CN106338779A - 一种便携式高精度动圈检波器性能测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式高精度动圈检波器性能测试装置和方法，包括硬件调理电路以及多路电子开关、ADC、DAC、FPGA、信号发生器、触发开关和USB接口，在FPGA发信号对硬件调理电路以及多路电子开关进行控制，选择不同的信号通道。激励信号通过硬件调理电路以及多路电子开关加在待测检波器的两个电极。检波器的输出信号通过两个电极，经硬件调理电路以及多路电子开关送给ADC，数字化后的数据送给FPGA。FPGA对数据进行计算得到检波器有关参数，发送给USB接口。USB接口可以接存储器或通过电缆连接至PC机或笔记本电脑，信号发生器在FPGA的信号控制下，发给DAC，输出模拟激励信号给硬件调理电路以及多路电子开关。本发明可以提高测试精度及集成度、增加便携性。

Description

一种便携式高精度动圈检波器性能测试装置和方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探、地震勘探以及检波器测试的技术领域，具体涉及一种便携式高精度动圈检波器性能测试装置和方法。

背景技术

地震勘探，是地球物理资源勘探的最重要的方法。通常使用人工激发地震波，用检波器检测反射波，再数字化，从而得出地质结构剖面图。目前陆上地震勘探使用的传感器主要是动圈式电磁感应传感器(动圈检波器)，国内在用估计有千万只。一般，一套大规模石油地震勘探仪器，通常需要数千乃至数万只检波器。而其中欠阻尼动圈式地震检波器(其阻尼系数<1)的使用是最早的，同时使用频率也是最高的。关于欠阻尼动圈式地震检波器的性能测试，我国石油天然气行业标准文献[SY/T 5046-2005]给出了测试方法，测试设备包含振动台、频率计、相位计、信号发生器、标准振动传感器等。其中，自然频率测试采用的是共振法的原理，即将检波器置于振动台上，通过扫频信号发生器输出不同频率的正弦波信号，当连接检波器及信号发生器的相位计显示为零时，即发生共振，此时频率计上显示的数值即为检波器的自然频率。此类测试精度较高，但因振动台等大而重的设备不适合来回搬运，从而无法满足野外作业随时对检波器进行测试的要求。

为能解决野外作业现场对欠阻尼动圈检波器的性能测试，在上个世纪80年代，美国I/O公司推出了SMT-100地震检波器测试仪，该款测试仪包含I/O板、数据模块卡、数字板、模拟板及漏电测试板等。虽然满足野外测试的需求，但其集成度并不高且体积较大。在1997年10月美国I/O公司又推出了当时体积最小的测试仪SMT-200。SMT-200测试仪采用了模块化结构，以PC/104计算机板为核心，包括用于操作的主机、各种接口、各类配备部件及软件。

国产检波器测试仪有石油地球物理勘探局装备制造总厂生产的GT-7006检波器测试仪、北京昌普新有限公司生产的GT-7100检波器测试仪，等多种品牌。这些仪器大多采用的是基于ARM的嵌入式系统，或以微型计算机或是单片机作为核心，主要也是采用共振法原理，测试算法是基于软件实现的。仪器内部的核心信号采集芯片采用的是16bit或24bit模数转换器ADC。

发明内容

本发明的目的：第一，进一步提高模数转换器的精度，降低量化噪声,提高动态范围。第二，减小仪器体积，提高集成度，增加便携性，以适用于野外现场对检波器进行测试。第三，提高仪器可靠性，改进基于单片机或CPU的软件程序易受干扰而死机的问题。

本发明采用的技术方案为：一种便携式高精度动圈检波器性能测试装置，该装置包括硬件调理电路以及多路电子开关U1、模数转换器ADC、数模转换器DAC、FPGA、信号发生器U2、触发开关U3和USB接口；硬件调理电路以及多路电子开关U1在FPGA发信号对多路开关进行控制，选择不同的信号通道，激励信号通过硬件调理电路以及多路电子开关U1加在待测检波器的两个电极，待测检波器的输出信号通过两个电极后经硬件调理电路以及多路电子开关U1送给模数转换器ADC，经过模数转换器ADC数字化后的数据送给FPGA，FPGA对数据进行计算得到测试结果，将测试结果数据按照通讯协议发送给USB接口，USB接口可以接存储器或通过电缆连接至PC机或笔记本电脑；信号发生器U2存储了多种高品质的数字信号码流，信号发生器U2在FPGA的信号控制下将数字信号码流发给数模转换器DAC，数模转换器DAC输出模拟激励信号给硬件调理电路以及多路电子开关U1，硬件调理电路以及多路电子开关U1将该激励信号输出给检波器，FPGA对DAC时序进行控制；触发开关U3是触发开关和开关按钮，按钮开关闭合，触发FPGA发出测试命令和控制时序，开始一次完整的检波器参数测试。

本发明还提供一种便携式高精度动圈检波器性能测试方法，利用上述的便携式高精度动圈检波器性能测试装置，该方法包括如下步骤：

步骤1、通过USB口，由主控电脑发测试命令，或通过触发开关U3按钮触发开始一次测试；

步骤2、在FPGA的控制下，通过硬件调理电路以及多路电子开关U1的信号激励模块和DAC产生直流电压，该直流电压输入给待测检波器的正负极，待测检波器线圈会产生电磁振动，过几秒时间，线圈趋于稳定；

步骤3、待测检波器的线圈振动稳定后，突然断开该激励源并以此为零时刻，由于之前直流电压或电流激励促使检波器内部的线圈位置提升，现又会因突然失去激励源而开始自由下落，其电压输出波形为一振幅成指数衰减的正弦波信号；

步骤4、取输出波形的第一个峰值幅度值和第二个峰值幅度值，则可以计算得检波器的阻尼比和自然频率等参数。

本发明的原理在于：

第一，核心信号采集模数转换器采用32位ADC。相比24位ADC，32位ADC具有更小的量化噪声及动态范围。

第二，采用直流激励法对动圈检波器的阻尼比、自然频率及灵敏度进行测试。直流激励法的核心算法在一片大容量现场可编程逻辑器件FPGA内实现，这是通过硬件逻辑实现各种测试算法，相比通过单片机、嵌入式CPU等基于软件算法的仪器，具有更好的运行稳定性和集成度。

直流激励法是通过信号激励模块产生直流电压，激励待测检波器，待其输出稳定后，突然断开该激励源并以此为零时刻。由于之前直流电压(电流)激励促使检波器内部的线圈位置提升，现又会因突然失去激励源而开始自由下落，其电压输出波形为一振幅成指数衰减的正弦波信号，取输出波形的第一个峰值幅度值和第二个峰值幅度值，则可以计算得检波器的阻尼比和自然频率。相比共振法，直流激励法所需要的设备更简单，将信号激励模块和采集处理模块集成到一块电路板上，即可以方便实现对动圈检波器自然属性的参数测试。这一点非常有利于携带并应用于野外测试。

第三，仪器供电采用内置锂电池或通过USB口由外设供电，同时可以通过USB口将测试得到的数据传输给PC机，方便、灵活和便携。

本发明与现有技术相比的优点和积极效果为：

(1)、本发明采用32位ADC作为测试核心模数转换芯片，可以提高测试精度。

(2)、本发明采用在一片大容量FPGA内部用硬件逻辑实现直流激励法算法，提高了仪器的稳定性和集成度，增加了便携性。特别适用于野外现场对检波器进行测试。

附图说明

图1为本发明测试仪电路元器件连接图；

图2为本发明的检波器测试方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，一种便携式高精度动圈检波器性能测试装置，连接关系如下：

U1是硬件调理电路以及多路电子开关，在FPGA发信号对多路开关进行控制，选择不同的信号通道。激励信号通过U1加在待测检波器的两个电极。检波器的输出信号通过两个电极，经U1送给ADC。

ADC是模数转换器，对检波器输出信号进过U1的测试电路后，进行数字化。ADC数字化后的数据送给FPGA。FPGA对数据按照通讯协议，发送给USB接口。USB接口可以接存储器或通过电缆连接至PC机或笔记本电脑。

U2是信号发生器，存储了多种高品质的数字信号码流。在FPGA的信号控制下，发给数模转换器DAC，输出模拟激励信号给U1。U1将该激励信号通过输出给检波器。FPGA对DAC时序进行控制。

U3是触发开关和开关按钮。按钮开关闭合，触发FPGA发出测试命令和控制时序，开始一次完整的检波器参数测试。

本发明的具体实施例：

U1采用具有低串扰和高隔离度的双路模拟开关MAX4718。U1里面还有一款信号放大器OPA211，这是一款超低噪声精密放大器。ADC采用ADS1282，这是32位Σ-Δ ADC，具有更高的模数转换精度。DAC采用DAC1280，这是一款低失真高信噪比的DAC。U2采用CS5376，这是信号发生器，固化了标准高品质信号码流数据的滤波器。FPGA选用5CEFA7F23I7N。USB驱动器选用CY7C68013A。

采用以上实施方式的元器件实现的测试仪，实际测试了多种检波器，与出厂标称值相比，误差都在允许范围内。采用本发明的测试仪对三种不同检波器的自然频率进行测试，测试数据如表1所示。可见，测试精度高，可以满足实际测试要求。

表1检波器自然频率测试数据

检波器型号	出厂标称值(Hz)	出厂误差	实测值(Hz)
				LGT20D40	40.0	±5％	40.77
LGT20D28	28.0	±3.5％	27.72
				LGT20D10	10.0	±5％	10.02

Claims (2)

1.一种便携式高精度动圈检波器性能测试装置，其特征在于：该装置包括硬件调理电路以及多路电子开关(U1)、模数转换器ADC、数模转换器DAC、FPGA、信号发生器(U2)、触发开关(U3)和USB接口；硬件调理电路以及多路电子开关(U1)在FPGA发信号对多路开关进行控制，选择不同的信号通道，激励信号通过硬件调理电路以及多路电子开关(U1)加在待测检波器的两个电极，待测检波器的输出信号通过两个电极后经硬件调理电路以及多路电子开关(U1)送给模数转换器ADC，经过模数转换器ADC数字化后的数据送给FPGA，FPGA对数据进行计算得到测试结果，将测试结果数据按照通讯协议发送给USB接口，USB接口可以接存储器或通过电缆连接至PC机或笔记本电脑；信号发生器(U2)存储了多种高品质的数字信号码流，信号发生器(U2)在FPGA的信号控制下将数字信号码流发给数模转换器DAC，数模转换器DAC输出模拟激励信号给硬件调理电路以及多路电子开关(U1)，硬件调理电路以及多路电子开关(U1)将该激励信号输出给检波器，FPGA对DAC时序进行控制；触发开关(U3)是触发开关和开关按钮，按钮开关闭合，触发FPGA发出测试命令和控制时序，开始一次完整的检波器参数测试。

2.一种便携式高精度动圈检波器性能测试方法，利用权利要求1所述的便携式高精度动圈检波器性能测试装置，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤1、通过USB口，由主控电脑发测试命令，或通过触发开关(U3)按钮触发开始一次测试；

步骤2、在FPGA的控制下，通过硬件调理电路以及多路电子开关(U1)的信号激励模块和DAC产生直流电压，该直流电压输入给待测检波器的正负极，待测检波器线圈会产生电磁振动，过几秒时间，线圈趋于稳定；

步骤3、待测检波器的线圈振动稳定后，突然断开该激励源并以此为零时刻，由于之前直流电压或电流激励促使检波器内部的线圈位置提升，现又会因突然失去激励源而开始自由下落，其电压输出波形为一振幅成指数衰减的正弦波信号；

步骤4、取输出波形的第一个峰值幅度值和第二个峰值幅度值，则可以计算得检波器的阻尼比和自然频率等参数。