MEMS加速度计在建筑与结构健康监测中的应用

自检

介绍

    结构健康监测系统（SHM）越来越多地被应用在世界各地，尤其是地震高频发的地方，用于地震前的测绘和地震烈度测量，也可直接用在大型结构内，如建筑物，水坝，桥梁，核电站等大型结构等。由次表层山泥倾泻或外部应力和振动以确定结构是否完整。

    强震地震传感器技术发展来自于自身的新兴需求和传统的机电解决方案（力平衡加速度计“FBA”或机电解决方案）正被更具成本效益和更强大的基于MEMS的解决方案日益取代。世界众多地区结构健康监测系统的增长主要被分为预防对策和不可量化的预测以及许多大型结构主观老化，例如水坝，桥梁，高层建筑等。许多国家政府通过事先的结构比较分析，来提供有效的民事保障、控制和干预方案的压力也越来越大。这样的事情在印度尼西亚、意大利、海地、智利、新西兰、西班牙和日本的大地震期间和之后随处可见。据报道地震几乎占了所有自然灾害造成的死亡人数的60％，由这所造成的破坏性后果可知，政府和公众应高度重视此类事件。

    一个相对小的系列传感器目前已应用在结构健康监测系统中，其中包括速度传感器（宽带且强震的）、倾斜和强震动加速度计、应变计、位置或位移计，曲率和腐蚀传感器。这些传感器符合国家和地区的标准，同时继承和采纳了地质和地球物理的研究。

强震加速度计

    强震加速度计由美国地质勘探局(USGS)，被细分成（A、B、C、D）四个等级或标准。这个标准同时也被广泛用作参考。关键参数鉴定了在各类g的满量程动态范围、关键频段的噪音水平、线性度和功耗。

C级传感器 如今最常见的要求是通过一系列开环电容式MEMS的传感器将其功能表现出来，良好的可靠性，低功耗和更低成本从而优化在汽车发展和最近的多媒体中的应用。噪声性能的限制和信号的分辨率常常限制其使用，很多环境噪声水平较高的如快速地震发生检测或用于切换关闭基础设施的预警保护，如电梯、煤气或电力供应，还有作为“唤醒”为功耗敏感系统的信号的这些应用都有所限制。 

B级传感器 今天能广泛应用于结构健康及建筑监测，这归功于它们0.02至100Hz频段的高水平（>18位）信号的分辨率。高动态范围需要比较事件前后的数据，精确而可靠地监控相对变化或结构的损坏。满量程g范围的需求已逐步增加到±5g，以反映从整个建筑放大后实际记录的3g至4g的加速度水平（+1g的力补偿）。线性水平最大约为满刻度的1%。传统的力平衡加速度计和结合伺服回路电子的大型机电结构常用作B级传感器，因为它们提供了独特的解决方法。这些产品长期的性能与可靠性是在恶劣环境、功耗和尺寸的要求下最好的办法。许多应用需要更强大的产品，体积更小，功耗更低，这始终推动了MEMS解决方法的推陈出新，如Colibrys的SF2006SN.A。

A级传感器 的特点，尤其突出的是它们极高的信号分辨率（20至24位）和高动态范围，特别是在非常低的频率更为突出。它们通常应用于各地地理科学与民事保护。但也有着由于功耗高导致相对较低的结构健康监测数据的获取，过低的动态范围及过于高的成本这些问题。现阶段MEMS的发展已着重于这些，在不久的将来会研发更令人感兴趣的替代品给用户，这是一个新的大机遇。

Colibrys 加速度计在建筑与结构健康监测中的应用

Colibrys在世界地震应用范围内已是公认的领先者，主要向市场提供C级和B级的MENS传感器。Colibrys有SF2006和SF1500系列的B类传感器（如图2）。SF2006SN在更大的满量程（±5g）条件下仍然保持了一个非常低的噪声（900ngrms/√Hz）。这使得它有更高的加速度来更理想地去衡量地震遥感和结构的监测。

SF1500S和SF1500SN提供了无与伦比的噪声性能与鲁棒性。这±3g的MEMS传感器只有仅极低的300ngrms/√Hz的噪声，是测量强震的理想选择。

工作原理 

SF2006和SF1500工作在两极电源电压上，范围从±6V至±15V，电流消耗基本为6V条件下±12mA。线性加速度范围，SF1500为±3g，而SF2006为±5g，相应的灵敏度分别为1.2V/g和0.8V/g。这两款产品可以工作在从-40°C至+85°C的宽温度范围下，并能在不降低性能的情况下承受高达1500g的冲击。超过满量程的频率响应，SF2006为DC> 1500Hz，SF1500为DC>1000Hz。

总结

已建立的许多批量供应MEMS电容式传感器的供应商正在探索去扩大这一市场或分散其现有的基础业Colibrys基于MEMS的地震产品，其极低的噪声和较大的动态范围，是世界上同类产品中最好的，这是个取代传统的力平衡加速度计（FBAS）的独一无二的机会。

在未来几年希望能够根据最新的MEMS传感器和封闭的循环电子设计推出新的成本更低、功耗更低的A级和B的传感器，并开始建立共享供应A级传感器的市场。