CN106970270A - 一种长周期地电信号采集系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长周期地电信号采集系统及测量方法，不极化电极传感器，通过屏蔽电缆将地电差分信号输入；阻抗匹配与抗射频干扰电路，接受所述不极化电极传感器输入的信号，差分信号转单端信号电路，将地电差分信号转换成单端信号；巴特沃斯低通滤波电路，将单端信号进行低通滤波处理；2.5V基准电压源，与单端信号构成伪差分对信号；A/D驱动电路，接收伪差分对信号并输出至A/D转换电路转换成二进制数字信号；微控制器将二进制数字信号转换为带符号浮点型数字信号并通过串口通信隔离电路输出至上位机。本发明解决了由于不同地质条件下，采集电路和不极化电极参考电压不同而造成的地电信号漂移导致采集通道饱和的问题。

Description

一种长周期地电信号采集系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种地电信号采集系统及测量方法，具体涉及一种长周期地电信号采集系统及测量方法。

背景技术

随着我国深部探测计划的进行，同时为了了解岩石圈结构和大地构造情况，采集长周期地电信号对进一步完善大地电磁构造理论具有重要的意义。为完成此类项目需要完成能够采集长周期信号采集的装置，可靠的采集装置才能采集到可信的实验数据。长周期地电信号采集特点是，采集时间长，野外施工环境复杂，电磁干扰严重，噪声频谱丰富，因此需要长周期地电信号采集装置低噪声、低漂移、低功耗、抗干扰能力强。因此，本发明针对长周期地电信号的特点和施工特点设计了一种长周期地电信号采集系统及测量方法。

中国，屈栓柱在中国地质大学(北京)的硕士毕业论文《超长周期地电信号采集电路的设计与实现》中提出了24位A/D和具有数字滤波功能的长周期地电信号采集电路，实现了把人为和自然因素影响较大的0.1-10Hz的数据进行单独采集，提高信噪比和数据质量。但采集电路中没有考虑到在不同地质条件下，由于采集电路和不极化电极参考电压不同而造成的地电信号漂移导致采集通道饱和的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决当前长周期地电信号采集装置不稳定，对环境干扰敏感，电路设计针对性不强、采集通道易饱和等问题，而提供的一种长周期地电信号采集系统及测量方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种长周期地电信号采集系统，包括：

不极化电极传感器，通过屏蔽电缆将地电差分信号输入；

阻抗匹配与抗射频干扰电路，接受所述不极化电极传感器输入的信号，降低由于信号传输线路较长带来的射频干扰误差；

差分信号转单端信号电路，将经过所述阻抗匹配与抗射频干扰电路处理的地电差分信号转换成单端信号；

巴特沃斯低通滤波电路，将所述单端信号进行低通滤波处理；

2.5V基准电压电路，输出2.5V基准电压与所述经过低通滤波处理的单端信号构成伪差分对信号；

A/D驱动电路，接收伪差分对信号并输出至A/D转换电路转换成二进制数字信号；

微控制器，将二进制数字信号转换为带符号浮点型数字信号并通过串口通信隔离电路输出；

上位机，接收微控制器的输出信号，在所述上位机运行软件LabVIEW显示当前数据采集状态。

进一步地，所述2.5V基准电压电路统一为装置所在大地基准点、差分信号转单端信号电路、巴特沃斯低通滤波电路、A/D驱动电路和A/D转换电路提供2.5V基准电压。

进一步地，设定阻抗匹配与抗射频干扰电路的差分带宽和共模带宽，抗射频干扰滤波的-3dB差分带宽计算公式如式(1)所示，共模带宽计算公式如式(2)所示：

其中，BW_DIFF：差分带宽；BW_CM：共模带宽R：电阻R1和电阻R2之和，R1＝R2；C1：决定共模带宽的电容；C2：决定差模带宽的电容。

进一步地，地电差分信号经过阻抗匹配与抗射频干扰电路后分别输入差分信号转单端信号电路的同相输入端V_INP和反相输入端V_INN，根据差分信号转单端信号电路输入电阻R₃和反馈电阻R₄设定差模增益为4，并将差分地电信号转换成单端信号，参考端V_ref接2.5V基准电压电路。

进一步地，巴特沃斯低通滤波器为由运算放大器组成的两个四阶巴特沃斯低通滤波器，运算放大器的同相端参考电平接2.5V基准电压。

进一步地，单端地电信号经巴特沃斯低通滤波器输出进入A/D驱动电路，包括一电阻R₇和一电容C₆，根据后端A/D转换电路选择电阻R₇和电容C₆，电容C₆一端与电阻R₇连接后，另一端接2.5V基准电压电路。

进一步地，单端地电信号经A/D驱动电路后接入A/D转换电路伪差分同相端，伪差分反相端接2.5V基准电压电路。

进一步地，所述A/D转换电路为多路，每路A/D转换电路中A/D同步端分别接入二或门逻辑器件OR1和二或门逻辑器件OR2输入端，输出端二或门逻辑器件OR3输入端，当A/D转换数据都准备就绪时，二或门逻辑器件OR3输出端输出下降沿给微控制器。

进一步地，2.5V基准电压电路接入2.5V输出隔离电路输入端K1端，2.5V输出隔离电路输出端与匹配电阻R₈连接，经电容型的静噪滤波器NFE61PT472C1H9L后K2端接铁棒就近插入装置所在大地，为东西向或南北向不极化电极提供2.5V电压参考和地电压偏置。

一种长周期地电信号测量方法，其方法包括如下的步骤：

采集地电差分信号，通过屏蔽电缆将地电差分信号输入；

通过阻抗匹配与抗射频干扰降低由于信号传输线路较长带来的射频干扰误差；

将地电差分信号转换成单端信号；

将所述单端信号进行低通滤波处理；

输出2.5V基准电压与所述单端信号构成伪差分对信号；

接收伪差分对信号并输出转换成二进制数字信号；

将二进制数字信号转换为带符号浮点型数字信号并通过串口通信隔离后输出；

运行软件LabVIEW显示当前数据采集状态。

本发明有两种布极测量方式：

方式一、以本系统为中心，间距为50米，分别向地磁南、地磁北、地磁东、地磁西方向布置不极化电极，共四个不极化电极构成两对地电差分信号，每对不极化电极之间间距为100米。偏置电压铁棒就近插入大地。

方式二、以本系统为中心，并在系统位置就近布置四个不极化电极，然后以间距为50米，分别向地磁南、地磁北、地磁东、地磁西方向布置不极化电极，共八个不极化电极构成四对地电差分信号，每对不极化电极之间间距为50米。偏置电压铁棒就近插入大地。

本发明的电路原理是，每对不极化电极通过屏蔽电缆将地电差分信号输入给本系统，经阻抗匹配和抗射频干扰电路输出给差分信号转单端信号电路，差分信号转单端信号电路将差分信号转换为单端信号，该单端信号经过巴特沃斯低通滤波电路后与2.5基准电压构成伪差分对经A/D驱动电路输入到A/D转换电路，A/D转换电路采用外部2.5V基准电压电路，A/D转换电路将模拟信号转换成二进制数字信号，经SPI通信电路和A/D同步电路输出到微控制器，微控制器将二进制数字信号转换为带符号浮点型数字信号并通过串口通信隔离电路输出到PC，上位机软件LabVIEW显示当前数据采集状态。

本发明的有益效果是，电路结构简单，针对长周期地电信号特点设计采集系统。2.5V基准电压电路输出电路统一为仪器所在大地基准电压、差分信号转单端信号电路、巴特沃斯低通滤波电路、A/D驱动电路和A/D转换电路提供2.5V基准电压，并与经过仪表放大器后的单端地电信号构成伪差分对。地电信号从采集首端到末端都以2.5V基准电压为基准，使本装置外不极化电极产生的差分对信号以2.5V基准电压为基准产生相应幅度的地电信号，提高了本采集装置对环境的抗干扰程度，避免了由于不同地质条件下，采集电路和不极化电极参考电压不同而造成的地电信号漂移导致采集通道饱和的问题。同时，当由于长时间测量导致地电信号和2.5V基准电压变化时，而A/D转换电路采集单端地电信号与2.5V基准电压构成的伪差分信号，从而提高了采集装置的时间稳定性。

附图说明

图1为本发明所述系统的整体结构示意图；

图2为本发明所述系统中模拟信号调理及A/D转换电路示意图；

图3为本发明所述系统中阻抗匹配与抗射频干扰滤波电路示意图；

图4为本发明所述系统中差分信号转单端信号电路示意图；

图5为本发明所述系统中四阶巴特沃斯低通电路示意图；

图6为本发明所述系统中A/D驱动电路示意图；

图7为本发明所述系统中A/D同步电路示意图；

图8为本发明所述系统中2.5V输出隔离电路示意图。

1、不极化电极传感器；2、模拟电源供电部分；3、数字电源供电部分；4、模拟信号调理电路；5、A/D转换电路；6、2.5V基准源偏置部分；7、数字信号调理电路；8、微控制器；9、串口通信隔离电路；10、上位机；11、A/D同步电路；12、+5V外部电源 13、电压转换和隔离电路；14、2.5V基准源输出隔离电路；15、阻抗匹配与抗射频干扰滤波电路；16、差分信号转单端信号电路；17、巴特沃斯低通滤波电路；18、A/D驱动电路；19、2.5V基准电压电路；20、2.5V输出隔离电路；21、K1端；22、K2端；23、电源电路部分；24、铁棒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步地详细描述。

一种长周期地电信号采集系统，如图1结合图2所示，通过不极化电极传感器1，通过屏蔽电缆将地电差分信号输入，由模拟电源供电部分2与数字电源供电部分3和电源电路三大部分23组成。模拟电源供电部分2包括模拟信号调理电路4和A/D转换电路5中模拟电压部分，数字电源供电部分3包括数字信号调理电路7和A/D转换电路5中数字电压部分。采集系统在A/D转换电路5中实现数模隔离。模拟信号调理电路4包括阻抗匹配和抗射频干扰电路15与差分信号转单端信号电路16连接，差分信号转单端信号电路16与巴特沃斯低通滤波电路17连接，巴特沃斯低通滤波电路17与A/D驱动电路18连接，A/D驱动电路18与A/D转换电路5连接，A/D转换电路5经SPI通信和A/D同步电路11与微控制器8连接，微控制器8经串口通信隔离电路9与上位机10连接，2.5V基准电压电路19与2.5V输出隔离电路14连接，2.5V输出隔离电路14输出与铁棒24连接并接入大地，2.5V基准源偏置部分6是2.5V基准电压电路19统一为系统所在大地、差分信号转单端信号电路、巴特沃斯低通滤波电路、A/D驱动电路、A/D转换电路提供基准和偏置电压。整套采集系统由+5V外部电源12供电，电压转换和隔离电路13产生与+5V电压外部电源12隔离的系统电压，为采集系统提供所需的电能。具体地：

不极化电极传感器1通过屏蔽电缆将地电差分信号输入；

阻抗匹配与抗射频干扰电路15，接受不极化电极传感器输入的信号，降低由于信号传输线路较长带来的射频干扰误差；

差分信号转单端信号电路16，将经过所述阻抗匹配与抗射频干扰电路处理的地电差分信号转换成单端信号；

巴特沃斯低通滤波电路17，将所述单端信号进行低通滤波处理；

2.5V基准电压电路19，输出2.5V基准电压与所述经过低通滤波处理的单端信号构成伪差分对信号；

A/D驱动电路，接收伪差分对信号并输出至A/D转换电路转换成二进制数字信号；

微控制器，将二进制数字信号转换为带符号浮点型数字信号并通过串口通信隔离电路输出；

上位机，接收微控制器的输出信号，在所述上位机运行软件LabVIEW显示当前数据采集状态。

2.5V基准电压电路19输出电路统一为装置所在大地基准点、差分信号转单端信号电路、巴特沃斯低通滤波电路、A/D驱动电路和A/D转换电路提供2.5V基准电压。

本发明提供的长周期地电信号测量方法，其方法如下所述：

采集地电差分信号，通过屏蔽电缆将地电差分信号输入；

通过阻抗匹配与抗射频干扰降低由于信号传输线路较长带来的射频干扰误差；

将地电差分信号转换成单端信号；

将所述单端信号进行低通滤波处理；

输出2.5V基准电压与所述单端信号构成伪差分对信号；

接收伪差分对信号并输出转换成二进制数字信号；

将二进制数字信号转换为带符号浮点型数字信号并通过串口通信隔离后输出；

运行软件LabVIEW显示当前数据采集状态。

采用本发明系统实现周期地电信号测量的方法包括：

步骤一、将一对不极化电极1接收到的长周期地电信号分为两个支路经电容器类型的静噪滤波器NFE61PT472C1H9L接入阻抗匹配电路，静噪滤波器NFE61PT472C1H9L有很强的信号噪声隔离功能和噪声抑制效果。信号经阻抗匹配电路后进入抗射频干扰滤波器，这里用阻抗匹配与抗射频干扰滤波电路来实现，目的是降低由于信号传输线路较长带来的射频干扰误差。参见图3，阻抗匹配与抗射频干扰滤波电路中的抗射频干扰滤波器有两种不同的带宽：差分带宽和共模带宽。由于后端差分信号转单端信号电路单位增益条件下信号带宽为1KHz，共模带宽应小于仪表放大器单位增益条件下带宽的10％，所以设定抗射频干扰滤波器共模带宽为72Hz，又由于决定共模带宽的电容值C₁应为决定差模带宽的电容值C₂的10％或者更小，所以差模带宽为3.4Hz。抗射频干扰滤波器的-3dB差分带宽计算公式如式(1)所示，共模带宽计算公式如式(2)所示：

BW_DIFF：差分带宽；BW_CM：共模带宽R：电阻R1和电阻R2之和，R1＝R2；C1：决定共模带宽的电容；C2：决定差模带宽的电容；

步骤二、参见图4，地电差分信号经过抗射频干扰滤波后分别输入差分信号转单端信号电路的同相输入端V_INP和反相输入端V_INN，差分信号转单端信号电路包括输入电阻R3与反馈电阻R4，连接在一仪表放大器中，根据差分信号转单端信号电路输入电阻R₂和反馈电阻R₄设定仪表放大器差模增益为4，并将差分地电信号转换成单端信号，仪表放大器参考端V_ref接2.5V基准电压电路。差分信号转单端信号电路的输出信号V_OUT与增益计算公式如式(3)所示：

步骤三、参见图5，差分信号转单端信号电路输出后的单端地电信号进入由运算放大器ADA4528-2组成的两个四阶巴特沃斯低通滤波器，由于后端A/D转换器中设定采样率为1Hz，所以低通滤波器设定截止频率f_c为0.34Hz。ADA4528-2中的两个运算放大器同相端参考电平接2.5V基准电压电路。截止频率f_c计算公式如式(4)所示：

步骤四、参见图6，单端地电信号经巴特沃斯低通滤波器输出进入A/D驱动电路，根据后端A/D转换芯片ADS1263选择100欧姆电阻和1uF电容，1uF电容另一端接2.5V基准电压电路。

步骤五、单端地电信号经A/D驱动电路后接入A/D转换电路伪差分同相端，伪差分反相端接2.5V基准电压电路。A/D转换芯片采用外部基准电压源2.5V。A/D驱动电路中电阻R₇为100欧姆，电容C₆为1微法。

步骤六、参见图7，每路A/D转换电路中A/D同步端接分别接入二或门逻辑器件输入端OR1和二或门逻辑器件OR2输入端，输出分别接入二或门逻辑器件OR3输入端，当四路A/D转换器中A/D转换数据都准备就绪时，二或门逻辑器件OR3输出端OR3输出下降沿给微控制器,三个二或门逻辑器件组成A/D同步电路。

步骤七、参见图8，2.5V基准电压电路接入2.5V输出隔离电路20输入端K1,21，2.5V输出隔离电路20输出端与匹配电阻R₈连接，经电容型的静噪滤波器NFE61PT472C1H9L后K2端22接铁棒就近插入装置所在大地，为东西向(或南北向)不极化电极提供2.5V电压参考和地电压偏置。以避免在不同地质条件下，由于采集电路和不极化电极参考电压不同而造成的地电信号漂移导致采集通道饱和的问题。

步骤八、A/D转换电路输出与微控制器STM32L151C6T6连接，并建立SPI通讯，经微控制器数据格式转换后经串口通讯隔离电路接入上位机软件LabVIEW中，实现数据实时在线观测和分析等。至此，完成了长周期地电信号采集系统及测量方法的设计。

Claims (10)

1.一种长周期地电信号采集系统，其特征在于：包括：

不极化电极传感器，通过屏蔽电缆将地电差分信号输入；

阻抗匹配与抗射频干扰电路，接受所述不极化电极传感器输入的信号，降低由于信号传输线路较长带来的射频干扰误差；

差分信号转单端信号电路，将经过所述阻抗匹配与抗射频干扰电路处理的地电差分信号转换成单端信号；

巴特沃斯低通滤波电路，将所述单端信号进行低通滤波处理；

2.5V基准电压源，输出2.5V基准电压与所述经过低通滤波处理的单端信号构成伪差分对信号；

A/D驱动电路，接收伪差分对信号并输出至A/D转换电路转换成二进制数字信号；

微控制器，将二进制数字信号转换为带符号浮点型数字信号并通过串口通信隔离电路输出；

上位机，接收微控制器的输出信号，在所述上位机运行软件LabVIEW显示当前数据采集状态。

2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述2.5V基准电压电路统一为装置所在大地基准点、差分信号转单端信号电路、巴特沃斯低通滤波电路、A/D驱动电路和A/D转换电路提供2.5V基准电压。

3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，设定阻抗匹配与抗射频干扰电路的差分带宽和共模带宽，抗射频干扰滤波的-3dB差分带宽计算公式如式(1)所示，共模带宽计算公式如式(2)所示：

${\mathrm{BW}}_{DIFF}=\frac{1}{2\mathrm{\π}R(2C_2+C_1)}---\left(1\right)$

${\mathrm{BW}}_{CM}=\frac{1}{2{\mathrm{\πR}}_1{C}_1}---\left(2\right),$

其中，BW_DIFF：差分带宽；BW_CM：共模带宽R：电阻R1和电阻R2之和，R1＝R2；C1：决定共模带宽的电容；C2：决定差模带宽的电容。

4.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，地电差分信号经过阻抗匹配与抗射频干扰电路后分别输入差分信号转单端信号电路的同相输入端V_INP和反相输入端V_INN，根据差分信号转单端信号电路输入电阻R₃和反馈电阻R₄设定差模增益为4，并将差分地电信号转换成单端信号，参考端V_ref接2.5V基准电压源。

5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，巴特沃斯低通滤波器为由运算放大器组成的两个四阶巴特沃斯低通滤波器，运算放大器的同相端参考电平接2.5V基准电压。

6.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，单端地电信号经巴特沃斯低通滤波器输出进入A/D驱动电路，包括一电阻R₇和一电容C₆，根据后端A/D转换电路选择电阻R₇和电容C₆，电容C₆一端与电阻R₇连接后，另一端接2.5V基准电压源。

7.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，单端地电信号经A/D驱动电路后接入A/D转换电路伪差分同相端，伪差分反相端接2.5V基准电压源。

8.按照权利要求1或7所述的系统，其特征在于，所述A/D转换电路为多路，每路A/D转换电路中A/D同步端分别接入二或门逻辑器件OR1和二或门逻辑器件OR2输入端，输出端二或门逻辑器件OR3输入端，当A/D转换数据都准备就绪时，二或门逻辑器件OR3输出端输出下降沿给微控制器。

9.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，2.5V基准电压源接入2.5V输出隔离电路输入端K1端，2.5V输出隔离电路输出端与匹配电阻R₈连接，经电容型的静噪滤波器NFE61PT472C1H9L后K2端接铁棒就近插入装置所在大地，为东西向或南北向不极化电极提供2.5V电压参考和地电压偏置。

10.一种长周期地电信号测量方法，其特征在于：其方法包括如下的步骤：

采集地电差分信号，通过屏蔽电缆将地电差分信号输入；

通过阻抗匹配与抗射频干扰降低由于信号传输线路较长带来的射频干扰误差；

将地电差分信号转换成单端信号；

将所述单端信号进行低通滤波处理；

输出2.5V基准电压与所述单端信号构成伪差分对信号；

接收伪差分对信号并输出转换成二进制数字信号；

将二进制数字信号转换为带符号浮点型数字信号并通过串口通信隔离后输出；

运行软件LabVIEW显示当前数据采集状态。