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煤田物探 文章编号 100121986 2003 0320045204 微型检波一体化三分量地震仪及其应用 王怀秀 彭苏萍 朱国维 中国矿业大学 北京 100083 摘要 讨论了一种微型便携式地震仪的设计思路 该仪器具有本安防爆 重量轻 低功耗 高精度 高 采样率等特点 内置三分量检波器 采集数据原位数字化且原位存储 能极大限度地抵抗外界干扰 提高采集信号的信噪比 实现了地震勘探检波一体化的理想采集条件 该仪器适用于恶劣环境条 件下的高精度浅层多波勘探 如岩土体强度的原位测试 残余煤厚探测与工程检验测试等 通过实际应 用证明该仪器应用场景范围广阔 关 键 词 微型 检波一体化 三分量地震仪 多波多分量勘探 中图分类号 P63114 3 文献标识码 A 1 前言 地震勘探装备主要由震源 检波器和数据采集 系统3部分所组成 现有装备的数据采集系统和检波 器都是分离的 所以存在模拟信号传输时易产生通 道串扰 受环境噪声与工频等的干扰等问题 特别是 在场地狭小而环境条件又恶劣的煤矿井下或建筑现 场 干扰因素多 要采集高信噪比 高分辨率和高保 真的地震信号 达到工程勘探的要求 往往有一定的 难度 多波多分量地震勘探是在地质条件复杂地区 提高地震勘探精度和解决诸多工程地质问题的有效 手段 它以采集信息量丰富和提供参数多 勘探精 度高 越来越得到业界人士的重视 本文针对特殊 场地条件下 采集数据量相对较少的小型地震勘探 的特点 从勘探装备的结构组成上采取一定的措施 把三分 量检波器和数据采集系统融为一体 实现了多分量 地震勘探检波一体化的理想采集条件 极大地提高 了装备的抗干扰的能力 仪器设计中 撇开局部器件的 高指标 注重总系统的高性能 来提升勘探的整 体效果 2 设计原则 211 系统设计 地震数据采集系统的性能决定于总系统中的 每个环节 现有的仪器制造商们片面追求主机的高 动态指标 而对位于主机前端的地震检波器的动态 范围考虑不足 目前 常用于地震勘探的是动圈式 检波器 其失线 的已被誉为超级系列产 品 即使这样 它的动态范围也不过为60 db 所以 检波器被称作地震勘探的瓶颈 实际上 在地震数 据采集系统中 这个瓶颈的最窄处当属检波器拾取 信号后 到地震信号被模数转换和存储起来前这一 区间 图 1 在这样的一个过程中 地震信号通过检波器 拾取后 在模拟和数字信号传输过程中 特别是模拟 信号的传输中 将会受到不同程度的干扰 进一步降 低了信噪比 要想改变地震勘探的现状 提高地震 信号的信噪比与分辨率 系统的构成问题是需要解 决的最要紧的麻烦之一 在使用先进的电子技术与传感 器技术的同时 只有充分的利用勘探系统的最佳组合 效应 即实现检波一体化 消除采集信号传输过程中 的畸变 实现原位采集 原位数字化并原位存储 才 能使拾取的地震信号不再因系统构成而进一步牺牲 仪器的性能指标 212 硬件电路设计 作为在建筑工程和煤矿井下这些特殊场合使用 的探测仪器 除要求系统具有拾取高保真 高信噪比 和高分辨率地震信号的能力之外 还应使总系统 微型便携 低功耗 矿井下使用还要求防爆 其主要 设计原则为 普遍采用高集成度 低功耗 小封装器 件 在硬件和软件上加强抗干扰措施 同时 极大限 度地简化常规地震数据采集中所有的模拟和数字电 路 把原来由硬件电路实现的地震信号处理功能 交 给PC机的数据处理软件系统来实现 采集时采用 宽频 广信息接收 这样 既能减小硬件电路结构 图1 传统地震数据的采集流程 收稿日期 2002209216 作者简介 王怀秀 1966 女 安徽歙县人 中国矿业大学控制理论与控制工程专业博士生 从事地学仪器的研发 1 54 第31卷 第3期 2003年6月 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 在电路板布线上采用双层 板 一层专门用作地线层 模拟电路和数字电路分 开 模拟地和数字地仅在A D转换器的一点连接 除地线 电源线 mil 在每个 集成块的电源和地之间均配置了去耦电容 0603封 装 手动复位与上电复位结合 同时在复位端配置 一去耦电容 电源输入端配置电解电容 在软件设 计上为确保程序在恶劣环境的干扰下正常执行 在 程序的适当位置设定了系统状态位和陷阱指令等 对于数据采集过程的噪声干扰 可用数字滤波等软 件方法压制 21213 智能化设计 微型检波一体化三分量地震仪是一种智能型仪 器 采用液晶显示器并通过5个触摸键实现人机对 话 菜单式揭示操作 现场进行实时数字处理 数字 处理设有自动判别初至和反射相位 自动拾取反射 或折射等 对于较深层勘探 可通过软件控制来自 动调整增益 进行深度补偿或目的层补偿 其效果相 当于地震仪的浮点放大功能 213 整体性能指标 通道 3 增益 6 96 dB 精度 16位 最小采样间隔 5 s 采样点数 512 1024 2048 检波器主频 Z分量为40 60 Hz X Y分量为 8 14 Hz 体积 515 2 610 cm 3 大容量存储器 32 MB 液晶显示器 192 64象素点 RS232串行口 3 系统构成 检波一体化三分量地震仪的主要电路如图3 64 煤田地质与勘探 第31卷 311 模拟输入端与模数转换电路 仪器的前端有3个通道 供X Y Z三分量模 拟信号输入 信号采用差分输入方式 输入信号经一 级程控放大后进入多路选择器 一级放大可对三分 量信号能量进行平衡 然后再进入二级程控放大器 之后由A D转换器将采集数据来进行模数转换 转换 后的数字信号由控制电路控制读取并在RAM中暂 存 模数转换电路主要元件为模数转换器 本次采 用了低功耗 高速 高精度器件AD7664 AD7664是 采用电荷重分布技术的逐次逼近型模数转换器 具 有线性误差小 功耗低 无流水线延迟等特点 采样 速率在100 kSPS时功耗仅为21 mW AD7664的采样 速率最高可达500 kHz 16位分辨率无失码 完全满 足了多通道数据采集系统对采样速率和精度的要 求 312 控制与存储模块 数据采集系统的微控制器选用的是AT89C55 芯片上自带20 k的Flash 无需外扩ROM MCU控 制AD转换电路按给定的参数进行数据采集 采集 来的数据先存入随机存储器中 同时在显示器中显 示实测波形图 然后操作者根据信号质量状况选择 进行存储 存储器使用Intel公司生产的超大容量 快擦写闪存28F320 其存储容量为32 MB 在采样点 数为1024点的情况下 仪器三分量同时采集可存储 多于660炮的采集数据 313 辅助电路 一体化三分量地震仪本身即是一个完整的地震 数据采集系统 系统除具有控制和模数转换电路外 还有触发启动电路 电源电路和键盘 显示器与通讯 接口电路等 314 系统软件 随着对仪器智能化要求的提高 系统软件的重 要性慢慢的变大 本系统软件的核心部分是实现固定 采样率下的数据采集和实时存储 总系统软件采 用结构化的模块设计 由启动 显示 数据采集 键盘 菜单处理和解析处理等主模块组成 其中数据采集 模块的程序流程如图4所示 4 配套装备及数据处理 411 传感器芯体 根据三分量检波器检测信号的特性 结合对各 种芯体性能参数的试验了解情况 同时考虑到多波 多分量勘探的应用场景范围 内置各分量芯体性能参数 指标可选范围见表1 图4 三分量地震仪数据采集流程图 表1 三分量检波器芯体的技术指标分布范围 名 称X分 量Y分 量Z分 量 自然频率 Hz8 14 215 8 14 215 40 60 215 线 01300125 0135 并阻阻尼016 017 215 016 017 215 0165 0175 215 灵敏度 V cm s 1 1 0125 0128 215 0125 0128 215 0127 0129 215 失线 震源 多波多分量地震数据采集系统针对不一样的工作 方法 对震源的要求是能激发出足够能量的地震波 现场应根据勘探任务和工作条件进行震源试验 通 过试验选择相对合适的震源 煤矿井下多采用配套 研制的锤击震源 震源枪或机械式横波震源进行探 测 勘探深度相对较深时可使用爆炸震源 413 耦合装置 三分量地震仪作为一体化仪器将直接与被探测 的介质体表面耦合 所以在其底部设有螺孔 用来连 接耦合装置 耦合装置一般有两种 一种为尾锥形 式的 勘探时直接插入表层介质中 尾锥长度视表面 介质赋存状况而定 如果表面松散层较厚 则应采用 加长尾锥 另一种为圆型底座 这是用于介质体表面 致密状态下的探测 勘探时直接用耦合剂将仪器粘 贴在介质体表面 因为三分量勘探有两个相互垂直 的水平分量 现场布置时 应将其中一个水平分量设 置成与测线期 王怀秀 彭苏萍等 微型检波一体化三分量地震仪及其应用 图5 3煤底板反射横波地震剖面 414 数据处理 三分量地震仪现场采集数据以 3 1data的文件 名形式存储 仪器内置系统软件能够直接进行一些简单 实时处理 也能够最终靠RS232串口通讯软件把数据 传入PC机 然后 使用专用数据处理软件包进行 各种数字处理和解释 该软件包包括文件管理模块 预处理模块 数字处理模块 工程勘测考察与工程检验测试模 块和多波勘探模块等 其中多波勘探模块中主要有 转换波勘探 面波勘探与槽波勘探等 5 应用举例 本仪器的设计特点使其在狭小场地内开展自激 自收 反射波与折射波小排列探测等 如煤矿井下残 余煤厚的探测 超前探测和煤岩体强度原位测试等 因篇幅限制 以下仅举2个应用实例 511 矿井反射地震勘探 图5为 在新集矿区某矿 250 m水平3煤联络 巷 使用检波一体化三分量地震仪进行纵横波联合 勘探 调查下伏岩层赋存状态时 反射横波的3次覆 盖地震剖面 巷道呈东西向 测试时 使用6台仪器 同时接收 偏移距125 150 m 道间距5 m 在巷道 内布置的测线上进行激发与接收 图中清晰显示出 1煤及太原组1灰的赋存界面 查明3煤底板到1煤 距离为80 90 m 1煤至1灰间距为20 m左右 下伏 岩层东边埋藏较深 且小构造发育 测线点往 西则较稳定 此结果和后期采掘验证情况完全吻 合 512 工程地质检测 图6 多道瞬态瑞雷波勘探V H曲线 石家庄市某建筑地基采用强夯解决方法 强夯 分为浅槽和深槽两种 其中浅槽强夯施工是在深度 为110 210 m处进行夯击 现场瞬态瑞雷波勘探使 用4台仪器组合接收 实测数据室内回放并进行瑞 雷波解析后 得图6所示V H曲线 m段瑞雷波速度明显升高 表明强夯处理 对目的层的压实作用明显 解析结果与使用其他工 程地质试验手段得到的结果相符 6 结论 工程现场对探测技术及其装备提出慢慢的升高的 要求 要求科研人员想办法满足各种现场测试的需 要 微型检波一体化三分量地震仪正是针对建筑工 程与矿业工程的特殊场地条件和探测要求而研制 的 根据勘探任务的需要可选择一台或多台同时工 作 且每台能设置为单分量或多分量接收 可进行纵 波 横波 转换波 瑞雷波及它们的联合勘探 经煤 矿井下与建筑施工工地的多次应用 证明该仪器有抗干 扰能力强 探测精度高 适用方法多 操作便捷 小型 便携 能适时进行现场解析等特点 具有广泛的应用 与推广价值 参考文献 1 王柏林 1 单片机系统模块设计的误区与对策 J 1 计算机应用 2002 2 22 24 2 袁子龙等 1 地震仪数据采集系统的改进 J 1 大庆石油学院学 报 2000 4 15 17 3 柏自炳 1 矿用便携式安全仪表防爆设计中的几个问题的探讨 J 1 矿业安全与环保 1999 3 29 30 A miniature integrated sampling 32componented seismograph and its application WANG Huai2xiu PENG Su2ping ZHU Guo2wei China University of Mining and Technology Beijing 100083 China Abstract A miniature portable seismograph with its intrinsic designfor safety explosion2proof is designed The instrument has the characteristics of low weight low power high accuracy and high speed and a 32componented geophone is combined in it As it can convert analog signals to digital datum and store the datum in original site it has the extremely ability to resist the outside interference increase the SNR of seismic signal and reach the ideal condition of integrated sampling and effectively overcome the bottle2neck effect of the general seismic data sampling system This seismograph is best suited for high accuracy shallow layers multi2wave exploration in complicated environment such as testing the intensity of rock and soil block in2site prospecting the thickness of the residual coal and the engineering detecting etc It is confirmed by field tests that this seis2 mograph is practical and cost2effective Key words miniature integrated sampling 32componented seismograph multi2wave and multi2component exploration 84 煤田地质与勘探 第31卷
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