CN105629326A - 微地震监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微地震监测传感器，包括传感器探头和传感器主机，传感器探头由加速度传感器探头和地声探头组成，加速度传感器探头由传感器探头壳体、MCU微控制器、加速度传感器、地磁传感器、传感器探头印制电路板、导线及固体填充物组成，地声探头由地声探头壳体、声音传感器、功率放大器、地声探头印制电路板、导线及固体填充物组成，传感器主机由主机壳体、主机印制电路板、无线信号传输电路和电源组成；本发明实现了地震信号的全面监测，提高了地震监测的精确度、可靠性和稳定性，不仅安装方便而且使得地震监测前端设备实现信息化和智能化。

Description

微地震监测传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种微地震监测传感器。

背景技术

我国位于世界两大地震带――环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地理位置决定了地震频发且部分震灾较为严重，给人民生活带来极大影响和重大经济损失，因此地震监测技术一直是研究的热点。

只要有矿山开采行为，就会形成采空区，而且是采多少矿石或煤炭就会形成多少立方米的采空区，近几年每年的煤炭及矿石产量在数亿吨以上，因采矿造成的采空区及由此引发的地质沉陷灾害，在面积上呈扩大趋势，受灾人口也是逐年增加，若发生地震后果将不堪设想。

现有的地震传感器的实现原理主要采用两种方式，一种是电磁感应式传感器，由电感线圈、磁体、铁心、弹片、信号处理电路、信号传输电路及外壳组成，当安装地点位置发生变化时，线圈在磁回路中做重复运动，切割磁力线输出振动信号。另一种是采用基于微机电系统（MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem）的加速度传感器，当安装地点位置发生变化时，将振动的机械波信号转换成加速度信号，再通过信号放大电路、模拟数字转换电路将信号输出，实现对地震的监测。

但现有的地震监测仪器和设备普遍具有以下缺点：(1)承载传感器单一，普遍采用一种传感器；(2)传感器采用电缆方式输出模拟信号，抗干扰性能差、准确度低；(3)不能全方位接收地震前兆信号；（4）不能对多种前兆信号进行联合处理、运算，实现智能判断。

发明内容

本发明的目的就是提供一种微地震监测传感器，克服上述已有技术的不足，提供一种基于两种传感检测方式、数字信号输出、无线电传输信号及多类型数据联合计算分析的智能地震传感器。

本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：

一种微地震监测传感器，其特征在于：包括传感器探头和传感器主机，所述传感器探头由加速度传感器探头和地声探头组成，所述加速度传感器探头由加速度传感器探头壳体、MCU微控制器、加速度传感器、地磁传感器、传感器探头印制电路板、导线及固体填充物组成，加速度传感器探头壳体底部用螺丝固定传感器探头印制电路板，加速度传感器、MCU微控制器和地磁传感器焊接于传感器探头印制电路板上，加速度传感器探头壳体内部其余空间用固体填充物填充；所述地声探头由地声探头壳体、声音传感器、功率放大器、地声探头印制电路板、导线及固体填充物组成，所述地声探头印制电路板用胶粘于地声探头壳体上，功率放大器和声音传感器焊接于地声探头印制电路板上；传感器主机由主机壳体、主机印制电路板、无线信号传输电路和电源组成，主机壳体底部用螺丝固定主机印制电路板，无线信号传输电路和电源焊接于主机印制电路板上；所述加速度传感器探头的MCU微控制器的UART串口和传感器主机的无线信号传输电路16的UART串口引脚通过电缆连接，加速度传感器探头的电源输入端口连接至传感器主机的电源输出端口，地声探头的功率放大器的信号输出引脚和地连接至传感器主机的无线信号传输电路的ADC的输入端口，地声探头的电源输入端口连接至传感器主机的电源输出端口。

所述加速度传感器采用美国InvenSense公司的MPU6050型MEMS加速度传感器，供电电压为2.375V-3.46V，量程为±16g，内部集成16位ADC实现3轴加速度的同步采样，低通滤波器可编程响应频率范围为5-260Hz，信号输出采用I2C数字信号，输出波特率可编程范围为4-1000Hz；

所述MCU微控制器采用ST公司的STM32F103芯片，供电电压为2.0-3.6V，运算频率为72MHz，内置FLASH为64K，内置SRAM为20K；

所述地磁传感器采用美国Honeywell公司的HMC5883，供电电压为2.16-3.6V，内部集成12位ADC和低噪声AMR传感器，量程为±8gauss，信号输出采用I2C数字信号，测量速率最大160Hz；

所述MPU6050芯片的第6脚（AUXDA）连接所述HMC5883芯片的第16脚（SDA），MPU6050芯片的第7脚（AUX_SCL）连接HMC5883芯片的第2脚（SCL），MPU6050芯片的第11脚（FSYNC）连接STM32F103芯片的第14脚（PA7），MPU6050芯片的第12脚（INT）连接STM32F103芯片的第13脚（PA6），MPU6050芯片的第23脚（SCL）连接STM32F103芯片的第33脚（PB6），MPU6050芯片的第24脚（SDA）连接STM32F103芯片的第34脚（PB7），HMC5883芯片的第15脚（DRDY）连接STM32F103芯片的第12脚（PA5），MPU6050芯片的电源引脚和地引脚与SMT32F103芯片的电源引脚和地引脚对应连接，同时对应连接HMC5883芯片的对应电源和地引脚，SMT32F103芯片的第9脚和第10脚作为USART信号输出输入引脚与电源和地引脚共同构成加速度传感器探头的引出导线。

所述声音传感器采用4522P型双电容全指向驻极体电容咪头，谐振频率范围为20-16,000Hz，操作电压范围为2-10V，信噪比大于等于58dBA，灵敏度为-36dB～-50dB；

所述功率放大器采用美国TexasInstruments公司的LM386型低电压功率放大器，供电范围为5-18V，电压增益为20到200，失真度为0.2%，通过LM386型低电压功率放大器的第3脚连接4522P型双电容全指向驻极体电容咪头的正极，以及在LM386型低电压功率放大器其他管脚连接电容和电阻实现声音信号的放大和滤波，LM386型低电压功率放大器的输出端引脚和电源、地引脚通过导线引出地声探头。

所述无线信号传输电路采用美国DigiInternational公司的XBee-PRO(S2)模组，XBee-PRO(S2)模组采用Ember公司EM250芯片，EM250芯片采用Zigbee通信协议且内部集成MCU控制器，XBee-PRO(S2)模组供电电压为2.1-3.6V，无线电传输距离大于100m，具有UART通信接口以及ADC模数转换器。

本发明的有益效果是：

(1)本发明实现了地震振动和声音的同时监测，克服了现有监测的单一性，实现了地震信号的全面监测；

(2)本发明实现了地震信号监测的数字化，提高了地震监测的精确度，最大幅度地降低了地震信号传输的噪声，提高了地震监测信号的抗干扰性；

(3)本发明通过地震信号的综合监测和智能算法，实现了地震监测前端设备的智能化；

(4)本发明通过无线电传输数字信号，特别提高了在矿山采空区监测地震的稳定性和可靠性以及安装方便性。

附图说明

图1为本发明机械结构示意图；

图2为本发明中加速度传感器探头电路连接示意图；

图3为本发明中地声探头电路连接示意图；

图4为本发明中传感器主机电路连接示意图。

图中：1、传感器主机；2、加速度传感器探头；3、地声探头；4、加速度传感器探头壳体；5、MCU微控制器；6、加速度传感器；7、地磁传感器；8、传感器探头印制电路板；9、固体填充物；10、地声探头壳体；11、声音传感器；12、功率放大器；13、地声探头印制电路板；14、主机壳体；15、主机印制电路板；16、无线信号传输电路；17、电源；18、电缆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的阐述：

一种微地震监测传感器，如图1所示，包括传感器探头和传感器主机1，传感器探头由加速度传感器探头2和地声探头3组成；加速度传感器探头2由加速度传感器探头壳体4、MCU微控制器5、加速度传感器6、地磁传感器7、传感器探头印制电路板8、导线及固体填充物9组成，加速度传感器探头壳体4采用不锈钢材料制成，在其底部用螺丝固定传感器探头印制电路板8，MCU微控制器5、加速度传感器6、和地磁传感器7焊接于传感器探头印制电路板8上，加速度传感器探头壳体4内部其余空间用固体填充物9填充；

MCU微控制器5采用ST公司的STM32F103芯片，供电电压为2.0-3.6V，运算频率为72MHz，内置FLASH为64K，内置SRAM为20K；

加速度传感器6采用美国InvenSense公司的MPU6050型MEMS加速度传感器，供电电压为2.375V-3.46V，量程为±16g，内部集成16位ADC实现3轴加速度的同步采样，低通滤波器可编程响应频率范围为5-260Hz，信号输出采用I2C数字信号，输出波特率可编程范围为4-1000Hz；

地磁传感器7采用美国Honeywell公司的HMC5883，供电电压为2.16-3.6V，内部集成12位ADC和低噪声AMR传感器，量程为±8gauss，信号输出采用I2C数字信号，测量速率最大160Hz；

传感器探头印制电路板8负责固定各元器件及各元器件之间的电气物理连接，具体的电路连接如图2所示；

MPU6050芯片的第6脚（AUXDA）连接HMC5883芯片的第16脚（SDA），MPU6050芯片的第7脚（AUX_SCL）连接HMC5883芯片的第2脚（SCL），MPU6050芯片的第11脚（FSYNC）连接STM32F103芯片的第14脚（PA7），MPU6050芯片的第12脚（INT）连接STM32F103芯片的第13脚（PA6），MPU6050芯片的第23脚（SCL）连接STM32F103芯片的第33脚（PB6），MPU6050芯片的第24脚（SDA）连接STM32F103芯片的第34脚（PB7），HMC5883芯片的第15脚（DRDY）连接STM32F103芯片的第12脚（PA5），MPU6050芯片的电源引脚和地引脚与SMT32F103芯片的电源引脚和地引脚对应连接，同时对应连接HMC5883芯片的对应电源和地引脚，SMT32F103芯片的第9脚和第10脚作为USART信号输出输入引脚与电源和地引脚共同构成加速度传感器探头的引出导线；通过向SMT32F103芯片写于预定算法的程序实现对MPU6050芯片和HMC5883芯片数据的采集、计算以及与传感器主体机身通信的功能。

地声探头3由地声探头壳体10、声音传感器11、功率放大器12、地声探头印制电路板13、导线及固体填充物组成，地声探头壳体10采用不锈钢材料制成，地声探头印制电路板13用胶粘于地声探头壳体10上，声音传感器11和功率放大器12焊接于地声探头印制电路板13上，地声探头壳体10内部其余空间同样采用固体填充物填充；

声音传感器11采用4522P型双电容全指向驻极体电容咪头，谐振频率范围为20-16,000Hz，操作电压范围为2-10V，信噪比大于等于58dBA，灵敏度为-36dB～-50dB。

功率放大器12采用美国TexasInstruments公司的LM386型低电压功率放大器，供电范围为5-18V，电压增益为20到200，失真度为0.2%。通过功率放大器LM386的第3脚（信号输入）连接4522P型双电容咪头的正极，以及在LM386其他管脚连接电容和电阻实现声音信号的放大和滤波，LM386的输出端引脚和电源、地引脚通过导线引出地声探头，具体电路如图3所示。

传感器主机1由主机壳体14、主机印制电路板15、无线信号传输电路16以及电源17组成，主机壳体14采用塑料制成，底部用螺丝固定主机印制电路板15，无线信号传输电路16和电源17焊接于印制电路板上；电源17采用2块集成电路芯片TP54231实现12V转5V、12V转3.3V两路电源输出，TP54231连接方式依据芯片数据手册中建议电路连接；无线信号传输电路16采用美国DigiInternational公司的XBee-PRO(S2)模组，XBee-PRO(S2)模组采用Ember公司EM250芯片，EM250芯片采用Zigbee通信协议且内部集成MCU控制器，XBee-PRO(S2)模组供电电压为2.1-3.6V，无线电传输距离大于100m，具有UART通信接口以及ADC模数转换器，该模组自带无线天线，供电使用电源17中的3.3V供电，无线信号传输电路16的UART串口引脚通过电缆18连接加速度传感器探头2的MCU微控制器5的UART引脚，无线信号传输电路16的ADC连接引脚通过电缆连接地声探头3的功率放大器12的信号输出引脚，电源17的5V输出通过电缆连接加速度传感器探头2和地声探头3的电源引脚，具体的电路连接如图4所示。

微地震监测传感器按照上述工艺安装完成后，接通电源，将预编制的软件固件下载至MCU微控制器5和无线信号传输电路16中；在对地震监测时，将加速度传感器探头2和地声探头3埋入地下固定位置，传感器主机1安装于地面上，计算机连接传感器主机1的无线信号传输电路16的适配器，当地下如果有振动发生时，可同时监测监测点位置的加速度信号、地磁信号和地声信号，通过计算机上的配套软件接收传感器主机1预制程序算法对地震信号进行智能分析计算并显示该监测点的地震形变、声音信号和分析结果，实现相对现有地震监测设备更准确的监测地震。

Claims (4)

1.一种微地震监测传感器，其特征在于：包括传感器探头和传感器主机（1），所述传感器探头由加速度传感器探头（2）和地声探头（3）组成，所述加速度传感器探头（2）由加速度传感器探头壳体（4）、MCU微控制器（5）、加速度传感器（6）、地磁传感器（7）、传感器探头印制电路板（8）、导线及固体填充物（9）组成，加速度传感器探头壳体（4）底部用螺丝固定传感器探头印制电路板（8），MCU微控制器（5）、加速度传感器（6）和地磁传感器（7）焊接于传感器探头印制电路板（8）上，加速度传感器探头壳体（4）内部其余空间用固体填充物（9）填充；所述地声探头（3）由地声探头壳体（10）、声音传感器（11）、功率放大器（12）、地声探头印制电路板（13）、导线及固体填充物组成，所述地声探头印制电路板（13）用胶粘于地声探头壳体（10）上，声音传感器（11）和功率放大器（12）焊接于地声探头印制电路板（13）上；传感器主机（1）由主机壳体（14）、主机印制电路板（15）、无线信号传输电路（16）和电源（17）组成，主机壳体（14）底部用螺丝固定主机印制电路板（15），无线信号传输电路（16）和电源（17）焊接于主机印制电路板（15）上；所述加速度传感器探头（2）的MCU微控制器（5）的UART串口和传感器主机（1）的无线信号传输电路（16）的UART串口引脚通过电缆（18）连接，加速度传感器探头（2）的电源输入端口连接至传感器主机（1）的电源（17）输出端口，地声探头（3）的功率放大器（12）的信号输出引脚和地连接至传感器主机（1）的无线信号传输电路（16）的ADC的输入端口，地声探头（3）的电源输入端口连接至传感器主机（1）的电源（17）输出端口。

2.根据权利要求1所述的微地震监测传感器，其特征在于：所述加速度传感器（6）采用美国InvenSense公司的MPU6050型MEMS加速度传感器，内部集成16位ADC实现3轴加速度的同步采样，低通滤波器可编程响应频率范围为5-260Hz，信号输出采用I2C数字信号，输出波特率可编程范围为4-1000Hz；所述MCU微控制器（5）采用ST公司的STM32F103芯片；所述地磁传感器（7）采用美国Honeywell公司的HMC5883，内部集成12位ADC和低噪声AMR传感器；所述MPU6050芯片的第6脚（AUXDA）连接所述HMC5883芯片的第16脚（SDA），MPU6050芯片的第7脚（AUX_SCL）连接HMC5883芯片的第2脚（SCL），MPU6050芯片的第11脚（FSYNC）连接STM32F103芯片的第14脚（PA7），MPU6050芯片的第12脚（INT）连接STM32F103芯片的第13脚（PA6），MPU6050芯片的第23脚（SCL）连接STM32F103芯片的第33脚（PB6），MPU6050芯片的第24脚（SDA）连接STM32F103芯片的第34脚（PB7），HMC5883芯片的第15脚（DRDY）连接STM32F103芯片的第12脚（PA5），MPU6050芯片的电源引脚和地引脚与SMT32F103芯片的电源引脚和地引脚对应连接，同时对应连接HMC5883芯片的对应电源和地引脚，SMT32F103芯片的第9脚和第10脚作为USART信号输出输入引脚与电源和地引脚共同构成加速度传感器探头（2）的引出导线。

3.根据权利要求1所述的微地震监测传感器，其特征在于：所述声音传感器（11）采用4522P型双电容全指向驻极体电容咪头；所述功率放大器（12）采用美国TexasInstruments公司的LM386型低电压功率放大器，通过LM386型低电压功率放大器的第3脚连接4522P型双电容全指向驻极体电容咪头的正极，以及在LM386型低电压功率放大器其他管脚连接电容和电阻实现声音信号的放大和滤波，LM386型低电压功率放大器的输出端引脚和电源、地引脚通过导线引出地声探头（3）。

4.根据权利要求1所述的微地震监测传感器，其特征在于：所述无线信号传输电路（16）采用美国DigiInternational公司的XBee-PRO模组，XBee-PRO模组采用Ember公司EM250芯片，EM250芯片采用Zigbee通信协议且内部集成MCU控制器，具有UART通信接口以及ADC模数转换器。