基于MEMS加速度传感器和无线传感网络的三分量数字地震检波器技术研究
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摘要
井下地震勘探是查明井下灾害地质构造的一种有效方法。地震检波器是地震勘探装备的重要组成部分,检波器性能优劣直接影响地震勘探的质量。全空间波场的矿井地震勘探需要三分量、大动态、高速、高精度的检波器,传统检波器难以达到要求。开发基于MEMS加速度传感器和无线传感网络的三分量数字地震检波器能有效提高在煤矿井下勘探的作业效率和探测精度,定位潜在危险,为采取预防措施和开展应急救援工作快速提供必要地质构造信息。
论文分析了国内外地震检波器的发展、技术现状,矿井高分辨地震勘探对检波器技术要求,以及传统检波器的物理特性及已有的数字检波器优缺点。充分考虑矿井地震勘探技术的组合要求,采用高集成度、小封装、低功耗器件。有效整合了三分量MEMS加速度传感器技术、高速∑-△24位模数转换器技术、无线传感网络技术,设计了无线数字检波器。同时,极大限度地集成一体化常规地震数据采集电路,在硬件、软件上采用抗干扰设计,有效消除了传统采集系统中模拟信号传输存在的严重干扰,消除信号畸变,提高了信噪比、相位一致性等性能指标。保证了地震信号拾取的高保真、高信噪比和高分辨率。实现了整个系统微型便携、低功耗,适合在煤矿井下全空间、高分辨地震勘探使用。
实验样机进行了综合优化,实验室性能测试和野外试验表明,所设计的检波器样机在三个分量上均具有宽频带、高精度、大动态、高轴间串扰抑制比,能准确采集三轴方向上的振动信号,指标达到多波多分量地震勘探设计要求。
本论文研究得到“十一五”国家科技支撑计划项目“老矿区深部煤炭资源井下综合勘探技术及装备研究”和煤炭科学研究总院创新基金项目“矿用轻便数字三分量检波器开发”的资助,无线数字检波器技术研究对矿井地震勘探装备在煤炭行业安全生产中进一步推广应用具有重要现实意义。
Mine seismic exploration is an effective method in identifying underground geological structures. Seismic geophone is a core part of the seismic instruments, which direct influence the seismic exploration results. Therefore, it is very important to develop a three-component, high-dynamic and high-resolution digital geophone, which traditional geophone don't meet the need. Developing of three-component Digital geophone based on MEMS accelerometers and wireless sensor networks can increase the efficiency and detection accuracy and can detect the potential danger, which quickly provide necessary geological information in preventive measures and emergency rescue.
In this dissertation, development and technology status of seismic exploration instruments at home and abroad, detector technology requirement of high resolution mine seismic exploration and physical characteristics of traditional detectors are analyzed. By fully considering combination requirements of mine seismic exploration technologies, by using components with high integration, low power consumption and small packaging, and by effectively integrating three-component MEMS accelerometer technology, high speed and high precision 24-bitΣ-Δanalog-digital converter technology and wireless sensor network technology, wireless digital detector is developed, which simplifies routine seismic data acquisition circuit greatly. For anti-interference design is used in hardware and software, the proposed method could effectively eliminate serious interference in analg signal transmission of traditional acquisition system, and improve some performance indexes such as signal-to-noise ratio, phase coincidence and signal distortion. The proposed method could assure high fidelity, high signal-to-noise ratio and high resolution in seismic signal pickoff. The whole system is miniature, portable, and low power consumption, which is suitable for mine underground operation.
Integration and optimization are conducted to the laboratory prototype. Laboratory test and field test are conducted, which show that the designed prototype has wide frequency band, high accuracy, large dynamics, between centers crosstalk suppression ratio on three components. It can accurately pick up oscillation signal along different directions, providing foundation for multi-waves multi-component seismic exploration. The indexes meet the design requirement.
The paper is supported by "Integrated underground exploration technology and equipment study of deep coal resource in old mines of "the eleventh five-year plan" national S&T support plan project and "Portable digital three-component detector development for mines" of innovation fund project of Coal Science Research Institute Headquarter. Study of wireless digital detector technology is of important operation significance for mine seismic exploration instruments to be popularized in safe production of coal industry.
论文分析了国内外地震检波器的发展、技术现状,矿井高分辨地震勘探对检波器技术要求,以及传统检波器的物理特性及已有的数字检波器优缺点。充分考虑矿井地震勘探技术的组合要求,采用高集成度、小封装、低功耗器件。有效整合了三分量MEMS加速度传感器技术、高速∑-△24位模数转换器技术、无线传感网络技术,设计了无线数字检波器。同时,极大限度地集成一体化常规地震数据采集电路,在硬件、软件上采用抗干扰设计,有效消除了传统采集系统中模拟信号传输存在的严重干扰,消除信号畸变,提高了信噪比、相位一致性等性能指标。保证了地震信号拾取的高保真、高信噪比和高分辨率。实现了整个系统微型便携、低功耗,适合在煤矿井下全空间、高分辨地震勘探使用。
实验样机进行了综合优化,实验室性能测试和野外试验表明,所设计的检波器样机在三个分量上均具有宽频带、高精度、大动态、高轴间串扰抑制比,能准确采集三轴方向上的振动信号,指标达到多波多分量地震勘探设计要求。
本论文研究得到“十一五”国家科技支撑计划项目“老矿区深部煤炭资源井下综合勘探技术及装备研究”和煤炭科学研究总院创新基金项目“矿用轻便数字三分量检波器开发”的资助,无线数字检波器技术研究对矿井地震勘探装备在煤炭行业安全生产中进一步推广应用具有重要现实意义。
Mine seismic exploration is an effective method in identifying underground geological structures. Seismic geophone is a core part of the seismic instruments, which direct influence the seismic exploration results. Therefore, it is very important to develop a three-component, high-dynamic and high-resolution digital geophone, which traditional geophone don't meet the need. Developing of three-component Digital geophone based on MEMS accelerometers and wireless sensor networks can increase the efficiency and detection accuracy and can detect the potential danger, which quickly provide necessary geological information in preventive measures and emergency rescue.
In this dissertation, development and technology status of seismic exploration instruments at home and abroad, detector technology requirement of high resolution mine seismic exploration and physical characteristics of traditional detectors are analyzed. By fully considering combination requirements of mine seismic exploration technologies, by using components with high integration, low power consumption and small packaging, and by effectively integrating three-component MEMS accelerometer technology, high speed and high precision 24-bitΣ-Δanalog-digital converter technology and wireless sensor network technology, wireless digital detector is developed, which simplifies routine seismic data acquisition circuit greatly. For anti-interference design is used in hardware and software, the proposed method could effectively eliminate serious interference in analg signal transmission of traditional acquisition system, and improve some performance indexes such as signal-to-noise ratio, phase coincidence and signal distortion. The proposed method could assure high fidelity, high signal-to-noise ratio and high resolution in seismic signal pickoff. The whole system is miniature, portable, and low power consumption, which is suitable for mine underground operation.
Integration and optimization are conducted to the laboratory prototype. Laboratory test and field test are conducted, which show that the designed prototype has wide frequency band, high accuracy, large dynamics, between centers crosstalk suppression ratio on three components. It can accurately pick up oscillation signal along different directions, providing foundation for multi-waves multi-component seismic exploration. The indexes meet the design requirement.
The paper is supported by "Integrated underground exploration technology and equipment study of deep coal resource in old mines of "the eleventh five-year plan" national S&T support plan project and "Portable digital three-component detector development for mines" of innovation fund project of Coal Science Research Institute Headquarter. Study of wireless digital detector technology is of important operation significance for mine seismic exploration instruments to be popularized in safe production of coal industry.
引文
(1)冯宏.物探技术进步推动资源勘探技术框架重构[J].煤田地质与勘探,2004年第8期.
(2)王乃堂.采区地震勘探技术在肥城煤田深部构造探测中的应用及效果评价[J].煤田地质与勘探,2005年第33卷第8期.
(3)刘光林,刘泰生,高中录等.地震检波器的发展方向[J].勘探地球物理进展,2003年第26卷第3期.178-185.
(4)程建远,王寿全,宋国龙.地震勘探技术的新进展与前景展望[J].煤田地质与勘探,2009年第37卷第2期.
(5)张学营,曲秀敏.BOX系统野外实用手册[J].物探装备,2002年第4期.
(6)谭军,季广森.DGPS NR107V在可控震源地震勘探中的应用[J].物探装备,2002年第4期.258-260.
(7)朱国维,王怀秀,彭素萍.新型智能三分量地震检波器的研制与应用[J].煤炭学报,2006年第31卷第12期.
(8)贾生茂,潘秋明.矿用瑞利波探测仪通用技术条件[S].中华人民共和国煤炭工业部.1998.6.MT/T 679-1997.
(9)贾生茂,冯宏.矿用地震勘探仪中华人民共和国煤炭工业部[S].1996.9.MT 470-1996.
(10)唱鹤鸣.地震勘探仪器基本原理[M].北京:地质出版社,1985.
(11)张威,张大成,万阳元.MEMS概况及其发展趋势[J].微纳电子技术,2002年第1期.22-28.
(12)宋玉龙.压电加速度地震检波器及其频率响应特性分析[J].石油仪器,2004年第4期.36-38.
(13)赵镨.欧美应用地球物理现状-多波地震勘探[J].中国煤田地质,2004年第6期.47-49.
(14)徐成明,徐爽.三维地震勘探在湖泊沼泽地区的应用[J].物探与化探,2002年第2期.42-45.
(15)张宏乐,曹金栋.用于地球物理勘探的MEMS加速度传感器[J].石油仪器, 2002年第16卷第2期.
(16)张军华,郑旭刚,王伟等.地震采集技术新进展[J].物探化探计算技术,2007年第29卷第9期.
(17)王辉明,宋志翔,马国庆.MEMS加速度传感器开发及在地球物理勘探中的应用[J].勘探地球物理进展,2005年第28卷第6期.
(18)李继东,刘彬辉,赵新国等.三分量数字检波器在东濮凹陷的采集效果分析[J].石油物探,2006年第45卷第11期.
(19)王文良.I/O System Four全数字遥测地震仪的性能特点及与以往地震仪器的对比[J].物探装备,2005年第15卷第12期.
(20)陈金鹰,龚江涛,庞进等.地震检波器技术与发展研究[J].物探化探计算技术,2007年第29卷第9期.
(21)李剑峰,黄卫,胡中平等.基于微机电系统的数字检波器研制和性能分析[J].石油物探,2005年第44卷第5期.
(22)马明建.数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社,2005.3.78-99.
(23)王怀秀,朱国维.AD976及其在三分量智能检波器中的应用[J].国外电子元器件,2003.10.
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(25)Long-Sheng Fan Yu-Chong Tai R.S.Mul Er.IC-processed electrostaticmicro motors.Electron Devices Meeting Technical Digest International.1988.11.666-669.
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(27)J.Bryzek.Impact of MEMS technology on society Sensors and Actuators.1996A56(1-2).1-9.
(28)K.E.Petersen.Silicon as a mechanical material Pro IEEE.1982.70(5).420-457.
(29)俞瑛.硅微机械惯性传感器技术及其应用集成电路通讯[J].集成电路通讯,2005.1.1-4.
(30)石庚辰,郝一龙.微机电系统技术基础[M].北京:中国电力出版社,2006.8.
(31)梁合庆.微控制器蓬勃发展30年[J].单片机与嵌入式系统应用,2008年第 3期.
(32) 唐启涛,陶滔.无线传感器网络综述[J].网络安全技术与应用,2008.2.
(33) 周飞菲.无线传感器网络综述[J].计算机与网络,2007年第22期.198-200.
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(37) 霍海波.矿井井下无线通信系统分析[J].煤,2008.9.
(38) 刘大茂.智能仪器原理与设计[M].北京:国防工业出版社,2008.1.249-262.
(39) Small low power 3-axis±3g mems accelerometer adxl330 analog devices 2006.
(40) LIS344ALH.MEMS inertial sensor high performance 3-axis ±2/±6g ultracompact linear accelerometer.April 2008.
(41) 王选民.智能仪器原理及设计[M].北京:清华大学出版社,2008.7.42-46.
(42) 冯宏.地震勘探仪器中的24位数据采集技术[J].石油仪器,1997年第11卷第6期.
(43) ADS1255.Very low noise 24-bit analog-to-digital converter,august 2008.
(44) Grant Christiansen.Seismic Sensor Demonstration Using an ADS1255 and TMS320VC5510A DSP.TEXAS INSTRUMENTS,2009.1.
(45) 何建,胡焱,周超.24位A/D转换器ADS1255及其应用.西南民族大学学报-自然科学版[J],2006年第32卷第9期.
(46) CC2431.System-on-Chip for 2.4 GHz ZigBee~(TM)/IEEE 802.15.4 with Location Engine.TEXAS INSTRUMENTS,2007.6.
(47) AMS11171.A Low Dropout Voltage Regulator.Advanced monolithic systems Inc.2007.
(48) REF3225.4ppm/℃,100μA,SOT23-6 SERIES VOLTAGE REFERENCE.BB from TEXAS INSTRUMENTS,2005.6.
(49) MAX3232.3.0V to 5.5V Low-Power up to 1Mbps True RS-232 Transceivers Using Four 0.1μF External Capacitors.MAXIM,2004.1.
(50) 冯远辉.FPGA的现状及展望.电子设计应用[J],2006.2.23-24.
(51) 徐振海,王雪松,施龙飞等.信号最优极化滤波及性能分析[J].电子与信息学报,2006年第28卷第3期.498-501.
(2)王乃堂.采区地震勘探技术在肥城煤田深部构造探测中的应用及效果评价[J].煤田地质与勘探,2005年第33卷第8期.
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(9)贾生茂,冯宏.矿用地震勘探仪中华人民共和国煤炭工业部[S].1996.9.MT 470-1996.
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(29)俞瑛.硅微机械惯性传感器技术及其应用集成电路通讯[J].集成电路通讯,2005.1.1-4.
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(32) 唐启涛,陶滔.无线传感器网络综述[J].网络安全技术与应用,2008.2.
(33) 周飞菲.无线传感器网络综述[J].计算机与网络,2007年第22期.198-200.
(34) 范茂军.传感器技术[M].北京:国防工业出版社,2008.7.
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(37) 霍海波.矿井井下无线通信系统分析[J].煤,2008.9.
(38) 刘大茂.智能仪器原理与设计[M].北京:国防工业出版社,2008.1.249-262.
(39) Small low power 3-axis±3g mems accelerometer adxl330 analog devices 2006.
(40) LIS344ALH.MEMS inertial sensor high performance 3-axis ±2/±6g ultracompact linear accelerometer.April 2008.
(41) 王选民.智能仪器原理及设计[M].北京:清华大学出版社,2008.7.42-46.
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(43) ADS1255.Very low noise 24-bit analog-to-digital converter,august 2008.
(44) Grant Christiansen.Seismic Sensor Demonstration Using an ADS1255 and TMS320VC5510A DSP.TEXAS INSTRUMENTS,2009.1.
(45) 何建,胡焱,周超.24位A/D转换器ADS1255及其应用.西南民族大学学报-自然科学版[J],2006年第32卷第9期.
(46) CC2431.System-on-Chip for 2.4 GHz ZigBee~(TM)/IEEE 802.15.4 with Location Engine.TEXAS INSTRUMENTS,2007.6.
(47) AMS11171.A Low Dropout Voltage Regulator.Advanced monolithic systems Inc.2007.
(48) REF3225.4ppm/℃,100μA,SOT23-6 SERIES VOLTAGE REFERENCE.BB from TEXAS INSTRUMENTS,2005.6.
(49) MAX3232.3.0V to 5.5V Low-Power up to 1Mbps True RS-232 Transceivers Using Four 0.1μF External Capacitors.MAXIM,2004.1.
(50) 冯远辉.FPGA的现状及展望.电子设计应用[J],2006.2.23-24.
(51) 徐振海,王雪松,施龙飞等.信号最优极化滤波及性能分析[J].电子与信息学报,2006年第28卷第3期.498-501.