CN104101900A - 野外分立式地震数字记录仪器 - Google Patents

Abstract

一种野外分立式地震数字记录仪器，它包括检波器、接口电路、采样保持器、A/D转换器、CPU、GPS模块和数据存储器。所述的检波器用于检测地震波信号，检波器的信号输出端与接口电路的信号输入端相连，所述的接口电路的信号输出端连接采样保持器的信号输入端，采样保持器的信号输出端与A/D转换器的信号输入端相连，A/D转换器的信号输出端与数据存储器的信号输入端相连，数据存储器的时钟信号输入端与GPS模块的信号输出端相连，该GPS模块与天线相连。本发明由于无缆无线，彻底摆脱了目前常规有线电缆连接的束缚，使用极其方便。

Description

野外分立式地震数字记录仪器

技术领域

本发明专利涉及勘探石油、天然气、煤田以及土木工程、建筑物的地基勘测领域，尤其是地震监测仪器，具体地说是一种野外分立式地震数字记录仪器。由于无缆无线，彻底摆脱了目前常规有线电缆连接的束缚，使用极其方便。

背景技术

目前，地震数据的采集系统非常庞大、复杂，基本上都是进口产品，价格昂贵，并且用有线电缆连接，使用很不方便，尤其是地表地形复杂时，有线电缆地震数据采集站的铺设非常困难；另一方面，当某处有线电缆发生损坏时，则整个系统便无法正常工作。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种野外分立式地震数字记录仪器，由于无缆无线，彻底摆脱了目前常规有线电缆连接的束缚，使用极其方便。

本发明的技术方案是： 

一种野外分立式地震数字记录仪器，它包括检波器、接口电路、采样保持器、A/D转换器、CPU、GPS模块和数据存储器，所述的检波器用于检测地震波信号，检波器的信号输出端与接口电路的信号输入端相连，所述的接口电路的信号输出端连接采样保持器的信号输入端，采样保持器的信号输出端与A/D转换器的信号输入端相连，A/D转换器的信号输出端与数据存储器相连，数据存储器的时钟信号输入端与GPS模块的信号输出端相连，该GPS模块与天线相连，采样保持器、A/D转换器、GPS模块和数据存储器的控制信号端与CPU的对应控制信号端相连。

本发明的接口电路包括由二极管D1、D2构成的输入限幅单元，由放大器A1、可调电阻R1、增益开关S1、电阻R3、R4构成的基本放大级，由电阻R5和二极管D3-D7构成的输出限幅单元，由电阻R6、R7、电容C1、C2和放大器A2构成的第一有源低通滤波单元，由电阻R8、R9、电容C3、C4和放大器A3构成的第二有源低通滤波单元以及由电阻R10、R11、电容C5、C6和放大器A4构成的有源高通滤波单元，输入限幅单元的信号输入端即二极管D1的正极与二极管D2的负极的连接点作为接口电路的输入，与检波器的对应输出端相连，同时与放大器A1的同相比例信号输入端相连，放大器A1的反相比例信号输入端串接电阻R2后接地，可调电阻R1并接在电阻R2的两端，用于调节增益，放大器A1的反相比例信号输入端与可调电阻R1、电阻R2的连接点串接电阻R3、R4后接放大器A1的输出端，增益开关S1并接在电阻R4的两端，用于增益控制，二极管D1的负极接正电源，二极管D2的正极接负电源，用于控制输入限幅单元的幅度，放大器A1的输出与输出限幅单元的输入即电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端接二极管D3-D7构成的整流桥式限幅单元，整流桥的另一端接地，电阻R5和整流桥的连接点作为限幅单元的输出与第一有源低通滤波单元的输入即电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端接电阻R7的一端和电容C1的一端，电阻R7的另一端接放大器A2的同相比例信号输入端，电容C1的另一端接放大器A2的输出端，电阻R7与放大器A2的连接点与电容C2连接后接地，放大器A2的输出作为第一有源低通滤波单元的输出与第二有源低通滤波单元的输入即电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端接电阻R9的一端和电容C3的一端，电阻R9的另一端接放大器A3的同相比例信号输入端，电容C3的另一端接放大器A3的输出端，电阻R9与放大器A3的连接点与电容C4连接后接地，放大器A3的输出作为第二有源低通滤波单元的输出与有源高通滤波单元的输入即电容C5的一端相连，电容C5的另一端接电阻R10的一端和电容C6的一端，电容C6的另一端接放大器A4的同相比例信号输入端，电阻R10的另一端接放大器A4的输出端，电容C6与放大器A4的连接点与电阻R11连接后接地，放大器A4的输出即有源高通滤波单元的输出作为接口电路的输出与采样保持电路的输入端相连。

本发明的采样保持器包括运算放大器A5、电阻R12-15、采样保持电子开关K、保持电容器C7和运算放大器A6，运算放大器A5的同相比例信号输入端作为采样保持器的输入与接口电路的输出端相连接，运算放大器A5的反相比例信号输入端串接电阻R12后接地，运算放大器A5的反相比例信号输入端和输出端之间并联电阻R13，运算放大器A5的输出端接采样保持电子开关K的一端，采样保持电子开关K的另一端接运算放大器A6的同相比例信号输入端，同时接保持电容器C7后接地，运算放大器A6的反相比例信号输入端串接电阻R14后接地，运算放大器A6的反相比例信号输入端和输出端之间并联电阻R15，运算放大器A6的输出端作为采样保持器的输出与A/D转换器的信号输入端相连接。

本发明的电阻R均为精密电阻器，精度为千分之一。

本发明的电容C均为精密电容器，具有高温度稳定系数。

本发明的有益效果：

本发明的野外分立式地震数字记录仪器，通过检波器将震动信号的物理量转换成电信号，输入到接口电路，采取相应的处理措施后，送至采样保持器进行采样保持、再将子样送至A/D转换器将模拟量转换成数字量，A/D转换器的位数根据实际需要选用，再送至存储器作为原始数据永久保存起来。同时也可根据实际需要，将相关数据以不同的传输方式（有线、光纤、无线、WiFi等方式）传输到终端处，完成对地震信号物理量（物理参数）的实时监控。

本发明的记录仪选用先进的电子器件：体积小、重量轻、噪音低、功耗低，并且多为通用器件，以提高产品的可靠性和适应相应的工作环境，用作地震数据记录时，因为在野外并且在不同的地域使用，所以则要求其工作温度与存放温度为—40°C～+70°C，并且要求其必须防尘、防水、耐冲击、抗震，高稳定性、高可靠性。

本发明能够应用到自然灾害的监控与前期报警：如泥石流的监控、地震监控等，该数据采集平台永久保存各种原始数据。由于采用的是数字记录，因此在数据传输、转录、复制过程中，始终保存原始数据的原样不变。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中接口电路的电路图。

图3是本发明中采样保持器的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种野外分立式地震数字记录仪器，它包括检波器、接口电路、采样保持器、A/D转换器、CPU、GPS模块和数据存储器，所述的检波器用于检测地震波信号，检波器的信号输出端与接口电路的信号输入端相连，所述的接口电路的信号输出端连接采样保持器的信号输入端，采样保持器的信号输出端与A/D转换器的信号输入端相连，A/D转换器的信号输出端与数据存储器相连，数据存储器的时钟信号输入端与GPS模块的信号输出端相连，该GPS模块与天线相连，采样保持器、A/D转换器、GPS模块和数据存储器的控制信号端与CPU的对应控制信号端相连。

其中，采样保持器：对检波器采集的模拟量进行采样，其采样频率根据相应的需求而定，一般来说，被采样信号的频率越高，则采样频率也就越高，即采样间隔也就越小。为不失真地保持原有信号的频率成分，其采样频率必须符合采样定理：即△t≤1/2fmax（△t为采样间隔，fmax为被采样信号的最高频率）。例如地震勘探中，地震信号的频率为125Hz，则△t为4ms即可满足采样定理，而实际工作中，△t为2ms甚至1ms，其目的是更为保险其信号的频率成分，但随着采样间隔的缩小即采样频率的提高，其数据也会成倍翻番，实际工作中只要满足相应的需求即可。同时经采样后还需将所采集的子样的信号电压保持。

A/D转换器：将子样信号换成二进制数，A/D转换器的位数和转换速度根据实际工作需要选用，位数越多则精度越高，采样频率越高则要求速度越快，当然成本也就随之增加。例如用作地震数据记录时，其A/D转换器的位数就目前来说则是24位。

GPS模块（天线、芯片组）：记录该采集平台所采集样品数据的地理坐标和GPS时间。

存储器：按照相应行业的数据记录格式要求存储相关数据。例如用作地震数据记录时，则要求记录成SEG-Y格式（当然也可在最终数据终端完成相应格式的转换）。

电源（电池和电源变换）：给数据采集平台提供多组不同数值的电压，例如：3.6V、﹢5V、﹣5V等。

数据传输及USB口：根据实际使用需要，选取不同的传输方式（有线、无线、WiFi、光纤等）将相关数据传输出；USB口给内部电池充电和数据输出。

显示LED:显示采集平台工作状态（例如供电是否正常、采集平台本身工作是否正常、GPS信号是否接收到、传感器是否工作正常）。

如图2所示，本发明专利的接口电路包括由二极管D1、D2构成的输入限幅单元，由放大器A1、可调电阻R1、增益开关S1、电阻R3、R4构成的基本放大级，由电阻R5和二极管D3-D7构成的输出限幅单元，由电阻R6、R7、电容C1、C2和放大器A2构成的第一有源低通滤波单元，由电阻R8、R9、电容C3、C4和放大器A3构成的第二有源低通滤波单元以及由电阻R10、R11、电容C5、C6和放大器A4构成的有源高通滤波单元，输入限幅单元的信号输入端即二极管D1的正极与二极管D2的负极的连接点作为接口电路的输入，与检波器的对应输出端相连，同时与放大器A1的同相比例信号输入端相连，放大器A1的反相比例信号输入端串接电阻R2后接地，可调电阻R1并接在电阻R2的两端，用于调节增益，放大器A1的反相比例信号输入端与可调电阻R1、电阻R2的连接点串接电阻R3、R4后接放大器A1的输出端，增益开关S1并接在电阻R4的两端，用于增益控制。二极管D1的负极接正电源，二极管D2的正极接负电源，用于控制输入限幅单元的幅度。放大器A1的输出与输出限幅单元的输入即电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端接二极管D3-D7构成的整流桥式限幅单元，整流桥的另一端接地。电阻R5和整流桥的连接点作为限幅单元的输出与第一有源低通滤波单元的输入即电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端接电阻R7的一端和电容C1的一端，电阻R7的另一端接放大器A2的同相比例信号输入端，电容C1的另一端接放大器A2的输出端，电阻R7与放大器A2的连接点与电容C2连接后接地。放大器A2的输出作为第一有源低通滤波单元的输出与第二有源低通滤波单元的输入即电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端接电阻R9的一端和电容C3的一端，电阻R9的另一端接放大器A3的同相比例信号输入端，电容C3的另一端接放大器A3的输出端，电阻R9与放大器A3的连接点与电容C4连接后接地，放大器A3的输出作为第二有源低通滤波单元的输出与有源高通滤波单元的输入即电容C5的一端相连，电容C5的另一端接电阻R10的一端和电容C6的一端，电容C6的另一端接放大器A4的同相比例信号输入端，电阻R10的另一端接放大器A4的输出端，电容C6与放大器A4的连接点与电阻R11连接后接地，放大器A4的输出即有源高通滤波单元的输出作为接口电路的输出与采样保持电路的输入端相连。

接口电路的作用是：对检波器所检测到的微弱的地震信号进行放大、并滤除其不需要的频率成分。

1）、基本放大级：图中的A1为低噪音、宽温度范围的运算放大器。A1为基本放大级，为了防止输入信号过大引起阻塞，在基本放大级A1的输入端设有由D1、D2构成的输入限幅器、在其输出端设有由D3～D6、D7（齐纳二极管）构成的输出限幅器。开关S1控制放大器的增益，R1微调本级增益，其目的是使所有放大器的增益一致。

2）、二阶有源低通滤波器：图中的A2为闭环增益等于1的运算放大器，R6、C1；R7、C2决定了滤波器的低通频率，C1的下端不接地而与A2的输出端相连接，这样信号便通过C1引入了“适当的”正反馈，使滤波特性从通带到阻带更接近理想。可以通过增加或减少滤波器组件的级数改变其滤波陡度。

3）、有源高通滤波器：图中的A4为闭环增益等于1的运算放大器，R10、C5；R11、C6决定了滤波器的高通频率，其工作原理与有源低通滤波器相似，不再赘述。

如图3所示，本发明专利的采样保持器由闭环增益等于1的运算放大器A5、采样保持电子开关K、保持电容器C7、闭环增益等于1的运算放大器A6构成。采样保持器的输入端与接口电路的输出端相连接，采样保持器的输出端与A/D转换器输入端相连接。

采样保持器的作用是：保持信号电压的幅度值不变而仅在时间上给予展宽，以满足A/D转换器在工作时间上的要求。

采样保持器的工作原理是：接口电路输出信号时，采样保持开关K在CPU输出的采样命令的控制下，使采样保持开关K接通一定的时间，让信号电压对保持电容器C充电到其幅度值，这一过程称之为采样。接着采样保持开关K又在CPU输出的保持命令的控制下断开，保持电容器C上的信号电压值保持不变，以供A/D转换器转换，直至转换完成为止，这一过程称之为保持。采样保持器的实质就是利用保持电容器的作用，使得信号电压的幅度值保持不变，以满足A/D转换器在工作时间上的要求。

本发明专利未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种野外分立式地震数字记录仪器，其特征是它包括检波器、接口电路、采样保持器、A/D转换器、CPU、GPS模块和数据存储器，所述的检波器用于检测地震波信号，检波器的信号输出端与接口电路的信号输入端相连，所述的接口电路的信号输出端连接采样保持器的信号输入端，采样保持器的信号输出端与A/D转换器的信号输入端相连，A/D转换器的信号输出端与数据存储器相连，数据存储器的时钟信号输入端与GPS模块的信号输出端相连，该GPS模块与天线相连，采样保持器、A/D转换器、GPS模块和数据存储器的控制信号端与CPU的对应控制信号端相连。

2.根据权利要求1所述的野外分立式地震数字记录仪器，其特征所述的接口电路包括由二极管D1、D2构成的输入限幅单元，由放大器A1、可调电阻R1、增益开关S1、电阻R3、R4构成的基本放大级，由电阻R5和二极管D3-D7构成的输出限幅单元，由电阻R6、R7、电容C1、C2和放大器A2构成的第一有源低通滤波单元，由电阻R8、R9、电容C3、C4和放大器A3构成的第二有源低通滤波单元以及由电阻R10、R11、电容C5、C6和放大器A4构成的有源高通滤波单元，输入限幅单元的信号输入端即二极管D1的正极与二极管D2的负极的连接点作为接口电路的输入，与检波器的对应输出端相连，同时与放大器A1的同相比例信号输入端相连，放大器A1的反相比例信号输入端串接电阻R2后接地，可调电阻R1并接在电阻R2的两端，用于调节增益，放大器A1的反相比例信号输入端与可调电阻R1、电阻R2的连接点串接电阻R3、R4后接放大器A1的输出端，增益开关S1并接在电阻R4的两端，用于增益控制，二极管D1的负极接正电源，二极管D2的正极接负电源，用于控制输入限幅单元的幅度，放大器A1的输出与输出限幅单元的输入即电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端接二极管D3-D7构成的整流桥式限幅单元，整流桥的另一端接地，电阻R5和整流桥的连接点作为限幅单元的输出与第一有源低通滤波单元的输入即电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端接电阻R7的一端和电容C1的一端，电阻R7的另一端接放大器A2的同相比例信号输入端，电容C1的另一端接放大器A2的输出端，电阻R7与放大器A2的连接点与电容C2连接后接地，放大器A2的输出作为第一有源低通滤波单元的输出与第二有源低通滤波单元的输入即电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端接电阻R9的一端和电容C3的一端，电阻R9的另一端接放大器A3的同相比例信号输入端，电容C3的另一端接放大器A3的输出端，电阻R9与放大器A3的连接点与电容C4连接后接地，放大器A3的输出作为第二有源低通滤波单元的输出与有源高通滤波单元的输入即电容C5的一端相连，电容C5的另一端接电阻R10的一端和电容C6的一端，电容C6的另一端接放大器A4的同相比例信号输入端，电阻R10的另一端接放大器A4的输出端，电容C6与放大器A4的连接点与电阻R11连接后接地，放大器A4的输出即有源高通滤波单元的输出作为接口电路的输出与采样保持电路的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的野外分立式地震数字记录仪器，其特征是所述的电阻R均为精密电阻器，精度为千分之一。

4.根据权利要求1所述的野外分立式地震数字记录仪器，其特征是所述的电容C均为精密电容器，具有高温度稳定系数。

5.根据权利要求1所述的野外分立式地震数字记录仪器，其特征所述的采样保持器包括运算放大器A5、电阻R12-15、采样保持电子开关K、保持电容器C7和运算放大器A6，运算放大器A5的同相比例信号输入端作为采样保持器的输入与接口电路的输出端相连接，运算放大器A5的反相比例信号输入端串接电阻R12后接地，运算放大器A5的反相比例信号输入端和输出端之间并联电阻R13，运算放大器A5的输出端接采样保持电子开关K的一端，采样保持电子开关K的另一端接运算放大器A6的同相比例信号输入端，同时接保持电容器C7后接地，运算放大器A6的反相比例信号输入端串接电阻R14后接地，运算放大器A6的反相比例信号输入端和输出端之间并联电阻R15，运算放大器A6的输出端作为采样保持器的输出与A/D转换器的信号输入端相连接。