电化学微震检波器

摘要

本发明提供了一种电化学微震检波器，包括：惯性摆体，其内形成电解液空间，该电解液空间内充有电解液；敏感电极，固定于电解液空间的电解液中，用于采用电化学原理将震动信号转换为电信号；信号处理电路，其输入端电性连接至敏感电极，用于将敏感电极输出的电信号进行处理，得到负反馈信号；反馈组件，其输入端电性连接至信号处理电路，用于利用负反馈信号向惯性摆体施加与外界震动输入力相反的力，以减小惯性摆体因外界震动输入力而产生的位移。本发明通过一种适用于小型MEMS电化学微震检波器的力平衡负反馈机制，以达到拓展小型MEMS电化学微震检波器工作频带的目的。

权利要求

1.一种电化学微震检波器，其特征在于，包括：

惯性摆体(20)，其内形成电解液空间(A)，该电解液空间内充有电解液；

敏感电极(30)，固定于所述电解液空间(A)的电解液中，用于采用电化学原理将震动信号转换为电信号；

信号处理电路(40)，其输入端电性连接至敏感电极(30)，用于将所述敏感电极输出的电信号进行处理，得到负反馈信号；

反馈组件(50)，其输入端电性连接至所述信号处理电路(40)，用于利用所述负反馈信号向所述惯性摆体(20)施加与外界震动输入力相反的力，以减小所述惯性摆体(20)因外界震动输入力而产生的位移，其中，所述电解液空间(A)为双漏斗形状，用于提高反馈效率并降低所述惯性摆体的质量；

所述敏感电极(30)设置于双漏斗形状的细部交汇处。

2.根据权利要求1所述的电化学微震检波器，其特征在于，还包括：基座(10)，用于支撑所述惯性摆体(20)；所述惯性摆体(20)包括：外壳(21)，其内部形成工作空间；

上橡胶膜(22)和下橡胶膜(23)，分别扣设于所述外壳(21)内部工作空间的上方和下方，且所述下橡胶膜(23)在所述基座(10)的上方悬空设置；

其中，由所述外壳(21)、上橡胶膜(22)和下橡胶膜(23)共同围成所述电解液空间(A)。

3.根据权利要求2所述的电化学微震检波器，其特征在于，所述反馈组件(50)包括：支撑组件，固定于所述惯性摆体(20)的上方的外侧；

反馈线圈(52)，固定于所述支撑组件的内侧，所述惯性摆体(20)的上橡胶膜的上方；

反馈磁性体(53)，其下部固定于所述上橡胶膜(22)的外表面，其上部靠近所述反馈线圈或伸入所述反馈线圈内；

其中，所述反馈线圈(52)在通入所述负反馈信号时所产生的磁场方向与所述反馈磁性体(53)自身的磁场方向相反，以向所述惯性摆体(20)施加与外界震动输入力相反的力。

4.根据权利要求3所述的电化学微震检波器，其特征在于，所述信号处理电路(40)包括：负反馈电路，为参数可调的有源PID调节器，用于对震动信号进行处理，得到负反馈信号；

其中，通过调节所述有源PID调节器的参数，可调节所述负反馈信号。

5.根据权利要求4所述的电化学微震检波器，其特征在于，所述负反馈电路包括：运算放大器，该运算放大器的：正相输入端接地；

负相输入端通过第一电阻(R1)接收震动信号，在第一电阻(R1)的两侧并联第一电容(C1)；

输出端通过第三电阻(R3)连接至反馈线圈(52)的第一端，在第三电阻(R3)的两侧并联第二电容(C2)；且运算放大器的输出端通过第二电阻(R2)连接至运算放大器的负相输入端；

其中，所述反馈线圈(52)的第二端连接至地。

6.根据权利要求5所述的电化学微震检波器，其特征在于，所述负反馈电路中：所述第一电阻(R1)和第二电阻(R2)为可调电阻，通过两者可调节有源PID调节器的比例放大倍数；和/或所述第一电容(C1)、第二电容(C2)为可调电容，所述第三电阻(R3)为可调电阻，通过三者可进行相位与幅度的补偿。

7.根据权利要求4所述的电化学微震检波器，其特征在于，所述信号处理电路(40)包括：震动信号处理电路，用于对所述敏感电极(30)输出的电信号进行放大、重整和滤波，得到震动信号；

其中，该震动信号的一部分在带通滤波后作为电化学微震检波器的输出，另一部分输入至负反馈电路。

8.根据权利要求3所述的电化学微震检波器，其特征在于，所述支撑组件包括：至少两根支撑杆(51)，螺接于所述外壳(21)的上方；

其中，所述反馈线圈(52)通过连接件连接至外侧的所述至少两根支撑杆(51)，所述信号处理电路(40)的电路板通过所述至少两根支撑杆(51)夹紧固定。

9.根据权利要求8所述的电化学微震检波器，其特征在于，所述支撑杆(51)由若干根的金属杆连接而成。

10.根据权利要求3所述的电化学微震检波器，其特征在于，所述反馈磁性体(53)为钕铁硼材料制成的永磁体。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的电化学微震检波器，其特征在于，所述敏感电极(30)呈多层有通孔的结构，电解液可从通孔流过；

其中，所述敏感电极(30)在加上偏置电压后，电解液会在敏感电极的电极表面发生可逆氧化还原反应，以产生相应的电信号，当敏感电极接受到震动信号时，所述惯性摆体(20)与敏感电极(30)进行相对运动，敏感电极输出的电信号会发生变化，该电信号与震动信号的幅值以及频率成比例。

说明书

电化学微震检波器

技术领域

[0001] 本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于MEMS与力平衡反馈技术的电化学微震检波器。

背景技术

[0002] 微震检波器指的是可以检测地面震动信号的传感器，它可以将很微小的不可直接测量的地震信号(如微小位移、微速度、微加速度等物理量)转变为可测量的信号形式(如电压信号、电流信号等)，微震检波器在地震监测与地球物理勘探领域中发挥着不可替代的作用。

[0003] 由于地震信号由震源传到地面之后，地震波的能量大多集中在低频端并且幅值非常的微小，所以对微震检波器的低频灵敏度以及低频带宽等性能指标都有着很高的需求。

[0004] 除了进行传统的地震监测与地球物理勘探应用之外，低频微震检波器还在其它领域有着更加广泛的应用，如：地基、路基调查等基础工程应用领域；岩层划分及病害地质体勘测领域；堤坝隐患检测、水利工程前期地质基础调查等水利电力勘探领域；桥梁工程检测等领域，在这些更广泛的领域中要求所用的微震检波器工作频带的低频截止频率一般为0.1Hz以上。

[0005] 如今在这些应用中最常用的微震检波器是以电磁感应原理为基础的动圈式微震检波器，这种微震检波器有着结构简单、价格便宜等优点，但是这种微震检波器的自然频率较高(1Hz-100Hz不等)，导致其低频截止频率也很高，低频灵敏度低，为了获得较低的自然频率以及较宽的工作带宽，一般通过增加惯性质量体的体积与质量的方式来实现，已知的低频截止频率为0.1Hz的单分量动圈式微震检波器的芯体质量为1.45Kg(重庆地质仪器厂生产的EPS系列微震检波器)，这种大体积的微震检波器在运输过程中都需要进行锁摆，以防止惯性质量体卡死而导致微震检波器不能正常工作；同时，体积与质量的增加也会提高动圈式微震检波器的机械噪声，导致输出信号的信噪比下降，动态范围降低，不利于实际应用。

[0006] 除了如上所述的动圈式微震检波器之外，现有技术中还具有电容摆式微震检波器和电化学微震检波器。

[0007] 电容摆式微震检波器多用于地震的监测，是地震台站最常用的微震检波器，其低频性能很好，可以很容易的将低频截止频率拓展到0.00167Hz甚至0.01Hz，虽然工作频带要求上满足低频截止频率大于0.1Hz的应用需求，但是由于其结构复杂，造价成本太高，不可能用于大面积的组网测量，而且在运输过程中也需要对其进行锁摆，十分不便。

[0008] 目前国际上有几种应用比较广泛的电化学宽频带微震检波器，包括俄罗斯R-sensor公司的CME6211宽频带微震检波器以及美国PMD公司的BB603宽频带微震检波器，低频工作截止频率可以达到0.0167Hz。但是，虽然其工作频带很低，其它性能指标也很优越，但是仍然不能解决大体积与重量所带来的困扰，每支宽频带微震检波器的质量都在10kg，体积为5338cm3(三分量封装之后的参数)，非常不方便携带，并且由于其体积大，也不适用于地势复杂的工作环境。

[0009] MEMS(Micro-electro-mechanical Systems，微机电系统)是二十世纪八十年代伴随着半导体集成电路微细加工技术与超精密机械加工技术的提高而逐渐发展起来的一门新兴科学。基于MEMS技术，发展出电化学微震检波器。该电化学微震检波器由于其独特的电化学工作原理，有着低频灵敏度高并且无机械噪声的优点，而且传感器芯片电极采用MEMS技术制造而成，可批量生产，成本低且一致性好，由于其惯性质量体为液体，无需进行锁摆，操作方便，在众多微震检波器中脱颖而出。

[0010] MEMS电化学微震检波器由于采用液体质量块作为惯性摆体，许多应用在其它原理的检波器上的频带拓展技术不能被直接采用，并且小型电化学微震检波器在结构上与宽频带电化学微震检波器也有不同之处，此时就需要提出一种新的技术方案，既能保证有效的拓展小型MEMS电化学微震检波器的工作频带范围，又能保证检波器输出的稳定性以及减小线性失真度，实现小型电化学微震检波器可以在低频范围内有很好的输出信号。

[0011] 对于低频微震检波器来讲，在满足广泛的应用带宽需求(低频截止频率大于0.1Hz)的同时，还要综合考虑工作环境、造价等客观因素，进行小型化的低频微震检波器的设计有着十分重要的意义。

[0012] 此外，在频带拓展方面，大部分微震检波器都是利用外部信号处理电路来达到拓展频带的目的。可以根据传感器的原始频响特性，使用电路补偿的方法来进行频带拓展(Zhengyu Zhang，The Study of Bandwidth Expansion Based on Electrochemical Vibration Sensor)，本质上是使用一个带阻滤波器来补偿微震检波器器的输出灵敏度曲线，通过调节滤波器的参数使微震检波器可以在一个较宽的频带内工作。但是利用这种方法来拓展频带会引起系统的不稳定，输出信号会产生直流漂移，在补偿电路之后需要使用高阶的带通滤波器来滤波处理才能保证其输出稳定性，但不能从根本上解决漂移的问题。

发明内容

[0013] (一)要解决的技术问题

[0014] 本发明提供了一种基于MEMS与力平衡反馈技术的电化学微震检波器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

[0015] (二)技术方案

[0016] 本发明电化学微震检波器包括：惯性摆体20，其内形成电解液空间A，该电解液空间内充有电解液；敏感电极30，固定于电解液空间A的电解液中，用于采用电化学原理将震动信号转换为电信号；信号处理电路40，其输入端电性连接至敏感电极30，用于将敏感电极输出的电信号进行处理，得到负反馈信号；反馈组件50，其输入端电性连接至信号处理电路40，用于利用负反馈信号向惯性摆体20施加与外界震动输入力相反的力，以减小惯性摆体
20因外界震动输入力而产生的位移。

[0017] 优选地，本发明电化学微震检波器还包括：基座10，用于支撑惯性摆体20；惯性摆体20包括：外壳21，其内部形成工作空间；上橡胶膜22和下橡胶膜23，分别扣设于外壳21内部工作空间的上方和下方，且下橡胶膜23在基座10的上方悬空设置；其中，由外壳21、上橡胶膜22和下橡胶膜23共同围成电解液空间A。

[0018] 优选地，本发明电化学微震检波器中，反馈组件50包括：支撑组件，固定于惯性摆体20的上方的外侧；反馈线圈52，固定于支撑组件的内侧，惯性摆体20的上橡胶膜的上方；反馈磁性体53，其下部固定于上橡胶膜22的外表面，其上部靠近反馈线圈或伸入反馈线圈内；其中，反馈线圈52在通入负反馈信号时所产生的磁场方向与反馈磁性体53自身的磁场方向相反，以向惯性摆体20施加与外界震动输入力相反的力。

[0019] 优选地，本发明电化学微震检波器中，信号处理电路40包括：负反馈电路，为参数可调的有源PID调节器，用于对震动信号进行处理，得到负反馈信号；其中，通过调节有源PID调节器的参数，可调节负反馈信号。

[0020] 优选地，本发明电化学微震检波器中，负反馈电路包括：运算放大器，该运算放大器的：正相输入端接地；负相输入端通过第一电阻R1接收震动信号，在第一电阻R1的两侧并联第一电容C1；输出端通过第三电阻R3连接至反馈线圈52的第一端，在第三电阻R3的两侧并联第二电容C2；且运算放大器的输出端通过第二电阻R2连接至运算放大器的负相输入端；其中，反馈线圈52的第二端连接至地。

[0021] 优选地，本发明电化学微震检波器中，负反馈电路中：第一电阻R1和第二电阻R2为可调电阻，通过两者可调节有源PID调节器的比例放大倍数；和/或第一电容C1、第二电容C2为可调电容，第三电阻R3为可调电阻，通过三者可进行相位与幅度的补偿。

[0022] 优选地，本发明电化学微震检波器中，信号处理电路40还包括：震动信号处理电路，用于对敏感电极30输出的电信号进行放大、重整和滤波，得到震动信号；其中，该震动信号的一部分在带通滤波后作为电化学微震检波器的输出，另一部分输入至负反馈电路。

[0023] 优选地，本发明电化学微震检波器中，支撑组件包括：至少两根支撑杆51，螺接于外壳21的上方；其中，反馈线圈52通过连接件连接至外侧的至少两根支撑杆51，信号处理电路40的电路板通过至少两根支撑杆51夹紧固定。

[0024] 优选地，本发明电化学微震检波器中，支撑杆51由若干根的金属杆连接而成。

[0025] 优选地，本发明电化学微震检波器中，反馈磁性体53为钕铁硼材料制成的永磁体。

[0026] 优选地，本发明电化学微震检波器中，外壳21内部的空间呈细部相对的双漏斗形状；敏感电极设置于双漏斗形状的细部交汇处。

[0027] 优选地，本发明电化学微震检波器中，敏感电极30呈多层有通孔的结构，电解液可从通孔流过；其中，敏感电极30在加上偏置电压后，电解液会在敏感电极的电极表面发生可逆氧化还原反应，以产生相应的电信号，当敏感电极接受到震动信号时，惯性摆体20与敏感电极30进行相对运动，敏感电极输出的电信号会发生变化，该电信号与震动信号的幅值以及频率成比例。

[0028] (三)有益效果

[0029] 从上述技术方案可以看出，本发明电化学微震检波器至少具有以下有益效果其中之一：

[0030] (1)惯性摆体的体积与质量也保持很小，可以使检波器更方便携带，减小了实际测量工作时的复杂程度，同时在工作频带、灵敏度以及噪声等综合性能上都优于目前最常用的动圈式微震检波器；

[0031] (2)通过力平衡反馈机制，使惯性摆体所受的合力减小，使惯性摆体的运动范围受到限制，从而有效地增大了电化学微震检波器可测量信号的上限，扩大了检波器的工作范围；

[0032] (3)通过力平衡反馈机制，惯性摆体偏离平衡位置的幅度变小，提高了电化学微震检波器系统的线性度并且有效地减小了幅度失真；

[0033] (4)通过力平衡反馈机制，使系统成为闭环，增大了电化学微震检波器输出信号相位变化的线性度区间，减小了相位失真；

[0034] (5)采用了力平衡反馈与补偿机制相结合来拓展频带，在保证输出信号稳定性的基础上，取得很好的拓展频带的效果，通过改变补偿环节与反馈环节的参数，可以在0.1Hz-50Hz范围内根据需要来自行调节频带；

[0035] (6)反馈电路采用有源PID调节器来处理震动信号，通过幅值补偿与相位补偿使得闭环系统有足够的幅值裕度与相位裕度，从而保证系统更加稳定；

[0036] (7)反馈结构的优化，使得小型MEMS电化学微震检波器的机械噪声减小，输出信噪比增加。消除了检波器输出信号中混有的其它维度的干扰，提高了输出信号的失真度。

附图说明

[0037] 图1为根据本发明实施例电化学微震检波器的结构示意图。

[0038] 图2为图1所示电化学微震检波器中信号处理电路中负反馈电路的电路图。

[0039] 图3为图1所示电化学微震检波器的开环与闭环工作原理框图。

[0040] 【附图主要元件符号说明】

[0041] 10-基座；

[0042] 11-支撑部；

[0043] 20-惯性摆体；

[0044] 21-外壳；   22-上橡胶膜；   23-下橡胶膜；

[0045] A-电解液空间；

[0046] 30-敏感电极；

[0047] 31、32-信号线；

[0048] 40-信号处理电路；

[0049] 50-反馈组件；

[0050] 51支撑杆；   52反馈线圈；   53反馈磁性体。

具体实施方式

[0051] 本发明是在MEMS电化学微震检波器的基础上，通过信号处理电路与机械结构相结合的方式，运用控制系统原理，提出的一种适用于小型MEMS电化学微震检波器的力平衡负反馈机制，以达到拓展小型MEMS电化学微震检波器工作频带的目的。

[0052] 在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种电化学微震检波器。图1为根据本发明实施例电化学微震检波器的结构示意图。如图1所示，本实施例微震检波器包括：

[0053] 基座10；

[0054] 惯性摆体20，支撑于基座10上，其内形成电解液空间A，在该电解液空间内充入电解液；

[0055] 敏感电极30，其固定于所述电解液空间的电解液中，用于采用电化学原理将震动信号转换为电信号；

[0056] 信号处理电路40，其输入端连接至敏感电极，用于将敏感电极输出的电信号进行处理，得到输出信号和负反馈信号，其中，输出信号由其微震信号输出端输出，负反馈信号由负反馈信号输出端输出；

[0057] 反馈组件50，其输入端连接至所述信号处理电路的负反馈信号输出端，用于利用负反馈信号向惯性摆体施加与外界震动输入力相反的力，以减小惯性摆体因外界震动输入力而产生的位移。

[0058] 以下对本实施例电化学微震检波器的各个组成部分进行详细说明。

[0059] 请参照图1，基座10用于支撑惯性摆体20等部件。其中，基座10上部的支撑部11呈具有一定高度的圆环状，支撑住惯性摆体20的外缘，并使惯性摆体20下部的中间部分悬空。

[0060] 请继续参照图1，本实施例中，惯性摆体20支撑于基座10上，包括：外壳21，呈圆柱状结构，在其内部形成细部相对的双漏斗空间；上橡胶膜22和下橡胶膜23，分别扣设于外壳21的双漏斗空间的上方和下方，且下橡胶膜23在基座10的上方悬空设置。其中，由外壳21、上橡胶膜22和下橡胶膜23共同围成电解液空间A。在该电解液空间A内填充有电解液。

[0061] 本实施例中，电解液为碘化钾与碘单质的混合溶液。本领域技术人员应当清楚，除了上述混合溶液之外，其它能够发生可逆氧化还原反应的混合电解液溶液同样可以应用至本发明中。

[0062] 同样，上述惯性摆体20中，电解液空间A还可以是本领域技术人员所熟知的其他形状的空间，并不影响本发明的实现。并且，上橡胶膜和下橡胶膜也可以采用其他具有弹性的膜状材料制成。此外，本实施例中，外壳21为玻璃外壳，其同样可以由其他材料制备。为了便于观察，外壳优选为采用透明材料制备。

[0063] 本实施例中，将电解液空间A设置为双漏斗形状，其一方面开口部分较大，增加了与上(下)橡胶膜接触的面积，提高了反馈效率；另一方面，其中间部分较小，从而容纳电解液的空间较小。所容纳的电解液很少，导致惯性摆体的质量很小。所以本实施例电化学微震检波器的自然频率较高(16Hz)，初始工作频带为7Hz-25Hz，高频段与低频段都非常适合根据需要来进行拓展。

[0064] 请继续参照图1，在外壳11的双漏斗空间的双漏斗的细部交汇处，设置有敏感电极30。该敏感电极30呈多层有通孔的结构，电解液可以从通孔流过。由敏感电极30引出两根信号线(31、32)，连接至信号处理电路40的输入端。

[0065] 本实施例中，敏感电极30包括：基底以及至少两电极，其中，基底由硅或SOI制成，电极由金属导体或石墨烯材料制成。

[0066] 敏感电极30在加上偏置电压后，电解液会在敏感电极的电极表面发生可逆氧化还原反应，以产生相应的电信号。当敏感电极接受到震动信号时，惯性摆体20与敏感电极30进行相对运动，敏感电极输出的电信号会发生变化，该电信号与震动信号的幅值以及频率成比例。

[0067] 在惯性摆体20的上方，设置有反馈组件50。请继续参照图1，反馈组件包括：至少两根支撑杆51，固定于惯性摆体的上方的外侧；反馈线圈52，固定于上述至少两根支撑杆的内侧，惯性摆体的上橡胶膜的上方；反馈磁性体53，其下部固定于上橡胶膜22的外表面，其上部靠近反馈线圈或伸入上述反馈线圈内。其中，反馈线圈52在通入电流时所产生的磁场方向与反馈磁性体53自身的磁场方向相反。也就是说，磁铁与反馈线圈的两个N极(或者S极)相对，这样才会使反馈力的方向与震动信号的方向相反，形成负反馈。如果两个N极(或者S极)不是相对的，就会形成正反馈，引起闭环系统的共振。

[0068] 本实施例中，反馈磁性体53为钕铁硼或其它磁性材料制成的永磁体。需要特别注意的是，是反馈磁性体，而不是反馈线圈固定在上橡胶膜上。由于反馈磁性体的质量小，可以进一步减小惯性摆体的质量，以增大电化学微震检波器的自然频率。

[0069] 本实施例中，反馈磁性体直接与上橡胶膜相连，反馈线圈与支撑杆相连，不需要宽频带电化学微震检波器中的铜框作为连结点。这样的设计使惯性质量体更加稳定，不会发生由于惯性质量体有其它维度的摆动或者扭转而引起的谐波干扰。因此，相比于现有技术的宽频带电化学微震检波器而言，本实施例电化学微震检波器输出信号的失真度更低。

[0070] 本实施例中，通过多种措施减小了惯性质量体的质量，因此在电化学微震检波器的底部不再需要钢性弹簧来支撑重力，没有了钢性弹簧的不稳定震动干扰，使得电化学微震检波器的噪声更低，低频灵敏度更高，输出信号信噪比更高。同时，减少钢性弹簧使电化学微震检波器传递函数的阶数减小，提高闭环系统稳定性的同时更有利于系统参数的优化。

[0071] 综合上述优点，本实施例电化学微震检波器的体积与重量更小，更加适合于大面积组网探测以及复杂的探测环境，减小了工程难度。

[0072] 本实施例中，反馈组件具有四根支撑杆。每一根支撑杆通过底部的螺纹，螺接至开设于外壳21上方外侧的螺孔内。反馈线圈52的底部向外侧延伸，固定于四根支撑杆上。也就是说，反馈线圈52相对于支撑杆和外壳的位置不变。

[0073] 需要注意的是，每一根支撑杆都是由三节小金属杆连接组成，在小金属杆的两端分别有螺纹和螺纹孔，可以将每两小节相结合。支撑杆的下端与外壳上表面的螺纹孔相固定；反馈线圈通过外侧的小金属杆夹紧固定；信号处理电路的电路板也通过两节小金属杆夹紧固定。这样支撑杆、反馈线圈、外壳、电路板就构成一个整体。

[0074] 请继续参照图1，在反馈组件50的上方，由四根支撑杆固定有线路板41。信号处理电路40设置于该线路板上。该信号处理电路40包括：震动信号处理电路和负反馈电路。

[0075] 其中，震动信号处理电路对敏感电极输出的电信号进行放大、重整和滤波，得到震动信号。该震动信号的一部分在带通滤波后作为电化学微震检波器的输出，另一部分输入至负反馈电路。负反馈电路利用震动信号处理电路输出的震动信号进行处理，得到负反馈信号并将其输出至反馈组件。

[0076] 关于震动信号处理电路，此处不再详细说明。关于负反馈电路，一下进行详细说明。

[0077] 图2为图1所示电化学微震检波器中信号处理电路中负反馈电路的电路图。如图2所示，该负反馈电路为比例积分微分调节电路(PID)。该比例积分微分调节电路根据输入信号的频率-幅度与频率-相位特性曲线，调节电路参数，进而调节闭环系统的相位裕度与幅值裕度，从而减小负反馈电路引起的共振。具体来讲，该负反馈电路是由运算放大器OP及多个电阻和电容构成的有源PID调节器，通过调节有源PID调节器的参数，可调节负反馈信号的输出，进而调节反馈组件的负反馈参数，进一步调节电化学微震检波器输出的震动信号。其中：

[0078] 运算放大器OP的负相输入端通过第一电阻R1连接至震动信号处理电路，接收震动信号处理电路输出的电信号，在第一电阻R1的两侧并联第一电容C1；

[0079] 运算放大器OP的正相输入端接地；

[0080] 运算放大器OP的输出端通过第三电阻R3连接至反馈组件中的反馈线圈52的第一端，在第三电阻R3的两侧并联第二电容C2；且运算放大器OP的输出端通过第二电阻R2连接至运算放大器OP的负相输入端；

[0081] 运算放大器OP的正供电电压接入端连接至正电压VSS＝+12V，并通过第三十三电容C33接地；负供电电压接入端连接至负电压VCC＝-12V，并通过第三十六电容C36接地。

[0082] 与上述电路相匹配，反馈线圈52的第二端连接至地。反馈线圈P8为铜线绕制的线圈，其直流电阻为240欧姆。第一电阻R1和第二电阻R2可以调节有源PID调节器的比例放大倍数，微分环节(第一电容C1与运算放大器OP构成)与积分环节(第二电容C2、第三电阻R3、线圈等效电阻构成)可以进行相位与幅度的补偿。第三十三电容C33和第三十六电容C36是运算放大器OP的去耦电容。图中标注的电阻电容参数所形成的闭环输出频带为0.1-50Hz，改变参数的值就可以根据需要进行频带的调节。

[0083] 本实施例电化学微震检波器中，负反馈电路增加了PID调节器，提高了闭环系统的幅值裕度与相位裕度，使负反馈所引起的共振频率点向高频移动，从而增加了输出信号的稳定性。

[0084] 图3为图1所示电化学微震检波器的开环与闭环工作原理框图。请参照图3，闭环回路框图中，震动信号增加时，负反馈力的大小也会增加，但方向与震动信号相反，最终导致惯性体的位移变小。

[0085] 以下参照图3介绍该电化学微震检波器的工作原理：

[0086] (1)首先，惯性摆体20检测到外部震动信号，通过敏感电极30经过电化学原理转换为输出电流信号，再经过震动信号处理电路得到原始的输出电压信号。此时电压输出信号的工作频带为1Hz-30Hz，工作频带内输出信号对于输入速度平坦，但输出信号有漂移。

[0087] (2)步骤1中的电压输出信号经过负反馈电路，得到负反馈信号，负反馈信号经由反馈线圈52得到反馈电流，根据电磁感应原理，反馈电流给反馈线圈52中的反馈磁性体53施加与输入震动信号方向相反的力。

[0088] (3)步骤2中的负反馈电路为比例积分微分调节电路(PID)，根据输入信号的频率-幅度与频率-相位特性曲线，调节电路参数，进而调节闭环系统的相位裕度与幅值裕度，从而减小负反馈电路引起的共振，使系统输出稳定。

[0089] (4)负反馈力与震动信号输入的力相叠加，成为检波器所受的最终合力，合力作用在惯性摆体上形成合输入加速度与合输入速度。

[0090] (5)反馈力的大小与震动输入力的大小成正比且方向相反，使惯性摆体可移动的位移变小，有效地增大了检波器工作的动态范围，得到稳定的信号输出。

[0091] (6)输出信号频带的拓展依靠负反馈电路的调节，通过参数的调节可以使输出频带满足工程需要。

[0092] 本实施例电化学微震检波器除体积与重量变小之外(芯体质量为95g，横向宽度为3
5cm，纵向高度为8cm，体积为157cm )，还通过改变力平衡负反馈结构设计来优化电化学微震检波器的其它性能指标。小型MEMS电化学微震检波器的自然频率为16Hz，原始工作3dB带宽为7Hz-25Hz，通过力平衡负反馈技术将原始工作频带拓展至0.1Hz-50Hz，在拓宽了工作频带的同时对系统的动态范围、线性度、失真度、稳定性等性能参数也有很大的改善，解决了应用需求与工作方便度不可兼得的难题。

[0093] 至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明电化学微震检波器有了清楚的认识。

[0094] 需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

[0095] (1)有机玻璃外壳内工作空间的形状可以为圆柱体、漏斗或其它可以使流体经过形状的工作空间；

[0096] (2)多孔电极中流道孔的分布并不局限于一种方式，根据孔的大小、数目等参数都可以调整检波器的输出特性；

[0097] (3)支撑杆的节数可以根据需要进行调整，并且除了支撑杆之外，还可以采用其他类型的支撑件，例如，圆筒状支撑件；

[0098] (4)负反馈电路还可以有其他。

[0099] 综上所述，本发明在现有电化学微震检波器的基础上，通过信号处理电路与机械结构相结合的方式，运用控制系统原理，提出的一种新颖的电化学微震检波器，以达到拓展小型MEMS电化学微震检波器工作频带的目的，具有较好的应用前景。

[0100] 还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

[0101] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。