基于低功耗MEMS传感器的地震采集系统和传感器

基于低功耗mems传感器的地震采集系统和传感器
技术领域
1.本发明属于地质勘探领域，具体涉及了一种基于低功耗mems传感器的地震采集系统和传感器。


背景技术：

2.在地质勘探中，通常需要长时间的持续采集地震波信号，mems传感器为地震波采集的常用传感器。
3.现有mems传感器架构大多采用单高电源电压供电或正负双电源电压供电，这种电路很难实现低功耗目标，限制了mems传感器的适用范围，特别是要求使用单电源电压供电，同时满足低功耗要求的应用领域。此外，为了满足低功耗，大多时候采用低电源电压供电，但低电源电压限制了mems传感器的量程、精度等。因此，基于单电源供电、多参考电压、低功耗应用需求，本发明采用高电压反馈与低电压读出电路技术，同时采用共模电压自适应动态调整技术，将高反馈电压调整至低压读出电路共模输入电压范围内，mems传感器上高电压能够保证mems传感器灵敏度，确保mems传感器系统精度与量程的前提下，实现mems传感器低功耗目标，拓展mems传感器适用范围。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的上述问题，即现有的地震波采集技术要使用mems传感器时无法兼顾高精度、低能耗和高稳定性的问题，本发明提出一种基于低功耗mems传感器的地震采集系统，所述系统包括：mems表头模块、共模电压调整模块、读出电路、反馈电路和供电模块；所述mems表头模块，用于接收地震波信号，并输出mems电信号；所述共模电压调整模块，用于将所述mems电信号调整为读出电路共模电压输入范围，获得低压mems电信号；所述读出电路，用于读出所述低压mems电信号，获得输出信号；所述反馈电路，用于根据所述输出信号对高电源电压供电单元产生反馈信号，形成闭环；所述高电源电压供电单元包括mems表头模块和共模电压调整模块；所述供电模块，用于向所述mems表头模块和共模电压调整模块提供高电源电压，向所述读出电路模块和反馈电路提供低电源电压。
5.在一些优选的实施方式中，所述系统还包括：供电采集模块和数字信号控制模块；所述供电采集模块，用于采集高电源电压和低电源电压并产生与高电源电压和低电源电压相应的供电电压数字信号，传输至数字信号控制模块；所述数字信号控制模块，用于在数字域对所述供电电压数字信号计算共模电压调整比例信号，基于所述共模电压调整比例信号产生时序控制信号，对所述共模电压调整模块进行控制。
6.在一些优选的实施方式中，所述数字信号控制模块，由所述供电模块提供低电源
电压；所述供电采集模块，由所述供电模块提供低电源电压和高电源电压。
7.在一些优选的实施方式中，所述供电采集模块，具体由数模转换器adc构成，采集高电源电压和低电源电压，并将采集的与之对应的供电电压数字信号输出给所述数字信号控制模块，数字信号控制模块计算共模电压调整比例信号r；若所述mems表头模块所需的高电源电压为avdd，读出电路所需的低电源电压为dvdd，供电采集模块的参考电压为vref，供电采集模块使用的adc位数为n，则高电源电压avdd的量化数值为：低电源电压dvdd的量化数值为：共模电压调整比例信号为：基于所述共模电压调整比例信号r生成时序控制信号进而控制共模电压调整模块；所述时序控制信号可为固定脉宽的数字信号，也可为不同脉宽的数字信号。
8.在一些优选的实施方式中，所述共模电压调整模块，具体为，由一个或多个1/2电路单元构成，每个1/2电路单元为所述mems表头模块与第一开关s1连接，第一开关s1之后为第一支路与第二支路并联至公共节点；所述第一支路，为第一开关s1通过第二开关s2连接至公共节点；所述第二支路，为第一开关s1经由第一电容c1经由并联的第三支路和第四支路连接至公共节点；所述第三支路，为经由第三开关s3连接至公共节点；所述第四支路，为顺次经由第四开关s4和第二电容c2连接至公共节点；所述公共节点经由开关s5连接读出电路模块或经由开关s6与反馈电路模块连接。
9.在一些优选的实施方式中，所述数字信号控制模块，具体用于基于供电采集模块产生的数字信号，在数字域进行噪声压制和温度补偿与校准，计算共模电压调整比例信号r，进而计算共模电压调整模块所需1/2电路单元数目n与对应的时序控制信号，自适应控制共模电压调整模块工作。
10.在一些优选的实施方式中，所述共模电压调整模块所需电路可以为1/3电路单元、1/4电路单元。
11.在一些优选的实施方式中，所述时序控制信号，具体为：模态一，控制第一开关s1和第三开关s3导通，且第二开关s2和第四开关s4断开，模态一的第一电容c1上的电压为，共模电压调整模块的输出节点电压为，mems传感器表头的中间极板电压为：
模态二，控制第一开关s1和第三开关s3断开，且第二开关s2和第四开关s4导通，模态二的第一电容c1上的电压为与模式一的第一电容c1上的电压相等，共模电压调整模块的输出节点电压为：进而可以得到：共模电压调整模块的输出节点电压即为输入到读出电路的电压值，输入到读出电路的电压值已被降低至所述mems表头的中间极板电压的，在读出电路共模电压最佳输入范围之内。
12.在一些优选的实施方式中，可通过增加共模电压调整模块的开关组合，实现不同比例的共模电压调整。
13.在一些优选的实施方式中，所述反馈电路，包括模拟闭环反馈模式和数字闭环反馈模式；所述模拟闭环反馈模式，具体为反馈电路输出电压直接反馈至mems表头中间质量块电极上；所述数字闭环反馈模式，具体位置反馈电路根据系统输出的数字信号控制中间质量块电极连接至上极板或下极板。
14.本发明的另一方面，提出了一种低功耗mems传感器，用于执行上述的基于低功耗mems传感器的地震采集系统，并用于将速度、加速度或角速度转换成mems传感器的质量块移动进而引起差动电容变化量的测量任务。
15.本发明的有益效果：（1）本发明提出的基于低功耗mems传感器的地震采集系统，解决了在井下、发动机等高温振动检测场景中mems传感器及其电路的电流极剧增加带来的功耗增大且大量产热引起系统不稳定或宕机的问题，通过对表头和读出电路供给不同电压降低热效应，确保了mems传感器在各种环境下的适应性和稳定性，延长工作寿命。
16.（2）本发明提出的基于低功耗mems传感器的地震采集系统，以单电源进行供电，通过高电压保证了mems传感器的探测精度，通过低电压供给读出电路，降低了整个地震采集系统的功耗。
17.（3）本发明的共模电压自适应动态调整模块，供电采集模块、数字信号控制模块等共同作用，根据反馈电压大小、中间极板电压、供电电压大小等，自适应产生调整共模电压的控制信号，将mems传感器中间极板电压调整至读出电路共模电压范围内或最佳共模电压值附近，自适应低电压读出电路共模输入电压，有利于保证mems传感器系统精度的同时，降低系统功耗。
18.（4）本发明在通过高电源电压和低电源电压进行分别供电的同时，解决了mems传
感器表头共模电压与读出电路共模电压不一致的问题，避免出现系统精度降低、稳定性不足的情况，进一步提高了系统的适应性和鲁棒性。
19.（5）本发明通过引入共模电压调整模块以信号直通的方式调节mems传感器与读出电路的共模电压，相较于传统的以电容隔离直流避免共模电压不一致的方式，本发明保留了mems传感器的直流分量使得mems传感器能够在保障高性能低功耗的同时还能检测更多信息，如mems表头是否放置倾斜等角度位置信息，扩宽了mems传感器的适用范围，使得mems传感器能够在更多场景下稳定运作。
附图说明
20.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1是本发明实施例中基于低功耗mems传感器的地震采集系统的结构示意图；图2是现有的单独高电源电压/政府双电源供电的mems传感器结构示意图；图3是本发明实施例中共模电压调整模块的电路连接示意图；图4是本发明实施例中包括数字信号控制模块和供电采集模块的基于低功耗mems传感器的地震采集系统的结构示意图；图5是本发明实施例中控制过程共模电压调整模块的开关通断状态的示意图；图6是本发明实施例中以运算放大器实现共模电压调整模块的低功耗mems传感器的地震采集系统的结构示意图；图7是本发明实施例中以运算放大器实现共模电压调整模块的低功耗mems传感器的地震采集系统的反馈过程共模电压调整模块的开关通断状态的示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
23.本发明提供一种基于低功耗mems传感器的地震采集系统，本系统通过单电源进行供电，通过高电压保证了mems传感器的探测精度，通过低电压供给读出电路，降低了整个地震采集系统的功耗。
24.本发明第一实施例的一种基于低功耗mems传感器的地震采集系统，如图1所示，所述系统包括：mems表头模块、共模电压调整模块、读出电路、反馈电路和供电模块；所述mems表头模块，用于接收地震波信号，并输出mems电信号；所述共模电压调整模块，用于将所述mems电信号调整为读出电路共模电压输入范围，获得低压mems电信号；所述读出电路，用于读出所述低压mems电信号，获得输出信号；所述反馈电路，用于根据所述输出信号对高电源电压供电单元产生反馈信号，形成闭环；所述高电源电压供电单元包括mems表头模块和共模电压调整模块；
所述供电模块，用于向所述mems表头模块和共模电压调整模块提供高电源电压，向所述读出电路模块和反馈电路提供低电源电压。
25.传统的mems传感器系统如图2所示，通常只能采用高电源电压对全部组件供电。如果分别采用高电源电压供给mems传感器，则会出现mems传感器表头的共模电压与读出电路的共模电压不一致的问题，对系统精度和工作稳定性等参数均会造成影响。
26.传统的mems传感器在井下、发动机等高温振动检测场景中，高温等极端条件会使mems传感器电流极剧增加，进而造成功耗增加，势必产生大量的热量。mems传感器散热十分困难，产生的大量热量堆积在mems传感器周边，散热不及时或者散热慢会影响mems传感器芯片的使用寿命，严重时会导致芯片失效，造成系统宕机。采用本发明的mems表头高压、读出电路低压供电的方式，在高温、振动条件下即使高温导致电流增大，由于读出电路采用低电源电压，产生的功耗增加较单一高电源电压供电产生的功耗增加较小，降低热效应的程度，对mems传感器芯片使用寿命影响相对较弱，所以mems传感器的鲁棒性较高。
27.本发明第二实施例的基于低功耗mems传感器的地震采集系统，如图3所示，包括：mems表头模块、共模电压调整模块、读出电路、反馈电路和供电模块；所述mems传感器，所述mems表头模块，用于接收地震波信号，并输出mems电信号；mems传感器由外壳、质量块和电极组成，通过将速度、加速度、角加速度等信号转换成mems表头的质量块移动体现，进而引起差动电容变化量。
28.所述共模电压调整模块，用于将所述mems电信号调整为读出电路共模电压输入范围，获得低压mems电信号；本实施例中，所述共模电压调整模块，具体为，由一个或多个1/2电路单元构成，每个1/2电路单元为所述mems表头模块与第一开关s1连接，第一开关s1之后为第一支路与第二支路并联至公共节点；所述第一支路，为第一开关s1通过第二开关s2连接至公共节点；所述第二支路，为第一开关s1经由第一电容c1经由并联的第三支路和第四支路连接至公共节点；所述第三支路，为经由第三开关s3连接至公共节点；所述第四支路，为顺次经由第四开关s4和第二电容c2连接至公共节点；公共节点经由开关s5连接读出电路模块或经由开关s6与反馈电路模块连接。
29.共模电压调整模块还可通过运算放大器、电容和电阻组成比例电路实现。
30.本实施例中，所述共模电压调整模块所需电路可以为1/3电路单元、1/4电路单元；所述读出电路，用于读出所述低压mems传感器电信号，获得输出信号；本实施例的读出电路可由补偿电容、运算放大器、反馈电容和预设个数的系统数字信号处理器控制的数字控制开关阵列组成，或由补偿电容、运算放大器和反馈电容组成。读出电路的输出可为电流或电压值；输出的电流值或者电压值与mems表头电容变化对应成比例。读出电路的输出可以是模拟信号也可以是数字信号。
31.所述反馈电路，用于根据所述输出信号对高电源电压供电单元产生反馈信号，形成闭环；所述高电源电压供电单元包括mems表头模块和共模电压调整模块；在本实施例中，所述反馈电路，包括模拟闭环反馈模式和数字闭环反馈模式；所述模拟闭环反馈模式，具体为反馈电路输出电压通过共模电压调整模块逆向放
大并反馈至mems表头中间质量块电极上；反馈电路检测到与mems传感器检测到的信号成比例的低压模拟信号，经由滤波、共模电压调整模块电平转换电路将低压模拟信号转换成高压模拟信号并传输至mems表头中间质量块电极上完成反馈；如图4所示，当只接入1个1/2电路单元时，传输至读出电路的低压mems电信号的共模电压降低至mems电信号的，则反馈电路提取输出信号进行滤波后经由共模电压调整模块放大2倍并作用到mems模块的中间极板上；所述数字闭环反馈模式，具体为反馈电路根据系统输出的数字信号控制中间质量块电极连接至上极板或下极板。反馈电路检测到与mems传感器检测到的信号成比例的低压数字码流，所述低压数字码流可以是一位或多位，低压数字码流经过数模转换器dac转换成高压模拟信号，通过开关实现数字闭环反馈。
32.反馈电路还可通过开关控制反馈信号，实现反馈电压缩小逆向操作，实现高压闭环反馈。
33.所述供电模块，用于向所述mems传感器和共模电压调整模块提供高电源电压，向所述读出电路和反馈电路提供低电源电压。高电源电压与极板高参考电压能够确保mems传感器的量程和检测灵敏度，提高系统性能，mems传感器的量程受到电压的影响：其中，m表示质量块质量，表示间隙，a表示极板面积，表示介电常数，表示参考电压，a表示最大输入加速度。可见，以现有技术的考降低供电电压的方式降低mems传感器的功耗会极大降低其两成和检测灵敏度。
34.低电源电压给读出电路、反馈电路和数字信号控制模块提供电压以确保不影响mems传感器检测精度的情况下尽可能降低功耗，实现mems传感器系统功耗的最优化。
35.在本实施例中，所述系统还包括：供电采集模块和数字信号控制模块；所述供电采集模块，用于采集高电源电压和低电源电压并产生与高电源电压和低电源电压相应的数字信号，交由数字信号控制模块处理；在本实施例中，所述供电采集模块，具体由数模转换器adc构成，采集高电源电压和低电源电压，并将采集的与之对应的数字信号输出给所述数字信号控制模块，数字信号控制模块计算共模电压调整比例信号r；本实施例的adc的位数取决于需要量化的模拟电压的幅值，如10-bit、12-bit，可以是单端采集，也可以是全差分采集，模数转换器adc的工作受数字信号处理控制，包括采样与否、采样频率设置、调节参考电压等。
36.若所述mems传感器表头所需的高电源电压为avdd，读出电路所需的低电源电压为dvdd，供电采集模块的参考电压为vref，供电采集模块使用的adc位数为n，则高电源电压avdd的量化数值为：低电源电压dvdd的量化数值为：
共模电压调整比例信号为：基于所述共模电压调整比例信号r生成时序控制信号进而控制共模电压调整模块；所述时序控制信号可为固定脉宽的数字信号，也可为不同脉宽的数字信号。
37.本发明的基于低功耗mems传感器的地震采集系统，可通过增加共模电压调整模块的开关组合，实现不同比例的共模电压调整。
38.所述数字信号控制模块，在数字域对高电源电压、低电源电压对应的数字信号进行数字运算，基于数字运算结果产生所述共模电压调整数字信号控制所述共模电压调整模块。
39.在本实施例中，所述数字信号控制模块，所述数字信号控制模块，具体用于基于供电采集模块产生的数字信号，在数字域进行噪声压制和温度补偿与校准，计算共模电压调整比例信号r，r的值可以为1/2、1/3等，进而计算共模电压调整模块所需1/2电路单元数目n与对应的时序控制信号，n可以为1、2、3、4等自适应控制共模电压调整模块工作。多个1/2电路单元之间串联，由数字信号控制模块根据共模电压调整比例信号r确定需要将n个串联的1/2电路单元接入电路。数字信号控制模块，可采用dsp/fpga等数字处理芯片，控制供电采集模块的模数转换器adc的工作状态，包括采样与否、采样频率设置、调节参考电压等，可以根据供电采集模块的输出，关闭共模电压调整模块，降低系统功耗。
40.在本实施例中，所述时序控制信号，具体为：控制过程的开关通断状态如图5所示；模态一，控制第一开关s1和第三开关s3导通，且第二开关s2和第四开关s4断开，模态一的第一电容c1上的电压为，共模电压调整模块的输出节点电压为，mems传感器表头中间极板的电压为：模态二，控制第一开关s1和第三开关s3断开，且第二开关s2和第四开关s4导通，模态二的第一电容c1上的电压为与模式一的第一电容c1上的电压相等，共模电压调整模块的输出节点电压为：进而可以得到：共模电压调整模块的输出节点电压即为输入到读出电路的电压值，输入到读出电路的电压值已被降低至所述mems传感器表头中间极板电压的，在读出电路共模电压
最佳输入值附近。在本实施例中，最佳输入值为读出电路供电电压的1/2位置，如供电3.3v，共模电压最佳值为1.65v。
41.以图3和图4所示的电路为例，共模电压调整模块的电路中，开关s1/s3、s2/s4、s5和s6的通断序列如图5所示，在s1/s3关断且s2/s4导通期间，先执行s5导通s6关断，以实现mems电信号的读取，再执行s5关断s6导通，反馈电路模块将反馈信号经过共模电压调整模块放大后传输至mems表头模块的中间极板上；以mems传感器端采用高电源电压avdd供电，读出电路部分采用低电源电压dvdd供电，其中avdd＞dvdd，以avdd=10v，dvdd=5v为例，mems传感器表头中间极板共模电压5v且读出电路的共模电压为2.5v，则共模电压调整模块需要将mems传感器表头中间极板的共模电压由5v调低至2.5v，满足读出电路共模电压输入需求，最大限度提高了系统精度和稳定性。
42.所述数字信号控制模块，通过所述供电模块提供低电源电压；所述供电采集模块，通过所述供电模块提供低电源电压和高电源电压。此外，供电模块还向mems传感器提供极板高参考电压和向供电采集模块提供参考电压。
43.本发明第二实施例，提供一种以运算放大器实现共模电压调整模块的电路，如图6所示，本实施例的mems表头模块、读出电路模块、反馈电路模块与本发明的第一实施例一致，在本实施例中不进行赘述。
44.本实施例中，共模电压调整模块为并联的第一子电路和第二子电路；第一子电路为由mems表头模块依次串联运放1、第一电阻r1和运放2，其中运放2的同相输入端接地，反相输入端通过第二电阻r2与运放2的输出端连接，运放2的输出端经过开关s7连接至读出电路模块；第二子电路为反馈电路模块经由第三电阻r3、运放3和开关s8连接至mems表头模块，其中运放3的同相输入端接地，第三电阻r3连接运放3的反相输入端连接，运放3的反相输入端经由并联的第一电容c1和第四电阻r4连接至输出端；其中，r1=r4，r2=r3，以运算放大器实现共模电压调整模块的电路的开关通断状态如图7所示包括反馈阶段和读出阶段，当mems表头模块输出的mems电信号为时，当反馈电路检测到的输出信号为时，传输至mems表头模块的反馈信号为，如r1=2*r2时，v0=0.5，；本实施例通过反馈控制，补偿共模电压调整导致的信号衰减，使共模电压调整模块的前向通路信号衰减倍数与反馈通路信号放大倍数一致。可在反馈电路模块中增加电容滤波的技术提高反馈信号的质量，进而提高系统精度。本实施例中通过运放1和运放2的结合能够在实现将共模电压比例缩小的情况下对mems表头进行隔离，避免运放2电荷量的变化影响表头的电荷量导致探测精度降低。
45.本发明第三实施例的低功耗mems传感器，用于执行如上述的基于低功耗mems传感器的地震采集系统，并用于将速度、加速度或角速度转换成mems表头的质量块移动进而引起差动电容变化量的测量任务。比如桥梁、水坝等建筑物健康监控、发动机振动检测、倾角测量和机器人的自动校准等。
46.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的
存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
47.术语“第一”、
ꢀ“
第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
48.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
49.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。