CN206096489U - 一种微震信号采集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种微震信号采集装置，包括：壳体、以及设置在壳体内的前置放大器模块、低通滤波器模块、自动增益控制模块、A/D转换电路模块、控制模块和CAN通信模块；所述前置放大器模块的输入端与微震信号采集装置的输入端信号连接，所述CAN通信模块的输出端与微震信号采集装置的输出端信号连接。本实用新型通过增加自动增益控制模块，使得提高了动态范围、信噪比，抗干扰能力等方面的性能，同时降低了对高比特位A/D转换器的要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及微震检测相关技术领域，特别是一种微震信号采集装置。
背景技术
微震监测是80年代发展起来的一项新的物探技术，社会上的很多领域都用该系统进行实时监测，如隧道、矿山、防偷渡、水电大现、石油钻井等多个领域。在国外，微震监测技术应用已经比较普遍。野外数据采集过程中能否消除干扰，高精度地采集到所需的有效信号是微震检测准确性的前提。在微震信号数据采集系统中，接收到的微震信号的动态变化范围往往很大。如传播衰减和微震强度等因素的影响，导致了微震采集系统输入端的信号存在很大的幅值差异。若微震信号采集系统不能随输入信号的幅度而做出相应的调整，将降低整个系统的分辨率，甚至采集不到有效的微震信号。同时在数据采集系统中，如何避免来自信号谐波分量和未经滤波的宽带噪声混叠，提高信号的信噪比和减小信号的失真度成了采集系统的关键问题。
目前提高信号动态范围的主要有采用高位数的A/D采样芯片或者采用瞬时浮点放大器这两种方法。第一种方法不但价格昂贵而且输入动态范围也有限；而第二种方法由于瞬时浮点放大器和各种模拟电路的存在，会增加硬件电路的复杂度和信号失真度。为了避免来自信号谐波分量和未经滤波的宽带噪声混叠，一方面可以在ADC前设置一个衰减特性足够好的抗混叠滤波器，另一方面可以用远远高于奈奎斯特采样率的方法来简化ADC前模拟抗混叠滤波器的设计要求。然而，过度地改善抗混叠滤波器的性能会增加硬件的复杂度，同时会引起信号的畸变，提高采样率而不做相应的处理就进行传输会增加网络传输的负担，同时会加大数据处理的难度。
实用新型内容
基于此，有必要针对现有技术存在的输入动态范围小、数据量大且精度不高的技术问题，提供一种微震信号采集装置。
本实用新型提供一种微震信号采集装置，包括：壳体、以及设置在壳体内的前置放大器模块、低通滤波器模块、自动增益控制模块、A/D转换电路模块、控制模块和CAN通信模块；
所述前置放大器模块的输出端与所述低通滤波器模块的输入端信号连接，所述低通滤波器的输出端与所述自动增益控制模块的输入端信号连接，所述自动增益控制模块的输出端与所述A/D转换电路模块的输入端信号连接，所述A/D转换电路模块的输出端与所述控制模块的输入端信号连接，所述控制模块的输出端分别与所述自动增益控制模块的控制端和所述CAN通信模块的输入端信号连接；
所述前置放大器模块的输入端与微震信号采集装置的输入端信号连接，所述CAN通信模块的输出端与微震信号采集装置的输出端信号连接。
进一步的，所述自动增益控制模块包括：程控放大电路模块、缓冲放大器模块、正向检波电路模块、窗口比较电路模块、逻辑控制模块、增益码生成模块；
所述程控放大电路模块的输出端与所述缓冲放大器模块的输入端信号连接，所述缓冲放大器模块的输出端与所述正向检波电路模块的输入端信号连接，所述正向检波电路模块的输出端与所述窗口比较电路模块的输入端信号连接，所述窗口比较电路模块的输出端与所述逻辑控制模块的输入端信号连接，所述逻辑控制模块的输出端与所述增益码生成模块的输入端信号连接，所述增益码生成模块的输出端与所述程控放大电路模块的控制端信号连接；
所述程控放大电路模块的输入端作为所述自动增益控制模块的输入端，所述缓冲放大器模块的输出端作为所述自动增益控制模块的输出端。
进一步的，还包括电源管理模块和蓄电池组模块，所述控制模块的输出端还与所述电源管理模块的输入端信号连接，所述电源管理模块的输出端与所述蓄电池组模块的控制端信号连接。
更进一步的，所述蓄电池组模块为锂电池组模块。
更进一步的，所述控制模块为FPGA处理器。
更进一步的，所述前置放大器模块包括仪表放大器、以及衰减滤波器，所述微震信号采集装置的输入端通过所述衰减滤波器与所述仪表放大器的输入端信号连接，所述仪表放大器的输出端与所述低通滤波器模块的输入端信号连接。
更进一步的，所述低通滤波器为四阶的Butterworth低通滤波器。
更进一步的，所述A/D转换电路模块包括：AD转换芯片以及差分驱动器，所述自动增益控制模块的输出端与所述差分驱动器的输入端信号连接，所述差分驱动器的两个输出端分别与所述AD转换芯片的两个模拟信号输入端信号连接，所述AD转换芯片的两个模拟信号输入端之间还并联一个降谐电容，且每个模拟信号输入端还分别与通过一个接地电容接地。
本实用新型通过增加自动增益控制模块，使得提高了动态范围、信噪比，抗干扰能力等方面的性能，同时降低了对高比特位A/D转换器的要求。
附图说明
图1为本实用新型一种微震信号采集装置的原理图；
图2为本实用新型的自动增益控制模块原理图；
图3为本实用新型的前置放大器模块和低通滤波器模块电路图；
图4为本实用新型的A/D转换电路模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细的说明。
如图1所示为本实用新型一种微震信号采集装置的原理图，包括：壳体、以及设置在壳体内的前置放大器模块1、低通滤波器模块2、自动增益控制模块3、A/D转换电路模块4、控制模块5和CAN通信模块6；
所述前置放大器模块1的输出端与所述低通滤波器模块2的输入端信号连接，所述低通滤波器2的输出端与所述自动增益控制模块3的输入端信号连接，所述自动增益控制模块3的输出端与所述A/D转换电路模块4的输入端信号连接，所述A/D转换电路模块4的输出端与所述控制模块5的输入端信号连接，所述控制模块5的输出端分别与所述自动增益控制模块3的控制端和所述CAN通信模块6的输入端信号连接；
所述前置放大器模块1的输入端与微震信号采集装置的输入端信号连接，所述CAN通信模块6的输出端与微震信号采集装置的输出端信号连接。
本实用新型通过前置放大器模块1接收微震传感器9的信号，并通过CAN通信模块6向上位机10输出经过处理的信号。
本实用新型通过增加自动增益控制模块，使得提高了动态范围、信噪比，抗干扰能力等方面的性能，同时降低了对高比特位A/D转换器的要求。
如图2所示，在其中一个实施例中，所述自动增益控制模块3包括：程控放大电路模块31、缓冲放大器模块32、正向检波电路模块33、窗口比较电路模块34、逻辑控制模块35、增益码生成模块36；
所述程控放大电路模块31的输出端与所述缓冲放大器模块32的输入端信号连接，所述缓冲放大器模块32的输出端与所述正向检波电路模块33的输入端信号连接，所述正向检波电路模块33的输出端与所述窗口比较电路模块34的输入端信号连接，所述窗口比较电路模块34的输出端与所述逻辑控制模块35的输入端信号连接，所述逻辑控制模块35的输出端与所述增益码生成模块36的输入端信号连接，所述增益码生成模块36的输出端与所述程控放大电路模块31的控制端信号连接；
所述程控放大电路模块31的输入端作为所述自动增益控制模块3的输入端，所述缓冲放大器模块32的输出端作为所述自动增益控制模块3的输出端。
在系统工作过程中，所接收到的微震信号动态范围很大。一方面由于微震强弱的影响必然导致幅值的大小，另一方面，由于震源与传感器之间的距离的远近，也导致其幅度的变化。两方面的效应引起了信号具有较大的动态范围，所以采用自动增益控制模块3，能满足A/D转换的输入要求。自动增益控制模块3主要是根据输入信号的强弱来自动调整放大器增益，将信号调整到可接收、转换的幅度范围。窗口比较电路模块34对输入信号进行检测，当输入信号小于预设门限电压时，逻辑控制模块35控制增益码生成模块36输出增加增益码，增加程控放大电路模块31的增益，使输出信号幅度处于门限电压附近，而当输入信号超过预设门限电压时，逻辑控制模块35控制增益码生成模块36输出减少增益码，降低程控放大电路模块31的增益，防止出现削波失真。
在其中一个实施例中，还包括电源管理模块7和蓄电池组模块8，所述控制模块5的输出端还与所述电源管理模块7的输入端信号连接，所述电源管理模块7的输出端与所述蓄电池组模块8的控制端信号连接。
蓄电池组模块8为整个系统供电，并由控制模块5通过电源管理模块7进行控制。
蓄电池组模块8是由多个蓄电池串联组成，虽然不同型号的蓄电池组成电池组之前都经过严格的筛选，但是在使用的过程中，不可避免地会使每个蓄电池的荷电状态(SOC)值逐渐不一样，使蓄电池的一致性变差，电池组充放电存在木桶效应，即最差的电池决定了电池组的使用效率和标称容量，如果对这种现象不予重视，时间久了会导致电池组的使用寿命和使用效率快速下降。针对以上问题，本实施例增加了电源管理模块对蓄电池组模块8进行控制。具体的，可以结合开路电压法和按时计量法，同时利用卡尔曼滤波算法对两者的误差进行修正，对每个电池的(SOC)值进行在线估计，利用飞电容将高值电池的电量转移到低(SOC)值的电池中，解决电池组充放电过程中每个电池(SOC)值不一致的问题，延长电池组的使用寿命，发挥电池组的最大性能。
在其中一个实施例中，所述蓄电池组模块8为锂电池组模块。
在其中一个实施例中，所述控制模块5为FPGA处理器。
如图3所示，在其中一个实施例中，所述前置放大器模块1包括仪表放大器、以及衰减滤波器，所述微震信号采集装置的输入端通过所述衰减滤波器与所述仪表放大器的输入端信号连接，所述仪表放大器的输出端与所述低通滤波器模块的输入端信号连接。
具体地，仪表放大器为精密仪表放大器AD8230，其作为前置放大器，具有低电压失调、低失调漂移和低增益漂移等特性，可以通过两个外部电阻RF和RG对增益进行设置，稳定度远远高于采用单个电阻设置增益的仪表放大器。同时为了降低仪表放大器电路中的射频信号干扰，在仪表放大器前使用由电阻R1、R2和电容C1、C2和C3组成的RF衰减滤波器，一方面可以从输入端滤除RF信号，另一方面可以保持每个输入端和地之间的AC信号平衡。
在其中一个实施例中，所述低通滤波器2为四阶的Butterworth低通滤波器。
本实施例的低通滤波器2采用四阶的Butterworth低通滤波器来滤除各种高频干扰，仅保留微震信号频带内的信号。在本实用新型的最佳实施例中，本微震信号采集装置所要求的带宽≥500Hz，通过合理地选取C4、C5、C6和C7的电容值以及R3、R4、R5和R6的电阻值，能很好地避免高频震动时低通滤波器造成微震信号失真同时兼顾对微震信号的滤波效果。
如图4所示，在其中一个实施例中，所述A/D转换电路模块4包括：AD转换芯片以及差分驱动器，所述自动增益控制模块的输出端与所述差分驱动器的输入端信号连接，所述差分驱动器的两个输出端分别与所述AD转换芯片的两个模拟信号输入端信号连接，所述AD转换芯片的两个模拟信号输入端之间还并联一个降谐电容，且每个模拟信号输入端还分别与通过一个接地电容接地。
具体地，AD转换芯片为TI公司的高精度、宽动态范围的24位△-∑结构的A/DS1271。模拟电源采用5V供电，通过LM4128将5V转化为1.8V作为数字电源部分供电，基准电压通过REF3125稳压转化为2.5V，经过OPA350滤波后提供。为了提高A/D的转换精度，本实施例采用差分驱动器THS4521将单端的模拟信号转换成差分信号然后从AINP和AINN引脚输入，在AINP和AINN输入端之间连接2.2nF的电容C8来降低谐波失真，同时在AINP和AINN输入端分别接一个100pF的对地电容来抑制共模信号。将A/D设置为高精度模式，并采用SPI接口传输数据。
本实用新型系统采用了自动增益控制这种技术、前端有效的信号处理方法以及高效率的处理器，使得提高了动态范围、信噪比，抗干扰能力等方面的性能，同时降低了对高比特位A/D转换器的要求。整个系统对工作温度范围宽，抗干扰性好，功耗低，电源系统具有较好的电源管理功能。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种微震信号采集装置，其特征在于，包括：壳体、以及设置在壳体内的前置放大器模块、低通滤波器模块、自动增益控制模块、A/D转换电路模块、控制模块和CAN通信模块；
所述前置放大器模块的输出端与所述低通滤波器模块的输入端信号连接，所述低通滤波器的输出端与所述自动增益控制模块的输入端信号连接，所述自动增益控制模块的输出端与所述A/D转换电路模块的输入端信号连接，所述A/D转换电路模块的输出端与所述控制模块的输入端信号连接，所述控制模块的输出端分别与所述自动增益控制模块的控制端和所述CAN通信模块的输入端信号连接；
所述前置放大器模块的输入端与微震信号采集装置的输入端信号连接，所述CAN通信模块的输出端与微震信号采集装置的输出端信号连接。
2.根据权利要求1所述的微震信号采集装置，其特征在于，所述自动增益控制模块包括：程控放大电路模块、缓冲放大器模块、正向检波电路模块、窗口比较电路模块、逻辑控制模块、增益码生成模块；
所述程控放大电路模块的输出端与所述缓冲放大器模块的输入端信号连接，所述缓冲放大器模块的输出端与所述正向检波电路模块的输入端信号连接，所述正向检波电路模块的输出端与所述窗口比较电路模块的输入端信号连接，所述窗口比较电路模块的输出端与所述逻辑控制模块的输入端信号连接，所述逻辑控制模块的输出端与所述增益码生成模块的输入端信号连接，所述增益码生成模块的输出端与所述程控放大电路模块的控制端信号连接；
所述程控放大电路模块的输入端作为所述自动增益控制模块的输入端，所述缓冲放大器模块的输出端作为所述自动增益控制模块的输出端。
3.根据权利要求1所述的微震信号采集装置，其特征在于，还包括电源管理模块和蓄电池组模块，所述控制模块的输出端还与所述电源管理模块的输入端信号连接，所述电源管理模块的输出端与所述蓄电池组模块的控制端信号连接。
4.根据权利要求3所述的微震信号采集装置，其特征在于，所述蓄电池组模块为锂电池组模块。
5.根据权利要求1～4任一项所述的微震信号采集装置，其特征在于，所述控制模块为FPGA处理器。
6.根据权利要求1～4任一项所述的微震信号采集装置，其特征在于，所述前置放大器模块包括仪表放大器、以及衰减滤波器，所述微震信号采集装置的输入端通过所述衰减滤波器与所述仪表放大器的输入端信号连接，所述仪表放大器的输出端与所述低通滤波器模块的输入端信号连接。
7.根据权利要求1～4任一项所述的微震信号采集装置，其特征在于，所述低通滤波器为四阶的Butterworth低通滤波器。
8.根据权利要求1～4任一项所述的微震信号采集装置，其特征在于，所述A/D转换电路模块包括：AD转换芯片以及差分驱动器，所述自动增益控制模块的输出端与所述差分驱动器的输入端信号连接，所述差分驱动器的两个输出端分别与所述AD转换芯片的两个模拟信号输入端信号连接，所述AD转换芯片的两个模拟信号输入端之间还并联一个降谐电容，且每个模拟信号输入端还分别与通过一个接地电容接地。
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