一种多功能全数字MEMS三分量检波器设计_李怀良

2016年第7期

仪表技术与传感器

Instrument

Technique

and

Sensor

2016No. 7

一种多功能全数字MEMS 三分量检波器设计

1，21，2

李怀良，庹先国，沈

统

2

（1．西南科技大学，核废物与环境安全国防重点学科实验室，四川绵阳621010；610059）

2．成都理工大学，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都

摘要：针对复杂条件下多波地震勘探施工的适应能力及设备的抗干扰问题，设计了一种以MEMS 传感器组为核心的多功能全数字三分量检波器。以高性能低功耗的STM32F4为控制中心，集成三分量MEMS 加速度传感器、电子罗盘、陀螺仪、倾角传感器等组成多功能检波器，设计多路可配置信号调理提高系统动态范围及带宽，配合软并行采集技术构成可扩展裁剪的分级式全数字三分量检波器，模块，

A /D有并对外提供IP 地址自适应的高速ＲS485传输通信接口，实测检波器动态范围达120dB 以上，效分辨率达20位以上，噪声水平小于8μV 。检波器已经应用于数字VSP 系统，野外试验显示设计的检波器具有较高的分辨率和一致性。

关键词：三分量检波器；MEMS 检波器；数字检波器；多波地震勘探

中图分类号：TP21文献标识码：A 文章编号：1002－1841（2016）07－0055－05

Design on Mutli-function and All-digital Three-component Geophone Using MEMS

22

LI Huai-liang 1，，TUO Xian-guo 1，，SHEN Tong 2

（1．SouthwestUniversity of Science and Technology ，Fundamental Science on Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory ，Mianyang 621010，China ；2．ChengduUniversity of Technology ，State Key Laboratory of

Geohazard Prevention ＆Geoenvironmental Protection ，Chengdu 610059，China ）

Abstract ：To the adaptability of construction for multi-wave seismic exploration and interference problems of equipment under complex conditions ，a multi-function digital three-component geophone with the core of MEMS sensor group was designed．The soft parallel acquisition technology was integrated to the extended and tailoring digital three-component geophone ，and STM32F4with high performace and low power consumption was chosen as the control center ，three-component MEMS accelerome-ter and sensors such as electronic compasses ，gyroscopes and tilt sensors were also integrated．Multipleconfigurable signal condi-high speed ＲS485transmission tioning module was designed to improve the system dynamic range and bandwidth．In addition ，

communication interface with the functionality of adaptive IP address was provided for external modules．Thetest results show that dynamic range of the geophone is up to 120dB or more ，and A /Deffective resolution is more than 20bits ，while noise level is less than 8μV ，and now it is maturely used in digital VSP system ，and field applications show that the designed geophone can get high resolution and consistency．

Key words ：three-component geophone ；MEMS geophone ；digital geophone ；multi-wave seismic exploration

0引言

检波器是地震勘探系统中关键的地震信号检测

器技术的发展，尤其是当前MEMS 加速度传感器技术的发展及其在各领域的广泛应用，加之其在频率响相位响应以及谐波失真方面的优势，使MEMS 加应、

速度传感器应用到全数字地震检波器中成为可能

［1－4］

检波器的性能指标决定地震采集系统拾取信号单元、

的质量。尤其是当前复杂地质条件下的三分量地震对检波器设计提出了更高的要求，如需要提供勘探，

三分量水平分量的数据的校正功能以及更好的幅频特性等。国内大多数地震勘探仪器的检波器部分仍而随着传感是采用动圈式或压电式的机械式传感器，

基金项目：国家重大科研仪器设备研制专项项目（41227802）；四川省科

技支撑计划项目（2014GZ0184）；西南科技大学科研基金项目（13zx7135、15yyhk14、14tdhk03）收稿日期：2015－08－07

。

结合复杂条件下三分量地震勘探的需求及MEMS 惯性传感器的优势，文中设计了集成方位及倾角检

三轴正交的传感器组，并采用Ethernet －ＲS485总测、

线构建节点对外的统一传输接口，配合低纹波的高精度电源管理部分，构成能自由组合的全数字三分量检波器。

561

数字检波器整体方案

Instrument Technique and Sensor Jul. 2016

调理后传送至多路并行24位高速、高分辨率的A /D转换器进行信号的采样和转换，并采用可裁剪扩展的ＲS485多节点组网模式与其他采集终端进行交互通信，具体方案框图如图1所示

。

以高性能低功耗的STM32F4为控制中心，采用高方位传感器、灵敏度的MEMS 三分量加速度传感器、

角度传感器等组成多功能检波器，及时拾取微震信号经可动态配置信号调理电路和相应的方位角度信息，

图1全数字三分量检波器框图

22．1

关键调理电路设计MEMS 加速度信号调理

采用单轴内置振荡器SF1600S 正交组合实现三

感器随机运动时，这种直流偏置会出现不规则变化。而SF1600S 这种非标准差分输出的情况，也使得对其进行前级处理比较困难。如直接采用差分放大器，其同向叠加则无差分输出端的两路信号根本无法叠加，

信号输出，反向其中一路后叠加，则直流偏置也会出不利于对信号的处理。因此，系统现2倍的放大效应，

只能采用地震检波器的单端输出方式。

针对SF1600S 输出的单端信号调理电路如图4所示。SF1600S 单端输出的信号中包含一个随机变化的直流分量，因此信号调理首先要滤除该部分直流，以便于后级放大。由于地震信号处于低频段，因此应用电路中采用4．7μF 多层陶瓷电容下拉1M Ω电阻的方式实现隔直流，避免阻断低频弱信号，提高电容的充放电时间，降低信号的延时时间。

针对于微弱信号的放大，需要首先考虑到放大器的输入失调电压，该参数如果高于弱信号水平，整个运放也就对其失去了放大作用。由于系统所采用的PGA205可编程运放的输入失调电压为50μV ，也是当满足了系统所要求的5μV 电压，电路中对前最低的，

信号先经过OPA2735进行10倍固定增益的放大，以满足PGA205对弱信号的拾取条件。

地震信号中会出现较多干扰信息，尤其各种高频干扰，在ADC 采样率固定的情况下，由于欠采样问题，极易出现频率混叠现象，即假频。由于是叠加到有效地震信号的频段范围内，所以在后期的设计中很难处

0 1000Hz 范围分量结构，其差分灵敏度达2. 4V /g ，内为300ngrms /Hz，充分保证了检波器的拾震能力。图2、图3分别显示了其在静音环境和施加外部震动的输出波形

。

图2SF1600S

未加震动输出

图3SF1600S 加随机震动输出

理。电路中利用OPA2735的另外一组运放，构建了一个巴特沃斯二阶有源低通滤波器，其截止频率与ADC 的采样率保持一致或更低，有效实现抗混叠滤波。

同时，由于电路中后级ADC 采用的是差分方式，

2个信号输出端分别出现由图2、图3可以看出，这也是MEMS 加速度计在了1．2V 左右的直流偏置，

地球引力作用下的结果，但当施加外部震动后，或传

图4MEMS 检波器信号调理电路

因此需要进行相应转换，电路中采用AD8138配合4个等臂电阻，公共输入端口的参考电压与ADC 的参考电压完全一致，实现合理的差分信号转换。2．2

姿态检测功能集成

MEMS 惯性传感器组包括测量地磁分量的三轴电子罗盘、测量倾角的三轴加速度传感器和对整个系统进行动态补偿的三轴陀螺仪。组合时3种惯性传感器轴向对应组合，将3种三轴传感器对应轴同向组合叠加成惯性传感器组的3个轴向

［5］

。

MEMS 惯性传感器组中，电子罗盘可以感知地磁的大小，从而根据地磁的大小测出传感器敏感轴的方但当电子罗盘倾斜或者受到地磁外强磁场干位指向，

会影响其精度，造成测量结果的不准确扰时，

［6－7］

。

当没有外界加速度时，加速度传感器测量的是地根据各个分量球的重力加速度在其各个轴向的分量，

的大小即可测出传感器组相对于水平面的倾斜角度，可以对电子罗盘做相应的倾斜补偿。

陀螺仪可以测量传感器沿其各个轴向的角速度，主要用于做动态补偿，考虑到地震检波器一般情况下这里陀螺仪主要起辅助作用。处于静止状态，2．3

数据传输节点控制

数字检波器内置数据传输网络部分是信号采集站并与通信站进行数据通信的核心部之间级联协同工作，

分，充分考虑地震数据量及整个系统的抗干扰能力，采用传输数据量大、抗干扰能力强、可靠稳定的ＲS485串行通信标准。地址自适应ＲS485电路如图5所示。

电路中采用了最大支持256个通信节点的ADM2582作为ＲS485的接口器件，

其自身集成了隔离

图5

地址自适应ＲS485电路

式开关电源，这使得其高速远距离通信方面优于其他ADM2582最大支持16Mbit /s的通信速度，芯片，尤其是支持全双工的通信方式，为指令和数据的传输提供了便利。针对ＲS485差分信号线的控制由模拟开关SGM3002完成，其导通内阻仅有2．5Ω，保证信号的无且其从切断到导通的切换时间仅需要8ns ，相损通过，

从整体了保证了ＲS485差分信号对于无延时的切换，线的可靠性。2．4

电源管理单元

稳定、高效、低纹波的供电电源对整个信号采集

系统至关重要。电源会影响系统的输入动态范围和采集的分辨率。充分考虑到野外设备的便携性和设需要同时兼顾电源质量和效率，加上备的使用周期，

系统需要使用多组供电电源，如传感器的12V 电源，模拟和数字部分隔离的5V 电源，以及3．3V 和2．5V 参考电源等，系统采用了蓄电池配合开关电源及LDO 的方式组合实现供电功能，具体供电方案如图6所示

。

3．2

同时，也间接说明了系统连续采集2048采样点具由式（1）可以计算出其不稳定位数，有较高的稳定性，

因此ADC 在该采样率条件下实际有效位在20位以上。

4. 096ˑ 2n

=6ˑ 10－6

232

系统内噪声测试

为便于合理测量采集系统的三分量检波器性能，将设备进行临时改装，采用垂直地震测井的方式进行地震数据采集。以合理验证三分量检波器的拾取性震源偏移5m ，采用横向能。文中采用人工激发震源，

Y 分量的地震波能量。系统采用4提高X 、锤击方式，

组三分量检波器，其中道间距为1m ，仪器采用4KSPS 2048数据点的记录长度，采样率，放大器增益为1。同时将仪器从26m 深度，以3m 间距逐级上拉，直至井口4. 5m 处，总计采集9组数据。为便于结果分析，

（1）

图6检波器内部集成电源方案

对最终地震数据的不同分量进行抽道集显示，这里仅分析给出采集数据的Z 分量抽道集结果，如图8（a ）所示。从Z 分量抽道集的显示效果来看，在炮点偏移地震波的初至时间随检波器的深度距不变的情况下，

增加而增大，这也是较理想的结果。同时从波形的拾4组三分量检波器中的第一组采集效果取规律来看，

并不理想，这在很大程度上是检波器下井的硬连接导致的。3．3

对比测试

为验证MEMS 三分量检波器与模拟三分量检波器的对比测试效果及实际的勘探效果，将开发的地震数据采集系统与模拟三分量检波器（采用48道接收主机）在相同条件进行对比测试。测试方法仍采用井2台仪器的采样率均为4KSPS ，记录中测试的方式，

长度2048点（512ms ）。本系统增益为1，模拟检波器采用横向锤击方式，偏移5m 激发，为36dB （64倍），

从井中26m 以3m 间距逐级测量，直至井口4．5m 。为便于分析，文中将检波器测试结果进行抽道集处理，文中仅给出Z 分量抽取结果，最终测试数据中各层位Z 分量抽道集结果分别如图8所示。

分析检波器的对比测试波形，可以看出在14m 以而在11 4．5m 的范围内模拟检下的测试波形相近，

波器的测试波形出现严重失真，无法识别初至波，而MEMS 检波器的波形走势效果则比深层的采集效果更波形平滑，且初至波时间较明显。综合来看MEMS 好，

Z 分量抽道集检波器从浅至深采集的波形非常规则，效果明显优于模拟检波器。

在供电站部分首先将12V 蓄电池电源升压至24V ，进而级联串接至四路信号采集站，这样采集站内部的两组正负压开关电源则需要选用4ʒ 1宽范围输入模组。而开关电源自身存在纹波较大的问题，尽但管在经严格的LC 滤波后会降低这一纹波和噪声，是通常不会控制到较低的水平。文中采用输出分别为6V 和13. 5V 的开关电源，经低压差线性稳压器进一步降低电源噪声和纹波。33．1

测试结果分析ADC 有效位测试

主要测量A /D转换器在无前端处理电路影响的情况下，测量信号的有效分辨率。测试中将ADC 的差分输入端直接短接，并设置以1KSPS 采样率进行空总计采集2048个采样点，采集结果如图7采集操作，

所示。可以看出，单独ADC 的测量噪声水平在6μV 左右

。

图7ADC 有效位测试

（a ）数字检波器（b ）模拟检波器

图8对比测试波形

［2］王淑华．MEMS传感器现状及应用［J ］．微纳电子技术，2011

（8）：516－522．

［J ］．物探装备，2005（1）：1－5．

4结束语

结合当前MEMS 传感器的性能优势以及三分量数［3］颜永安，牛德芳，孙正鼐．石油勘探MEMS 传感器的研究

本文提出了一种集成了字地检波器的特殊应用需求，

多种功能的MEMS 全数字三分量检波器设计方案，在［4］赵会彦．MEMS数字检波器结构与原理研究［D ］．西安：西

保证能够高保真及高灵敏度条件下拾取微弱地震信2014．安石油大学，

5］赵翔，杜普选，李虎，等．基于MEMS 加速度计和陀螺仪的号，同时也集成了快速测量检波器方位和倾角信息的［

J ］．铁路计算机应用，2012，21（3）：15－18姿态检测系统［并利用分别就检波器信号调理模块，姿态检检测装置，

［6］ALESSANDＲOD ，ANNA G D．Ｒetrievalof ocean bottom and

测模块和ＲS485通信模块等进行了详细的介绍，并对

检波器的姿态检测方位精度进行了测试。通过实际运行测试，验证了该数字检波器设计方案的可行性与有效性。

参考文献：

［1］王春田．MEMS数字检波器采集系统技术研究［D ］北京：

2011．中国地质大学，

downhole seismic sensors orientation using integrated MEMS

gyroscope and direct rotation measurements ［J ］．Advances in

Geosciences ，2014，40：11－17．［7］沈统，庹先国，李怀良，等．基于MEMS 传感器的三分量检

J ］．仪器技术与传感器，2014（10）：1－6．波器定向方法［作者简介：李怀良（1985—），博士，主要从事数字信号处理及仪

mail ：li-huai-liang@163．com器仪表方面的研究。E-［6］MESHＲAMP M ，KANOJIYA ＲG．Tuning of PID controller

using Ziegler-Nichols method for speed control of DC motor

［C ］．Advances in Engineering ，Science and Management （ICAESM ），2012International Conference on．IEEE ，2012：117－122．

［7］XU J Q ，FENG Z P．Multivariable fuzzy control of

．Engineering residential inverterdriven air conditionings ［J ］

Sciences ，2010（8）：56－60．作者简介：饶建华（1962—），教授，博士，主要研究领域为机电

mail ：rao-jh@163．com一体化。E-程鹏（1992—），硕士研究生，主要研究领域为机电一

mail ：chengpeng@2014．cug．edu．cn体化。E-

（上接第54页）

［3］EKＲENO ，SAHIN S ，ISLEＲY．Comparison of different

controllers for variable speed compressor and electronic ex-．International Journal of Ｒefrigeration，pansion valve ［J ］

2010，33（6）：1161－1168．

［4］EＲT ＲKN ，VEＲNETA ，CASTILLA Ｒ，et al．

Experimental analysis of the flow dynamics in the suction

J ］．International Journal chamber of an external gear pump ［

of Mechanical Sciences ，2011，53（2）：135－144．

［5］MAIA A A T ，HOＲTA-GUTIEＲＲEZJ C ，KOUＲYＲN N ，et

al．Superheatingcontrol using an adaptive PID controller ［J ］．

2014，20（4）：424－434．Hvac ＆ＲＲesearch，