馮軍(中石化地球物理公司勝利分公司物探儀器管理中心 山東東營257000)

地震的發(fā)生會(huì)給人們生活帶來巨大的危害，但是地震產(chǎn)生的信號(hào)有可以很好的幫我們?nèi)フJ(rèn)識(shí)地球的結(jié)構(gòu)和變化，因此對于天然地震信號(hào)的檢測具有非常重要的意義。常用的地震信號(hào)檢測工具是地震儀，地震儀在測量地震信號(hào)的過程中，主要利用機(jī)械機(jī)構(gòu)測量，存在著占地空間大、設(shè)備成本高、測量的頻率范圍小等問題，對于地震信號(hào)的采集和檢測效果不好。微機(jī)電技術(shù)是近年來不斷發(fā)展的一種微電子技術(shù)，該技術(shù)將機(jī)械部件、信號(hào)采集、分析、線路等統(tǒng)一集中到半導(dǎo)體原件上，從而有效的減小了地震儀的體積和重量，而且成本低，測量的頻率范圍大，測量的精度高。地震儀收集到的地震信號(hào)，需要通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸送的計(jì)算機(jī)中，因此地震儀數(shù)據(jù)采集器的精度和效率，會(huì)影響到地震信號(hào)檢測的精度。文章通過研究分析，設(shè)計(jì)了一種高效地震儀信號(hào)采集系統(tǒng)裝置。

一、地震儀信號(hào)采集系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

地震儀檢測到地震信號(hào)后，會(huì)將檢測到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接受地震儀輸出的電信號(hào)，并且將接受到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中。利用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件，對地震信息進(jìn)行收集、存儲(chǔ)和分析。常用的地震儀器通常能夠檢測東南西北和上下三個(gè)分量的地震信號(hào)。為了能夠更好的解決現(xiàn)階段地震信號(hào)強(qiáng)度低、頻率小的問題，需要設(shè)計(jì)出精度高、低頻信號(hào)采集好的單分量采集元件，通過采用特定的電路，使采集元件輸出單分量的電信號(hào)，形成單分量信號(hào)傳感器。將三個(gè)單分量傳感器組合成一個(gè)整體儀器，經(jīng)過密封處理后就可以得到三分量地震信號(hào)測量儀。如何高效采集地震儀器輸出的電子模擬信號(hào)，是提高地震信號(hào)檢測精度的關(guān)鍵，因此地震儀數(shù)據(jù)采集器的效率和精度非常重要。地震發(fā)生時(shí)間、發(fā)生次數(shù)、持續(xù)時(shí)間、地震強(qiáng)度都是變化不定的，因此需要地震儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較高的測量精度，以及較高的穩(wěn)定性和可靠性。設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集采集系統(tǒng)，要發(fā)揮良好的效果，需要具備以下基本功能，地震儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要能連續(xù)的采集地震信號(hào)，而且能將采集的信號(hào)實(shí)時(shí)的同步顯示，信號(hào)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多路多類型地震信號(hào)的采集?？梢约葘⒉杉降牡卣鹦盘?hào)存儲(chǔ)成規(guī)定的形式。并且能能夠?qū)z測存儲(chǔ)得到的地震波信號(hào)進(jìn)行回放。將地震信號(hào)采集系統(tǒng)的各項(xiàng)裝置和功能，合理的安排到整體系統(tǒng)中，建立良好的人機(jī)交互界面，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)功能和參數(shù)的設(shè)定。

二、地震儀信號(hào)采集裝置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的三分量地震儀可以測量三個(gè)方向上的加速度，三分量地震儀由三個(gè)分量加速度測量裝置組成。天然地震信號(hào)的頻率范圍小，頻率較低。需要地震儀具有良好的性能，特別是系統(tǒng)的加速度芯片的性能要好。加速度芯片功能是將系統(tǒng)的加速值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，衡量加速度芯片性能的指標(biāo)主要有，芯片的精度、測量范圍、靈敏性等參數(shù)。可以用做地震儀加速度芯片的種類很多，每種類型都有各自的工作原理。其中電容式的加速度芯片，利用特殊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，可以將地震產(chǎn)生的信號(hào)，轉(zhuǎn)變成電容值的大小的變化，進(jìn)而通過電容的變化來反應(yīng)電壓的變化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性好，測量精度高，對地震信號(hào)的響應(yīng)效果較好，特別是對低頻信號(hào)，具有良好的響應(yīng)特征。利用慣性力原理做成的加速度芯片，電容式加速度芯片類型是非常好的選擇，該芯片結(jié)構(gòu)的質(zhì)量小、對溫度的適應(yīng)性高。因此作為本設(shè)計(jì)中理想的加速度芯片類型。扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)類型的加速度芯片，是一種電容式的加速度芯片。利用慣性力的作用，質(zhì)量片可以通過中間軸扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電容的變化。該類型加速度芯片的質(zhì)量片，主要包括五個(gè)部分。其中有兩對是對稱分布的，只有一個(gè)是單個(gè)存在的。由于這種不對稱性的存在，才會(huì)形成中心軸兩側(cè)的質(zhì)量不相等。所以當(dāng)有地震信號(hào)輸入時(shí)，就會(huì)影響到質(zhì)量片的平衡，造成質(zhì)量片的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在質(zhì)量片的下部安裝有玻璃基片，玻璃基片和質(zhì)量片相互配合形成電容。當(dāng)質(zhì)量片發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，電容的電容值就會(huì)發(fā)生變化。而且在中心軸的兩側(cè)，一側(cè)的電容會(huì)增大，另一側(cè)的電容會(huì)減小，形成電容的差值。形成的電容差經(jīng)過電路的放大和處理后，可以形成變化的電壓信號(hào)。由于地震信號(hào)的強(qiáng)度不高，地震儀的使用環(huán)境比較復(fù)雜，檢測到的地震信號(hào)容易受到環(huán)境的影響，因此需要對測得的地震信號(hào)進(jìn)行處理和放大，放大出實(shí)際的地震信號(hào)，減小其他噪聲的影響。信號(hào)的放大電路通常設(shè)計(jì)到最前部，放大電路的精確性對于后續(xù)信號(hào)的處理具有較大的影響。因此需要選擇精度高穩(wěn)定性好的前置放大電路。前置放大電路的噪聲要低，由于電路的存在，都會(huì)存在一定的噪音，因此當(dāng)沒有地震信號(hào)輸入時(shí)，電路的輸出端也會(huì)檢測到信號(hào)，這就是電路內(nèi)部的噪音。因此需要選擇輸出噪聲低的前置放大電路結(jié)構(gòu)。地震儀的干擾信號(hào)中，雷電形成的干擾會(huì)以共模的方式存在，其信號(hào)的幅度要明顯的小于地震信號(hào)。地震儀的前置放大電路通常需要較高的共模抑制比，來減小其他因素對于地震信號(hào)的影響。

結(jié)束語

通過對地震信號(hào)的準(zhǔn)確監(jiān)測和分析，可以幫助人們提高認(rèn)識(shí)地球結(jié)構(gòu)和分析利用地震的能力。天然地震信號(hào)強(qiáng)度低，信號(hào)頻率低，給信號(hào)的檢測帶來了很大的難度。將三個(gè)單分量傳感器組合起來，進(jìn)過密封處理后就可以形成三分量地震信號(hào)測量儀。衡量加速度芯片性能的指標(biāo)主要有芯片的精度、測量范圍、靈敏性。電容式加速度芯片，可以將地震信號(hào)轉(zhuǎn)變成電容量的變化，再通過電容的變化來轉(zhuǎn)換成電壓的變化。扭擺型加速度芯片的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，測量精度高，對于地震信號(hào)的響應(yīng)效果好。通過研究對于提高地震信號(hào)的采集和檢測水平，提高地震儀的測量精度和工作效率具有積極的意義。

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