基于傅里叶变换的MEMS地震检波器设计

引言

地震检波器是石油、煤炭、金属等矿产及工程地震勘探等数据采集中重要的传感器，它的性能将直接影响到地震资料及技术成果的准确性，目前我国的测试系统技术水平相对落后，检波器体积较大、不便携带，CPU功能有限、功耗较大。本设计采用MEMS检波器对信号进行采集，信号经低功耗主控芯片MSP430F247完成A/D转换后存储数据，将其进行FFT变换，得到采集信号的频谱特性，可以大大提高勘探的准确性，减小系统的体积、重量、功耗等，实现地质勘探、石油开采等现场作业。

硬件设计

本设计由MEMS检测传感器、MSP430F247控制芯片和波形显示三部分组成,系统框图如图1所示。 MEMS采集地震波并将其转换为电压信号，由MSP430完成 A/D转换，经FFT变换，得出其频谱特性图。


图1 系统框图

检测部分

检测部分的核心是MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）传感器，它以硅材料为基底，采用微机械加工工艺和IC工艺加工出差动电容式微机械加速度计，感应重力的变化，为了提高加速度计的工作灵敏度，通常采用电容式结构，采用质量块—弹簧—阻尼器系统来感应加速度。结构示意如图2所示。


图2 结构示意图

当加速度计连同外界物体一起加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制，位移变化，引起可动臂和固定臂之间的电容发生相应的变化，引起输出电压的变化，工作原理图如图3所示。


图3 工作原理图