CN107314806A - 一种微震信号处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种微震信号处理设备，包括电源电路、低频加速度传感器、信号调理电路、ADC电路、数字信号处理电路和上位机电路。加速度传感器的输出端与信号调理电路的输入端连接，信号调理电路的输出端与ADC电路的输入端连接，ADC电路的输出端与信号处理电路的输入端连接。低频加速度传感器将地面振动转变为电信号，信号调理电路对传过来的电信号进行放大，ADC电路将模拟信号转化为数字信号，传送给数字信号处理电路，对信号进行处理。本发明的微震信号处理设备是具有采集和传输数据量大、传输速度快、反应灵敏、抗干扰能力强、可靠性高的微震信号采集系统。对于最大限度的挽救人民生命安全具有重要的使用价值。

Description

一种微震信号处理设备

技术领域

本发明涉及生命救援技术领域，具体是涉及一种微震信号处理设备。

背景技术

微震信号处理设备能够识别在空气或固体中传播的微小震动，适合搜寻被困在混凝土、瓦砾或其他固体下的幸存者，能准确识别来自幸存者的拍打、刻划或敲击等。与此同时，设备内部配备可调整滤波器，可有效降低救援现场其他机器干扰声造成的影响，例如，气源，钻头，卡车等。

本发明致力于研发一种微震信号处理设备，以求对被压废墟下的幸存者进行搜寻并实现快速定位，帮助救援人员更为便捷、快速、有效地判断幸存者的位置，大大降低救援工作的盲目性和工作量，提高救援效率，进而最大限度的挽救人民生命安全。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有的微震信号处理设备不能实现低频信号的处理，提供一种微震信号处理设备。

本发明的技术方案是：

一种微震信号处理设备，包括电源电路、低频加速度传感器、信号调理电路、ADC电路、数字信号处理电路和上位机电路；所述加速度传感器的输出端与所述信号调理电路的输入端连接，信号调理电路的输出端与所述ADC电路的输入端连接，ADC电路的输出端与数字信号处理电路的输入端连接；低频加速度传感器将地面振动转变为电信号，电信号传送给信号调理电路，信号调理电路滤掉一部分信号，并对传过来的电信号进行放大，传送给ADC电路，并通过ADC电路将模拟信号转化为数字信号，传送给数字信号处理电路，对信号进行处理，将处理后的结果送至所述上位机电路，上位机电路包括ARM处理器、继电器、报警器、声音传感器、和GPRS，所述继电器、报警器均与所述ARM处理器连接，由ARM处理器控制继电器和报警器，所述声音传感器与ARM处理器连接，通过声音传感器采将集到的声音信号传输给ARM处理器，所述GPRS也与ARM处理器连接；通过上位机电路的ARM处理器将ADC电路处理的信号显示出来，所述电源电路为各组成提供工作电源。

进一步地，在上述方案中，所述低频加速度传感器包括：底座、盖板、外壳、卡座Ⅰ、卡座Ⅱ、弹性组件、条形固定块和振动传感光纤光栅；所述盖板设在所述底座的上方，底座与盖板之间通过所述卡座Ⅰ和卡座Ⅱ连接，所述外壳罩在盖板的外面，外壳的底部固定在底座上，底座的左侧设有两个左卡板Ⅰ，所述两个左卡板Ⅰ之间形成左卡槽Ⅰ，底座的右侧设有两个右卡板Ⅰ，所述两个右卡板Ⅰ之间形成右卡槽Ⅰ，盖板的左侧设有两个左卡板Ⅱ，所述两个左卡板Ⅱ之间形成左卡槽Ⅱ，盖板的右侧设有两个右卡板Ⅱ，所述两个右卡板Ⅱ之间形成右卡槽Ⅱ，所述卡座Ⅰ位于底座和盖板的左侧，所述卡座Ⅱ包括卡座Ⅱ端头和卡座Ⅱ主体，所述卡座Ⅱ端头共有两个，一上一下分别位于所述右卡槽Ⅰ和右卡槽Ⅱ内，所述卡座Ⅱ主体右端与所述两个卡座Ⅱ端头连接，并卡在两个右卡板Ⅰ与两个右卡板Ⅱ之间，卡座Ⅱ主体左端悬空并位于底座与盖板形成的空间内，所述弹性组件设置在卡座Ⅱ主体内部，弹性组件包括横杆和膜片，所述膜片共有4个，分别位于所述横杆的左上端、左下端、右上端和右下端，所述条形固定块共有2个，所述振动传感光纤光栅一端从盖板和外壳的顶部穿入，并被两个条形固定块固定在所述左上端和右上端的膜片上，另一端从卡座Ⅱ穿出后再从盖板和外壳的右面穿出，由振动传感光纤光栅将接收到的加速度信号转换成光信号输出。所述膜片是由高密实材料制成，所述横杆是由弹性材料制成。

更进一步地，所述卡座Ⅰ的竖向横截面为“H”型结构，“H”型结构的右边放置于所述左卡槽Ⅰ和左卡槽Ⅱ内。

进一步地，在上述方案中，所述电源电路包括电压转换电路和恒流源电路。升压电路由10.8V升压到18V，降压电路由10.8V降压到6V。

进一步地，在上述方案中，所述低频加速度传感器频率响应为0.6～10,000Hz，灵敏度范围在±10％。其具有高可靠性和高分辨率的特点。

进一步地，在上述方案中，所述信号调理电路包括RC电路，CR电路和放大电路，滤掉杂波。

进一步地，在上述方案中，所述放大电路选用ADA4897放大电路。放大电路采用ADA4897，将信号放大50倍。

进一步地，在上述方案中，所述ADC电路为高速数模转换电路。ADC电路采用的芯片为AD7606。AD7606有8个通道，16位，最高采样率为200KSPS。

进一步地，在上述方案中，所述数字信号处理电路为现场可编程门阵列FPGA。FPGA采用ALTERA公司CYCLONE IV系列产品。

进一步地，在上述方案中，所述ARM处理器为free scale生产的IMX6。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的微震信号处理设备是具有采集和传输数据量大、传输速度快、反应灵敏、抗干扰能力强、可靠性高的微震信号采集系统。可用于探测和定位因地震，爆炸，滑坡，矿山事故，建筑坍塌等被掩埋在倒塌结构中的幸存者。本发明的低频加速度传感器可以感应细微震动探测到这些生命信号，可以对被压废墟下的幸存者进行搜寻并实现快速定位，可以帮助救援人员更为便捷、快速、有效地判断幸存者的位置，大大降低救援工作的盲目性和工作量，提高救援效率，对于最大限度的挽救人民生命安全具有重要的使用价值。

附图说明

图1为微震信号处理设备总体框图；

图2为微震信号处理设备恒流源电路；

图3为微震信号处理设备信号调理电路；

图4为低频加速度传感器的结构示意图。

其中，1-底座、2-盖板、3-外壳、4-卡座Ⅰ、5-卡座Ⅱ、6-弹性组件、7-条形固定块、8-振动传感光纤光栅、1a-左卡板Ⅰ、1b-右卡板Ⅰ、1c-左卡槽Ⅰ、1d-右卡槽Ⅰ、2a-左卡板Ⅱ、2b-右卡板Ⅱ、2c-左卡槽Ⅱ、2d-右卡槽Ⅱ、5a-卡座Ⅱ端头、5b-卡座Ⅱ主体、6a-横杆、6b-膜片。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行更进一步详细的说明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

微震信号处理设备，包括电源电路、低频加速度传感器、信号调理电路、ADC电路、数字信号处理电路和上位机电路；加速度传感器的输出端与所述信号调理电路的输入端连接，信号调理电路的输出端与所述ADC电路的输入端连接，ADC电路的输出端与数字信号处理电路的输入端连接；低频加速度传感器将地面振动转变为电信号，电信号传送给信号调理电路，信号调理电路滤掉一部分信号，并对传过来的电信号进行放大，传送给ADC电路，并通过ADC电路将模拟信号转化为数字信号，传送给数字信号处理电路，对信号进行处理，将处理后的结果送至所述上位机电路，上位机电路包括ARM处理器、继电器、报警器、声音传感器、和GPRS，所述继电器、报警器均与所述ARM处理器连接，由ARM处理器控制继电器和报警器，所述声音传感器与ARM处理器连接，通过声音传感器采将集到的声音信号传输给ARM处理器，所述GPRS也与ARM处理器连接；通过上位机电路的ARM处理器将ADC电路处理的信号显示出来，所述电源电路为各组成提供工作电源。

其中，电源电路包括电压转换电路和恒流源电路。电压转换电路包括升压电路和降压电路。升压电路采用芯片LT1615，这是凌特半导体的电源芯片，升压电路由10.8V升压到18V。降压电路采用芯片MC7806C和芯片LP2992IM5X-5.0。MC1806C芯片和其外围电路将电压10.8V转换为6V，LP2992IM5X-5.0芯片和其外围芯片将电压6V降低到5V。这样设计，能保证电源的低噪声和芯片工作的稳定性。

恒流源采用LM334SM，经过外部配置后，输出4.5mA的恒定电流，驱动低频加速度传感器。低频加速度传感器频率响应为0.6～10,000Hz，灵敏度范围在±10％。其具有高可靠性和高分辨率的特点。

信号调理电路包括滤波电路和放大电路，滤波电路采用RC电路和CR电路，滤掉杂波。

放大电路选用ADA4897放大电路，将信号放大50倍。低频加速度传感器能够感知来自掩埋层内幸存者所发出的微弱地震波信号。经过地表层的衰减传递后，到达搜索区域已经变得很微弱，如果直接AD采样，效果不佳，因此，需要将信号放大。信号调理电路如图2所示。

ADC电路ADC电路采用的芯片为AD7606，16位，最高采样率为200KSPS。目标信号的最高频率约为5K左右，支持8通道同时扫描，意味着采样频率约为目标信号频率的5倍，这对于数字采样来讲，已经够用；并且，绝大部分目标信号为3K以内，这能保障采样频率大于目标信号频率的10倍，完全满足应用了。

数字信号电路用的是FPGA。FPGA采用ALTERA公司CYCLONE IV系列产品。具体信号为EP4CE30F23C7，封装形式为FBGA484。这款芯片，价格低廉，性能优秀，接口丰富，能满足绝大多数常见应用场合。EP4CE30F23C7的作用是驱动ADC，将接收到的ADC结果进行处理分析；将处理后的结果送至上位机电路。

ARM处理器为free scale生产的IMX6。用来将FPGA电路处理的信号显示出来。

其中，低频加速度传感器的结构如图4所示，包括：底座1、盖板2、外壳3、卡座Ⅰ4、卡座Ⅱ5、弹性组件6、条形固定块7和振动传感光纤光栅8；所述盖板2设在所述底座1的上方，底座1与盖板2之间通过所述卡座Ⅰ4和卡座Ⅱ5连接，所述外壳3罩在盖板2的外面，外壳3的底部固定在底座1上，底座1的左侧设有两个左卡板Ⅰ1a，所述两个左卡板Ⅰ1a之间形成左卡槽Ⅰ1c，底座1的右侧设有两个右卡板Ⅰ1b，所述两个右卡板Ⅰ1b之间形成右卡槽Ⅰ1d，盖板2的左侧设有两个左卡板Ⅱ2a，所述两个左卡板Ⅱ2a之间形成左卡槽Ⅱ2c，盖板2的右侧设有两个右卡板Ⅱ2b，所述两个右卡板Ⅱ2b之间形成右卡槽Ⅱ2d，卡座Ⅰ4的竖向横截面为“H”型结构，“H”型结构的右边放置于所述左卡槽Ⅰ1c和左卡槽Ⅱ2c内，所述卡座Ⅱ5包括卡座Ⅱ端头5a和卡座Ⅱ主体5b，所述卡座Ⅱ端头5a共有两个，一上一下分别位于所述右卡槽Ⅰ1d和右卡槽Ⅱ2d内，所述卡座Ⅱ主体5b右端与所述两个卡座Ⅱ端头5a连接，并卡在两个右卡板Ⅰ1b与两个右卡板Ⅱ2b之间，卡座Ⅱ主体5b左端悬空并位于底座1与盖板2形成的空间内，所述弹性组件6设置在卡座Ⅱ主体5b内部，弹性组件6包括横杆6a和膜片6b，所述膜片6b共有4个，分别位于所述横杆6a的左上端、左下端、右上端和右下端，所述条形固定块7共有2个，所述振动传感光纤光栅8一端从盖板2和外壳3的顶部穿入，并被两个条形固定块7固定在所述左上端和右上端的膜片6b上，另一端从卡座Ⅱ5穿出后再从盖板2和外壳3的右面穿出，由振动传感光纤光栅8将接收到的加速度信号转换成光信号输出。所述膜片6b是由高密实材料制成，所述横杆6a是由弹性材料制成。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种微震信号处理设备，其特征在于，所述信号处理设备包括电源电路、低频加速度传感器、信号调理电路、ADC电路、数字信号处理电路和上位机电路；所述加速度传感器的输出端与所述信号调理电路的输入端连接，信号调理电路的输出端与所述ADC电路的输入端连接，ADC电路的输出端与数字信号处理电路的输入端连接；低频加速度传感器将地面振动转变为电信号，信号调理电路滤掉一部分信号，并对传过来的电信号进行放大，并通过ADC电路将模拟信号转化为数字信号，传送给数字信号处理电路，对信号进行处理，将处理后的结果送至所述上位机电路，上位机电路包括ARM处理器、继电器、报警器、声音传感器、和GPRS，所述继电器、报警器均与所述ARM处理器连接，由ARM处理器控制继电器和报警器，所述声音传感器与ARM处理器连接，通过声音传感器采将集到的声音信号传输给ARM处理器，所述GPRS也与ARM处理器连接；通过上位机电路的ARM处理器将ADC电路处理的信号显示出来，所述电源电路为各组成提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的一种微震信号处理设备，其特征在于，所述低频加速度传感器包括：底座(1)、盖板(2)、外壳(3)、卡座Ⅰ(4)、卡座Ⅱ(5)、弹性组件(6)、条形固定块(7)和振动传感光纤光栅(8)；所述盖板(2)设在所述底座(1)的上方，底座(1)与盖板(2)之间通过所述卡座Ⅰ(4)和卡座Ⅱ(5)连接，所述外壳(3)罩在盖板(2)的外面，外壳(3)的底部固定在底座(1)上，底座(1)的左侧设有两个左卡板Ⅰ(1a)，所述两个左卡板Ⅰ(1a)之间形成左卡槽Ⅰ(1c)，底座(1)的右侧设有两个右卡板Ⅰ(1b)，所述两个右卡板Ⅰ(1b)之间形成右卡槽Ⅰ(1d)，盖板(2)的左侧设有两个左卡板Ⅱ(2a)，所述两个左卡板Ⅱ(2a)之间形成左卡槽Ⅱ(2c)，盖板(2)的右侧设有两个右卡板Ⅱ(2b)，所述两个右卡板Ⅱ(2b)之间形成右卡槽Ⅱ(2d)，所述卡座Ⅰ(4)位于底座(1)和盖板(2)的左侧，所述卡座Ⅱ(5)包括卡座Ⅱ端头(5a)和卡座Ⅱ主体(5b)，所述卡座Ⅱ端头(5a)共有两个，一上一下分别位于所述右卡槽Ⅰ(1d)和右卡槽Ⅱ(2d)内，所述卡座Ⅱ主体(5b)右端与所述两个卡座Ⅱ端头(5a)连接，并卡在两个右卡板Ⅰ(1b)与两个右卡板Ⅱ(2b)之间，卡座Ⅱ主体(5b)左端悬空并位于底座(1)与盖板(2)形成的空间内，所述弹性组件(6)设置在卡座Ⅱ主体(5b)内部，弹性组件(6)包括横杆(6a)和膜片(6b)，所述膜片(6b)共有4个，分别位于所述横杆(6a)的左上端、左下端、右上端和右下端，所述条形固定块(7)共有2个，所述振动传感光纤光栅(8)一端从盖板(2)和外壳(3)的顶部穿入，并被两个条形固定块(7)固定在所述左上端和右上端的膜片(6b)上，另一端从卡座Ⅱ(5)穿出后再从盖板(2)和外壳(3)的右面穿出，由振动传感光纤光栅(8)将接收到的加速度信号转换成光信号输出。所述膜片(6b)是由高密实材料制成，所述横杆(6a)是由弹性材料制成。

3.根据权利要求2所述的一种微震信号处理设备，其特征在于，所述卡座Ⅰ(4)的竖向横截面为“H”型结构，“H”型结构的右边放置于所述左卡槽Ⅰ(1c)和左卡槽Ⅱ(2c)内。

4.根据权利要求1所述的一种微震信号处理设备，其特征在于，所述电源电路包括电压转换电路和恒流源电路。

5.根据权利要求1所述的一种微震信号处理设备，其特征在于，所述低频加速度传感器频率响应为0.6～10,000Hz，灵敏度范围在±10％。

6.根据权利要求1所述的一种微震信号处理设备，所述信号调理电路包括RC电路，CR电路和放大电路。

7.根据权利要求1所述的一种微震信号处理设备，其特征在于，所述放大电路选用ADA4897放大电路。

8.根据权利要求1所述的一种微震信号处理设备，其特征在于，所述ADC电路为高速数模转换电路。

9.据权利要求1所述的一种微震信号处理设备，其特征在于，所述数字信号处理电路为现场可编程门阵列FPGA。

10.根据权利要求1所述的一种微震信号处理设备，其特征在于，所述ARM处理器为freescale生产的IMX6。