Геофоны и акселерометры, Измерения микросейсмических колебаний Опции

[ToR_TDA]

Здравствуйте, форумчане!
В аппаратуре ВСП (Вертикального сейсмического профилирования), традиционно применяют электродинамических сейсмоприемники - геофоны, но в последние годы были выпущены некоторые модели акселерометров с характеристиками подходящими для измерения микросейсмических колебаний. Вопрос заключается в том, как сравнить эти виды датчиков. Например, важным параметром является пороговая чувствительность датчика.
Для геофона расчет выглядит так: напряжение теплового шума e_ш = √4kTRΔf , пороговая чувствительность - X_min = e_ш/S [м/сек] , где S - чувствительность геофона. А вот как сравнить пороговые чувствительности по скорости акселерометров и геофонов?
Выход акселерометра ускорение, значит нужно сначала интегрировать, а затем сравнивать. Помогите разобраться.

[Alexashka]

Вот реальное сравнение сигналов, которое обещал показать. Сигнал геофона идет "как есть", акселерометра -интегрируется, накладывается ФВЧ 10Гц (который формирует спад 40дБ/дек АЧХ ниже частоты резонанса, который есть у геофона и кот.нет у акселерометра) и масштабируется чтобы выравнить оба сигнала по амплитуде пичков. На левом графике -сигналы, на втором -спектры (спектр берется по всему файлу для получения бОльшего разрешения). Видно, что в области сигналов от идущего человека (3 больших пачки и 1 маленькая) сходство весьма неплохое даже по форме, а вот в спектре у акселерометра идет мощный задир на низких частотах, причем задир сплошной, видимо это и есть те самые микросейсмы. Хотя возможно также идет накладка электрических шумов усилителя. Дело в том, что у акселерометра сопротивление на низких частотах растет и соответственно растут шумы усилителя. Визуально это выглядит как болтанка вокруг средней линии в промеждутках между пачками импульсов.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[ToR_TDA]

Вот реальное сравнение сигналов, которое обещал показать. Сигнал геофона идет "как есть", акселерометра -интегрируется, накладывается ФВЧ 10Гц (который формирует спад 40дБ/дек АЧХ ниже частоты резонанса, который есть у геофона и кот.нет у акселерометра) и масштабируется чтобы выравнить оба сигнала по амплитуде пичков. На левом графике -сигналы, на втором -спектры (спектр берется по всему файлу для получения бОльшего разрешения). Видно, что в области сигналов от идущего человека (3 больших пачки и 1 маленькая) сходство весьма неплохое даже по форме, а вот в спектре у акселерометра идет мощный задир на низких частотах, причем задир сплошной, видимо это и есть те самые микросейсмы. Хотя возможно также идет накладка электрических шумов усилителя. Дело в том, что у акселерометра сопротивление на низких частотах растет и соответственно растут шумы усилителя. Визуально это выглядит как болтанка вокруг средней линии в промеждутках между пачками импульсов.

У HP есть статья про MEMS Seismic Sensor. В ней у акселерометра то же сплошной задир к низким. А вы снимали данные без сигнала (без шагов человека), такую характеристику нужно снимать где-то в подвале и на гранитной плите. Тогда собственные шумы лучше оцениваются.

[Alexashka]

У HP есть статья про MEMS Seismic Sensor. В ней у акселерометра то же сплошной задир к низким. А вы снимали данные без сигнала (без шагов человека), такую характеристику нужно снимать где-то в подвале и на гранитной плите . Тогда собственные шумы лучше оцениваются.

Задир к низким у них это известный факт - 1/f шумы однако, как и у всех полупроводников, и МЭМС датчики тут не исключение .

Да это я так привел сигналы чисто для интересу потому как тут акселерометр унд геофон, запись фонового шума тоже делалась - там тоже самое. А спектр шагов практически весь сосредоточен в области 10-30Гц так что он тут не мешает оценке.

[rudy_b]

У AD-шников в модели AD797 фликкер учтен, вопрос насколько точно. Вот кусок текста модели AD797. На входах есть шумовые диоды, в моделях которых есть коэффициент фликкер шума - KF

* INPUT VOLTAGE NOISE GENERATOR
*
VN1 40 0 DC 2
DN1 40 41 DEN
DN2 41 42 DEN
VN2 0 42 DC 2
*
* +INPUT CURRENT NOISE GENERATOR
*
VN3 43 0 DC 2
DN3 43 44 DIN
DN4 44 45 DIN
VN4 0 45 DC 2
*
* -INPUT CURRENT NOISE GENERATOR
*
VN5 46 0 DC 2
DN5 46 47 DIN
DN6 47 48 DIN
VN6 0 48 DC 2
..................
Используемые модели
.MODEL DEN D(IS=1E-12 RS=6.3708E3 AF=1 KF=1.59E-15)
.MODEL DIN D(IS=1E-12 RS=474 AF=1 KF=7.816E-15)

[ToR_TDA]

Используемые модели
.MODEL DEN D(IS=1E-12 RS=6.3708E3 AF=1 KF=1.59E-15)
.MODEL DIN D(IS=1E-12 RS=474 AF=1 KF=7.816E-15)

Получается, что исходя из этих параметров, можно построить зависимость входных шумов по току и напряжению от частоты. При этом надо использовать шумовой расчет для диода(ов). Как-то я не очень понял, как нужно считать. Прикрепил статью, в ней есть: 2.1.4. Уравнения для шумов диода. Что такое IAF?

Прикрепленные файлы

 _________7_RUS.DOC ( 1.01 мегабайт ) Кол-во скачиваний: 646

 

[rudy_b]

...Прикрепил статью, в ней есть: 2.1.4. Уравнения для шумов диода. Что такое IAF?

Скорее всего - опечатка. Имелось ввиду, вероятно, KF*I^AF.

P.S. Вот, нашел формулы

Эскизы прикрепленных изображений

 

[ToR_TDA]

Скорее всего - опечатка. Имелось ввиду, вероятно, KF*I^AF.

P.S. Вот, нашел формулы

Спасибо. Пришел к некоторому результату. Оказывается, исходя из конкретно этой spice модели, происходит следующее: шумовые диоды с указанными параметрами управляют зависимыми источниками напряжения и тока, которые тоже имеют свои коэффициенты (E1=0.1, G1,G2=1E-3), рисунок прикладываю.
Из модели:
EN 3 1 41 0 0.1
GN1 0 1 44 0 1E-3
GN2 0 2 47 0 1E-3
В итоге шум на входе такой системы отличается от просто модели AD797 на ≈100пВ (при сопротивлении источника 0 Ом), видимо, это связано с тем, что я не учел связь входного напряжения шума с напряжением смещения (хотя, почему они связаны?) вот в этой строчке:
EOS 9 3 POLY(1) 22 31 40E-6 1
9 3 номера узлов схемы, 40E-6 это, похоже, смещение 40мкВ, что значит остальное пока не знаю.
В итоге убедился в том, что токовый шум по неинвертирующему входу значительно влияет на общий. Исходя из приведенной ниже формулы, неинвертирующий токовый шум зависит от сопротивления источника сигнала. На рисунке зависимость входного шума от сопротивления источника.
Влияние токового шума по инвертирующему входу должно зависеть от сопротивления обратной связи, но при его изменении общий шум не меняется, возможно, вклад его очень мал.

В свое время думал как бы пересчитать данные по шумам из даташитов в параметры KF,AF для построения моделей. Но похоже что никак- нужен такой параметр как Frequency noise comer, который нигде не дается. Вот если есть график спектральной плотности, то тогда можно.

Frequency noise comer это то-же самое, что 1/f corner? MT-048

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Alexashka]

Спасибо. Пришел к некоторому результату. Оказывается, исходя из конкретно этой spice модели, происходит следующее: шумовые диоды с указанными параметрами управляют зависимыми источниками напряжения и тока, которые тоже имеют свои коэффициенты (E1=0.1, G1,G2=1E-3), рисунок прикладываю.

Выложите схему пожалуйста. А что Вы собственно пытаетесь сделать? Сэмулировать шумовую модель ОУ бесшумным ОУ и дискретными источниками шумов?

Влияние токового шума по инвертирующему входу должно зависеть от сопротивления обратной связи, но при его изменении общий шум не меняется, возможно, вклад его очень мал.

Frequency noise comer это то-же самое, что 1/f corner? MT-048

Его вклад будет такойже при равенстве сопротивлений ОС и источника.


Похоже что так.
Update: Кстати у Вас токовый шум по неинв.входу вообще должен отсутствовать, т.к он закорочен на 0 сопротивление источника ЭДС, а токовым шумом по инв.входу в случае сопротивл.ОС 10 Ом можно пренебречь. Это ясно даже из даташита.