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山东科技大学 硕士学位论文 基于DSP的微地震数据采集仪的研制 姓名王纪强 申请学位级别硕士 专业测试计量技术及仪器 指导教师杨淑华 20050601 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 煤炭是我国的基础能源，在国民经济中发挥了重要的作用。然而，当前煤矿安全生 产形势仍然相当严峻，重、特大事故没能得到有效控制，其中。由于顶板垮落、瓦斯突 出、突水淹井事故导致的伤亡约占4 0 ％，而这些事件都与开采后应力重新分布引起的覆 岩破裂有关。 微地震监测技术是一门服务领域和服务前景十分广阔的物探高新技术。可以用于“三 带”监测，监测煤矿瓦斯溢出，预测和防止煤矿顶、底板突水等。井下微地震监测系统 便是基于该技术开发的。通过该系统，技术人员可以观测和研究煤矿长壁工作面围岩的 空间破坏规律。实现井下微地震事件的分析、定位。这对煤矿安全生产具有重大意义。 本文介绍的便是该系统的重要组成部分数据采集部分的设计，数据采集是微地 震监测的基础，对硬件设备要求较高，因此本文对数据采集的几个重要环节进行了详细 阐述。论文首先研究了地震波的特性并对微地震检波器的选择进行了讨论，接着介绍了 系统前置放大电路的设计，它不但起到了放大的作用而且可以进行低通滤波，实现了D S P 系统的预滤波功能。本文着重介绍了D S P 系统的软硬件设计硬件部分包括D S P 最小系 统的设计 时钟、复位电路、电源和工作方式的选择等 和外围接口电路 A ／D 转换电 路和通信接口电路 的设计；软件部分主要是实现数据的采集、传输和滤除5 0 H zT 频干 扰的功能。 关键词微地震监测数据采集D S P 系统 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A B S T R A C T C o a li Sb a s ee n e r g yi no u rc o u n t r y ．I tt a k e sa ni m p o r t a n ta c t i o ni no u r n a t i o n a le c o n o m y ．B u tn o wt h es i t u a t i o no fs a f e t yp r o d u c t i o nf o rc o a l l ic r yi S r a t h e rc r i t i c a l ．M a n yc a t a s t r o p h e sc o u l dh a v e b e e nc o n t r o l l e d ．4 0p e r c e n to fw h i c h a r ee v o c a t i v eb e c a u s eo fr o o fc o a lf a l l e n d o w n ，g a s o u t t h r u s ta n df l o o d i n g ．A n d t h e s er e a s o n s a r er e l a t e dw i t bc o v e rr o c kf r a c t u r i n gr a i s e db yt h er e d i s t r i b u t i o n o fS t r e s s ． M i c r o s e is m i cm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi sg e o p h y s i c a ls u r v e yn e wt e c h n o l o g y ， w h o s er a n g ea n dp r o s p e c ta r em u c he x p a n s i v e ．I tc a nb eu s e di n t h r e eb a n d m o n i t o r i n g ，m o n i t o r i n gc o a l li e r yg a so v e r f l o w ，f o r e c a s t i n ga n dp r e v e n t i n gf r o m l e a k a g eo ft o pa n db o t t o mp l a t e ．M i c r o s e i s m i cm o n i t o r i n gs y s t e mi Se x p l o i t e do n t h eb a s i so ft h ea b o v et e c h n o l o g y ．T e c h n i c i a n sc a no b s e r v ea n dr e s e a r c ht h e s p a c i a ld e s t r u c t i v er e g u l a r i t yo fc o a l l i e r yw o r k i n gp l a n e r e a l i z et h ea n a l y s i S a n d1 0 c a l i z a t i o no fm i c r o e a r t h q u a k ee v e n t ．T h i Sh a sg r a n ds i g n i f i c a t i o nf o r c o a l l i e r ys a f e t yp r o d u c t i o n ． W h a tt h et h e s i Si n t r o d u c e dt h ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o n ，w h i c hi Si m p o r t a n t c o m p o s i t i o no ft h es y s t e m ．I te x p o u n d ss e v e r a lr i n g j o i n t si nd e t a i l ．D a t a a c q u i s i t i o ni St h eb a s i So fm i c r o s e i s m i Cm o n i t o r i n g ，w h o s ed e m a n d sf o rh a r d w a r e i Sv e r yh i g h ．F i r s t l y ，t h et h e s i Ss t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i co fs e i s m i cw a v ea n d d i s c u s s e st h es e l e c t i o no fg e o p h o n e ；S e c o n d l y ，i ti n t r o d u c e s t h ed e s i g no f p r e a m p l i f i c a t i o nc i r c u i t ，w h i c ha m p l i f i e st h es i g n a la n df u l f i l ll o wp a s sf i l t e r ； t h et h e s i sp u te m p h a s i so nt h ed e s i g no fD S Ps y s t e m h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e s m i n i m u mD S Ps y s t e ma n dp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t s A D Ca n d c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ec i r c u i t ；s o f t w a r ed e s i g nf u l l f i l sm a i n l yd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t a t r a n s m i s s i o na n df i I t e ro f5 0 H z ． K e y w o r d s m i c r o s e i s m i cm o n i t o r i n g d a t aa c q u i s i t i o n D S Ps y s t e m 山东科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 课题的提出 煤炭是我国的基础能源，在国民经济中发挥了重要的作用。建国5 0 多年来，煤炭在 我国一次能源消费结构中一直占7 0 ％以上，是左右我国经济和社会稳定的重要因素。我 国目前已探明的煤炭储量为9 0 0 0 亿吨。如按2 0 0 0 年的开采强度，我国煤炭可持续开采 6 0 0 年。因此，无论是现在还是将来，煤炭工业都是我国的支柱产业。根据资源条件和 国民经济发展趋势，在可以预见的时期内，我国以煤为主的一次能源结构不会发生根本 性变化。2 0 0 3 年产量超过1 5 亿吨，刨历史最高水平，居世界第一位，为我国胜利实现 现代化建设阶段性战略目标提供了能源保障。我国正处于工业化中期和新一轮经济周期 的上升阶段，能源消耗强度较大。据有关专家预测，到2 0 2 0 年，国内煤炭需求在2 0 亿 吨以上，今后几年乃至更长一段时间内，煤炭工业必将有一个较大的发展。 然而当前煤矿安全生产形势仍然相当严峻一是全国煤矿事故死亡人数居高不下， 每年死于煤矿事故的官方数字是6 0 0 0 人，百万吨死亡率大大高于世界主要产煤国家平均 水平 是世界平均数的1 2 倍，更是美国的l O O 倍 ；二是重、特大事故没能得到有效控 制。这不仅给人民群众造成了巨大的痛苦，国家财产遭受损失，更增加了社会的不稳定 因素，因此，安全生产是煤炭工业发展的重要基础，必须把它放在煤矿各项工作的首位， 防治矿井灾害已成为我国矿业健康发展的头等大事。 导致煤矿伤亡事故的原因主要有两个一是生产管理不善二是对采矿过程中覆岩 破坏规律认识不清。据有关资料显示，在煤矿伤亡中，由于顶板垮落、瓦斯突出、突水 淹井事故导致的伤亡占有很大的比例，约为4 0 ％。而这些事件都与开采后应力重新分布 引起的覆岩破裂有关。 微地震监测技术是近十年来国际上发展起来的一项高新技术，以现代电子技术、计算机 技术为基础，同时结合地球物理等专业技术，形成了一门新的专业物探方法。其主要特点 是它可以对特定的微地震信号进行长期、连续不间断监测，然后根据不同应用情况，对监 测结果进行处理和分析。 基于上述微地震检测理论，国家自然科学基金重大国际合作项目 与澳大利亚合作 坐查型篓查兰婴圭堂垡建塞 堕丝 煤矿覆岩破裂灾变的机理、监测与控制研究 5 0 3 1 0 0 0 1 ，目标就是研制一套井下 微地震实时监测定位系统。进而实现井下微地震事件的分析、定位，技术人员通过该系 统可以观测和研究煤矿长壁工作面围岩的空间破坏规律。微地震监测主要包括数据采 集、震源成像和精细反演等几个关键步骤。数据采集是微地震监测的基础，对硬件设备 要求较高。由于微地震的特性所致，必须用高采样率、宽频带、连续记录、宽动态范围 9 6 d B 进行微地震信号采集。作为该项目的子课题，高性能微地震信号采集器的设计 就是实现多路微地震信号的高速采集。 1 ．2 国内外研究现状 微地震监测技术始予地热开发行业。1 9 7 3 年，美国开始执行千热岩石地热开发项 目，目的在于利用水流通过两口深井之间无渗透岩石内的人造裂缝循环来提取地壳中的 热量。1 9 7 8 年，H ．R ．H a r d y 成功地运用声发射技术进行了地下水压裂缝的定位研究。至 8 0 年代初，微地震监测经常成功地用于地热行业，以监测水动力压裂作业并模拟、追 踪流体的运移，确定开发井的目标及帮助描绘断裂。此时，核工业界也着手利用微地震 监测技术监测埋于地下花岗岩中的核废料是否因进一步裂变生热而导致花岗岩破裂，从 而引起核废料的泄露。 在澳大利亚，将微地震技术用于冒落带、裂隙带的预测是从1 9 8 0 年开始的，那时 已经获得了初步成果，但微地震技术的成功应用是从1 9 9 2 年在澳大利亚G o r d o n s t o n e 矿微地震监测项目开始的，当时利物浦大学的P e t e rS t y l e s 博士、C 1 i f fM a l l e t t 博 士以及C S I R O 地质力学部一起工作，他们在澳大利亚煤矿为微地震监测开辟了新的发展 领域。作为世界上主要的产煤国家澳大利亚对该技术十分重视，在多个矿区推广，足见 微地震技术的强大生命力和广阔的推广应用前景。同样，在世界其他国家微地震监测技 术也已经引起了人们极大的兴趣，在美国，已经见到将微地震监测技术用于石油开采中 含油层压列检测方面的文献。 国外微震监测技术应用侧重点各不相同在美国主要用于石油开采中含油层高压注 水压裂监测；在澳大利亚主要应用于煤层顶板稳定性监测。 在微地震监测仪器研制方面，目前国内还没见到生产厂家和相关产品。国外虽然已经 有同类产品，但根据国外的仪器看，也存在许多不足和值得改进的地方制造成本较高； 仪器的稳定性、记录精度、动态范围等性能指标有待提高；未能实现仪器的轻便化与离散 2 坐薹 璧查兰堡主鲎些堡兰 堕堡 化、远程数据通讯、仪器遥控等功能。本课题所设计的基于D s P 的高性能微地震数据采集 器将在很大程度上克服咀上缺点。所以，本课题是微地震监测研究领域的前沿课蹶。 1 , 3 课题的意义 微地震监测技术是通过观测、分析开采过程中所产生的微小地震事件来监测工作面周 围岩层的空间破裂过程。通过微地震监测可获得准确的冒落带、裂隙带的实际空间位置以 及所能达到煤层上方的高度。这样就可为矿井生产设计提供直接的依据，既能留设合理的 防水、防砂煤柱，保证煤矿安全生产，又能解放一定的煤炭资源，增加煤层可采储量，提 高煤矿生产的经济效益和社会效益。 以往通常采用钻探技术和测井技术进行两带观测，但是其观测结果具有很大的局限性。 首先这种观测技术的观测结果受钻孔位置的限制，在空『日J 上只代表一个点的资料，作为确 定煤层开采上限的依据误差较大，因为，对于采面的不同位置冒落带、裂隙带的高度往往 是不同的；其次，在时间上钻探资料代表的是瞬时值，而两带的形成是一个动态过程，因 此，不同时间的测量结果可能会有较大差异，只有把握最佳时机才能获得可靠资料．而这 是很难做到的甚至是不可能的；其三，利用钻探方法往往很难确定冒落带的高度，因为接 近冒落带时钻探施工将变得非常困难其四，由于各煤矿地质条件的不同，两带的发育情 况往往具有很大的差异，根据个g U 矿区获得的观测结果或结论，难以推广到其他矿区，如 果不同矿区普遍开展两带研究．原有方法势必造成较大的投资和很长周期。所以，以往的 防水或防砂煤柱的留设一般是根据经验公式计算确定。由于各矿区地质条件差异，这样做 会存在两个问题一是当煤柱留设尺寸过犬时，要损失大量的可采煤炭储量；二是当煤柱 留设过小时。可能会带来突水等重大安全隐患。 相对钻探和测井技术，利用微地震技术进行两带监测主要具有投资少、周期短、精度 高、可靠性强的优点，且监测结果具有连续、动态特征，可实现三维的整体监铡，避免规 测结果的局限性和片面性。 在煤矿生产中，微地震技术不仅能用于两带监测，还可用于其他方面a 例如，利用微 地震事件的数量笈生时间以及与采矿活动之间的关系，可以研究煤矿地层的来压周期利 用微地震事件的纵波和和横波信息可以计算地层的弹性系数，确定煤层顶板的岩性特征； 利用地震波的振幅可以确定微地震事件的强度；根据微地震事件的数量和和强度，可以监 测煤层项板的稳定性；在高瓦斯地区．利用微地震技术可以监测和预报瓦斯突出等。微震 测煤层顶板的稳定性；在高瓦斯地区．利用微地震技术可以监测和预报瓦斯突出等。微震 1 山东科技大学硕士学位论文 监测技术的研究应用将在煤矿事故的预测、预防方面发挥重要作用，可以预期，该技术的 推广应用将会产生明显的经济效益和社会效益。 山东科技大学硕士学位论文 系统总体设计及方案论证 2 系统总体设计及方案论证 2 ．1 系统整体方案 井下微地震监测系统主要包括数据采集和数据分析软件等部分。数据采集部分负责 采集传感器输出的信号，并进行必要的数据处理，再通过数据传输通路把数据上传到计 算机；数据分析软件对得到的数据进行分析处理，实现井下微地震事件的分析、定位。 技术人员通过该系统可以观测和研究煤矿长壁工作面围岩的空间破坏规律。 系统总体结构框图如图2 ．1 所示。由于传感器输出的信号为模拟信号，如果传输距 离过长，会使信号衰减过大，以致不能辨识，因此数据采集器的位置应该在井下靠近传 感器的地方。鉴于数据分析软件的运行要求以及现代计算机强大的数据处理能力，本系 统采用普通工业控制计算机和W I N D O W S 操作系统作为数据分析软件的运行环境。由于井 下条件恶劣，而数据的分析和处理需要花费较长的时间和精力，如果技术人员直接在井 下对采集到的数据进行分析和处理，显然是不合理的，而且在井下进行数据分析和处理 必然需要操作键盘和鼠标，而这在并下是不符合安全生产条件的，因此，本系统的数据 采集部分 称为数据采集器 放在井下，数据分析和处理部分 工控机 置于井上，采 集到的数据通过通信信道传到井上后再进行分析和处理。 该方案要求井下数据采集器和数据分析软件都要自主研发，开发周期可能会略微加 长，但是由于完全自主开发，将会拥有完全知识产权。再者本系统将数据采集部分和分 析处理部分分离，使得各部分小型化，并且仅把数据采集部分置于井下，便于安装和搬 运。另外，数据采集器个数可以根据需要增加或减少，灵活方便。 山东科技大学硕士学位论文 系统总体设计及方案论证 国2 ．1 系统总体结构 F i g ．2 ．1 T h es y s t e mg e n e r a la r c h i t e c t u r e 2 ．2 数据采集方案 本课题作为“微地震监测系统的研制”项目的子课题，目标是设计一套高性能微地 震信号采集器。数据采集是微地震监测的基础，对硬件设备要求较高。根据系统的设计 目标，该采集器可采集8 路传感器信号，同时实现与井上工控机的数据通信，将所采集 到的传感器信号传给工控机。计算机只能识别数字信号，而传感器的输出信号为模拟量， 因此需要将该模拟信号转换为数字信号；再者传感器输出的信号为m V 级，一般的模数 转换器 A D C 的测量范围在0 ～5 v ，如果直接将传感器的输出接到A i D 转换器，量 化噪声所引起的误差将会很大，有时甚至可能将有用信号淹没，不能满足系统的设计要 求，在本设计中将传感器的输出信号通过前置放大器进行放大，变换到0 ～5 V 范围内， 再通过A ／D 转换器转换为数字信号。 2 ．2 ．1 A ／D 转换器的选择 根据微地震领域研究人员的经验，微地震信号的频率一股在1 0 ～1 5 0 H z ，根据奈奎 斯特抽样定理．为保证信息不丢失，抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2 倍。 6 虫壅登垫查堂璧圭堂堡堡苎 至竺璺苎丝生墨查墨丝堡 本设计所用的一路信号的采样频率为3 0 0 H z ，本采集器为8 路信号采集，这就要求所选 择的A ／D 转换器的转换速率不能低于2 ．4 K H z 。另外。微地震监测对A ／D 转换的精度要求 很高，一般要求达到1 4 比特以上，本系统选用1 6 比特的A ／D 转换器。 2 ．2 ．2 系统处理方式 数字信号处理 D i g i t a lS i g n MP r o c e s s i n g ，简称D S P 是- - f l 涉及许多学科而又广泛 应用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展， 数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里，数字信号处 理已经在诸多领域中得到极为广泛的应用。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备， 以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符 合人们需要的信号形式。 通过以下与模拟处理系统比较，我们可以发现数字信号处理系统的巨大优势 l _ 灵活性 在模拟处理系统中当你需要改变一个模拟系统的应用时，．你可能不得不修改硬件设 计，或调整硬件参数。而在数字处理系统，你可以通过改变数字信号处理软件来修改设 置，以适应不同的需要。 2 ．精度 在模拟处理系统，系统精度会受元器件精度的影响，同一批次产品可能有不同性能， 而在数字处理系统中，精度仅与A ／D 的位数和计算机字长、算法有关，它们是在设计系 统时就已经决定了的。 3 ．可靠性和可重复性 模拟系统易受环境温度、湿度、礤声、电磁场等干扰和影响，两数字系统疔勺可靠性 和可重复性好。 4 ．大规模集成 模拟系统尽管已有一些集成电路， 体积小、功能强、功耗小、一致性好、 5 ．虚拟特性与升级 一套模拟系统只能对应一个功能， 不同的软件即可。 但品种较少、集成度不高。雨数字系统中的8 S P 使用方便、性价比高。 而数字系统中一套系统对应多种功能，只要装上 6 ．特殊应用有些应用只有在数字系统才能实现。 例如信号无失真压缩、V 型滤波器、线往稻位滤波器等等。 7 当壅型塾奎兰璧主兰垡丝苎 墨竺璺苎堡盐墨查茎丝堡 微地震检波器信号在传输过程中必然会引入许多干扰，如高频干扰和工频干扰等， 因此。对其进行信号处理是必须的。一般有两种方案一是在前端进行处理，即在A ／D 转换前进行硬件模拟滤波和陷波处理；二是在后端进行处理，即在D S P 系统中进行软件 编程实现数字滤波和陷波。本设计将两种方案相结合首先在信号的前端加入一个阻容 低通滤波器对信号进行预滤波，滤掉高于1 5 0 H z 的干扰信号，以防止在后续处理中产生 混叠。然后，设计一个数字信号处理 D S P 系统对传感器的输出信号进行陷波处理以滤 除工频干扰，并实现数据的传输。 2 ．2 ．3D S P 芯片的选择 设计D S P 应用系统，选择D S P 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了D S P 芯片， 才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，D S P 芯片的选择应根据实际 的应用系统需要而确定。不同的D S P 应用系统由于应用场合、应用目的等不尽相同，对 D S P 芯片的选择也是不同的。～般来说，选择D S P 芯片对应考虑到如下诸多因素 1 ．D S P 芯片的运算速度。运算速度是D S P 芯片的一个最重要的性能指标，也是选择 D S P 芯片时所需要考虑的一个主要因素。 2 。D S P 芯片的价格。D S P 芯片的价格也是选择D S P 芯片所需考虑的一个重要因素。 如果采用价格昂贵的D S P 芯片，即使性能再高，其应用范围肯定会受到一定的限制，尤 其是民用产品。因此根据实际系统的应用情况．需确定一个价格适中的D S P 芯片。 3 ．D S P 芯片的硬件资源。不同的D S P 芯片所提供的硬件资源是不相同的，如片内R A M 、 R o M 的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，I ／O 接口等。即使是同一系列的 D S P 芯片，系列中不同D S P 芯片也具有不同的内部硬件资源，可以适应不同的需要。 4 ．D S P 芯片的运算精度。一般的定点D S P 芯片的字长为1 6 位，如T M S 3 2 0 系列。但 有的公司的定点芯片为2 4 位，如M o t o r o l a 公司的M C 5 6 0 0 1 等。浮点芯片的字长一般为 3 2 位。累加器为4 0 位。 5 ．D S P 芯片的开发工具。在D S P 系统的开发过程中，开发工具是必不可少的。如果 没有开发工具的支持。要想开发一个复杂的D S P 系统几乎是不可能的a 如果有功能强大 的开发工具的支持。如C 语言支持，则开发的时间就会大大缩短。所以，在选择D S P 芯 片的同时必须注意其开发工具的支持情况，包括软件和硬件的开发工具- 6 ．D S P 芯片的功耗。在某些D S P 应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题如 便携式的D S P 设备、手持设备、野外应用的D S P 设备等都对功耗有特殊的要求目前， 3 ．3 v 供电的低功耗高速D S P 芯片已大量使用。 R 坐壅型垫查堂堡主堂垡篓塞 墨竺璺堡丝堡墨互塞望堡 7 ．其他。除了上述因素外，选择D S P 芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、供货 情况、生命周期等。 D S P 应用系统的运算量是确定选用处理能力为多大的D S P 芯片的基础。运算量小则 可以选用处理能力不是很强的D S P 芯片，从而可以降低系统成本。相反，运算量大的D S P 系统则必须选用处理能力强的D S P 芯片。本系统的采样频率为2 ．4 k H z 。即样点之阃的间 隔为4 1 7 p s ，也就是说，所选的D S P 芯片必须在4 1 7 p S 之内完成相应的处理，通过对陷 波器的运算量的大体估计和对各种D S P 芯片运算速度的了解，我认为T M S 3 2 0 V C 5 4 0 2 可以 在规定的时间内完成数据处理任务。 T M S 3 2 0 V C 5 4 0 2 是T I 公司推出的的一款1 6 位定点D S P 芯片，时钟频率高达I O O M H z ， 是T I 公司D S P 系列产品中的主流产品。定点D S P 芯片的价格较便宜。功耗较低，虽然运 算精度较浮点D S P 稍低，但1 6 比特的精度完全可以满足微地震监溅仪器对精度的要求。 而且，T I 公司和第三方合作伙伴都为用户提供了方便快捷的开发工具和开发环境，可大 大缩短开发周期。 2 ．3 通信方案选择 本系统要设计一个8 路数据采集器，相邻两路信号的采样频率为2 ．4 k H z ，每个模拟 通道采样点数据的长度为一字长 1 6b i t ，每发送1 路数据对应一定的地址信息，另外。 数据在发送时一般还要附加相应的起始位和停止位．因此，要求其数据的传输速率要超 过1 6 X 2 ．4 3 8 ．4 k b p s ；根据中国矿井的实际情况，一般矿井的工作面到地面的距离在 几千米以内，因此，所选择的通信方案必须适合远程数据传输；考虑到煤矿井下的恶劣 环境，所选方案还应该具有较强的抗干扰能力。 目前常用的数据通信方式可分为有线通信和无线通信。地面无线通信方式有很多种， 而且发展迅速，但井下无线通信却一直是世界难题，多年来国内外进行了多次试验，研 制了部分井下无线通信的设备，但效果都不理想，相对于地面无线通信来说进展缓慢。 井下无线通信条件复杂，要进行理论研究相当困难。而有线通信技术已经相当成熟传 输数据稳定，抗干扰能力强，误码率低，在工程中已经得到了广泛应用。缺点是需要专 门布线，系统成本有所提高。 通信技术按数据传输方式还可分为并行数据传输和串行数据传输两种。并行通信传 输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据 q 堕查型茎盔堂堡主兰垡丝苎 墨堑璺箜堡生丝查墨丝垩 线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备0 - - ／I 司时接收到这些数据，不需 要做任何变换就可直接使用。这种方法的优点是传输速度快，处理简单，适用于数据量 大、距离短的数据传输。串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由 具有几位总线的发送设备，将几位并行数据经并串转换硬件转换成串行方式，再逐 位经传输线到达接收站的设备中。并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式， 以供接收方使用。串行数据传输的速度要比并行传输要慢，但对于工程应用来说具有更 大韵现实意义。随着串行总线标准的日益成熟与进步，其数据传输速率越来越高，完全 能够满足本系统的设计需要。 综合以上因素，并要保证系统数据传输的可靠性，本系统选择了有线串行传输方式， 采用工程通信中常用的R s 一4 8 5 总线进行数据传输。 通信距离、传输速率是任何一个通信系统的关键指标，但二者相互制约。距离越远。 可靠通信的速率就越低。R s 一4 8 5 总线的最大传输距离为4 0 0 0 英尺 约1 2 1 9 米 ，最大 传输速率为l O M b ／s ，当然二者不能同时达到，一般传输速率在l O O k b p s 以下时达到最大 距离。R S - 4 8 5 数据信号采用差分传输方式，大大提高了总线的抗干扰能力。 现在高速、远距离通信的全双工R S - 4 8 5 收发器引入了预加重电路，有效抑制了码间 干扰，使可靠通信的距离和速率大大提高。当固定传输速率时，引入预加重电路可使传 输距离成倍提高。 根据R S - - 4 8 5 总线标准。当通信距离为1 2 0 0 米时，采用一般R S 一4 8 5 收发器，总线 的通信波特率可达9 3 ．7 5 k b p s ，当采用带有预加重功能的R S ～4 8 5 收发器时，对同样的 通信速率，其通信距离至少可以达到2 4 0 0 米我们还可以通过中继器来延长通信距离， 因此，采用R S - - 4 8 5 总线来实现数据传输是满足系统设计要求的。在本设计中，采用的 波特率为7 6 ．8 k b p s 。 图2 。2C 2 1 8T u r b o ／P C I 智能多串口卡 F i g ．2 ．2 T h eC 2 1 8T u r b o ／P C Ii n t e l l i g e n tm u l t i - s e r i a li n t e r f a c ec a r d 1 0 坐奎整垫查兰堡圭堂垒堡苎 墨竺璺堡堡盐墨互墨堕垩 为了保证研究人员能够通过分析软件作出正确地判断，就需要得到尽可能多的点的 数据，也就是说需要多个采集器同时工作。这就存在在接收端 即工控机 如何接收信 号的问题。 通过调研，我们选择M o x a 公司生产的C 2 1 8t u r b o ／P C I 智能多串口卡 如图2 ．2 来接收多个采集器的所传输的信号。该卡采用先进的A S I C 设计，内置的R I S C 微处理器 T IT M S 3 2 0 ，和大量的I ／O 内存 5 1 2 K B ，数据传输速率快，可高达9 2 1 ．6 K b p s ，只占 用了主机5 ％的处理时间，可让主机有更多的时间来处理其他的任务。卓越的I ／O 效能， 非常适合中小型系统对速度的需求和高密度的数据传输。高智能的内建处理器，大大的 降低主系统C P U 的负担，特别适合工业控制应用和高速的电信行业应用。 在本系统中，井上工控机采用一张多串口卡，可以与8 个数据采集器相连接，总共 可以接收8 8 - - - - - 6 4 路传感器信号。一台工控机最多可以安装4 片C 2 1 8T u r b o ／P C I 多串 口卡，可接收多达2 5 6 路传感器信号。 这一部分不满于本课题的所研究的主要内容，这里仅做简要介绍。 山东科技大学硕士学位论文传感器的选择与前置放大电路的设计 3 传感器的选择与前置放大电路的设计 3 ．1 传惑器的选择 微地震监测技术是近十年来国际上发展起来的一种新兴的专业物探方法。它利用微地 震传感器将传播的微地震信号纪录下来进行处理和分析，以反演出破裂源的空间位置和破 裂时刻破裂源的性质。微地震信号只有被准确地记录下来才自＆对它进行分析处理并作出正 确的判断，因此传感器的选择就交得至关重要，传感器的性能优劣将影响整个系统的工作 一般地说，选用传感器时应注意以下几个方面。 1 ．灵敏度 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高 时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大。有利于信号处理。但要注意的是，传 感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测 量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的干扰信号。 2 ．线性范围 任何传感器都有一定的线性范围。在线性范围内输入与输出成比例关系。线性范围 愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性范围内，是保证测量精确度的 基本条件。然而，任何传感器都不容易保证其绝对线性。在某些情况下，在许可限度内， 也可以在其近似线性区域应用。故选用传感器时，必须考虑被测物理量的变化范围，使 其非线性误差在允许范围以内。 3 。稳定性 稳定性表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能影响传感器 长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器 具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力 4 ．精确度 传感器的精确度表示传感器的输出与被测量的对应程度。由于传感器处于系统的输 入端，因此，传感器能否真实地反映被测量值。对整个系统具有直接影响在实际测量 中，也并非要求传感器的精确度愈高愈好，因为传感器的精确度愈高，价格越昂贵r 因 坐查登苎查堂堡主堂堡堡苎 鲎堕堡塑墨墨兰韭星苎奎曼堡箜墨生 此，应从实际出发选择传感器。 5 ．频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失 真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。 要正确选择传感器类型，首先就要对被测量信号也就是微地震信号进行研究。井下 微地震波的振动幅度是非常微弱的，这就要求传感器必须具有很高的灵敏度从深、浅 层反射界面来的反射信号其能量 振幅 相差很大，为保证把深浅层反射都记录下来， 要求微地震传感器有很大的动态范围；再者所观测的微地震信号是有一定的频率范围的， 要求使用的传感器都具有适于接收有效信号的频率响应。这三方面的要求是传感器选择 中主要考虑的问题。 微地震传感器又称微地震检波器，它的种类繁多，其中使用最为广泛的是磁电式速度 传感器和压电式加速度计。它们都属于惯性式 绝对式 测振传感器。磁电式与压电式振 动传感器相比，其输出阻抗要低得多 约几十欧至几千欧 。因此相应降低了对绝缘和放大 器的要求，连接电缆的噪声干扰可以不考虑。其次，传感器的输出信号是正比于振动速度 的电压信号，便于直接放大指示。另外，磁电式传感器的一致性比压电式的要高得多而且 价格也比较便宜。将两种类型的传感器相比较，本系统设计倾向于选用一种磁电式的微地 震检波器。 磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入机械位移的速度转换成线圈中的感应电势 输出，是一种有源传感器。 根据电磁感应定律，线圈两端的感应电势e 正比于匝链线圈的磁逯的变化率，即 e W 宰， 3 ．1 为 式中中一匝链线圈的磁通 ．i | 『b ； 卜线圈匝数。 若线圈在恒定磁场中作直线运动．并切割磁力线时，则线圈两端产生的感应电势e e w B t 出- 出s i n 口；W B l v s i n O ， 式中B 磁场的磁感应强度。 咒一线圈与磁场相对运动的位移。 1 3 3 ．2 坐奎整苎查兰堡圭堂堡望兰 堡些璺塑壅墨兰垫兰整查皇堕塑堡茎 矿一线圈与磁场相对运动的速度 以一线圈运动方向与磁场方向之间的夹角； ，一每匝线圈的平均长度。 当8 9 7 线圈垂直切割磁力线 时， 3 ．2 式可写成 P W B l v ， 3 - 3 由 3 ．3 式可知，当传感器的结构确定后，B 、W 、l 均为定值，因此，感应电势e 与相对速度V 成正比。 磁电式振动传感器由永久磁铁、线圈、弹簧、阻尼器和壳体等组成，如图3 ．1 所示。 可以用一个集中质量m 、集中弹簧k 和集中阻尼C 组成的二阶系统来表示，如图3 ．2 所 示。比较两图，永久磁铁相当于二阶系统中的质量块／／1 。阻尼大多是由线圈的金属骨架 在磁场