需更換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，將節(jié)省大筆投資。


圖1是本實用新型的外部結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實用新型的工作原理圖。
圖2是本實用新型的電源部分電路圖。
圖3是本實用新型的微機(jī)械加速度計的傳感和信號調(diào)理電路圖。
本實用新型有一個外殼1，外殼1上有插孔2，在外殼1的底部設(shè)有尾錐3，外殼1內(nèi)封裝有采用微機(jī)械加速度計芯片(MEMS)的電路板，其外部結(jié)構(gòu)見圖1。
附圖2是本實用新型的工作原理圖。DC/DC電源部分將外部+3V~+12V直流電壓轉(zhuǎn)化為+5V和-5V穩(wěn)定電壓，并提供+2.5V參考電壓，以供傳感和信號調(diào)理電路使用。一個單軸的MEMS加速度計用于感應(yīng)垂直方向的加速度，加速度計的輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后作為檢波器的輸出信號，以此構(gòu)造一個單分量檢波器。電源部分的連接見圖3。電源部分采用外接3V～12V直流電源，經(jīng)過JP1接入電路，JP1的第2腳是電源正端，經(jīng)過保險絲F1和電感L1后接入U3的第4腳，U3的第5腳與地之間接一個極性電容C1就輸出+5V穩(wěn)壓電源。外接電源經(jīng)過保險絲F1后，與地之間接電容C2和C4，接入U2的第6、7腳，U2的第8腳與地之間接電感L2，第1腳與地之間接極性電容C3，U2的第8腳反向接一個二極管后，就輸出-5V穩(wěn)壓電源。U3輸出的+5V電壓接入U1的第4腳，U1的第5腳與第6腳相連，輸出+2.5V參考電壓。電源部分將+2V~+12V的外部直流電壓轉(zhuǎn)化為+5V和-5V的穩(wěn)定電壓，并提供+2.5V的參考電壓，這些電源接入插座JP6，以便供傳感和信號調(diào)理電路使用。U1選用MAX6043，U2選用MAX764，U3選用MAX631。
傳感和信號調(diào)理部分電路如圖4所示。傳感部分主要由MEMS加速度計芯片U6構(gòu)成，JP4接入電源，U6的第3、9、11、14腳接+5V電源，2、5、19、6、18腳接地，17腳接2.5V參考電壓，4腳與一個跳線端子W1連接，W1的另一段接+5V電源。U6以雙端方式輸出信號，12腳是信號正，16腳是信號負(fù)，將U6的12腳接U5的3腳，U6的16腳接U5的2腳，U5是一個儀表放大器，將雙端信號轉(zhuǎn)化為單端信號，U5的1腳和8腳之間接電阻R6，用來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。U5的第6腳接U4的3腳，U4的2腳接可調(diào)電阻R8的一個輸出電壓，U4是一個儀表放大器，用來去除傳感信號中的直流分量，U4的1腳和8腳之間接電阻R5用來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。U4的第6腳輸出信號就是整個檢波器的輸出信號。U6選擇SDI公司的1221，U5、U4選擇AD620。
將電源電路和傳感與調(diào)理電路固定在殼體內(nèi)，殼體上的尾錐可以插入地面，與地之間良好地耦合。在測量振動時，地面的振動傳遞給殼體，殼體與固定在殼體上的電路板一起振動，MEMS加速度計芯片感受振動，U6的12、16腳輸出的差動電信號就反應(yīng)了加速度的大小，差動信號經(jīng)過U5放大后在6腳輸出單端信號，再經(jīng)過U4去除信號中的靜態(tài)直流分量，就在U4的6腳輸出與振動相關(guān)的單端模擬電壓信號。
本實用新型的高精度微機(jī)械加速度計檢波器響應(yīng)頻率范圍是0～400Hz，加速度測量范圍±2g，靈敏度在2000mV/g以上，分辨率達(dá)到2ug，具有分辨率高、靈敏度高、線性度好、響應(yīng)頻帶寬等特點。它可以直接取代地震勘探中目前使用的電磁型檢波器，實現(xiàn)檢波器的更新?lián)Q代。
此外，本實用新型還可以應(yīng)用于天然地震監(jiān)測、通用振動檢測、模態(tài)分析等。
權(quán)利要求1.一種高精度微機(jī)械加速度計振動檢波器，包括一個外殼，外殼內(nèi)封裝有采用微機(jī)械加速度計芯片(MEMS)的電路板，微機(jī)械加速度計芯片(MEMS)與電源電路和微機(jī)械加速度計傳感和信號調(diào)理電路構(gòu)成檢波器電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度微機(jī)械加速度計振動檢波器，其特征是所述微機(jī)械加速度計傳感和信號調(diào)理電路由高精度微機(jī)械加速度計芯片與串聯(lián)的兩個儀表放大器連接構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高精度微機(jī)械加速度計振動檢波器，其特征是所述的外殼上裝有尾錐。
專利摘要本實用新型公開了一種高精度微機(jī)械加速度計振動檢波器，包括一個外殼，外殼內(nèi)封裝有采用微機(jī)械加速度計芯片(MEMS)的電路板，微機(jī)械加速度計芯片(MEMS)與電源電路和微機(jī)械加速度計傳感和信號調(diào)理電路構(gòu)成檢波器電路。它具有體積小、功耗低、分辨率高、靈敏度高等特點，最主要的是能輸出模擬信號，可以直接與現(xiàn)有的各種地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，用于地震勘探，也可以用于天然地震監(jiān)測。只需要用高精度的MEMS檢波器替換電磁型檢波器即可，而無需更換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，將節(jié)省大筆投資。
文檔編號G01V1/18GK2783346SQ20052005069
公開日2006年5月24日 申請日期2005年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月7日
發(fā)明者周瑤琪, 王維波, 王保三, 覃小惕, 王嘉濟(jì), 袁方海, 宗學(xué)桐 申請人:周瑤琪