野外分立式地震數字記錄儀器的製造方法
2024-01-25 06:39:15 2
野外分立式地震數字記錄儀器的製造方法
【專利摘要】一種野外分立式地震數字記錄儀器，它包括檢波器、接口電路、採樣保持器、A/D轉換器、CPU、GPS模塊和數據存儲器。所述的檢波器用於檢測地震波信號，檢波器的信號輸出端與接口電路的信號輸入端相連，所述的接口電路的信號輸出端連接採樣保持器的信號輸入端，採樣保持器的信號輸出端與A/D轉換器的信號輸入端相連，A/D轉換器的信號輸出端與數據存儲器的信號輸入端相連，數據存儲器的時鐘信號輸入端與GPS模塊的信號輸出端相連，該GPS模塊與天線相連。本發明由於無纜無線，徹底擺脫了目前常規有線電纜連接的束縛，使用極其方便。
【專利說明】野外分立式地震數字記錄儀器
【技術領域】
[0001] 本發明專利涉及勘探石油、天然氣、煤田以及土木工程、建築物的地基勘測領域， 尤其是地震監測儀器，具體地說是一種野外分立式地震數字記錄儀器。由於無纜無線，徹底 擺脫了目前常規有線電纜連接的束縛，使用極其方便。
【背景技術】
[0002] 目前，地震數據的採集系統非常龐大、複雜，基本上都是進口產品，價格昂貴，並且 用有線電纜連接，使用很不方便，尤其是地表地形複雜時，有線電纜地震數據採集站的鋪設 非常困難；另一方面，當某處有線電纜發生損壞時，則整個系統便無法正常工作。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是針對上述問題，提出一種野外分立式地震數字記錄儀器，由於無 纜無線，徹底擺脫了目前常規有線電纜連接的束縛，使用極其方便。
[0004] 本發明的技術方案是： 一種野外分立式地震數字記錄儀器，它包括檢波器、接口電路、採樣保持器、A/D轉換 器、CPU、GPS模塊和數據存儲器，所述的檢波器用於檢測地震波信號，檢波器的信號輸出端 與接口電路的信號輸入端相連，所述的接口電路的信號輸出端連接採樣保持器的信號輸入 端，採樣保持器的信號輸出端與A/D轉換器的信號輸入端相連，A/D轉換器的信號輸出端與 數據存儲器相連，數據存儲器的時鐘信號輸入端與GPS模塊的信號輸出端相連，該GPS模塊 與天線相連，採樣保持器、A/D轉換器、GPS模塊和數據存儲器的控制信號端與CPU的對應控 制信號端相連。
[0005] 本發明的接口電路包括由二極體Dl、D2構成的輸入限幅單元，由放大器A1、可調 電阻R1、增益開關S1、電阻R3、R4構成的基本放大級，由電阻R5和二極體D3-D7構成的輸 出限幅單元，由電阻R6、R7、電容C1、C2和放大器A2構成的第一有源低通濾波單元，由電阻 R8、R9、電容C3、C4和放大器A3構成的第二有源低通濾波單元以及由電阻RIO、R11、電容 C5、C6和放大器A4構成的有源高通濾波單元，輸入限幅單元的信號輸入端即二極體D1的正 極與二極體D2的負極的連接點作為接口電路的輸入，與檢波器的對應輸出端相連，同時與 放大器A1的同相比例信號輸入端相連，放大器A1的反相比例信號輸入端串接電阻R2後接 地，可調電阻R1並接在電阻R2的兩端，用於調節增益，放大器A1的反相比例信號輸入端與 可調電阻R1、電阻R2的連接點串接電阻R3、R4後接放大器A1的輸出端，增益開關S1並接 在電阻R4的兩端，用於增益控制，二極體D1的負極接正電源，二極體D2的正極接負電源， 用於控制輸入限幅單元的幅度，放大器A1的輸出與輸出限幅單元的輸入即電阻R5的一端 相連，電阻R5的另一端接二極體D3-D7構成的整流橋式限幅單元，整流橋的另一端接地，電 阻R5和整流橋的連接點作為限幅單元的輸出與第一有源低通濾波單元的輸入即電阻R6的 一端相連，電阻R6的另一端接電阻R7的一端和電容C1的一端，電阻R7的另一端接放大器 A2的同相比例信號輸入端，電容C1的另一端接放大器A2的輸出端，電阻R7與放大器A2的 連接點與電容C2連接後接地，放大器A2的輸出作為第一有源低通濾波單元的輸出與第二 有源低通濾波單元的輸入即電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端接電阻R9的一端和電容 C3的一端，電阻R9的另一端接放大器A3的同相比例信號輸入端，電容C3的另一端接放大 器A3的輸出端，電阻R9與放大器A3的連接點與電容C4連接後接地，放大器A3的輸出作為 第二有源低通濾波單元的輸出與有源高通濾波單元的輸入即電容C5的一端相連，電容C5 的另一端接電阻R10的一端和電容C6的一端，電容C6的另一端接放大器A4的同相比例信 號輸入端，電阻R10的另一端接放大器A4的輸出端，電容C6與放大器A4的連接點與電阻 R11連接後接地，放大器A4的輸出即有源高通濾波單元的輸出作為接口電路的輸出與採樣 保持電路的輸入端相連。
[0006] 本發明的採樣保持器包括運算放大器A5、電阻R12-15、採樣保持電子開關K、保持 電容器C7和運算放大器A6,運算放大器A5的同相比例信號輸入端作為採樣保持器的輸入 與接口電路的輸出端相連接，運算放大器A5的反相比例信號輸入端串接電阻R12後接地， 運算放大器A5的反相比例信號輸入端和輸出端之間並聯電阻R13,運算放大器A5的輸出端 接採樣保持電子開關K的一端，採樣保持電子開關K的另一端接運算放大器A6的同相比例 信號輸入端，同時接保持電容器C7後接地，運算放大器A6的反相比例信號輸入端串接電阻 R14後接地，運算放大器A6的反相比例信號輸入端和輸出端之間並聯電阻R15,運算放大器 A6的輸出端作為米樣保持器的輸出與A/D轉換器的信號輸入端相連接。
[0007] 本發明的電阻R均為精密電阻器，精度為千分之一。
[0008] 本發明的電容C均為精密電容器，具有高溫度穩定係數。
[0009] 本發明的有益效果： 本發明的野外分立式地震數字記錄儀器，通過檢波器將震動信號的物理量轉換成電信 號，輸入到接口電路，採取相應的處理措施後，送至採樣保持器進行採樣保持、再將子樣送 至A/D轉換器將模擬量轉換成數字量，A/D轉換器的位數根據實際需要選用，再送至存儲器 作為原始數據永久保存起來。同時也可根據實際需要，將相關數據以不同的傳輸方式(有 線、光纖、無線、WiFi等方式）傳輸到終端處，完成對地震信號物理量(物理參數）的實時監 控。
[0010] 本發明的記錄儀選用先進的電子器件：體積小、重量輕、噪音低、功耗低，並且多為 通用器件，以提高產品的可靠性和適應相應的工作環境，用作地震數據記錄時，因為在野外 並且在不同的地域使用，所以則要求其工作溫度與存放溫度為一40° C?+70° C，並且要 求其必須防塵、防水、耐衝擊、抗震，高穩定性、高可靠性。
[0011] 本發明能夠應用到自然災害的監控與前期報警：如泥石流的監控、地震監控等，該 數據採集平臺永久保存各種原始數據。由於採用的是數字記錄，因此在數據傳輸、轉錄、復 制過程中，始終保存原始數據的原樣不變。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發明的結構示意圖。
[0013] 圖2是本發明中接口電路的電路圖。
[0014] 圖3是本發明中採樣保持器的電路圖。
【具體實施方式】
[0015] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0016] 如圖1所示，一種野外分立式地震數字記錄儀器，它包括檢波器、接口電路、採樣 保持器、A/D轉換器、CPU、GPS模塊和數據存儲器，所述的檢波器用於檢測地震波信號，檢波 器的信號輸出端與接口電路的信號輸入端相連，所述的接口電路的信號輸出端連接採樣保 持器的信號輸入端，米樣保持器的信號輸出端與A/D轉換器的信號輸入端相連，A/D轉換器 的信號輸出端與數據存儲器相連，數據存儲器的時鐘信號輸入端與GPS模塊的信號輸出端 相連，該GPS模塊與天線相連，採樣保持器、A/D轉換器、GPS模塊和數據存儲器的控制信號 端與CPU的對應控制信號端相連。
[0017] 其中，採樣保持器：對檢波器採集的模擬量進行採樣，其採樣頻率根據相應的需求 而定，一般來說，被採樣信號的頻率越高，則採樣頻率也就越高，即採樣間隔也就越小。為不 失真地保持原有信號的頻率成分，其採樣頻率必須符合採樣定理：即Λ t < l/2fmax (Λ t 為採樣間隔，fmax為被採樣信號的最高頻率)。例如地震勘探中，地震信號的頻率為125Hz， 則Λ t為4ms即可滿足採樣定理，而實際工作中，Λ t為2ms甚至lms，其目的是更為保險其 信號的頻率成分，但隨著採樣間隔的縮小即採樣頻率的提高，其數據也會成倍翻番，實際工 作中只要滿足相應的需求即可。同時經採樣後還需將所採集的子樣的信號電壓保持。
[0018] A/D轉換器：將子樣信號換成二進位數，A/D轉換器的位數和轉換速度根據實際 工作需要選用，位數越多則精度越高，採樣頻率越高則要求速度越快，當然成本也就隨之增 力口。例如用作地震數據記錄時，其A/D轉換器的位數就目前來說則是24位。
[0019] GPS模塊(天線、晶片組):記錄該採集平臺所採集樣品數據的地理坐標和GPS時間。 [0020] 存儲器：按照相應行業的數據記錄格式要求存儲相關數據。例如用作地震數據記 錄時，則要求記錄成SEG-Y格式（當然也可在最終數據終端完成相應格式的轉換)。
[0021] 電源（電池和電源變換）：給數據採集平臺提供多組不同數值的電壓，例如：3.6V、 + 5V、- 5V 等。
[0022] 數據傳輸及USB 口：根據實際使用需要，選取不同的傳輸方式(有線、無線、WiFi、 光纖等）將相關數據傳輸出；USB 口給內部電池充電和數據輸出。
[0023] 顯示LED:顯示採集平臺工作狀態(例如供電是否正常、採集平臺本身工作是否正 常、GPS信號是否接收到、傳感器是否工作正常)。
[0024] 如圖2所示，本發明專利的接口電路包括由二極體D1、D2構成的輸入限幅單元，由 放大器A1、可調電阻R1、增益開關S1、電阻R3、R4構成的基本放大級，由電阻R5和二極體 D3-D7構成的輸出限幅單元，由電阻R6、R7、電容Cl、C2和放大器A2構成的第一有源低通 濾波單元，由電阻R8、R9、電容C3、C4和放大器A3構成的第二有源低通濾波單元以及由電 阻RIO、R11、電容C5、C6和放大器A4構成的有源高通濾波單元，輸入限幅單元的信號輸入 端即二極體D1的正極與二極體D2的負極的連接點作為接口電路的輸入，與檢波器的對應 輸出端相連，同時與放大器A1的同相比例信號輸入端相連，放大器A1的反相比例信號輸入 端串接電阻R2後接地，可調電阻R1並接在電阻R2的兩端，用於調節增益，放大器A1的反 相比例信號輸入端與可調電阻R1、電阻R2的連接點串接電阻R3、R4後接放大器A1的輸出 端，增益開關S1並接在電阻R4的兩端，用於增益控制。二極體D1的負極接正電源，二極體 D2的正極接負電源，用於控制輸入限幅單元的幅度。放大器A1的輸出與輸出限幅單元的輸 入即電阻R5的一端相連，電阻R5的另一端接二極體D3-D7構成的整流橋式限幅單元，整流 橋的另一端接地。電阻R5和整流橋的連接點作為限幅單元的輸出與第一有源低通濾波單 兀的輸入即電阻R6的一端相連，電阻R6的另一端接電阻R7的一端和電容C1的一端，電阻 R7的另一端接放大器A2的同相比例信號輸入端，電容C1的另一端接放大器A2的輸出端， 電阻R7與放大器A2的連接點與電容C2連接後接地。放大器A2的輸出作為第一有源低通 濾波單元的輸出與第二有源低通濾波單元的輸入即電阻R8的一端相連，電阻R8的另一端 接電阻R9的一端和電容C3的一端，電阻R9的另一端接放大器A3的同相比例信號輸入端， 電容C3的另一端接放大器A3的輸出端，電阻R9與放大器A3的連接點與電容C4連接後接 地，放大器A3的輸出作為第二有源低通濾波單元的輸出與有源高通濾波單元的輸入即電 容C5的一端相連，電容C5的另一端接電阻R10的一端和電容C6的一端，電容C6的另一端 接放大器A4的同相比例信號輸入端，電阻R10的另一端接放大器A4的輸出端，電容C6與 放大器A4的連接點與電阻R11連接後接地，放大器A4的輸出即有源高通濾波單元的輸出 作為接口電路的輸出與採樣保持電路的輸入端相連。
[0025] 接口電路的作用是：對檢波器所檢測到的微弱的地震信號進行放大、並濾除其不 需要的頻率成分。
[0026] 1)、基本放大級：圖中的A1為低噪音、寬溫度範圍的運算放大器。A1為基本放大 級，為了防止輸入信號過大引起阻塞，在基本放大級A1的輸入端設有由Dl、D2構成的輸入 限幅器、在其輸出端設有由D3?D6、D7 (齊納二極體）構成的輸出限幅器。開關S1控制放 大器的增益，R1微調本級增益，其目的是使所有放大器的增益一致。
[0027] 2)、二階有源低通濾波器：圖中的A2為閉環增益等於1的運算放大器，R6、C1 ;R7、 C2決定了濾波器的低通頻率，Cl的下端不接地而與A2的輸出端相連接，這樣信號便通過Cl 引入了"適當的"正反饋，使濾波特性從通帶到阻帶更接近理想。可以通過增加或減少濾波 器組件的級數改變其濾波陡度。
[0028] 3)、有源高通濾波器：圖中的A4為閉環增益等於1的運算放大器，R10、C5 ;R11、C6 決定了濾波器的高通頻率，其工作原理與有源低通濾波器相似，不再贅述。
[0029] 如圖3所示，本發明專利的採樣保持器由閉環增益等於1的運算放大器A5、採樣保 持電子開關K、保持電容器C7、閉環增益等於1的運算放大器A6構成。採樣保持器的輸入 端與接口電路的輸出端相連接，採樣保持器的輸出端與A/D轉換器輸入端相連接。
[0030] 採樣保持器的作用是：保持信號電壓的幅度值不變而僅在時間上給予展寬，以滿 足A/D轉換器在工作時間上的要求。
[0031] 採樣保持器的工作原理是：接口電路輸出信號時，採樣保持開關K在CPU輸出的採 樣命令的控制下，使採樣保持開關K接通一定的時間，讓信號電壓對保持電容器C充電到其 幅度值，這一過程稱之為採樣。接著採樣保持開關K又在CPU輸出的保持命令的控制下斷 開，保持電容器c上的信號電壓值保持不變，以供A/D轉換器轉換，直至轉換完成為止，這一 過程稱之為保持。採樣保持器的實質就是利用保持電容器的作用，使得信號電壓的幅度值 保持不變，以滿足A/D轉換器在工作時間上的要求。
[0032] 本發明專利未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
【權利要求】
1. 一種野外分立式地震數字記錄儀器，其特徵是它包括檢波器、接口電路、採樣保持 器、A/D轉換器、CPU、GPS模塊和數據存儲器，所述的檢波器用於檢測地震波信號，檢波器的 信號輸出端與接口電路的信號輸入端相連，所述的接口電路的信號輸出端連接採樣保持器 的信號輸入端，採樣保持器的信號輸出端與A/D轉換器的信號輸入端相連，A/D轉換器的 信號輸出端與數據存儲器相連，數據存儲器的時鐘信號輸入端與GPS模塊的信號輸出端相 連，該GPS模塊與天線相連，採樣保持器、A/D轉換器、GPS模塊和數據存儲器的控制信號端 與CPU的對應控制信號端相連。
2. 根據權利要求1所述的野外分立式地震數字記錄儀器，其特徵所述的接口電路包括 由二極體Dl、D2構成的輸入限幅單元，由放大器A1、可調電阻R1、增益開關S1、電阻R3、R4 構成的基本放大級，由電阻R5和二極體D3-D7構成的輸出限幅單元，由電阻R6、R7、電容 Cl、C2和放大器A2構成的第一有源低通濾波單元，由電阻R8、R9、電容C3、C4和放大器A3 構成的第二有源低通濾波單元以及由電阻Rl〇、Rll、電容C5、C6和放大器A4構成的有源高 通濾波單元，輸入限幅單元的信號輸入端即二極體D1的正極與二極體D2的負極的連接點 作為接口電路的輸入，與檢波器的對應輸出端相連，同時與放大器A1的同相比例信號輸入 端相連，放大器A1的反相比例信號輸入端串接電阻R2後接地，可調電阻R1並接在電阻R2 的兩端，用於調節增益，放大器A1的反相比例信號輸入端與可調電阻R1、電阻R2的連接點 串接電阻R3、R4後接放大器A1的輸出端，增益開關S1並接在電阻R4的兩端，用於增益控 制，二極體D1的負極接正電源，二極體D2的正極接負電源，用於控制輸入限幅單元的幅度， 放大器A1的輸出與輸出限幅單兀的輸入即電阻R5的一端相連，電阻R5的另一端接二極體 D3-D7構成的整流橋式限幅單元，整流橋的另一端接地，電阻R5和整流橋的連接點作為限 幅單元的輸出與第一有源低通濾波單元的輸入即電阻R6的一端相連，電阻R6的另一端接 電阻R7的一端和電容C1的一端，電阻R7的另一端接放大器A2的同相比例信號輸入端，電 容C1的另一端接放大器A2的輸出端，電阻R7與放大器A2的連接點與電容C2連接後接地， 放大器A2的輸出作為第一有源低通濾波單元的輸出與第二有源低通濾波單元的輸入即電 阻R8的一端相連，電阻R8的另一端接電阻R9的一端和電容C3的一端，電阻R9的另一端 接放大器A3的同相比例信號輸入端，電容C3的另一端接放大器A3的輸出端，電阻R9與放 大器A3的連接點與電容C4連接後接地，放大器A3的輸出作為第二有源低通濾波單元的輸 出與有源高通濾波單元的輸入即電容C5的一端相連，電容C5的另一端接電阻R10的一端 和電容C6的一端，電容C6的另一端接放大器A4的同相比例信號輸入端，電阻R10的另一 端接放大器A4的輸出端，電容C6與放大器A4的連接點與電阻Rl 1連接後接地，放大器A4 的輸出即有源高通濾波單元的輸出作為接口電路的輸出與採樣保持電路的輸入端相連。
3. 根據權利要求1所述的野外分立式地震數字記錄儀器，其特徵是所述的電阻R均為 精密電阻器，精度為千分之一。
4. 根據權利要求1所述的野外分立式地震數字記錄儀器，其特徵是所述的電容C均為 精密電容器，具有高溫度穩定係數。
5. 根據權利要求1所述的野外分立式地震數字記錄儀器，其特徵所述的採樣保持器包 括運算放大器A5、電阻R12-15、採樣保持電子開關K、保持電容器C7和運算放大器A6,運算 放大器A5的同相比例信號輸入端作為採樣保持器的輸入與接口電路的輸出端相連接，運 算放大器A5的反相比例信號輸入端串接電阻R12後接地，運算放大器A5的反相比例信號 輸入端和輸出端之間並聯電阻R13,運算放大器A5的輸出端接採樣保持電子開關K的一端， 採樣保持電子開關Κ的另一端接運算放大器Α6的同相比例信號輸入端，同時接保持電容器 C7後接地，運算放大器Α6的反相比例信號輸入端串接電阻R14後接地，運算放大器Α6的反 相比例信號輸入端和輸出端之間並聯電阻R15,運算放大器Α6的輸出端作為採樣保持器的 輸出與A/D轉換器的信號輸入端相連接。
【文檔編號】G01V1/24GK104101900SQ201410303099
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月30日 優先權日:2014年6月30日
【發明者】唐成鴿, 尤桃如, 黃革, 沈月芳, 唐科偉, 劉學勤 申請人:中國石油化工集團公司, 中國石化集團華東石油局, 華東石油局第六物探大隊