0 引言
所以,本文拟将MEMS加速度计引入到槽波地震勘探中,研制一套基于MEMS的槽波地震仪。
1 基于MEMS的槽波地震仪设计
基于MEMS的槽波地震仪采用节点式遥测地震仪的思路进行设计,整个系统包含4个部分,分别为:传感部分、采集部分、时钟同步部分和电源部分。传感部分采用MEMS加速度计,其频带宽度为1~800 Hz,利用MEMS加速度计体积小、重量轻的优势,将其集成在采集板上,可以摆脱线缆的束缚,真正做到“零”线缆,从而最大限度地减少重量;采集部分将模拟信号数字化并按指定格式存储在存储单元中;时钟同步部分通过GPS授时、晶振守时的方式实现;由于仪器是应用于煤矿井下,所以必须满足GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1部分:设备通用要求》和 GB 3836.4—2010《爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备》的相关规定[18]。基于MEMS的槽波地震仪原理如图1所示。
图1
图1
基于MEMS的槽波地震仪原理框图
Fig.1
Principle block diagram of a MEMS-based single-channel seismograph for in-seam wave exploration
该地震仪可以实现独立型激发,分布式采集。通过GPS对该地震仪进行校时,使用温补晶振保证时钟精度;MEMS加速度计将震动信号转换为电压信号,经A/D转换为数字信号后再进行实时存储,最后通过以太网与PC机进行交互。
1.1 MEMS加速度计的选型
MEMS加速度计最重要的参数包括带宽、噪声参数、量程等。经过多方调研对比,最终选择了AS1002加速度计,该加速度计是高性能电容式MEMS加速度计,采用了高性能ASIC与MEMS传感器组成闭环系统,噪声、动态范围、非线性、重复性、温度漂移、抗冲击等性能优越。AS1002为模拟差分输出,支持片内温度补偿和非线性补偿,带宽为1~1 000 Hz(-3 dB),噪声谱密度为0.9 μg/√Hz,量程为±2 g,其封装尺寸为8.9 mm×8.9 mm,重量约为1 g,参数可以满足槽波地震勘探的需求。
1.2 采集电路的设计
由于AS1002加速度计边长仅为8.9 mm,所以可以将其集成在电路板上进行数据采集。AS1002加速度计输出差分模拟信号,经过A/D进行模数转换后通过CPU实时送入存储单元进行存储。
采集模块分为低通滤波电路、程控放大器电路、A/D采集电路和数字滤波电路。MEMS加速度计的差分信号通过低通滤波器做初步调理,滤除高频噪声,通过程控放大器对其进行放大,送入A/D采集电路实现信号数字化。数字化后的信号通过SINC、FIR和IIR滤波器对数据整形抽样,得到最终的信号通过SPI接口送入CPU进行保存。A/D芯片采样率默认设置为4 kHz,最大输入信号为(±2.5 V)。
CPU采用的是STM32F103系列芯片,其功能较为强大。该芯片内核基于高性能的ARM CorteX-M4型的32 位微控制器,主频最高可达72 MHz,内置高速存储(512 kB Flash 和64 kB SRAM),可实现单周期的乘除法运算。该芯片还包括5个串口、2个IIC接口、3个SPI接口等,接口和资源丰富,可实现多种数据的传输,并且工作温度为-40~105 ℃,可以适应煤矿井下复杂的使用环境。
AD芯片所选型号为ADS1282,是一款32位模数转换器,具有PGA可调、可编程放大器的特点,其原理如图2所示;该芯片分辨率较高,250 SPS时可达到130 dB,输入信号可以达到纳伏级;工作温度为-40~85 ℃;其电源为1.8~3.3 V,总谐波失真为-122 dB;SINC、FIR和IIR滤波器可以以不同方式组合达到不同的滤波效果;功耗较低,工作时最高25 mW,最低17 mW,非工作模式为0.09 mW。因此可以用于煤矿井下槽波地震勘探。
图2
1.3 本安电源的设计
基于MEMS的槽波地震仪采用数字系统和模拟系统完全隔离的设计。采用隔离DC—DC电源,完全隔离数字系统和模拟系统供电,最大限度地避免数字电路对模拟采样的干扰。采集模块和CPU之间的通信接口采用磁隔离芯片进行隔离,如图3所示。通过使用两级电源管理芯片对输出电流进行限制,该芯片输出电流可通过反馈输入电阻对最大输出电流进行控制,使电源电路满足本质安全电路要求。供电使用两串一并磷酸铁锂电池,输出电压为6.4 V,为了同时满足功耗和低噪声的要求,数字部分电源采用DC—DC电源芯片,该芯片的转换效率较高,可达到90%,大大减少了电源系统耗散功率,模拟部分采用凌特公司生产的LDO芯片供电,满足模拟部分电源对噪声的要求。
图3
该电源管理芯片内置RON为100 MΩ的开关FET,可承受±40 V的输入电压,可以调节过压或过流器件。芯片预设内部OVLO门限为33 V(典型值),预设内部UVLO门限为19.2 V(典型值)。 IC还具有高达4.2 A的可编程限流保护功能。电流达到门限时,连续保持限流。此外,器件具有反向电流保护和热关断保护。 IC采用小尺寸、14引脚TSSOP (5 mm×6.5 mm)封装,工作在-40~85 °C温度范围,可以适应煤矿井下复杂的使用环境。
1.4 时钟系统的设计
基于MEMS的槽波地震仪可以做到独立型触发,对震源激发时间不做约束,通过事先对所有仪器进行GPS对时,然后使用各自内置的晶体振荡器保证时钟精度,并在指定时刻由秒脉冲触发进入采集模式。
其原理如图4所示,GPS接收到信号后每秒会输出一个宽1 ms的秒脉冲,接收到秒脉冲后,STM32通过自锁触发器关闭分频器,时钟芯片暂停工作。下一个秒脉冲到来时,自锁触发器打开,将时钟信息写进时钟芯片,此时晶体振荡器开始作为同步源标准来保证时钟精度。
图4
授时芯片选用瑞士U-BLOX的LEA-M8T精密授时模块,其电气连接如图5所示。该授时模块可以产生精确度小于20 ns的精密参考时钟,其接收器配合辅助GNSS功能可提供-157 dBm的信号采集,灵敏度较高。LEA-M8T长和宽为17.0 mm×22.4 mm,占位面积较小,且功耗较低,适合集成化的地震仪的授时要求。
图5
该模块具有信号敏感、授时快、精度高的特点,并可在恶劣气候下实现单卫星授时。此后的时钟保持通过频率为50 MHz,频差为±25 PPM数字温度补偿晶振完成,以达到要求的守时精度。
1.5 下位机软件的设计
基于MEMS的槽波地震仪共分为5个工作模式,分别为:休眠模式、待机模式、对时模式、采集模式和数据交互模式,操作逻辑如图6所示,具体如下:
图6
图6
基于MEMS的槽波地震仪的操作逻辑框图
Fig.6
The operational logic block diagram of a MEMS-based single-channel seismograph for in-seam wave exploration
1)在具有GPS信号的情况下,开机即自动进入授时状态;
2)通过PC机对每台设备进行必要的参数配置,如采样频率、开始采集时间、采集时长等,完成后可以进入休眠模式;
3)将设备安装到指定位置,由休眠模式进入待机模式,按照设定的开始采集时间然后进入采集模式;按照指定采集时长采集完成后,设备进入休眠模式(在采集过程中随时可以停止采集,然后进入休眠);
4)将设备回收到地面,用网线连接PC机,设备进入数据交互模式,将数据传输至PC机;等待数据传输完成,关闭电源。
1.6 外部结构及充电柜设计
传感部分、采集部分、时钟部分和电源部分的实物电路如图7所示。
图7
图7
基于MEMS的槽波地震仪电路板实物
Fig.7
Physical diagram of in-seam wave seismometer circuit board based on MEMS
外部结构的设计需要保证电路板与电池仓的空间及耦合状态,同时,因为基于MEMS的地震仪采用锚杆耦合的方式,外部需兼顾与锚杆的耦合效果,因此外部结构设计了锚杆转接装置,如图8所示。
图8
将充电器、交换机、授时模块内置于充电柜体内,柜体设计了21个设备仓,设备放置在柜体中,通过触点连接,如图9所示。
图9
该充电柜具有以下特点:
1)可以容纳21台MEMS地震仪,并实现充电;
2)内置的授时模块可以实现上电即搜星,搜星成功后只要设备处于开机状态即可实现授时;
3)PC端可以通过触点与21台设备批量连接并配置参数或下载数据;
4)多个充电柜之间可以通过网线连接;
5)方便设备的储存、运输等。
1.7 技术指标
基于MEMS的槽波地震仪的主要技术参数如下:
1)带道能力:单站单道(或3通道),无限扩展;
2)采集方式:独立工作、连续采集、自动存储;
3)核心传感部件:MEMS加速度计;
4)采集分辨率:32位A/D;
5)采样间隔:最小间隔0.25 ms;
6)频带宽度:1~800 Hz;
7)存储能力:0.25 ms采样,连续记录至少80 h;
8)工作时间:不小于18 h(电池供电);
9)重量:0.52 kg。
2 基于MEMS的槽波地震仪的性能测试
原理样机试制完成后,在实验室对其进行了测试,包括振动台测试以及守时精度测试。
2.1 振动台测试
试验用仪器与设备:丹麦B&K振动传感器校准系统:4 808振动台、3 160数采前端、2 692电荷放大器、2 719功率放大器。使用单频点测试的方法,测试结果见表1。
表1 基于MEMS的槽波地震仪灵敏度
Table 1
| 频率/Hz | 加速度/(m·s-2) | 灵敏度/(mV·m·s-2) | 偏差/% |
|---|---|---|---|
| 5 | 0.5 | 178 | -3.26 |
| 10 | 5 | 182 | -1.09 |
| 16 | 5 | 184 | 参考点 |
| 20 | 5 | 184 | 0 |
| 40 | 5 | 184 | 0 |
| 60 | 5 | 184 | 0 |
| 80 | 5 | 179 | -2.72 |
| 100 | 5 | 176 | -4.35 |
| 120 | 5 | 175 | -4.89 |
| 140 | 5 | 173 | -5.98 |
| 160 | 5 | 170 | -7.61 |
| 180 | 5 | 168 | -8.70 |
| 200 | 5 | 165 | -10.33 |
| 300 | 5 | 156 | -15.22 |
| 500 | 5 | 142 | -22.83 |
| 1000 | 5 | 147 | -20.11 |
| 2000 | 5 | 156 | -15.22 |
从表1可知,该加速度计在200 Hz以内灵敏度相对稳定,200~800 Hz之间灵敏度稍微有下降,但是衰减控制在20%以内。
幅频曲线如图10所示。
图10
由图10可知,由于振动台的起振频率为5 Hz,所以在5 Hz附近灵敏度有测量值,10 Hz附近开始趋于稳定,10~550 Hz灵敏度值较为平直,550~800 Hz灵敏度稍有下降。
由上述测试可知,基于MEMS的槽波地震仪在800 Hz以内频率响应较好,保持着较高的灵敏度,尤其是在500 Hz以内,灵敏度保持较高的水准。
2.2 仪器重量对比
井下地震仪按照施工方式的不同大致可以分为分布式和节点式两种。分别以48道、96道为例,对比3种地震数据采集系统的重量(重量单位为kg)见表2。
表2 不同模式地震仪重量对比
Table 2
| 某分布式地震仪 | 某节点式地震仪 | MEMS | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 单位重量 | 48道总重 | 96道总重 | 单位重量 | 48道总重 | 96道总重 | 单位重量 | 48道总重 | 96道总重 | |
| 中央控制站 | 22 | 22 | 22 | 0.52 | 24.96 | 49.92 | |||
| 采集站 | 2.7 | 64.8 | 129.6 | 3.2 | 51.2 | 102 | |||
| 电源箱 | |||||||||
| 中继站 | 2.7 | 2.7 | |||||||
| 检波器 | 3.3 | 158.4 | 316.8 | 0.4 | 19.2 | 38.4 | |||
| 检波器大线 | 1.6 | 25.6 | 51.2 | ||||||
| 网络数据线 | 12 | 12 | 12 | ||||||
| 同步触发 | 2.7 | 2.7 | 2.7 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | |||
| 发爆机 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.5 | 0.5 | |
| 合计 | 263.1 | 483.6 | 97.4 | 193.2 | 25.46 | 50.42 | |||
以走向长1 000 m的工作面槽波透射探测为例,如果按照10 m道距,则需要大约100道。分布式地震仪重量大约483.6 kg,节点式地震仪为193.2 kg。而基于MEMS的槽波地震仪重量为50 kg左右,仅仅是分布式地震仪的10%,约是节点式地震仪的25%。重量的大幅减少,最直接的影响就是运输成本的降低、人员数量的减少,同样可以减少仪器故障率,提高施工效率的效果显著。
2.3 时钟精度测试
测试条件:温度25±3℃;
测试方法:随机抽取3台基于MEMS的槽波地震仪数据采集系统进行对时,试验累计走时时长为10 h,在采集期间每隔1 h给仪器一个锤击信号,观察波形起跳时间t。每次锤击前给一套YTZ3矿用地震仪授时,使其接收同一个锤击信号,以该仪器记录信号的时间为基准时间T,对比MEMS地震数据采集系统每次采集信号的时间t和基准时间T,观察每台仪器的走时误差。试验完毕后导出数据,计算出每台地震仪不同时段的走时误差。
测试结果:经过10 h的测试,每台仪器的走时误差基本呈线性增长,3台仪器中10 h走时误差最大为14个样点即2.5 ms,最小为9个样点即2.25 ms,满足道间走时误差在工作时间内不大于4 ms的要求。测试趋势如图11所示。
图11
3 试验效果
本次现场试验为槽波反射+槽波透射探测的对比试验,试验对比仪器为中煤科工西安研究院(集团)有限公司自主研发的YTZ3矿用地震仪,配合使用气囊式孔中动圈检波器,检波器自然频率为60 Hz,其中,在相对应的孔中也布置了基于MEMS的槽波地震仪,前者布置在孔底,后者布置在距孔口约50 cm的位置。
由于原理样机数量较少,本次井下原始记录对比均为共接收点道集,两种检波器道号修改为一致。选取第88道共接收点道集槽波透射数据进行比较,单道记录如图12所示。
图12
图12
第88道透射槽波记录与频散特征对比
Fig.12
Energy analysis of the 88th channel transmission in-seam wave
4 结论与讨论
煤矿井下槽波地震勘探震源特性、施工环境、运输条件、通讯条件与地面地震勘探相去甚远,一款能够适用井下震源特性且具有高度便携性的槽波地震仪显得很有必要。本论文将MEMS加速度计引入到槽波地震勘探,研制了煤矿井下基于MEMS的槽波地震仪,该地震仪具有以下特点:
1)满足本安防爆的要求,首次将MEMS加速度计引入到煤矿井下,并将其集成于地震仪内部,可在软件和硬件上选择单通道采集或三通道采集,可实现独立工作、连续采集、连续记录;
2)真正实现了“零”线缆,摆脱了检波器大线、充电线缆、网线等线缆,因此,设备附件大幅减小,重量大幅下降,100道设备重量是分布式地震仪总重的10%,是节点式地震仪的25%,提高了施工效率;
3)以MEMS加速度计作为传感部分,接收信号带宽提高、信号质量得到了提升。
作为核心传感器件的MEMS加速度计的性能指标对于地震仪采集的数据质量也起着至关重要的作用。近年,国产MEMS加速度计的各项性能指标会有明显提高,短期内可以实现全数字输出,使得噪声水平、频带宽度等参数也会相应提高。如果能够实现,基于MEMS的槽波地震仪将在槽波地震勘探,乃至以割煤机割煤的震动信号为震源的随采地震及以掘进机掘进的震动信号为震源的随掘地震等勘探中发挥重要作用。
致谢
感谢中煤科工西安院(集团)有限公司的张广忠研究员、王季研究员在仪器设计、测试等环节给与的指导和帮助。
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[本文引用: 1]
随着电子技术的发展,许多新技术被应用到地球物理仪器之中.其中,无缆地震仪采集站具有重量轻、易搬运的特点,适宜应用于如森林、沼泽、沙漠等地面状况复杂的区域,可以在复杂地质条件下方便地进行地震数据采集,是未来地震仪发展的方向.本研究研发了一种低成本无缆地震仪采集站,通过分析无缆地震仪的发展方向,确定了采集站的设计方案,该系统采用了微功耗设计,GPS授时同步与低成本晶振相结合的时钟机制,并设计了基于多项分解的软件滤波器提高24位Σ-ΔADC的动态范围,其低成本、小体积、低功耗的特点使其非常适用于复杂区域下的资源勘探,并可应用于高密度、宽方位等物探新技术当中.
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