一种多功能全数字MEMS三分量检波器设计_李怀良

当没有外界加速度时，加速度传感器测量的是地
球的重力加速度在其各个轴向的分量，根据各个分量
的大小即可测出传感器组相对于水平面的倾斜角度，
可以对电子罗盘做相应的倾斜补偿。 陀螺仪可以测量传感器沿其各个轴向的角速度，
主要用于做动态补偿，考虑到地震检波器一般情况下 处于静止状态，这里陀螺仪主要起辅助作用。 2．3 数据传输节点控制
满足 PGA205 对弱信号的拾取条件。
地震信号中会出现较多干扰信息，尤其各种高频
干扰，在 ADC 采样率固定的情况下，由于欠采样问题，
极易出现频率混叠现象，即假频。由于是叠加到有效
图 3 SF1600S 加随机震动输出
由图 2、图 3 可以看出，2 个信号输出端分别出现 了 1．2 V 左右的直流偏置，这也是 MEMS 加速度计在 地球 引 力 作 用 下 的 结 果，但 当 施 加 外 部 震 动 后，或 传
0 引言 检波器是地震勘探系统中关键的地震信号检测
单元、检波器的性能指标决定地震采集系统拾取信号 的质量。尤其是当前复杂地质条件下的三分量地震 勘探，对 检 波 器 设 计 提 出 了 更 高 的 要 求，如 需 要 提 供 三分量水平分量的数据的校正功能以及更好的幅频 特性等。国内大多数地震勘探仪器的检波器部分仍 是采用动圈式或压电式的机械式传感器，而随着传感
（ 1．Southwest University of Science and Technology，Fundamental Science on Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory，Mianyang 621010，China； 2．Chengdu University of Technology，State Key Laboratory of Geohazard Prevention ＆ Geoenvironmental Protection，Chengdu 610059，China）
数字检波器内置数据传输网络部分是信号采集站 之间级联协同工作，并与通信站进行数据通信的核心部 分，充分考虑地震数据量及整个系统的抗干扰能力，采 用传输数据量大、抗干扰能力强、可靠稳定的 ＲS485 串 行通信标准。地址自适应 ＲS485 电路如图 5 所示。
电路 中 采 用 了 最 大 支 持 256 个 通 信 节 点 的 ADM2582 作为 ＲS485 的接口器件，其自身集成了隔离
2．1 MEMS 加速度信号调理
而 SF1600S 这种非标准差分输出的情况，也使得对其
采用单轴内置振荡器 SF1600S 正交组合实现三 进行前级处理比较困难。如直接采用差分放大器，其
分量结构，其差分灵敏度达 2. 4 V / g，0 ～ 1 000 Hz 范围 内为300 ngrms / Hz，充 分 保 证 了 检 波 器 的 拾 震 能 力。 图 2、图 3 分别显示了其在静音环境和施加外部震动 的输出波形。
并对外提供 IP 地址自适应的高速 ＲS485 传输通信接口，实测检波器动态范围达 120 dB 以上，A / D 有
效分辨率达 20 位以上，噪声水平小于 8 μV。检波器已经应用于数字 VSP 系统，野外试验显示设计的
检波器具有较高的分辨率和一致性。
关键词：三分量检波器； MEMS 检波器； 数字检波器； 多波地震勘探
摘要：针对复杂条件下多波地震勘探施工的适应能力及设备的抗干扰问题，设计了一种以 MEMS
传感器组为核心的多功能全数字三分量检波器。以高性能低功耗的 STM32F4 为控制中心，集成三分量
MEMS 加速度传感器、电子罗盘、陀螺仪、倾角传感器等组成多功能检波器，设计多路可配置信号调理
模块，提高系统动态范围及带宽，配合软并行采集技术构成可扩展裁剪的分级式全数字三分量检波器，
进行动态补偿的三轴陀螺仪。组合时 3 种惯性传感器
轴向对应组合，将 3 种三轴传感器对应轴同向组合叠 加成惯性传感器组的 3 个轴向［5］。
MEMS 惯性传感器组中，电子罗盘可以感知地磁
的大小，从而根据地磁的大小测出传感器敏感轴的方
位指向，但当电子罗盘倾斜或者受到地磁外强磁场干 扰时，会影响其精度，造成测量结果的不准确［6－7］。
中图分类号：TP21
文献标识码：A
文章编号：1002 － 1841（ 2016） 07 － 0055 － 05
Design on Mutli-function and All-digital Three-component Geophone Using MEMS
LI Huai-liang1，2，TUO Xian-guo1，2，SHEN Tong2
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图 4 MEMS 检波器信号调理电路
因此需要进行相应转换，电路中采用 AD8138 配合 4
个等臂电阻，公共输入端口的参考电压与 ADC 的参考
电压完全一致，实现合理的差分信号转换。
2．2 姿态检测功能集成
MEMS 惯性传感器组包括测量地磁分量的三轴电
子罗盘、测量倾角的三轴加速度传感器和对整个系统
差分输出端的两路信号根本无法叠加，同向叠加则无 信号 输 出，反 向 其 中 一 路 后 叠 加，则 直 流 偏 置 也 会 出 现 2 倍的放大效应，不利于对信号的处理。因此，系统 只能采用地震检波器的单端输出方式。
针对 SF1600S 输出的单端信号调理电路如图 4 所
示。SF1600S 单端输出的信号中包含一个随机变化的
Abstract： To the adaptability of construction for multi-wave seismic exploration and interference problems of equipment under complex conditions，a multi-function digital three-component geophone with the core of MEMS sensor group was designed． The soft parallel acquisition technology was integrated to the extended and tailoring digital three-component geophone，and STM32F4 with high performace and low power consumption was chosen as the control center，three-component MEMS accelerometer and sensors such as electronic compasses，gyroscopes and tilt sensors were also integrated．Multiple configurable signal conditioning module was designed to improve the system dynamic range and bandwidth． In addition，high speed ＲS485 transmission communication interface with the functionality of adaptive IP address was provided for external modules．The test results show that dynamic range of the geophone is up to 120 dB or more，and A / D effective resolution is more than 20 bits，while noise level is less than 8 μV，and now it is maturely used in digital VSP system，and field applications show that the designed geophone can get high resolution and consistency． Key words： three-component geophone； MEMS geophone； digital geophone； multi-wave seismic exploration
地震信号的频段范围内，所以在后期的设计中很难处 理。电路中利用 OPA2735 的另外一组运放，构建了一 个巴特沃斯二阶有源低通滤波器，其截止频率与 ADC 的采样率保持一致或更低，有效实现抗混叠滤波。
同时，由于电路中后级 ADC 采用的是差分方式，
第7期
李怀良等： 一种多功能全数字 MEMS 三分量检波器设计
图 2 SF1600S 未加震动输出
的输 入 失 调 电 压，该 参 数 如 果 高 于 弱 信 号 水 平，整 个 运放也就对其失去了放大作用。由于系统所采用的
PGA205 可编程运放的输入失调电压为 50 μV，也是当
前最低的，满足了系统所要求的 5 μV 电压，电路中对
信号先经过 OPA2735 进行 10 倍固定增益的放大，以
2016 年 第7期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2016 No. 7
一种多功能全数字 MEMS 三分来自百度文库检波器设计
李怀良1，2 ，庹先国1，2 ，沈 统2
（1．西南科技大学，核废物与环境安全国防重点学科实验室，四川绵阳 621010； 2．成都理工大学，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059）
调理后传送至多路并行 24 位高速、高分辨率的 A / D 转换器进行信号的采样和转换，并采用可裁剪扩展的 ＲS485 多节点组网模式与其他采集终端进行交互通 信，具体方案框图如图 1 所示。
图 1 全数字三分量检波器框图
2 关键调理电路设计
感 器 随 机 运 动 时，这 种 直 流 偏 置 会 出 现 不 规 则 变 化。
图 5 地址自适应 ＲS485 电路
式开关电源，这使得其高速远距离通信方面优于其他 芯片，ADM2582 最大支持 16 Mbit / s 的通信速度，尤其 是支持全双工的通信方式，为指令和数据的传输提供 了便利。针对 ＲS485 差分信号线的控制由模拟开关 SGM3002 完成，其导通内阻仅有 2．5 Ω，保证信号的无 损通过，且其从切断到导通的切换时间仅需要 8 ns，相 对于无延时的切换，从整体了保证了 ＲS485 差分信号 线的可靠性。 2．4 电源管理单元
Instrument Technique and Sensor
Jul. 2016
1 数字检波器整体方案 以高性能低功耗的 STM32F4 为控制中心，采用高
灵敏度的 MEMS 三分量加速度传感器、方位传感器、 角度传感器等组成多功能检波器，及时拾取微震信号 和相应的方位角度信息，经可动态配置信号调理电路
基金项目：国家重大科研仪器设备研制专项项目（ 41227802） ； 四川省科 技支 撑 计 划 项 目 （ 2014GZ0184 ） ； 西 南 科 技 大 学 科 研 基 金 项 目 （ 13zx7135、15yyhk14、14tdhk03） 收稿日期：2015 － 08 － 07
器技术的发展，尤其是当前 MEMS 加速度传感器技术 的发展及其在 各 领 域 的 广 泛 应 用，加 之 其 在 频 率 响 应、相位响应以及谐波失真方面的优势，使 MEMS 加 速度 传 感 器 应 用 到 全 数 字 地 震 检 波 器 中 成 为 可能［1－4］。
结合复杂条件下三分量地震勘探的需求及 MEMS 惯性传感器的 优 势，文 中 设 计 了 集 成 方 位 及 倾 角 检 测、三轴正交的传感器组，并采用 Ethernet － ＲS485 总 线构建节点对外的统一传输接口，配合低纹波的高精 度电源管理部分，构成能自由组合的全数字三分量检 波器。
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直流分量，因此信号调理首先要滤除该部分直流，以
便于后级放大。由于地震信号处于低频段，因此应用
电路中采用 4．7 μF 多层陶瓷电容下拉 1 MΩ 电阻的
方式 实 现 隔 直 流，避 免 阻 断 低 频 弱 信 号，提 高 电 容 的
充放电时间，降低信号的延时时间。
针对于微弱信号的放大，需要首先考虑到放大器