CN103364824A

CN103364824A - 32位宽频带流动观测地震仪

Info

Publication number: CN103364824A
Application number: CN2013103297373A
Authority: CN
Inventors: 孙鸿; 原秦喜; 孙剑诺; 郭磊; 李从庆; 戴鹏
Original assignee: GEOPHYSICAL EXPLORATION CENTER CHINA SEISMOLOGICAL BUREAU
Current assignee: GEOPHYSICAL EXPLORATION CENTER CHINA SEISMOLOGICAL BUREAU
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明提供了一种32位宽频带流动观测地震仪，其低功耗技术和一体化设计有效地解决了宽频带地震仪体积大、笨重、流动性差和检测效率低下等问题；其解决的技术方案是，包括金属屏蔽外壳和置于金属屏蔽外壳内的控制电路和电源系统，电源系统和控制电路分别经导线连接有模数转换器、标定信号发生模块、环境参数侦测模块、GPS授时定位模块，控制电路连接有以太网通讯接口、通信串口、CF卡和数据存储SRAM，模数转换器连接有前置放大器，前置放大器连接有有源差容式力平衡地震计，前置放大器和有源差容式力平衡地震计与电源系统连接；本发明采用一体化结构，使宽频带地震仪变得体积小，低功耗、重量轻、布放灵活、操作简便。

Description

32位宽频带流动观测地震仪

技术领域

本发明涉及地震仪，特别是一种32位宽频带流动观测地震仪。

背景技术

人工源深地震观测注重设备的灵活性，常采用短周期地震仪，但随着长达上千公里的超长观测距的探测剖面的普遍应用，短周期地震仪的带宽严重不足，迫切需要地震仪向宽频带发展；天然地震观测注重设备的通带，采用宽频带地震仪，但随着天然地震接收函数技术的普遍应用，观测的流动性迫切需要提高设备的灵活性；一方面是灵巧的短周期地震仪需要向宽频带发展，另一方面是宽频带地震仪需要向灵活性发展。于是，短周期地震仪和宽频带地震仪的要求日益趋同，即：都要求较宽的带宽，且体积小、重量轻、布放灵活、操作简便。只有为了提高地震观测的工作效率和数据质量，为了降低地震观测的劳动强度和工程费用，必须完善地震仪的性能，地震科研新技术的推广应用才有扎实的物质基础。目前的地震仪重量，大部分来自电源，降低地震仪的功耗是提高地震仪灵活性的重中之重。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供了一种32位宽频带流动观测地震仪，其低功耗技术和一体化设计有效地解决了宽频带地震仪体积大、笨重、流动性差和检测效率低下等问题，使宽频带地震仪变得体积小、重量轻、布放灵活、操作简便。

其解决的技术方案是，包括金属屏蔽外壳和置于金属屏蔽外壳内的控制电路和电源系统，电源系统和控制电路分别经导线连接有模数转换器、标定信号发生模块、环境参数侦测模块、GPS授时定位模块，控制电路连接有以太网通讯接口、通信串口、CF卡和数据存储SRAM，模数转换器连接有前置放大器，前置放大器连接有有源差容式力平衡地震计，前置放大器和有源差容式力平衡地震计与电源系统连接。

本发明采用一体化结构，使宽频带地震仪变得体积小，低功耗、重量轻、布放灵活、操作简便。

附图说明

图1为本发明电路框图。

图2为本发明结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1和图2给出，本发明包括金属屏蔽外壳和置于金属屏蔽外壳内的控制电路和电源系统，电源系统2和控制电路1分别经导线连接有模数转换器4、标定信号发生模块10、环境参数侦测模块9、GPS授时定位模块7，控制电路1连接有以太网通讯接口5、通信串口6、CF卡8和数据存储SRAM，模数转换器4连接有前置放大器11，前置放大器11连接有有源差容式力平衡地震计12，前置放大器11和有源差容式力平衡地震计12与电源系统2连接。

所说的控制电路1内装有STM32F407微处理器。

所说的有源差容式力平衡地震计12包括依次连接的差容式地震传感器15、电容换能电路、相位调整电路、滤波器和差分输出电路，差分输出电路和前置放大器11连接

所说的金属屏蔽外壳13底端均布有三个地脚螺栓14，金属屏蔽外壳13上端面设有水平泡16和BNC接头17，金属屏蔽外壳13的其中一个侧面上装有CF卡取卡装置，金属屏蔽外壳13内装有四个把金属屏蔽外壳13内腔体分为上下五层的隔板，第五层（最下面的底层为第五层，然后向上依次到顶层的第一层）固定有三个分别呈横向、纵向和竖向放置的差容式地震传感器15，第四层有电容换能电路、相位调整电路、滤波器、差分输出电路和前置放大器11，所说的电源系统2置于第三层，所说的控制电路1、模数转换器4、以太网通讯接口5、通信串口6、标定信号发生模块10、环境参数侦测模块9和数据缓存SRAM置于第二层，第一层上放置有GPS授时定位模块7和连接器3。

所说的GPS授时定位模块7经BNC接头17连接有置于金属屏蔽外壳13外部的GPS天线。

所说的电源系统2经连接器3连接有置于金属屏蔽外壳13外部的太阳能电池板。

所说的以太网通讯接口5和通信串口6经连接器3与外部监控终端连接。

环境参数主要是指环境温度、钟差、电源电压、空间姿态等，而环境参数侦测模块9能侦知环境温度和钟差，有利于地震数据后期修整，提高数据质量，能侦知电源电压，有利于无人值守流动地震台站的及时维护，能侦知空间姿态，有利于地震数据方位信息的精确利用。

本发明使用时，差容式地震传感器15在惯性力的作用下偏离平衡位置，经电容换能电路转换为电压信号，电压信号经过相位调整电路后，进入滤波器，然后进入差分输出电路输出信号到前置放大器11放大，通过模数转换器4进入控制电路1，控制电路1经过数据缓存SRAM和CF卡8进行数据分析记录与存储，通过以太网通讯接口5与通信串口6进行通讯，通过GPS授时定位模块7进行授时定位，电源系统2则供给各部分用电。

该地震仪采用ARM系列M4微处理器作为中央控制器，Cortex-M4内核工作频率可达168MHz，独特的ART Accelerator总线加速器使得程序在Flash中无等待周期地执行，极大提高了代码在Flash中的执行速度，内嵌浮点运算单元（FPU），支持DSP指令,具备全功能的MPU，STM32F407微处理器内部集成容量达1MB的Flash存储器，256KB的高速SRAM存储器；具有丰富的片上设备，包括支持MII和RMII模式的10/100Mbps以太网MAC控制器、3路12bit模数转换器、多达6通道的USART发送接收器、多达6通道的SPI发送接收器、多媒体存储器等设备和外部SRAM等接口；采用32位模数转换芯片为模数转换器，芯片内置低噪声可编程增益控制器，适合于对性能有苛刻要求的地震监测应用，该模数转换器内部集成稳定的4阶ΔΣ调制器，具备优异的噪声和线性性能，片上PGA具有低噪声(4nV/√Hz)和高阻抗特性，便于连接地震检波器；滤波器可配置产生250SPS-4K SPS的数据率，高通滤波器拐角频率可调；片上的增益和偏移定标寄存器方便系统标定设计；用大容量CF卡作为地震数据存储器，CF卡作为一种先进的移动数码存储产品，其优势是很明显的，它具有高速度、大容量、体积小、重量轻、功耗低等优点；采用卫星定位和校钟设计，GPS授时定位模块根据需要，可以设定为连续、间歇和手工等工作模式，既保证了系统的时间精度，又可降低系统整体功耗；以太网通讯传输的监控终端，通讯接口是实现人机交互和数据传输的重要手段。在本设计中，地震仪设计有两路UART通信串口和一路以太网接口（ETH通讯接口），其中，一路串口用于接收GPS模块发送的报文信息，另一路串口用于对地震仪器的参数设置、状态检查等监控操作，以太网网络接口，用于实现地震仪器的组网、远程控制、远程数据传输。

本发明的技术指标：

A. 重量：连续工作不超过20天时，整机重量＜4.5公斤，连续工作超过20天时，整机重量＜6公斤。

B. 监控终端：移动PC监控终端和androib环境的手持监控终端；

C. 监控通讯：以太网口，使用TCP/IP协议；

D. 模数转换：32位字长；

E. 振动传感器：正交3分向；

F. 灵敏度：2000V/m/s；

G. 带宽：0.05Hz-80Hz；

H. 记录启动方式：手动触发、定时触发、STA/LTA触发、电平触发；

I. 动态范围：正常方式127dB。大动态方式：＞144dB；

J. 时间服务：守时钟由GPS赋时和同步，走时精度优于27ms/天；

K. 存储媒介：64GB的CF卡；

L. 数据堆放形式：简易文件系统。

M. 整机平均功耗：400毫瓦左右。

Claims

1.一种32位宽频带流动观测地震仪，包括金属屏蔽外壳和置于金属屏蔽外壳内的控制电路和电源系统，其特征在于，电源系统（2）和控制电路（1）分别经导线连接有模数转换器（4）、标定信号发生模块（10）、环境参数侦测模块（9）、GPS授时定位模块（7），控制电路（1）连接有以太网通讯接口（5）、通信串口（6）、CF卡（8）和数据存储SRAM，模数转换器（4）连接有前置放大器（11），前置放大器（11）连接有有源差容式力平衡地震计（12），前置放大器（11）和有源差容式力平衡地震计（12）与电源系统（2）连接。

2.根据权利要求1所述的一种32位宽频带流动观测地震仪，其特征在于，所说的有源差容式力平衡地震计（12）包括依次连接的差容式地震传感器（15）、电容换能电路、相位调整电路、滤波器和差分输出电路，差分输出电路和前置放大器（11）连接。

3.根据权利要求2所述的一种32位宽频带流动观测地震仪，其特征在于，所说的金属屏蔽外壳（13）底端均布有三个地脚螺栓（14），金属屏蔽外壳（13）上端面设有水平泡（16）和BNC接头（17），金属屏蔽外壳（13）的其中一个侧面上装有CF卡取卡装置，金属屏蔽外壳（13）内装有四个把金属屏蔽外壳（13）内腔体分为上下五层的隔板，第五层（最下面的底层为第五层，然后向上依次到顶层的第一层）固定有三个分别呈横向、纵向和竖向放置的差容式地震传感器（15），第四层有电容换能电路、相位调整电路、滤波器、差分输出电路和前置放大器（11），所说的电源系统（2）置于第三层，所说的控制电路（1）、模数转换器（4）、以太网通讯接口（5）、通信串口（6）、标定信号发生模块（10）、环境参数侦测模块（9）和数据缓存SRAM置于第二层，第一层上放置有GPS授时定位模块（7）和连接器（3）。

4.根据权利要求3所述的一种32位宽频带流动观测地震仪，其特征在于，所说的GPS授时定位模块（7）经BNC接头（17）连接有置于金属屏蔽外壳（13）外部的GPS天线。

5.根据权利要求3所述的一种32位宽频带流动观测地震仪，其特征在于，所说的电源系统（2）经连接器（3）连接有置于金属屏蔽外壳（13）外部的太阳能电池板。

6.根据权利要求3所述的一种32位宽频带流动观测地震仪，其特征在于，所说的以太网通讯接口（5）和通信串口（6）经连接器（3）与外部监控终端连接。