（模式识别与智能系统专业论文）基于嵌入式的地震检波器特性测量技术研究.pdf

摘要 摘要 检波器测试仪是一个涉及多项物理量值和具有多项技术参数测试功能的石油 物探专用计量器具。本文详细介绍了地震检波器测试系统所基于的测量原理，论 述了对比测量法、傅立叶变化法、恒定电压测量等方法，给出了各物理量的测量 计算方法；分析了测试系统所使用的声场以及各种环境噪声对测量结果的影响。 对地震检波器测试系统结构原理进行了分析，从软、硬件设计两个方面对测试系 统在总体上进行了论述，对激励信号源、数据采集模块、交流阻抗测量模块进行 了详细的介绍，同时构造了系统的软件三层体系结构。 在对s a m s u n g 公司的嵌入式3 2 位a r m 芯片s 3 c 2 4 1 0 深入研究的基础上， 以其为主控c p u ，结合大容量的s d r a m 、n a n d f l a s h 、彩色l c d 、u s b 、w i n c e 操作系统等新技术，对检波器测试系统的硬件和软件系统进行了设计，对声场进 行了分析，满足了测量范围广、体积小、功耗小、抗干扰、网络化等设计要求， 并且具有窗口式显示形式，可以方便的进行仪器的配置和校准。文中的电路在研 发过程中均亲自调试过，具有很强的参考应用价值，可重复实现，对今后类似项 目的开发有十分重要的参考价值，很多电路可直接应用，可以节省大量的开发时 间，提高效率。 为了提高测试系统的软件系统的多任务和稳定性，对嵌入式实时操作系统 w i n c e 进行了深入研究，将其移植到3 2 位a r m 芯片s 3 c 2 4 1 0 系统中，在此基础 上，构建了本系统的软件体系。整个软件体系分为三大部分：驱动程序层、操作 系统层和任务程序层，从而大大提高了系统的稳定性和可靠性，成功的实现了一 系列在单任务下不可能实现的功能。 最后对整个测试系统的研究进行了总结，并对测试系统的未来发展进行了展 望。 关键词：检波器测试仪a r m 处理器w i n c e 操作系统 a b s t r a e t a b s t r a c t a sas p e c i a l i z e dm e a s u r i n ga p p l i a n c eo fp h y s i c a l e x p l o r a t i o nf o rp e t r o l e u m , g e o p h o n et e s t e ri n v o l v e sm u l t i p l ep h y s i c a lm a g n i m d ea n dt e c h n i c a lp a r a m e t e rt e s t i n g f u n c t i o n i nt h i st h e s i s ，w ed e s c r i b et h et e s t i n gt h e o r yf o rs e v e r a lf i x e dp a r a m e t e r si n g e o p h o n e ；a n dd i s c u s st h ec o m p a r a t i v em e a s u r e m e mm e t h o d ，f o u r i e rc h a n g e s ，a n d c o n s t a n tv o l t a g em e a s l l r e m e mm e t h o d ；g i v ev a r i o u sp h y s i c a lq u a n t i t i e ss u r v e y i n g c o m p u t a t i o nm e m o d w ea n a l y z et h ea c o u s t i cf i e l du s e db yt e s ts y s t e m ，a sw e l la st h e m e a s 珊e m e n tr e s u l ti n f l u e n c eo fav a r i e t yo fa m b i e n t w ed e s c r i b et h ea r c h i t e c t u r e p r i n c i p l eo ft h ee a r t h q u a k ep i e z o e l e c t r i cd e t e c t o rt e s ts y s t e m ，a n dd e s i g nt h et e s t i n g s y s t e mf r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a s w e l la st h ee x c i t a t i o ns i g n a ls o u r c e ，d a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e s ，a ci m p e d a n c em e a s l l r e m e n tm o d u l e s ，a n dc o n s t r u c tt h et h r e e t i e r s y s t e ms o f t w a r ea r c h i t e c t u r e b a s e do nt h ed e e ps t u d yo fs a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 ，t h et h e s i sp r e s e n t e dad e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mo fg e o p h o n et e s t e ra n da n a l y s i so ft h es o u n df i e l d , c o m b i n i n gw i t hal a r g en u m b e ro fn e wt e c h n o l o g i e s ，s u c ha ss d r a m ，n a n df l a s h ， m u l t i c o l o rl c d ，u s b ，w i n d o w sc e ，e t c b i gi nm e a s u r i n gr a n g e ，s m a l li ns i z e ，l i t t l ei n d i s s i p a t i o n ，i n t e r f e r e n c er e s i s t a n ta n dn e t w o r kp e r f o r m i n g ，t h ed e s i g ni s s h o w ni n w i n d o w ss c r e e n ，w h i c hi sc o n v e n i e n tf o ra s s e m b l i n ga n dv e r i f l y i n g i no r d e rt oi m p r o v et h em u l t i f u n c t i o na n ds t a b i l i t yo ft h es o f t w a r es y s t e mo ft h e t e s t i n gs y s t e m ，t h i st h e s i sm a d ef l l t h e rr e s e a r c ht ow i n c eo ft h ee m b e d d e dr e a l - t i m e o p e r a t i o n , t r a n s p l a n t e di t i n t o3 2b i ta r mc h i p $ 3 c 2 4 1 0s y s t e m ，b a s e do nt h i s ， s t r u c t u r e dt h es o f t w a r es y s t e mo ft h i ss y s t e m t h ew h o l es o f t w a r es y s t e mc o n s i s t so f t h r e ep a r t s ：d r i v ep r o g r a mp a r t ，o p e r a t i n gs y s t e mp a r ta n dt a s kp r o g r a mp a r t , w h i c h g r e a t l yi m p r o v e dt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma n dr e a l i z e das e r i e so f i m p o s s i b l ef u n c t i o n s a tl a s t , s u m m a r i z e dt h es e a r c ht ot h ew h o l et e s t e rs y s t e m ，p r e d i c t e dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to f t h e t e s t e rs y s t e m k e y w o r d s ：g e o p h o n et e s t e r a r m p r o c e s s o r w i n c eo s 创新性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：塑：当呈 日期：加毫，f f i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名：麴：虚垦 导师签名 丕鐾爱 日期：知铝1 1 日期：趁翌星：! ：硷 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景意义 石油被称为“黑色黄金”，是地球赐于人类有限的不可再生的自然资源。1 8 5 9 年美国德雷克油田的发现，揭开了世界石油工业发展的序幕。进入2 0 世纪后，石 油的开发和利用得到快速发展。特别是二战以后，石油日益成为左右世界经济的 重要因素。石油无论作为一种液态矿物，还是作为动力燃料，或是作为化工原料， 其优越性都大大好于其他资源。目前，渗透到人们衣食住行生活各个方面的石油、 石化产品超过7 万种【l 】。发展汽车、电子、轻纺、建筑、包装、农业，甚至高科技 产业都离不开石油。随着交通运输、农业机械化和军事现代化的迅速发展、动力 革命的完成、能源结构和化工原料结构的重大变化，世界对石油的需求在急剧增 长。石油工业不但是世界经济不可或缺的重要组成部分和投资的重要领域，而且 已经成为推动现代工业、运输业和经济发展的重要动力。现在石油已成为保障世 界各国经济发展、政治稳定、军事安全的重要战略物资，牵动着世界的神经。 随着现代工业的飞速发展，对油气能源的需求日益增加，以不断增长的速度 开发地下的石油和天然气。石油开采的关键是石油的勘探，目前国内的石油供求 具有很大差距，其瓶颈是勘探落后于开采，每年要有大量石油进口。随着油气勘 探开发的不断深入，大型油气藏己逐步被发现，面对的勘探目标越来越隐蔽，越 来越复杂，提高勘探技术己成当务之急。 所谓石油勘探，就是为了寻找和查明油气资源，而利用各种勘探手段了解地 下的地质状况，认识生油、储油、油气运移、聚集、保存等条件，综合评价含油 气远景，确定油气聚集的有利地区，找到储油气的圈闭，并探明油气田面积，搞 清油、气层情况和产出能力的过程1 2 j 。对于石油勘探来说，最常用的方法是地震波 勘探的方法，它的原理是由人工制造强烈的震动( 一般是在地下较浅处的爆炸) 所 引起的弹性波在岩石中传播时，当遇着岩层的分界面，便产生反射波或折射波， 在它返回地面时用高度灵敏的地震波检波器记录下来，根据波的传播路线和时间， 确定发生反射波或折射波的岩层界面的埋藏深度和形状，认识地下地质构造，以 寻找油气圈闭p j 。 由于原始地震数据的准确性与可靠性取决于地震检波器与数字地震仪的性 能，在地震探测中必须对检波器性能定期作检测分析和记录。对于常规动圈式检 波器，因其用量大，目前测试设备比较多：对于压电式检波器，由于其过去用量 比较少，所以有关压电检波器( 或水听器) 的测试设备也很少。但随着勘探的发 展，对水网和过渡带地区的勘探逐渐普及，作为水中传感器的压电检波器的性能 2基于嵌入式的地震检波器特性测量技术研究 作定期测试分析的要求也越来越强烈。为了加强对压电检波器的管理和性能测试， 加强对各种物探仪器设备技术指标的定量评价与检定，合理评价其使用价值，满 足质量控制要求，一些单位生产了专门测试压电检波器的测试仪器。然而目前能 够对压电检波器的性能作测试分析的仪器很少，严重影响了地震勘探的质量。 由此可见，地震波检波器在石油地震勘探中具有重要的作用，它直接影响测 试的结果，因此在每一次使用之前都必须进行检测。而每次地震波勘探中所需要 的地震波检波器数目极多，通过人工逐个检查，耗时较多，不具有可行性，需要 专门的测试仪器批量测试，另一方面，石油勘探工作环境的严酷性，又对测试系 统提出其它的要求，如体积更小、功耗更低、可靠性更高等。 目前国外公司有一种只能够快速测试压电检波器好坏的测试仪器s h a r p ， 它采用具有代表性的单一声场( 1 7 0 h z ) 来测试压电检波器的灵敏度。目前有东方 公司生产的s h t 2 型压电检波器测试仪，这种测试仪在s h a r p 的基础上增加了 测试数据的计算机存储、打印和数据分析功能。s h a r p 和s h t - 2 都是便携式设备， 以方便野外的快速测试和现场控制质量。而中科院早期生产过一种s t 检波器特性 综合测试仪，这种仪器能够选择十几个频率点对压电检波器的灵敏度进行测试， 基本能够测试压电检波器的灵敏度以及幅频特性。 但由于历史的原因，我国的测试系统技术总体水平比较落后： 精度不高 体积较大，不便于携带。 功耗较大，可持续工作时间比较短( 不适合野外工作) 数据存储容量较小。( 一般仅能存储2 0 0 条记录) 内部硬件电路技术落后，c p u 功能有限，工作不稳定。 通讯接口单- - ( r s 2 3 2 接口) ，人机界面不够友好。 国外的测试系统虽然体积合适，但同样有其缺点： 价格昂贵，内部器件购买不便。( 将近十万元) 一旦仪器发生故障，维修和更换都比较困难。 西方大国有着限制高精度仪器的出口政策。 目前国内测试系统的现状是： 国产地震波检波器的测试系统只适于在物探公司内使用，不适于野外现场 使用，地震波检波器必须在出发前预先测定好。 国外地震波检波器的测试系统由于价格昂贵，只能少量使用，一旦损坏大 多报废，造成了极大的浪费。 这与我们这个石油大国的地位是极不相称的。因此在借鉴国外产品的优点和 克服国内产品的缺点的基础上，研制开发一种新型的高精度、高性能的便携式的 地震波检波器测试系统具有极其的重要性和必要性【j ”。 第一章绪论 3 1 2 嵌入式技术及未来仪器发展方向 1 2 1 嵌入式技术概述 什么是嵌入式系统呢? 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并 且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要 求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系 统以及用户的应用程序等四个部分组成，完成特定的功能或任务，工作在一个与 外界发生交互并受到时间约束的环境中，在没有人工干预的情况下进行实时控制。 实现嵌入式系统的技术便称之为嵌入式技术 2 9 1 。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 诞生于微型机时代【4 】，它是通过将计算机系统 嵌入到对象体系以实现对象的智能化控制，是一个技术密集、资金密集、高度分 散、不断创新的知识集成系统【5 l 【6 】。随着社会科技的日新月异，嵌入式系统不断地 被扩充完善，逐渐发展成一门由先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各 行各业的具体应用相结合的科学。 伴随着二十一世纪的曙光，人类迎来了一个充满希望的新时代。而作为二十 世纪人类社会最伟大的发明之一，计算机也迈入了其另一个充满机遇的阶段一后 p c 时代。不知不觉中，形式多样的数字化产品已经开始继p c 机之后成为信息处 理的一大主要工具，并且正在逐步形成一个充满商机的巨大产业。后p c 时代的到 来，使得人们开始越来越多地接触到一个新的概念一嵌入式系统产品。像手机、 p d a ( 如商务通等) 均属于手持的嵌入式产品，v c d 机、机顶盒等也属于嵌入式产 品，而像车载g p s 系统、数控机床、网络冰箱等同样都采用嵌入式系统1 3 0 l 。 嵌入式系统的出现至今己经有3 0 多年的历史，特别是近几年来，计算机、通 信和消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为个研究热点。纵观嵌 入式技术的发展过程，大致经历以下四个阶段1 7 j ( 1 ) 以单片机为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设 备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般 没有操作系统的支持，通过汇编语言编程，对系统进行直接控制。其主要特点是 系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。 ( 2 ) 以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。其主要特点 是c p u 种类繁多、成本低、效率高，且操作系统具有一定的兼容性和扩展性，但 需要比较专业的应用软件，通用性比较弱、用户界面不够友好。 ( 3 ) n 嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。其主要特点是嵌入式操作系统能 运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好，内核小、效率高，并且具有高度 的模块化和拓展性，具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用 4基于嵌入式的地震检波器特性测量技术研究 户界面等功能，并且拥有大量的应用程序接口，开发应用程序较简单，应用软件 丰富。 ( 4 ) 以i n t e m e t 为标志的嵌入式系统。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r a c t 之外，但随着i n t e r a c t 、信息家电和工业控制技术的发展，嵌入式设备与i n t e r a c t 的结合将代表嵌入式系统的未来。 ， 现今在工业控制领域获得广泛应用的嵌入式系统多是以嵌入式c p u 为基础， 主要包括微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 、数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ，d s p ) 。微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 、片上系统( s y s t e mo nc h i p ， s o c ) 和可编程片上系统( s y s t e mp r o g r a m m i n go nc h i p ，s p o c ) 。在这些嵌入式c p u 中，m c u 占据了约7 0 的市场份额，是嵌入式系统工业的主流，它的片上外设资 源一般比较丰富，适合于控制，是通用控制器的首选部件，d s p 则被大规模地应 用于数字滤波、f f t 、频谱分析等各种仪器，而s o c 也已经成为移动通信、网络、 信息家电、多媒体应用以及军用电子系统的核心器件。 1 2 2 未来仪器发展方向 未来仪器的发展方向可以归结为四个“化”，即数字化、智能化、微型化和 网络化。要实现这四个“化”，嵌入式系统便成了当仁不让的选择。 尤其对于地震波检波器测试仪器来说，石油勘探多在野外工作，经常是在戈 壁和沙漠地带，距离基地较远，工作周期较长，要求测试系统具有低功耗、大容 量、高精度、界面友好和便于携带等特点，国内原有的技术已实现不了这些要求， 而这恰恰是嵌入式技术的优势所在。因此在地震波检波器测试系统中，嵌入式技 术更是大有用武之地。本文正是基于此，将最前端的嵌入式技术应用在石油勘探 领域，研究高精度、低功耗、大容量的地震波检波器测试系统。 1 3 1 研究内容 1 3 研究工作概要及工作安排 总体来说，就是在借鉴国外产品的优点和克服国内产品的缺点的基础上，研 制开发一种新型的高精度、高性能的便携式的地震波检波器测试系统。具体来说， 就是运用最新的嵌入式技术，实现测试系统新的高性能设计要求： 高精度 低功耗 大容量 第一章绪论 体积小，便携式 扩展灵活 价格低 多任务，高稳定性 接口多样：t c p i p 和u s b 接口 1 3 2 主要研究工作 工作之一：理论测量方法实现 本论文在参考国外同类测试系统的多种测量方法基础上，选择较优的地震波 检波器测量方法，设计了相应的数据采集电路，通过c 语言将测量方法在硬件系 统上软件实现。 工作之二：硬件设计 以$ 3 c 2 4 1 0 硬件系统为基础，设计了本测试系统的硬件系统，满足了低功耗、 大容量和便携式等其他设计要求。 工作之三：软件设计 深入研究w i n c e 嵌入式操作系统，以其为基础，对其进行了裁剪，并将其移 植到s a m s u n g 公司3 2 位a r m 一$ 3 c 2 4 1 0 处理器平台上，设计本测试系统的软件 系统及相应的软件模块，并在硬件系统上进行了调试。 1 3 3 论文主要创新点 在借鉴国外先进经验的基础上，研制开发一种新型的高精度、便携式的地 震波检波器测试系统，实现了高精度、低功耗、大容量等高性能设计要求，改变 了国产地震波检波器测试系统功能落后的面貌。 将最新的3 2 位a r m 技术引入到硬件系统设计中，提高了测试系统的整体 硬件水平，提供了一种3 2 位c p u 硬件系统的可行性设计方案。 将w i n c e 嵌入式操作系统技术引入到工业仪器仪表软件系统设计中，改变 了国内仪器仪表系统中一直以来缺少操作系统的局面，为国内仪器仪表软件系统 设计提供了一种新思路。 摸索了大容量s d r a m ，f l a s hr o m , n a n d fl a s h 等存储器的电路设计， 为大容量存储器电路设计提供了一种可行的设计方案。 1 4 本章小结 本章叙述了我国目前的石油勘探现状，分析了发展地震波检波器测试系统的 6 基于嵌入式的地震检波器特性测量技术研究 重要性和必要性；同时对嵌入式技术以及其未来仪器发展方向进行了概括总结， 由此引出了将嵌入式技术与地震波检波器测试系统相结合的必要性和可行性。最 后，明确了本论文的研究内容、主要工作任务以及创新点。 第二章地震检波器测试系统的测量原理及声场实现与分析 7 第二章地震检波器测试系统的测量原理及声场实现与分析 2 1 地震检波器概述 地震检波器是地震勘探仪器正常工作的第一个环节，是任何一代地震勘探仪 器均不可缺少的一个组成部分，它的性能好坏直接影响着整个地震勘探技术。地 震检波器是把人为激发震源的直达波或各地层的反射波( 简称为地震信号) 转换成 电信号，然后输入到地震仪器的一种应用于地质勘探及工程测量领域的专用传感 器，它在地震勘探中所起的作用是十分重要的。 传统的地震检波器按工作原理可分为：动圈式、压电式和涡流式检波器i s 。动 圈式检波器的基本工作原理是基于电磁感应。利用上、下两个线圈绕制在铝制线 圈架上，组成一个惯性体，由弹簧片悬挂在永久磁铁产生的磁场中，永久磁铁与 检波器外壳固定在一起。当检波器外壳随地面震动时，引起线圈相对于永久磁铁 运动，两线圈产生感应电动势，感应电动势的大小随检波器外壳振动变化，振动 幅度越大，感应电动势也大，反之亦然。在输出端输出相应的电信号，传输给地 震仪器。压电式检波器的工作原理是基于压电效应。当沿一定方向对某些电介质 施力使其变形时，介质内部就产生极化现象。利用这种压电效应，检波器将地震 波引罄的压变效应转变为电信号。涡流式地震检波器是应用非磁性的导体在永久 磁场中运动会产生涡流这一原理制成的。在祸流检波器中，由于涡流的大小及方 向都是变化的，因此产生涡流的磁场也随之变化，从而导致在固定线圈上产生感 应电势和电流，该电流信号就是由涡流检波器输出的振动信号。 地震检波器按能量转换机制分为：速度型和加速度型检波器【9 】 1 0 o 由于加速 度检波器的加速度成正比，因而具有随着振动频率的升高检波器的输出也随着增 高的特点。按勘探方法，地震检波器可以分为：纵波检波器( 也称垂直检波器) ，和 横波检波器( 也称水平检波器) 以及三分量检波器【1 l 】【1 2 1 ；按用途可分为：陆用、沼 泽、海洋和井下检波器【”】【1 4 j 1 1 5 j 由于原始地震数据的准确性与可靠性取决于地震检波器与数字地震仪的性 能，在地震探测中必须对检波器性能定期作检测分析和记录。对于常规动圈式检 波器，因其用量大，目前测试设备比较多；对于压电式检波器，由于其过去用量 比较少，所以有关压电检波器( 或水听器) 的测试设备也很少。但随着勘探的发 展，对水网和过渡带地区的勘探逐渐普及，作为水中传感器的压电检波器的性能 作定期测试分析的要求也越来越强烈。为了加强对压电检波器的管理和性能测试， 加强对各种物探仪器设备技术指标的定量评价与检定，合理评价其使用价值，满 足质量控制要求，一些单位生产了专门测试压电检波器的测试仪器。然而目前能 8基于嵌入式的地震检波器特性测量技术研究 够对压电检波器的性能作测试分析的仪器很少，严重影响了地震勘探的质量。因 此本文主要针对压电检波器测试系统进行研究。 2 2 压电检波器原理 目前国内外应用于地震勘探领域的压电晶体检波器有两种，分为压电压敏型 检波器和压电加速度性检波器。成功应用于海上、沼泽勘探的地震检波器大多是 压电压敏型检波器，又称为水听检波器。压电压敏型检波器是以压电晶体为转换 元件，输出与所受压力成正比的压力电荷或电压转换装置。它主要由本体、弹性 敏感元件和电压转换元件组成( 实际工作中的压电检波器的内部结构剖面如图2 i 所示) 。它可被看作是单自由度二阶力学系统其运动状态的微分方程为： 坍害+ c 害+ 缸：f ( 0 ( 2 - 1 ) 坍孑+ 。瓦+ 觑2 2 1 压电压敏型检波器的有阻尼谐振频率为： 厂= 去厨i ( 2 - z ) 式中： 噱= ； 七一组合刚度；聊一质量；c 一阻尼系数。 压电压敏型检波器的灵敏度定义为输出量与被测物理量的比值： = ； 沼， 式中：j | ( d 一压敏型检波器的电荷灵敏度；q 一压敏型检波器的输出电荷；p 一压力。 图2 1 压电检波器内部结构剖面图 压电加速度型检波器是以压电晶体为转换元件，输出与加速度成正比的加速 度电压转换装置。通常用于工程振动测量。它是在压电转换器件上，以一定的预 紧力安装一贯性质量块，惯性质量块加一预紧螺母( 或弹簧片) 就可以组成一个 简单的压电加速度检波器。从力学模型看，是一个惯性式传感器，其单自由度二 阶力学系统的运动规律可以表示为： 第二章地震检波器测试系统的测量原理及声场实现与分析 9 ， ( 工+ 夕) + “+ 砂= 0 ( 2 - - 4 ) 式中：m 一惯性质量；c 一阻尼系数；i 弹性系数；x 惯性质量块相对于传感器 壳体的位移：y 机座的加速度。 。 压电加速度检波器的灵敏度是指其输出电量( 电荷或电压) 与所受的振动( 或 冲击) 加速度的比值。 = 詈 沼s ， 瓦：拿 ( 2 6 ) l h 式中：一压电加速度检波器的电荷灵敏度；k u 一压电加速度检波器的电压 灵敏度检波器电压灵敏度；q 一压电加速度检波器的输出电荷； 口一振动或冲击加 速度；e - 压电加速度检波器的电容。 压电加速度检波器的主谐振频率可由下式求得理论值： 只= 击摆 q 刁， 式中：k 检波器等效刚度系数；m 惯性体质量 一般压电检波器的电压输出与频率响应的特性曲线如图2 2 所示： 图2 2 典型压电检波器( m p 2 5 2 5 0 ) 的输出特性 1 0 基于嵌入式的地震检波器特性测量技术研究 2 3 压电检波器测试原理 2 3 1 对比测量法原理 由于i f l 前地震勘探所用的压电检波器几乎都为变压器耦合，它们具有相似的 灵敏度一频率响应特性( 如图2 ) ，在约1 0 4 0 0 h z 间，灵敏度变化很小，因此对 它的测试一般都是采用选定频率点的方式进行对比测量，即用参考晶体( 标准检 波器) 作对比测量【1 6 1 。所谓对比测量方法，是指在相同条件下测量已知标准检波 器和未知待测检波器的响应，然后利用声源、标准检波器、待测检波器都是线性 的原理，两者进行比较，而计算出待测检波器的最终响应值。其计算公式为： m ，= m ，二三tt ( 2 8 ) u j 式中：m ，一待测检波器的声压灵敏度，v p a ；m 。一标准检波器的声压灵敏 度v p a ；u ；一待测检波器输出端的开路电压，v ；u 。一标准检波器输出端的开 路电压，vn 7 1 。 如果采用分贝表示，则被测检波器的自由场开路电压灵敏度级为： m m = 2 0 1 文针 沼” 式中：m 。一待测检波器的声压灵敏度级；m l 。一标准检波器的声压灵敏度。 2 3 2 恒定电压测量法 通过在地震波检波器两端加载一个5 1 0 v 恒定电压，将有一个电流流过地震 波检波器的内部线圈，测量其输出电流值可以得到地震波检波器的两个固有参数： 固有电阻和泄漏度。 1 ) 固有电阻 地震检波器的固有电阻为输入电压与输出电流之比，其计算公式为： ， 心= 二l r ( 2 1 0 ) 式中：砟一固有电阻；i 一为电流值；u 一为电压值。 第二章地震检波器测试系统的测量原理及声场实现与分析 1 1 图2 3 ( a ) 电压电流表法测电阻图2 3 ( b ) 引入标准电阻测试腺理 如图2 - 3 ( a ) 所示，若己知被测电阻的端电压和流过被测电阻的电流，则可精确 求得被测电阻： 以：生( 2 1 1 ) 。 如 若在图2 - 3 c o y 9 ，将被测阻抗与一标准电阻r 串联，如图2 3 ( b ) 所示，则 可得： = 瓷r 协 可见，这样就将对电阻如的测量变成了测量两个电压、的比。 2 ) 泄露度【1 8 】 在地震波测量的过程中，如果地震波检波器内部发生损坏破裂，则将其埋入 地下进行测量时，产生的感应电流将流入大地，而造成输出端无输出的结果。因 此，必需在使用前进行泄漏程度的测试。其测试方法是：将地震波检波器植入地 下，在其两端加载5 i o v 恒定电压，测量其输出的电流值，依据以下公式进行泄 漏度的计算： 1 1 ， l ：旦：丝( 2 1 3 ) r cr c 式中：r 一泄漏后电阻；一为固有电阻；，一为电流值；u 一为电压值。 2 3 3 交流阻抗测量 为： 1 ) 阻抗定义 阻抗是描述一个元、器件或电路网络中电压、电流关系的特征参量，其定义 z = 等= r + = i z l = i z l ( c 。s 口+ _ ，s i n o ) ( 2 - 1 4 ) 式中：r 一阻抗的实部，称为电阻；z 一阻抗的虚部，称为电抗；i z i 一阻抗 基于嵌入式的地震检波器特性测量技术研究 的模，口一阻抗角。 2 ) 基本工作原理 大多数的阻抗仪器采用电桥电路或矢量电压电流的方法测量交流阻抗。矢量 电压电流的方法将测试信号电压加到被测件，测量信号电流流过被测件，然后由 电压和电流之比计算测试端阻抗。如图2 2 7 所示 图2 4 矢量电压电流法测阻抗 如图2 _ 4 所示，若己知被测阻抗的端电压和流过被测阻抗的电流矢量，则可精 确求得被测阻抗： ，7 乙= 孚= 也+ ( 2 1 5 ) j 这种方法可用于多端测量结构，在电路中消除残余阻抗的影响。同时测量电 路比较简单、量程宽。电桥电路不需要使用通常的平衡控制，所以便于高速测量 且操作容易。 本文采用傅立叶变换法求得交流阻抗值，系统中a d 5 9 3 3 具有的频率发生器可 以产生特定的频率来激励外部电阻，电阻上得到的响应信号被a d c 采样，并通过 片上的d s p 进行离散的傅立叶变换。傅立叶变换后返回在这个输出频率下得到的 实部值r 和虚部值i 。这样就可以很容易的计算出在每个扫描频率下的傅立叶变换 的模和电阻的相角。其中模= 页可，相角= t a n 一( r ) 。( 本部分将在第三章中加 以详细介绍) 。 2 3 4 测量环境 一般测试系统假定的测量环境都是理想的环境，没有任何的外界干扰信号。 但实际测量环境并非如此，存在着多种噪声，主要包括：机械噪声和电磁噪声。 这都会造成结果的偏差。因此也必须考虑到测量环境的影响，尽量减弱环境噪声 的影响，以得到较好的测量结果，下面分别就两种情况加以说明： 1 ) 机械噪声 第二章地震检波器测试系统的测量原理及声场实现与分析 1 3 - = ：= ：_ = 一一 机械噪声是带有随机性和阶段性的噪声，经常是由于周围有汽车和人等移动 物体造成的振动产生的；为了避免这种噪声的产生，必须在进行测量时限制周围 重型物体的移动，禁止周围人不必要的走动。 2 ) 电磁噪声 电磁噪声是带有随机性和区域性的噪声，经常是由于周围存在较强的电磁场 和地下能源管线造成的；为了避免这种噪声的产生，在进行测量时应尽量选择电 磁场较弱的区域进行。 2 4 声场分析与实现 为了对压电检波器进行准确测试，必须满足驱动和耦合的要求：例如耦合腔 内声场基本均匀，腔内的设计包括耦合腔要求具有刚性的边界、腔内部无释压材 料以及腔的体积、尺寸等等需要满足测试条件。由于要求压电检波器对频率的响 应范围在i k h z 以下，因此它是类似包含对次声波有响应的声学传感器，因此对它 的测试需要建立一个稳定压力场或声场( 包含次声波) 。 由于地震检波器是反映所受压力敏感程度的压力传感器，因此对它的测试需 要建立一个己知的均匀压力场。为了很好的对传感器进行耦合，目前一般有密封 液体罐构成的液压压力场和声源系统构成的声学压力场( 以下简称声场) 。但是 这些压力场受环境的影响都很大，而且压力控制较困难。因此目前对水听传感器 的测试一般采用耦合腔互易测量、压电补偿法、震动液柱法、密闭腔比较法等几 种对比测量的方法1 1 9 1 。 为了方便测试，本文采用密闭腔比较法，采用两端密闭的刚性圆桶模拟自由 场环境，圆管的一端为电动式低频扬声器，作为声场的驱动源，另一端用钢性材 料密封。为了验证该装置近似满足自由场的条件，以下将对该装置进行理论验证。 采用m a t l a b 对所设计的测试装置进行仿真。 相关参数说明如下： 圆管半径a = o 1 m ( 假定) 圆管长度l = 0 7 m ( 假定) 声源频率f = 3 1 5 h z ，正弦信号扫频范围3 1 5 6 0 0 h z 声速= 3 4 4 r r d s ( 2 0 空气中) 波长五= 1 0 9 2 m ( f _ 3 1 5 i - i z 时) 角频率彩= 2 矿= 1 9 7 8 2 r a d s 空气密度p o = 1 2 9 5 k g m 3 根据声波导管理论，计算出该管子截止频率正 1 4 基于嵌入式的地震检波器特性测量技术研究 丘= i 丢= 2 0 9 9 0 5 7 h z ( k o i = 旦) ( 2 1 6 ) z c o 声源的振动规律“= 。( x ，y ) e j a ，假设声源表面各点振动速度分布均匀， “。( 工，y ) = c 振幅：= 华 托 因为测试频率为3 1 5 h z 远小于该管子的截止频率，所以可以在管中获得纯净 的平面声场。管中只存在零次简正波，管中的压强分布p 0 0 = a 0 0 e ，( 。b ) 假设反射面为钢板空气中的p l c l = 4 1 4 ，钢铁中p 2 c 2 = 4 0 0 1 0 4 ，因为 p , c 。 p ：c ：，所以在反射面可认为发生全反射，在反射面上入射生波的质点振速 与反射声波的质点振速大小相等，相位相反，因而在反射面上的合成质点振速为0 ， 而入射声压与反射声压大小相等，相位相同，所以在分界面上合成声压等于入射 声压的两倍。在管中实际上是两列频率相同但传播方向相反的平面波的叠加。 建立坐标系如下图 pf = a e ，( 。乜) ( 2 一1 7 ) p ，= a 0 0e ，( 。一咐7 7 ) )( 2 1 8 ) 则在管中某点的声压：p = p f + p ， ( 2 1 9 ) 声场仿真 分别在以下情况下仿真 1 ) 频率固定在3 1 5 h z ，管中声压随位置和时间的变化 2 ) 位置和时间固定在某一点，管中声压随频率的变化 说明： 因为声源有一定的面积，其上各点可以认为独立的振动，分别发射出“声线”， 这些“声线”在管中沿轴线分布，形成平面波声场。仿真实际上是仿真某一条“声 线”分布规律。 第二章地震检波器测试系统的测量原理及声场实现与分析1 5 图2 53 1 5 h z 声场随时间和高度变化图 图2 6f = 3 1 5 h zz = o 4 5 m 声压图2 7f = 3 1 5 h zz = o 5 m 声压 随时间的变化图随时间的变化图 由上述的仿真结果不难看出：在管内的不同位置在同一频率的声源激励下， 各个点的声压值变化不大；同一位置随着时间的变化，各点的声压值几乎不变， 因此可以认定该装置近似满足自由场的条件，满足对比测量法原理的条件。 2 5 本章小结 本章介绍了测试系统所基于的测量原理及声场实现与分析，通过对比测量法、 傅立叶变化法、恒定电压测量等方法，对各地震检波器物理量进行了测量计算； 1 6 至主壁全壅塑垫壁垒鎏矍堑丝型里堇查堕塑 分析了测试系统所用的声场以及各种环境噪声对测量结果的影响。 第三章地震检波器测试系统的总体设计 1 7 第三章地震检波器测试系统的总体设计 3 1 系统总体结构 压电检波器测试系统的原理框图如图3 1 所示。 测试陶 ，器) 厩检波器肼标准 l 检波器 信号骧动 ( 功率放大器) 感 嚣1 ： 既及 测试 转拽 电辫 f 二 弓 调 理 i 乜 i f c p u 缓lf 模数 转换 l 瞧路 检波嚣功能测试信；溯 ，i 场测试俯弓 发! 【嚣 测试十叛 c p u 控制数掀 分轿管理 人枧疆i o ( 锓d ：撩) 输 j 及俘f i 莆 t u 班等) 输入设籀 键舷等) 图3 1 压电检波器测试系统原理方框图 由图3 1 可以看出该测试由测试检波器的测试声场及其功率放大驱动器、测试 信号源、检波器输人匹配电路、检波器输出信号调理电路、模一数转换电路以及 作为中央控制和处理系统的计算机( c p u ) 等部件组成。另外包括人机对话的显示 器、打印机、键盘、鼠标以及数据存储部件等设备。测试原理是c p u 根据测试的 需要，控制信号源( 该系统为可编程函数发生器) 产生一个给定频率的测试信号，通 过功率放大器使测试声场产生一个恒定的声压场。使参考晶体和待测检波器同时 检测到声压，然后采集板采集在相同( 声场) 条件下的标准检波器和待测检波器的输 出电压值，进行比较或分析出待测检波器性能。该系统不仅能够产生3 1 5 h z 的单 一频率的声场，完成单点( 3 1 5 h z ) 测试，而且可以完成多频率点( 5 h z 6 0 0 h z ) 的测试。 本系统是一种针对石油勘探领域常用的压电检波器的固有参数进行测试的测 试系统，并可由测试结果判断压电检波器是否还处于良好状态可应用于勘探使用， 可以实现对压电检波器的如下固有参数的测试：灵敏度、灵敏度级、直流电阻、 交流阻抗和泄漏度。 基于嵌入式的地震检波器特性测量技术研究 3 2 系统硬件设计 图3 2 系统硬件框图 从图3 2 不难看出：本系统采用s a m s u n g 公司的嵌入式3 2 位a r m 芯片 $ 3 c 2 4 1 0 为主控c p u ，包括正弦信号发生模块、功率放大模块、数据采集模块、 第三章地震检波器测试系统的总体设计 1 9 数据存储模块、u s b 接口、网络接口、串行接口和上位机软件。 3 2 1 主控制器及外围电路 微处理器是整个系统的核心，它不仅要实现对系统的控制，还要进行数据传 输和数据处理。本系统采用的是s 3 c 2 4 1 0 芯片，采用6 层线路板，可以保证c p u 的高速运行。$ 3 c 2 4 1 0 是三星公司生产的高性价比高性能的3 2 位处理器，它是 a r m 9 2 0 t 核，支持1 6 位3 2 位r i s c 结构和a r m 精简指令集；a r mm m u 支持 w i n d o w s c e 、l i n u x 等操作系统；指令c a c h e 、数据c a c h e 、写缓冲；支持a r m 调试结构，片上i c e 支持j t a g 调试方式。 $ 3 c 2 4 1 0 本身就有丰富的外围功能模块，如u a r t ，s i o 、定时器等、外部中断 等，可以与外围电路直接相连。但是，为了系统更稳定的运行需要对这些外围电 路进行设计。 其外围电路主要为： 1 、电源电路，外部输入5 v 电压，输入后稳压到外部使用的3 3 v 和内核所用 到的1 8 v 。 2 、复位电路，通过复位将微控制器初始化某个确定状态。 3 、时钟电路。 4 、存储器电路，存储器是整个系统