CN109307883B - 一种检波器低频温度补偿调节电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地震勘探设备技术领域，尤其涉及一种检波器低频温度补偿调节电路。本发明通过机芯单元、前置放大电路、由第一电容C1、第二电容C2和第六电阻R6组成的高通滤波电路、后续滤波和数据采集电路及由第七电阻R7和第八电阻R8组成的低频温度补偿电路，对因温度原因造成的低频信息接受能力变化进行补偿，从而稳定检波器的低频接受能力，特别是在低温时，补偿和增强稳定检波器低频接受能力。保证地震勘探资料的成像效果和精度，并有效提升勘探目的层的深度。
Description
技术领域
本发明属于地震勘探设备技术领域，尤其涉及一种检波器低频温度补偿调节电路。
背景技术
在地震勘探系统中，检波器承担将接受的地层震动波转换为电信号输出的任务，来自震源激发产生的地震波，向地层深处传播，并将带有地层信息的反射波传递到地面检波器进行接受，检波器完成震动能量的机电转换，电信号经过信号处理电路放大整理后，输出到后续采集站和地震仪进行存储和分析。
检波器接受的震动信息中，含有高频和低频分量，高频分量利于提高勘探地层分辨率，低频分量对地震资料的成像和深层勘探的信噪比会产生重要的影响，低频信息的接受同样重要。由于震源激发、信号在地层介质传播过程中，低频信息已经受到影响。那么检波器在接受信息过程中对低频信息的提取就显得尤为关键。
对检波器接受低频信息造成影响主要来自两个部分，一是容性的传感单元(机芯)造成低频的衰减，二是在信号处理电路中，为克服零漂而设置的高通(低切)滤波电路造成低频的衰减。具体分析如下：
在现有技术中的检波器的机芯单元的原理可采用磁电、容差、光栅、压电传感转换理论等，如压电检波器采用压电转换原理，其心脏部分为压电陶瓷晶片，其成容性特征。为维持宽频特征，前置放大电路一般采取同相负反馈放大器，通常采用全差分仪表放大器输入方式。如图2和图3所示，其中，机芯单元将震动信号转换为电信号输入到前置放大器的输入端，第一电阻R1和第二电阻R2为前置放大器的输入电阻电路，且R1＝R2(以下计算公式不显示R2)。第一放大器A1和第二放大器A2及第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5构成放大单元电路，第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5为该放大电路的负反馈回路。第一电容C1、第二电容C2和第六电阻R6构成平衡式的高通(低切)滤波电路，目的是滤除信号中的零点漂移分量。尽管截止频率设置较低，仍对信号低端频率频谱造成一定影响。
如机芯单元采用压电传感，则机芯单元具有容性特征。容性的传感单元与输入电阻形成第一级高通(低切)滤波电路。为克服零漂影响的第一电容C1、第二电容C2和第六电阻R6，就形成第二级高通(低切)电路。两级高通滤波电路形成整个检波器的低频频谱特性。常温下检波器整机频谱曲线如下图6中的中间曲线。
机芯单元容性特征可以等效为一个信号源Vs和一个等效电容C i的串联。如图4所示。
其与电路输入阻抗构成一阶高通(低切)滤波电路，其截频点fo1(-3dB)关乎低频信息的接受能力。
fo1＝1/2πR1Ci 公式1
第一电容C1、第二电容C2和第六电阻R6构成的高通(低切)滤波器，C1＝C2(以下计算公式不显示C2)，其截频点为fo2.
fo2＝1/πR6C1 公式2
两者的影响形成如图6的检波器输出频谱特性曲线。
图6中的中间曲线为常温下检波器的输出频谱曲线，从图中可看出，检波器本身在低频信息的接受上存在一定的衰减。通过调节相关元件参数设置，常温下可控制在一定范围内。对整个系统低频接受能力和零漂程度都不会产生较大的影响。
但当温度发生较大改变时，检波器的输出频谱曲线发生较大的改变，如图6中最上边的曲线为高温60度时，检波器输出频谱曲线。最下边的曲线为低温-40度时，检波器输出频谱曲线。可见温度变化造成检波器的输出频谱曲线发生变化。表现在频谱曲线上就是截频点频率发生了变化。温度升高时，截频点频率下降，温度下降时，截频点频率上升。截频点下降，虽可提高低频接受能力，但零漂会加重，导致检波器稳定性下降。截频点上升，更导致低频接受能力下降。所以，必须采取措施，稳定温度变化时的截频点频率，从而稳定检波器低频接受能力。
由于电阻(第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R6)阻值温度稳定性较好，第一电容C1、第二电容C2通过选取温度特性较好的材料制成的电容，如X7R材质电容，也可以满足基本温度特性要求。所以，机芯等效电容的温度变化成为造成检波器输出频谱曲线随温度变化的最主要原因。
机芯等效电容随温度变化曲线如图5所示，在图中可以看出，机芯的等效电容随温度升高呈现增高的趋势。
综上，在现有技术中，常态温度环境下，通过电路参数的设置，能够有效控制在预定的范围内。但实际勘探环境非常复杂，现场环境温度高则60度以上，低则零下40度以下，当温度发生大幅改变时，机芯容性的等效容值会发生大幅改变，导致低频频谱特征产生很大的波动，对低频接受能力和零漂的克服都造成一定的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够对因温度原因造成的低频信息接受能力变化进行补偿，从而稳定检波器的低频接受能力的检波器低频温度补偿调节电路。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种检波器低频温度补偿调节电路，至少包括机芯单元、前置放大电路、高通滤波电路、后续滤波和数据采集电路，机芯单元的两个输出端分别与前置放大电路的两个输入端连接，前置放大电路的两个输出端分别与高通滤波电路的两个输入端连接，高通滤波电路的两个输出端分别与后续滤波和数据采集电路的输入端连接，还包括低频频谱温度补偿电路；低频频谱温度补偿电路的两端分别连接在高通滤波电路的两个输出端与后续滤波和数据采集电路的输入端连接的线路之间。
所述的前置放大电路采用全差分放大器电路。
所述的前置放大电路包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5；第一电阻R1与第二电阻R2串联并接地，连接于第一运算放大器A1和第二运算放大器A2的同相输入端；所述的第一运算放大器A1的同相输入端和第二运算放大器A2的同相输入端分别连接机芯起振单元的电压输出端；第一运算放大器A1的反相输入端连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接第一运算放大器A1的输出端；第二运算放大器A2的反相输入端连接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接第二运算放大器A2的输出端；第一运算放大器A1的反相输入端通过第五电阻R5连接第二运算放大器A2的反相输入端；所述的高通滤波电路由第一电容C1、第二电容C2和第六电阻R6组成；C1一端连接于运算放大器A1的输出端，C2一端连接于运算放大器A2的输出端，C1、C2的另一端与电阻R6相连。并连接于所述的低频频谱温度补偿电路，低频频谱温度补偿电路由第七电阻R7和第八电阻R8串联构成，第七电阻R7和第八电阻R8串联后与第一电容C1、第二电容C2和第六电阻R6组成的高通滤波电路的R6并联。
所述的第七电阻R7为普通调节电阻，第八电阻R8为热敏电阻。
所述的第八电阻R8是正温度系数热敏电阻器PTC或负温度系数热敏电阻器NTC。
有益效果：
本专利提供通过机芯单元、前置放大电路、由第一电容C1、第二电容C2和第六电阻R6组成的高通滤波电路、后续滤波和数据采集电路及由第七电阻R7和第八电阻R8组成的低频温度补偿电路，对因温度原因造成的低频信息接受能力变化进行补偿，从而稳定检波器的低频接受能力，特别是在低温时，补偿和增强稳定检波器低频接受能力。保证地震勘探资料的成像效果和精度，并有效提升勘探目的层的深度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是整个电路组成框图
图2是本发明电路示意图；
图3是常用检波器电路示意图；
图4是机芯单元等效电路图；
图5是机芯Ci温度曲线图；
图6是检波器在常温及温度变化时输出的不同频谱曲线示意图；
图中，R1-第一电阻；R2-第二电阻；R3-第三电阻；R4-第四电阻；R5-第五电阻；R6-第六电阻；R7-第七电阻；R8-第八电阻；C-1第一电容；C2-第二电容；A1-第一运算放大器；A2-第二运算放大器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的一种检波器低频温度补偿调节电路，至少包括机芯单元、前置放大电路、高通滤波电路、后续滤波和数据采集电路，机芯单元的两个输出端分别与前置放大电路的两个输入端连接，前置放大电路的两个输出端分别与高通滤波电路的两个输入端连接，高通滤波电路的两个输出端分别与后续滤波和数据采集电路的输入端连接，还包括低频频谱温度补偿电路；低频频谱温度补偿电路的两端分别连接在高通滤波电路的两个输出端与后续滤波和数据采集电路的输入端连接的线路之间。
优选的是所述的前置放大电路采用全差分放大器电路。
优选的是所述的前置放大电路包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5；第一电阻R1与第二电阻R2串联并接地，连接于第一运算放大器A1和第二运算放大器A2的同相输入端；所述的第一运算放大器A1的同相输入端和第二运算放大器A2的同相输入端分别连接机芯起振单元的电压输出端；第一运算放大器A1的反相输入端连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接第一运算放大器A1的输出端；第二运算放大器A2的反相输入端连接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接第二运算放大器A2的输出端；第一运算放大器A1的反相输入端通过第五电阻R5连接第二运算放大器A2的反相输入端；所述的高通滤波电路由第一电容C1、第二电容C2和第六电阻R6组成；C1一端连接于运算放大器A1的输出端，C2一端连接于运算放大器A2的输出端，C1、C2的另一端与电阻R6相连。并连接于所述的低频频谱温度补偿电路，低频频谱温度补偿电路由第七电阻R7和第八电阻R8串联构成，第七电阻R7和第八电阻R8串联后与第一电容C1、第二电容C2和第六电阻R6组成的高通滤波电路的R6并联。
优选的是所述的第八电阻R8是正温度系数热敏电阻器PTC或负温度系数热敏电阻器NTC。
在实际使用时，机芯单元将震动信号转换为电信号，输入至前置放大器中的第一放大器A1和第二放大器A2的正向输入端；第一电阻R1和第二电阻R2串联并接地，组成输入阻抗电路，为放大器A1和A2提供必须的工作条件；第一电阻R1和第二电阻R2分别与机芯输出端和第一放大器A1和第二放大器A2的同相输入端相接。第三电阻R3、第四电阻R4与第五电阻R5一起构成放大器负反馈电路，第三电阻R3跨接于第一放大器A1的反向输入端和输出端；第四电阻R4跨接于第二放大器A2的反向输入端和输出端；第五电阻R5连接第一放大器A1和第二放大器A2的反向输入端；第一放大器A1和第二放大器A2的输出端分别与第一电容C1、第二电容C2和第六电阻R6构成的平衡式高通(低切)滤波器相接；第七电容R7和第八电容R8串联，并接于第六电阻R6，将滤波器信号输出到后续的其他滤波电路和数据采集电路。
第七电阻R7和第八电阻R8构成温度补偿电路，第七电阻R7和第八电阻R8串联后与第一电容C1、第二电容C2和第六电阻R6组成的高通滤波电路的R6并联。并联后电阻值为：
优选的是第七电阻R7为普通调节电阻，第八电阻R8为热敏电阻器。第八电阻R8选用热敏电阻器，根据机芯的温度特性，可选取正或负温度特性的热敏电阻器。如机芯为压电传感机芯，可选取NTC负温度系数的热敏电阻。第八电阻R8阻值随温度变化，随之第九电阻R9阻值也将随温度而改变。
第九电阻R9与第一电容C1、第二电容C2重新组成一阶高通(低切)滤波电路。其截频点从fo2变化为fo3
fo3＝1/πR9C1
由于第九电阻R9的热敏特性，fo3也将随温度而变化。当温度上升时，机芯等效电容Ci容值上升，导致fo1下降，检波器整体低切截频点下降。但温度上升，使得热敏电阻的第八电阻R8阻值下降。第九电阻R9阻值随之下降，fo3将随温度而上升，抵消了fo1带来的检波器整体低切截频点的下降。从而达到稳定低频接受能力的补偿功能。
反之，当温度下降时，机芯等效电容Ci容值下降，导致fo1上升，检波器整体低切截频点上升。但温度下降，使得为热敏电阻的第八电阻R8阻值上升。第九电阻R9阻值随之上升，fo3将随温度而下降，抵消了fo1带来的检波器整体低切截频点的上升。从而达到稳定低频接受能力的补偿功能。
选取合适的第七电阻R7和第八电阻R8，就能够得到合适的补偿能力。
第七电阻R7和第八电阻R8选取的方法：
1、根据检波器整体灵敏度和机芯传感性能、放大器正常工作要求，确定机芯单元和全差分放大器的各元件参数。
2、将未含温度补偿电路的检波器置入高低温箱，测出检波器的各温度下的频谱曲线，如图6.得出常温下(20度)和极端温度60度和-40度温度下的低频截频点值；
3、通过估算和试验，得出如要在极端温度下达到常温下截频点所需的第九电阻R9阻值；
4、根据热敏电阻特性，从而确定第六电阻R6、热敏电阻R8和调节电阻R7的电阻值。
5、进行反复调整和高低温验证。直至符合要求。
其中的第一电容C1、第二电容C2可选用X7R材质，5％精度电容，第一电阻R1、第二电阻R2可选用0.1％精度碳膜电阻。NTC热敏电阻可选用SMD103F3950。第一运算放大器A1和第二运算放大器A2可选用OPA333.
考虑到检波器电路的其他综合要求，其低频温度补偿电路可能在不改变其补偿原理的基础上，做一些变动。在此就不一一举例。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，提供通过机芯单元、前置放大电路、由第一电容C1、第二电容C2和第六电阻R6组成的高通滤波电路、后续滤波和数据采集电路及由第七电阻R7和第八电阻R8组成的低频温度补偿电路，对因温度原因造成的低频信息接受能力变化进行补偿，从而稳定检波器的低频接受能力，特别是在低温时，补偿和增强稳定检波器低频接受能力。保证地震勘探资料的成像效果和精度，并有效提升勘探目的层的深度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
需要说明，本发明实施例中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种检波器低频温度补偿调节电路，至少包括机芯单元、前置放大电路、高通滤波电路、后续滤波和数据采集电路，机芯单元的两个输出端分别与前置放大电路的两个输入端连接，前置放大电路的两个输出端分别与高通滤波电路的两个输入端连接，高通滤波电路的两个输出端分别与后续滤波和数据采集电路的输入端连接，其特征在于：还包括低频频谱温度补偿电路；低频频谱温度补偿电路的两端分别连接在高通滤波电路的两个输出端与后续滤波和数据采集电路的输入端连接的线路之间；
所述的前置放大电路采用全差分放大器电路；所述的前置放大电路包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5；第一电阻R1与第二电阻R2串联并接地，连接于第一运算放大器A1和第二运算放大器A2的同相输入端；所述的第一运算放大器A1的同相输入端和第二运算放大器A2的同相输入端分别连接机芯起振单元的电压输出端；第一运算放大器A1的反相输入端连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接第一运算放大器A1的输出端；第二运算放大器A2的反相输入端连接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接第二运算放大器A2的输出端；第一运算放大器A1的反相输入端通过第五电阻R5连接第二运算放大器A2的反相输入端；所述的高通滤波电路由第一电容C1、第二电容C2和第六电阻R6组成；C1一端连接于运算放大器A1的输出端，C2一端连接于运算放大器A2的输出端，C1、C2的另一端与第六电阻R6相连；并连接于所述的低频频谱温度补偿电路，低频频谱温度补偿电路由第七电阻R7和第八电阻R8串联构成，第七电阻R7和第八电阻R8串联后与第一电容C1、第二电容C2和第六电阻R6组成的高通滤波电路的R6并联；
第一运算放大器A1和第二运算放大器A2选用OPA333。
2.如权利要求1所述的一种检波器低频温度补偿调节电路，其特征在于：所述的第七电阻R7为普通调节电阻，第八电阻R8为热敏电阻。
3.如权利要求1或2所述的一种检波器低频温度补偿调节电路，其特征在于：所述的第八电阻R8是正温度系数热敏电阻器PTC或负温度系数热敏电阻器NTC。
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