一种宽动态范围自存储低频微震信号采集系统及方法与流程

1.本发明涉及微震监测领域，具体涉及一种宽动态范围自存储低频微震信号采集系统及方法。


背景技术：

2.随着经济和科技的迅猛发展，微震信号监测技术在矿产开采、桥梁建设、地质勘查、油气勘测、水力压裂等方面都具有广泛应用。微震信号采集作为微震信号监测的重要环节，其信号采集质量、动态范围、采集精度对微震事件的定位以及分析都有着重要影响。因此微震监测系统采集的数据至关重要，它直接影响到整个监测系统的准确性。在微震监测系统中采用检波器拾取微震信号，并转换成电信号。由于不能预先确定前端信号振幅的大小，所以无法设定一个固定的放大器增益对信号进行放大。同时微震信号还会伴随着各种干扰，甚至微震信号会被周围的环境噪声所淹没。除此之外，极低频信号的采集相对来说也比较困难。所以如何采集有效的微震信号并提高信号采集的动态范围成为了微震监测系统的关键问题。
3.目前提高微震信号采集的动态范围和采样精度的通常方法有：选用自然频率低的检波器和高位数的a/d转换器，但是这种器件价格非常昂贵；对信号进行对数运算，即对信号的动态范围进行压缩，然后对信号进行采样，这种方法的缺点是降低信号采集的精度；通过对之前采样的数据进行相应的处理，调整放大器的增益，但是对于随机多变的信号，这种方法难以适应。
4.本发明从微震信号采集系统的基本需求出发，基于微控制器结合宽动态范围、高采样精度的模数转换模块，通过数字式低频补偿算法设计实现了低频补偿微震信号采集存储系统。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种宽动态范围自存储低频微震信号采集系统及方法，适用于大动态范围的微震信号采集，特别是对于极低频微震信号的采集，同时具有较高的分辨率，能对强弱不同的微震信号进行无失真采样，该设备精度高、稳定性好且价格低廉。
6.一种宽动态范围自存储低频微震信号采集方法，包括以下步骤：
7.s1采用检波器拾取微震信号并转换成模拟的电信号；
8.s2前级放大滤波电路将得到的电信号进行初步的放大和滤波；
9.s3将经过预处理后的信号通过程控增益电路，确定增益；
10.s4对信号进行采样并对原信号进行存储；
11.s5对采样后的信号进行低频补偿并进行存储，得到高分辨率、宽动态范围的微震信号。
12.一种宽动态范围自存储低频微震信号采集系统，包括：
13.信号拾取部分，对微震信号进行采集并转换为模拟电信号；
14.信号调理部分，对电信号进行初步的放大，滤波，并通过程控增益电路确定对信号的放大倍数；
15.信号采样部分，对模拟电信号进行模数转换；
16.信号处理部分，对数字电信号进行低频补偿；
17.电源部分，电源部分为设备供电；
18.存储部分，将采集到的原始数据和低频补偿后的数据存储到sd卡中，方便对信号的保存和后续处理。
19.微震信号采集系统工作时，首先经由检波器拾取微震信号并将其转换成电信号，经过预处理电路实现信号的初级放大滤波后，信号分为两路，一路输入程控增益电路，一路输入a/d转换电路中。程控增益电路根据输入的信号大小确定放大器的放大倍数，将输入到a/d转换电路中的信号放大到合适的a/d采样范围进行采样。之后对采样后的信号进行低频补偿，实现对极低频信号的有效采集和处理。然后将信号存储到sd卡中，方便后续的信号处理。
20.本发明的有益效果是：采用了数字式低频补偿算法，能够采集极低频微震信号；具有较高的分辨率，能对强弱不同的微震信号进行无失真采样；动态范围大，能适用于强弱不同的微震信号的采集，对于弱信号，该方法还具有很高的分辨率；对于随机多变的微震信号，系统能及时调整放大器增益，使信号能无失真采集；精度高，稳定性好，价格低廉。
附图说明
21.图1为高动态自存储低频微震信号采集系统框图。
具体实施方式
22.下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步描述。
23.本发明的一种宽动态范围自存储低频微震信号采集系统，包括：
24.信号拾取部分，对微震信号进行采集并转换为模拟电信号；
25.信号调理部分，对电信号进行初步的放大，滤波，并通过程控增益电路确定对信号的放大倍数；
26.信号采样部分，对模拟电信号进行模数转换；
27.信号处理部分，对数字电信号进行低频补偿；
28.电源部分，电源部分为设备供电；
29.存储部分，将采集到的原始数据和低频补偿后的数据存储到sd卡中，方便对信号的保存和后续处理。
30.微震信号采集系统工作时，首先经由检波器拾取微震信号并将其转换成电信号，经过预处理电路实现信号的初级放大滤波后，信号分为两路，一路输入程控增益电路，一路输入a/d转换电路中。程控增益电路根据输入的信号大小确定放大器的放大倍数，将输入到a/d转换电路中的信号放大到合适的a/d采样范围进行采样。之后对采样后的信号进行低频补偿，实现对极低频信号的有效采集和处理。然后将信号存储到sd卡中，方便后续的信号处理。
31.本发明是一种宽动态范围自存储低频微震信号采集方法，包括如下步骤：
32.s1采用检波器把机械的微震信号转换成模拟的电信号；
33.s2前级调理电路将得到的信号进行初步的放大和滤波；
34.s3将放大滤波后的信号通过程控增益电路确定信号的幅度范围，调整增益控制放大器的放大倍数，将信号调整到适合的a/d采样范围；
35.s4对信号进行采样和原信号值进行存储；
36.s5对信号进行低频补偿，降低检波器的自然频率，拓宽检波器的带宽，得到了高分辨率，宽动态范围的微震信号。
37.其中，s1选用自然频率在10hz左右的传感器，能够基本满足微震信号采集系统的采集要求，实现对微震信号转换成模拟电信号。
38.s2利用运算放大器为核心，设计了放大滤波电路，微震信号通过放大滤波电路后可以滤除不需要的频带信号的干扰，同时减少噪声的影响。
39.s3将经过预处理后的信号与已知电压进行比较，确定信号幅度的范围。预处理后的信号分为两路，一路输入程控放大器，一路输入以比较器为核心的程控增益电路中。放大滤波后的信号经过取绝对值后两路信号均由比较器的反向端输入，当输入信号的电压大于同相的基准电压时，输出端将输出低电平，反之则输出高电平。然后根据程控增益电路得到的值来选择pga(可编程增益放大器)的放大倍数。两个比较器输出有3种可能的结果：
40.当预处理后的信号的电压值高于参考电压的最大值，输出信号组合为00；
41.当预处理后的信号的电压值介于两个参考电压之间，输出信号组合为01；
42.当预处理后的信号的电压值小于参考电压的最小值，输出信号组合为11。
43.嵌入式mcu根据比较器输出信号组合控制程控增益电路的放大倍数，将信号调整到合适的a/d采样范围。程控放大器的放大增益设置规则如下：
44.当输出信号组合为00时，由于此时的电压值大于两个参考电压，信号较强，为了防止超出a/d的输入范围，因此选择程控放大器的放大倍数为1；
45.当输出信号组合为01时，由于此时的电压值介于两个参考电压之间，因此选择程控放大器的放大倍数为10；
46.当输出信号组合为11时，由于此时的电压值小于两个参考电压，信号电压很微弱，因此选择程控放大器的放大倍数为100。
47.s4首先以ad芯片为核心设计了模数转换电路，模拟信号经过模数转换电路后转换为数字信号；之后将数字信号存储到sd卡中。
48.s5是对采集到的低频信号进行补偿。由于检波器自身的自然频率很难通过改变自身结构来降低，因此需要通过低频补偿来拓宽检波器的带宽，实现对更低频率的信号采集。信号补偿机制通过数字式滤波器完成检波器低频段性能补偿。
49.检波器的传递函数可以表示为：
[0050][0051]
设计的可实现的串联补偿网络的传递函数为：
[0052][0053]
则补偿后的检波器系统的传递函数为：
[0054][0055]
串联补偿网络的传递函数的确定需要ω0,η0以及ω1,η1，其中ω0,η0分别为补偿前的自然角频率和阻尼比，ω1,η1分别为补偿后的自然角频率和阻尼比。对于实际需要使用的传感器，高精度ω0,η0参数的确定是匹配传感器传递参数、优化传感器输出特性的基础。
[0056]
通过高精度低频振动台获取一组归一化的传感器幅频特性实验数据为：a1、a2、
…
、an，对应的频率为：f1、f2、
…
、fn，则ω0,η0参数和实验数据的关系为：
[0057][0058]
ω0＝2πf0[0059]
进行一定的形式变换，可以得到：
[0060][0061][0062]
其中n＝1,2,3,
…
,n。取任意两个n值，组合联立求解即可求得f0以及η0。选择在传感器固有频率附近以及前后共五个点，通过回归算法计算得到高精度f0以及η0。串联补偿网络传递函数，通过双线性变换法经过计算后可以转换为数字式高通、带通和低通滤波器网络的组合，然后基于嵌入式mcu的c语言设计三种iir滤波器完成对应的数字滤波器设计。数模转化后数据通过该数字补偿网络计算后进行存储。