基于傅里葉變換的MEMS地震檢波器設計

引言

地震檢波器是石油、煤炭、金屬等礦產及工程地震勘探等數據采集中重要的傳感器，它的性能將直接影響到地震資料及技術成果的準確性，目前我國的測試系統技術水平相對落后，檢波器體積較大、不便攜帶，CPU功能有限、功耗較大。本設計采用MEMS檢波器對信號進行采集，信號經低功耗主控芯片MSP430F247完成A/D轉換后存儲數據，將其進行FFT變換，得到采集信號的頻譜特性，可以大大提高勘探的準確性，減小系統的體積、重量、功耗等，實現地質勘探、石油開采等現場作業。

硬件設計

本設計由MEMS檢測傳感器、MSP430F247控制芯片和波形顯示三部分組成,系統框圖如圖1所示。 MEMS采集地震波并將其轉換為電壓信號，由MSP430完成 A/D轉換，經FFT變換，得出其頻譜特性圖。


圖1 系統框圖

檢測部分

檢測部分的核心是MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）傳感器，它以硅材料為基底，采用微機械加工工藝和IC工藝加工出差動電容式微機械加速度計，感應重力的變化，為了提高加速度計的工作靈敏度，通常采用電容式結構，采用質量塊—彈簧—阻尼器系統來感應加速度。結構示意如圖2所示。


圖2 結構示意圖

當加速度計連同外界物體一起加速運動時，質量塊就受到慣性力的作用向相反的方向運動。質量塊發生的位移受到彈簧和阻尼器的限制，位移變化，引起可動臂和固定臂之間的電容發生相應的變化，引起輸出電壓的變化，工作原理圖如圖3所示。


圖3 工作原理圖