1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1选题背景与意义
地震是主要的自然灾害之一。因此，对地震活动范围进行预测，可以最大限度地减少地震灾害的发生。地震预警系统主要是发出警报，对疏散人员到安全地点或关闭重大工业等关键设施有一定的时限，以避免造成重大后果[1]。
近年来，低成本、体积小的加速度传感器已经开始应用于关于地震监测的各个领域。针对地球表面无时不刻都有微小的震动，我们通过测量这些震动，以反演深层地下空间信息。地震计是一种振动传感器，属于计量器具的范畴，其主要在地面运动测量中进行运用，能够对低频与大动态范围的振动型号进行测量。根据测量输出可以对使用于地震科学研究和防震减灾当中的地震计进行划分，包括位移计、速度计以及加速度计。根据不同的用途可以划分成弱震与强震仪，前者主要对地面震动的速度量进行测量，后者则重点关注其位移和加速度。
2. 研究的基本内容与方案
2.1设计基本内容
结合科研项目，设计地面脉动测量系统，实现对三方向地表微弱脉动信号同步测量。本次设计需要设计适合本任务的精密传感器，完成传感器的仿真测试，实现能够对地面震动的灵敏检测。需要为所设计的地面震动传感器设计电路，完成传感器数据的信号调理、AD转换。为了实现在系统上电后测量，需要对上位机数据显示的代码编写。
2.2设计目标
设计地面脉动测量系统，实现对三方向地表微弱脉动信号同步测量。需要完成如下功能及指标：
（1）设计适合本任务的精密传感器，支持脉动信号频率最低达到2Hz;
（2）设计电路完成传感器数据的信号调理、AD转换，数据精度不低于12位;
（3）三方向测量同步精度达到1微秒内;
（4）系统上电后自动启动测量，单次测量时间20分钟；实现测量数据通过485串口上传到PC机保存。
2.4技术方案
2.4.1总体方案概述
此次地面脉动测量系统设计方案，整个方案分为4大模块——探头和测量电路、信号隔离电路、单片机处理模块、上位机模块.方案总体框图如图2.1所示。
图2.1设计方案总体框图
2.4.2探头和测量电路
在传感器选材和加工中，测量环境的温度变化不仅会引起电容传感器组成部分的几何尺寸变化，还会引起电介质介电常数的变化。此外，测量环境的湿度变化也会对电介质常数和绝缘电阻阻值产生影响。尤其寄生电容，国外有研究表明其对整个传感器的性能有较大影响[20]。
减小边缘效应的方法一般有两种，一是减小传感器的极间距离。但在这种方法下，微型传感器基本无法满足过小的极间距离，容易将电容击穿。二是采用等位环的技术，在传感器极芯外加一个同心金属保护环来实现。如下图2.2所示：
图2.2等位环示意图
由于涉及要求数据精度不低于12位，故精度要高于0.1m。本设计方案采用AD7747芯片作为测容电路中的主要芯片。AD7747芯片最大检测电容量为8.192pF。由于采用等位环的方法，便可视为消除了边缘效应的影响，便可直接采用电容公式计算。一般环境导致的地面震动波动较小，在10m上下。故计算传感器探头极芯最大有效面积为：
由此可以得到探头极芯的最大有效直径为：
方忠灿[21]等人在设计微位移传感器时，同样使用等位环方法来消除边缘效应。根据其采用的边缘效应因子对应数值表和已知极芯半径r计算电容位移传感器的电容量的计算公式，可得出等位环的内径。
所以，等位环内径，。而且在国际上，在对传感器进行设计时，等位环宽度取值一般大于极间距离的5倍。假设最大震动位移为100，则对应等位环宽度为1.5mm。在极板之间还需填充绝缘层，选用温度系数低、不易变形、绝缘性能强的聚四氟乙烯作为填充材料。
包含在探头中的测量电路，即AD7747电容数字转换芯片中，SDA引脚为芯片数据端，SCL引脚为芯片时钟端。在SDA与SCL两端都接10k上拉电阻至正极，以保证两线路在空闲状态下为高电平。电路进行测量时，只需将电容测量端CIN（ ）引脚与极芯相连，CIN（-）悬空处理即可。
2.4.3信号隔离模块
信号隔离模块是为了保证系统测量电路的测量精度与稳定性。在实际测量中，后级的数字电路中的数字信号的改变会引起电流的急剧增减，会对整个系统造成一定影响，故需要在测量电路和数据处理模块中加入一个信号隔离模块。
在本次设计方案中，采用以ADI公司生产的ADUM1250芯片为基础进行设计的信号隔离电路。在其芯片手册中可以看出，是DI公司生产的ADUM1250芯片是基于总线的信号隔离芯片，厂家表明可以直接和AD7747联合使用，可以提高电路的稳定性。
2.4.4单片机处理模块
该方案采用STM32F103C8T6单片机来作为信号处理。STM32f103×8和STM32F103×B增强型系列使用高性能的ARM？CortexTM-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个lC接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。
2.4.5串口模块
串口通信（Serial Communications）的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。对于串口而言，长度可达1200米。典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成，分别是地线、发送、接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配。
（1）波特率。这是一个衡量符号传输速率的参数。指的是信号被调制以后在单位时间内的变化，即单位时间内载波参数变化的次数，如每秒钟传送240个字符，而每个字符格式包含10位（1个起始位，1个停止位，8个数据位），这时的波特率为240Bd，比特率为10位*240个/秒=2400bps。
（2）数据位。这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据往往不会是8位的，标准的值是6、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。
（3）停止位。用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会
（4）奇偶校验位。在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。
2.4.6上位机模块
上位机部分，主要分为串口打开，串口关闭按钮，清除数据按钮和保存数据按钮。另外再加上两个组合框，用来选择波特率和串口，将传输的数据显示在编辑框中。打开串口按钮，即用打来打开串口通信，通过获取波特率选择组合框中的波特率以及串口，完成打开串口的功能。点击后立即变为关闭串口，用来实现关闭串口通信的功能。清除数据按钮，即用来清除编辑框中所有数据。
保存数据按钮，即用来将此时的编辑框中的内容以.txt形式保存至磁盘中
根据要求，需要将采集的数据，即电容值变化转换成相应的速度值或加速度值。由之前的学习中可知，采用速度进行微分的方式来求得相应的加速度大小。这是如今还未实现的，在之后的时间中需要对电容-加速度的方向进行学习和研究。
3. 研究计划与安排
第1—4周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的理论知识，对系统要求进行分析，确定方案，完成外文文献翻译和开题报告。
第5—6周：深入了解地面脉动传感器的基本原理。
第7—8周：学习使用基本工具（语编程言、开发环境、相关库等）完成地面脉动传感器原理设计。
4. 参考文献（12篇以上）
[1]yogesh sherki;nikhil gaikwad;jayalakshmi chandle;anil kulkarni. design of real time sensor system for detection and processing of seismic waves for earthquake early warning system.[c].2015 international conference on power and advanced control engineering (icpace),2015.
[2]孙辉,韩玉龙,倪程鹏.电容式传感器原理解析及其应用举例[j].科技创新导报,2016,13(33):48-50.
[3]omowho charles mac-anigboro,soumil nitin shah,xingguo xiong xiong. arduino based seismic sensor for earthquake detection and response. [c]. proceedings of 2018 asee northeast section conference,2018.
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