1、 中国石油大学硕士研究生学位论文(申请工学硕士学位)基于 MEMS 地震仪的天然地震信号采集系统的开发学科专业： 信号与信息处理培养方向： 信号的检测与处理The Development of Seismic Signals AcquisitionSystem Based on MEMS SeismometerThesis Submitted toChina University of Petroleumin partial fulfillment of the requirementfor the degree of Master of Science EngineeringbyMA Qiu
2、-fang(Signal and Information Processing)Tutor:Professor MA Xi-gengProfessor ZHOU Yao-qiApril,2007 基于 MEMS 地震仪的天然地震信号采集系统的开发摘 要检测和分析地震信号可以帮助人类认识地球构造，预测地震自然灾害。由于地震信号的频率很低且能量非常微弱，所以难以准确检测，因此有必要设计一款高性能的地震信号采集系统。本文针对传统地震仪体积大、频带窄的缺点，提出了基于 MEMS技术的三分量地震仪的设计方案。使用低频响应好、灵敏度高的MEMS 加速度传感芯片 1221x-002 感测地震信号，并设计放大
3、、滤波、去直流分量等信号调理电路对传感信号进行处理，提高信噪比。再将整个检测电路进行合理装配和调试，研制出三分量地震仪。为了构成高精度数据采集系统，还选择 24 位高分辨率数据采集器 DT9820 采集地震信号，并设计配套的数据采集处理软件。数据采集软件使用Visual C+编程，软件的主要功能包括数据采集、曲线绘制、 PSN 文件存储和 FFT 频谱分析等。在设计中，着重分析了系统设计关键，提出了降低功耗、提高抗干扰能力等硬件优化措施和合理分配缓冲区、运用 WINDOWS 消息响应机制、合理组织软件各功能模块、采用 GPS 授时器授时等软件措施。通过这些措施提高了系统实时性和可靠性。实验结果
4、表明，系统能够进行高精度实时数据采集和信号分析，输出的数据和专业分析软件 WinQuake 兼容，且应用软件界面友好、稳定可靠，达到了设计要求。关键词：MEMS 地震仪，数据采集， DT9820，PSN 数据格式The Development of Seismic Signals Acquisition SystemBased on MEMS SeismometerMA Qiu-fang(Signal and Information Processing)Directed by Professor MA Xi-geng,Professor ZHOU Yao-qiAbstractDetectio
5、n and analysis of seismic signals can help people understand earths structure and predict earthquake disasters.It is difficult to detect seismic signals accurately because its frequency is too low and energy is too weak.So it is necessary to design a high-performance seismic signals acquisition syst
6、em.This theses introduces the design of a tri-axis seismometer based on MEMS technology,aims to overcome the disadvantages of traditional seismometers,such as large volume and narrow band.In the design,1221x-002 is chosen to detect earthquake,and subsequent signal conditioning circuits are designed
7、to improve signal to noise ratio,including amplifying,filtering and DC removing.By reasonable assembly and testing,a seismometer with three sensing directions is finally developed.Then DT9820,a data acquisition board with 24 bit resolution,is chosen to convert the seismic data.Based on the board,an
8、acquisition and processing software is programmed with Visual C+6.0.The main functions of the developed software include data acquisition,curve portray,storing of PSN files and FFT spectrum analysis.Many methods are used to improve the systems real-time property and reliability.Power saving and anti
9、-interference are introduced to optimize hardware performance.Reasonable allocation of buffers,utilization of WINDOWS message mechanism and GPS module are also applied in the acquisition and processing software.The results of experiments prove that the developed system can meet the need of real-time
10、 data acquisition and signal analysis.The saved data can be read by the WinQuake,a professional seismic signals processing software.Furthermore,the designed software is full of friendly user interface and stable performance.Key words：MEMS Seismometer,Data Acquisition,DT9820,PSN DataFormat第 1 章 前 言1.
11、1 选题背景及意义地震既是一种自然灾害，又是人类认识地球内部结构和演化的一种有力工具。所以，对天然地震信号进行准确检测以及对采集到的信号进行有效的分析和处理意义重大。用于地震信号检测的传感器称为地震仪，目前大多数地震仪仍然以机械结构为主，不但体积大、价格高而且频带窄、抗震能力较差，影响信号采集效果。微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems， MEMS）是使用微机械和微电子技术将机械元件、传感器、执行器和电路等集成到一个半导体上的微型器件，是近几年来随着微电子技术的快速发展而形成的全新的技术领域1。基于MEMS 技术制成的各种传感器比传统传感器性能更为优良，具
12、有频带宽、低频响应好、噪声低、灵敏度高、线性度高等优点，因此研究基于 MEMS 技术的地震仪，提高信号检测的精度具有重要的意义。为了进行数据分析，还需要将地震仪的信号通过数据采集器进行采集并存入计算机。地震数据采集器分辨率的高低、采集系统方案的合适与否，都直接影响地震信号采集的实时性、可靠性和准确性，从而影响数据分析的效果。因此，设计一套基于高灵敏MEMS 地震仪的数据采集系统也至关重要。1.2 课题研究的现状（1）MEMS 地震仪的发展现状MEMS 地震仪测量的是加速度，内部核心元件为 MEMS 加速度芯片。目前开发研制 MEMS 加速度芯片的厂家主要有美国的ADI、SDI、Applied
13、MEMS、芬兰的 VTI、瑞典的 Colibrys 等，其中有不少性能参数适合地震检测的芯片，如 ADI 公司的ADXL103 和 ADXL203、Colibrys 公司的 MS8002、SDI 公司的1221x-002、Applied MEMS 公司的 SF1500L、SF1500S 和SF3000L 等。曾经第一个推出 24 位 - 模数转换地震仪 SYSTEM的 I/O公司已经成功地将 MEMS 加速度芯片引入到了地震监测领域，以VECTORSEIS 命名推出了以筒型外壳封装的三分量数字加速度部件，从而启动了地震数据采集系统下一轮的更新换代。法国的Sercel 公司在 2002 年也推出
14、了数字传感单元 DSU 作为 408UL 地震仪升级的部件。Applied MEMS 公司也已为美国地质调查局USGS 提供 Si-Flex MEMS 加速度芯片用于地震监测。国内也有很多大学和研究机构进行 MEMS 地震监测技术方面的研究，西安石油勘探仪器总厂和物探局一直致力于 MEMS 研制及应用研究，威海双丰电子传感有限公司与中科院微系统所合作进行基于 MEMS技术石油地震勘探传感器的研究。（2）地震数据采集器的现状根据地震信号的特点和 MEMS 地震仪的性能指标，选择的数据采集器至少要达到 3 个以上通道，以实现单端模拟信号输入和双端差动模拟信号输入；16 位以上的 A/D 转换分辨率
15、，系统噪声有效值至少要小于3LSB。北京港震公司生产的 EDAS 系列是比较专业的 24 位数据采集器，尤其 EDAS-24IP 和 EDAS-24L 还支持流动地震观测，都具有GPS 授时，但数据通道个数较少，只能连接少数的地震仪；而美国 Data Translation 公司的 DT9820 系列 24 位数据采集器具有 4 个独立的 A/D 转换通道，采用 USB2.0 接口，不需单独供电，系统噪声较小；北京瑞博华公司的 AD8200 系列 16 位数据采集器也采用了USB 接口，总采样速率最大可达 100KHz，而且具有 32/16 个通道，可同时连接多台地震仪，但是其系统噪声比较大，
16、分辨率也不高。1.3 课题研究的内容（1）MEMS 地震仪的研制研究现有的地震采集硬件系统的接口规范，了解对地震仪的性能要求，选择一种性能指标符合地震检测的要求、性价比高的MEMS 加速度芯片。研究芯片的接口，设计外围电路，制成MEMS 地震仪，使地震仪输出模拟信号，并且能与现有的地震数据采集系统兼容。（2）数据采集处理软件的开发选择一款 3 通道以上的 24 位 A/D 转换数据采集器，设计实时采集方案并基于 MEMS 地震仪开发一套地震数据采集处理软件，与硬件一起构成一套完整的地震信号采集系统。第 2 章系统设计方案2.1 系统总体设计方案如图 2-1，三分量地震仪检测地动情况并以电信号输
17、出；数据采集器将地震仪输出的模拟信号转化为数字信号后传入计算机；计算机上运行数据采集处理软件，对数据进行实时显示、处理和保存。为了保证数据采集时间的准确性，采用 GPS 授时器对计算机进行授时。三分量地震仪数据采集器G P S 授时器计算机图 2-1 信号采集系统总体框架2.2 地震仪的设计方案如图 2-2，地震仪一般具有三分量（竖直、东西、南北方向）检测的功能，而目前没有很好的一体化 MEMS 三分量加速度芯片用于设计。针对这个现状及天然地震信号微弱、频率低的特点，本课题拟选出灵敏度高、低频响应好、噪声低、适合地震信号采集的单分量 MEMS 加速度芯片，设计调理电路，使之输出单端模拟电压信号，从而制成单分量加速度传感器。继而再将三个单分量加速度传感器（A1 、A2 、A3）相互垂直地装配在一起，做好屏蔽、密封等处理后构成三分量加速度传感器，即三分量地震仪。
