基于壓電傳感器的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張曉飛，王新杰，呂中虎，孟慶佳

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，保定071051；2.自然資源部 地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工程技術(shù)創(chuàng)新中心，保定071051）

我國是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家，地震、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前會產(chǎn)生由地應(yīng)力變化而引起的微小裂隙，從而引起微震；泥石流發(fā)生過程中會伴隨著產(chǎn)生泥石流地聲（振動）。因此，通過監(jiān)測地質(zhì)體形變所引起的微震信號或泥石流地聲信號，并監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害觸發(fā)因素降雨量的大小，可以及時了解地質(zhì)災(zāi)害體的演變過程，為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報提供科學(xué)依據(jù)。本文在設(shè)計制作壓電加速度傳感器的基礎(chǔ)上，結(jié)合壓電雨量傳感器、高速4 通道同步采樣ADC芯片和STM32F4 微控制器，設(shè)計了基于壓電傳感器的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。

1 壓電效應(yīng)及壓電材料

某些電介質(zhì)，經(jīng)過極化處理后，在其極化方向施加機械變形時，就會產(chǎn)生充放電現(xiàn)象，即“正壓電效應(yīng)”；反之，在其極化方向施加電場，導(dǎo)致其產(chǎn)生機械變形，即導(dǎo)致“逆壓電效應(yīng)”。壓電陶瓷是具有壓電效應(yīng)的一種多晶體材料，是壓電材料的一種。由于具有較好的力學(xué)性能和穩(wěn)定的壓電性能，壓電陶瓷作為敏感材料，成為當今世界壓電市場的主導(dǎo)材料，廣泛應(yīng)用于水聲技術(shù)領(lǐng)域、超聲技術(shù)領(lǐng)域、高電壓發(fā)生裝置、電聲設(shè)備等領(lǐng)域，尤其在超聲換能器及測量各種力加速度、沖擊和振動等物理量及其變化的傳感器方面應(yīng)用廣泛[1-2]。部分壓電陶瓷的主要性能指標如表1所示。

表1 部分壓電陶瓷的主要性能指標Tab.1 Main performance indexes of some piezoelectric ceramics

2 基于壓電傳感器的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計

基于壓電傳感器的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示，采用壓電效應(yīng)原理研制感知微震信號或泥石流地聲信號的傳感器，經(jīng)過信號調(diào)理和AD 轉(zhuǎn)換后進入STM32F4 微控制器；同時采用壓電效應(yīng)原理研制雨量傳感器測量地質(zhì)災(zāi)害的影響因素降雨量；STM32F4 微控制器同時采集微震或泥石流地聲信號、降雨量后通過外接的無線路由將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_[3]。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of monitoring system

3 壓電傳感器設(shè)計

3.1 壓電加速度傳感器設(shè)計

壓電振子是壓電加速度傳感器的核心元件，其是否能夠有效并準確地將外界加速度變化引起的機械能轉(zhuǎn)換為電信號對整個傳感系統(tǒng)非常重要。為此選擇了3 種類型5 種幾何形狀的壓電陶瓷與鋁、鋼、銅3 種金屬材料制成的多種壓電振子和框架分別組成多種探頭，開展了多次發(fā)射能量、頻譜與接收性能的對比實驗。實驗結(jié)果表明，采用長條形壓電陶瓷制作的壓電振子和圓柱形鋼框架組成的探頭測試效果最好。因此基于實驗結(jié)果，設(shè)計的壓電式加速度傳感器主要由壓電陶瓷片、鋼基板、鋼框架、信號調(diào)理電路板、探管5 部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。為了確保傳感器的野外工作性能，采取了橡膠密封、硅油耦合、內(nèi)外平衡壓力的方式密封探頭，如圖3所示。

圖2 壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of piezoelectric acceleration sensor

圖3 壓電加速度傳感器Fig.3 Piezoelectric acceleration sensor

由壓電振子的等效電路可知，壓電振子等效為一個電荷源和一個電容器并聯(lián)的等效電路或等效為一個電壓源和一個電容器串聯(lián)的等效電路。因此，為了提高信號靈敏度，采用單電源、軌到軌輸出、精密結(jié)型場效應(yīng)晶體管輸入運算放大器ADA4625 設(shè)計的4 道信號調(diào)理電路，如圖4所示，通過選擇電容，將調(diào)理電路的帶寬設(shè)置為5 Hz～10 kHz，每個壓電振子的輸出連接信號調(diào)理電路，實現(xiàn)了在探頭端將壓電振子的輸出信號放大10 倍。

圖4 前置放大電路Fig.4 Front amplifier circuit

3.2 壓電雨量傳感器設(shè)計

雨滴在降落過程中受到雨滴重量和空氣阻力的作用，到達地面時速度為恒定速度，根據(jù)P=mv，測量沖擊即可求出雨滴重量，進而得到持續(xù)降雨量。壓電式雨量傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示，主要由雨水接觸層、壓電陶瓷片、數(shù)據(jù)采集板和密封罐組成[5]。

圖5 壓電雨量傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of piezoelectric rainfall sensor

將圓片式壓電陶瓷片膠粘在雨水接觸層的背面作為敏感元件，對單個雨滴重量進行測算。雨水接觸層位于壓電雨量傳感器的最外側(cè)，由振動響應(yīng)好的不銹鋼制作而成，其在雨滴的沖擊下產(chǎn)生振動信號，壓電陶瓷片將振動信號轉(zhuǎn)換為電信號后經(jīng)過電荷放大器的放大和阻抗轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過濾波電路進入電壓放大電路進行電信號的幅度放大，單片機通過自帶的AD 轉(zhuǎn)換器采集電信號的幅度和脈沖數(shù)量，通過預(yù)設(shè)算法計算出雨滴的尺寸和數(shù)量，進而計算出雨量的大小。每當雨量累計0.1 mm，單片機控制開關(guān)量輸出管腳輸出一個100 ms 的低電平脈沖。

4 硬件電路設(shè)計

4.1 信號調(diào)理電路設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的信號調(diào)理電路如圖6所示，主要由全差分放大器THS4521 構(gòu)成，放大器輸入端由2 個電阻與電容構(gòu)成低通濾波與阻抗匹配電路，R1和

圖6 信號調(diào)理電路Fig.6 Signal conditioning circuit

R11阻值相同，R2和R10的阻值相同，R1和R2、R11和R10構(gòu)成等比列的放大電路，電路中電容C1與C15具有低通濾波作用，放大器輸出端接入AD 采集芯片ADS8584S 的差分輸入端。

4.2 AD 電路設(shè)計

AD 芯片采用TI 公司的16 位、高速4 通道同步采樣ADC 芯片ADS8584S。ADS8584S 器件是一款基于集成式數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)的4 通道、16 位、逐次逼近型（SAR）同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），每通道的最大采樣頻率為330 ksps。

ADS8584S 與STM32F4 微控制器采用并行接口方式，電路如圖7所示，主要引腳設(shè)置如下：

圖7 AD 轉(zhuǎn)換電路Fig.7 AD conversion circuit

（1）OS2/OS1/OS2：設(shè)置為110，表示2 倍過采樣率。

（2）CONVSTA，CONVSTB（輸入）：啟動AD 轉(zhuǎn)換的控制信號，連接STM32 的GPIO 引腳輸出占空比為50%的PWM，啟動AD 轉(zhuǎn)換。

（3）RAGE（輸入）：設(shè)置為低電平，量程范圍選擇為±5 V。

（4）RD：連接STM32F4 的并口總線讀信號NOE。

（5）RST：連接STM32F4 的GPIO 口，復(fù)位ADS-8584S。

（6）BUSY：連接STM32F4 的GPIO 口，當CONVSTA，CONVSTB 的信號啟動AD 轉(zhuǎn)換，BUSY 變?yōu)楦?，當轉(zhuǎn)換完成后BUSY 變?yōu)榈?，隨后可通過控制RD 將本次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)通過并口輸出。

（7）DB0-DB15：連接并口數(shù)據(jù)總線（16 位）。

4.3 STM32F4 微控制器電路設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)采用STM32F429 作為采集控制的核心，連接框圖如圖8所示。STM32F429 通過PWM 信號輸出的GPIO 口連接到ADS8584S 引腳CONVSTA，CONVSTB，當產(chǎn)生上升沿時，ADS8584S 的4 個通道進行同步AD 轉(zhuǎn)換，同時BUSY 信號變?yōu)楦唠娖?，當AD 轉(zhuǎn)換完成時，BUSY 信號從高電平變?yōu)榈碗娖?，之后STM32F429 通過并口方式從DB0～DB15讀取4 個通道的數(shù)據(jù)。STM32F429 通過USART 與GPS 授時模塊NEO-M8T 的輸出連接，接收授時模塊的信息，通過GPIO 口與授時模塊的PPS 相連，微控制器通過PPS 信號控制PWM 輸出，用于啟動AD轉(zhuǎn)換的控制以及多個設(shè)備之間的采集同步。雨量傳感器的輸出連接STM32F429 微控制的GPIO 口，STM32F429 通過中斷方式采集雨量信號。STM32F429通過GPIO 與SD 卡連接，通過并口方式與以太網(wǎng)控制器芯片DM9000AE 連接，STM32F429 將采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在SD 卡后，再通過DM9000AE 與外接的無線路由傳輸?shù)皆破脚_[6-8]。

圖8 微控制器連接框圖Fig.8 Microcontroller connection diagram

4.4 供電電路設(shè)計

如圖9所示，監(jiān)測系統(tǒng)主要由太陽能板、鋰電池、太陽能充電控制、DC/DC 和LDO 組成供電電路。太陽能充電控制模塊由適用于太陽能應(yīng)用且具有最大功率點跟蹤功能的獨立式同步降壓電池充電控制器芯片BQ24650 構(gòu)成，具有輸入反接保護、過壓保護、過流保護功能。

圖9 供電電路框圖Fig.9 Power supply circuit diagram

由于信號調(diào)理電路采取正負電源供電，因此采用亞德諾（ADI） 半導(dǎo)體公司的同步降壓型轉(zhuǎn)換器LTC3631 設(shè)計了±6 V 電源輸出電路，如圖10所示。+6 V 電源再經(jīng)過德州儀器（TI）公司超低噪聲低壓降（LDO）穩(wěn)壓器TPS7A4700 轉(zhuǎn)換為5 V 后為信號調(diào)理電路和AD 轉(zhuǎn)換電路提供正電源，-6 V 電源經(jīng)過德州儀器（TI）公司的超低噪聲、高PSRR、低壓降線性穩(wěn)壓器TPS7A3001 轉(zhuǎn)換為-5 V 后為信號調(diào)理電路提供負電源。太陽能充電控制電路的輸出通過降壓型直流電源變換芯片XL2596 轉(zhuǎn)換為5 V 后再經(jīng)過正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117 轉(zhuǎn)換為3.3 V，為STM32F4 微控制器相關(guān)電路提供電源。

圖10 正負電源電路Fig.10 Positive and negative power supply circuit

5 采集軟件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序主要針對STM32F4 微控制器進行編程，具體實現(xiàn)STM32F429的初始化、GPS 信號獲取、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)發(fā)送功能。軟件主體采用C 語言編寫，其流程如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)采集軟件流程Fig.11 Flow chart of data acquisition software

程序流程采取前后臺的工作方式。主程序為循環(huán)結(jié)構(gòu)，先進行STM32F4 微控制器的初始化后，在主循環(huán)結(jié)構(gòu)中接收GPS 的輸出信號，STM32F4 微控制器通過GPS 的PPS 信號控制PWM 輸出，啟動AD轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)狀態(tài)標志位來判斷是否有新的數(shù)據(jù)到來，如有新的數(shù)據(jù)，則采集數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)進SD卡，通過網(wǎng)口將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在中斷服務(wù)程序中，依據(jù)中斷的類型，判斷中斷類型，如果是雨量傳感器觸發(fā)的中斷，則統(tǒng)計降雨量并修改狀態(tài)標志；如果是AD 中斷，則讀取AD 轉(zhuǎn)換后的值并修改狀態(tài)標志。

6 實驗測試

6.1 壓電加速度傳感器測試

將壓電加速度傳感器放置在鐵板上，將其中一個通道的輸出連接示波器的同時，接入信號調(diào)理電路的通道1，運行采集程序并通過J-Scope 觀察采集到的波形。不斷敲擊鐵板，壓電加速度傳感器通道1的輸出波形如圖12所示，J-Scope 采集到的數(shù)據(jù)波形如圖13所示。

圖12 壓電加速度傳感器輸出波形Fig.12 Waveform of piezoelectric acceleration sensor

圖13 數(shù)據(jù)采集波形Fig.13 Data acquisition waveform

6.2 整機測試

將監(jiān)測系統(tǒng)通過網(wǎng)線連接到無線路由器，同時將電腦也接入無線路由器并運行數(shù)據(jù)調(diào)試軟件，如圖14所示。監(jiān)測系統(tǒng)將采集到的振動信號通過無線路由傳輸?shù)诫娔X端的數(shù)據(jù)調(diào)試軟件，敲擊壓電加速度傳感器附近地面所接收到的波形如圖15所示。從實驗可以得出，監(jiān)測系統(tǒng)通過壓電加速度傳感器可以很好的捕捉振動信號。

圖14 監(jiān)測系統(tǒng)測試Fig.14 Experiment of monitoring system

圖15 測試數(shù)據(jù)波形Fig.15 Waveform of test data

7 結(jié)語

本文基于壓電陶瓷片設(shè)計制作了壓電加速度傳感器，并結(jié)合壓電雨量傳感器、4 通道同步采樣ADC 芯片和STM32F4 微控制器搭建了基于壓電傳感器的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。通過室內(nèi)測試，壓電加速度傳感器能很好的捕捉振動信號，監(jiān)測系統(tǒng)能實時采集壓電加速度傳感器的輸出并通過無線路由傳輸?shù)椒?wù)器，結(jié)合壓電雨量傳感器的實時采集，對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測有一定的工程應(yīng)用價值。