本發(fā)明涉及一種地電信號采集系統(tǒng)及測量方法，具體涉及一種長周期地電信號采集系統(tǒng)及測量方法。

背景技術(shù)：

隨著我國深部探測計劃的進(jìn)行，同時為了了解巖石圈結(jié)構(gòu)和大地構(gòu)造情況，采集長周期地電信號對進(jìn)一步完善大地電磁構(gòu)造理論具有重要的意義。為完成此類項目需要完成能夠采集長周期信號采集的裝置，可靠的采集裝置才能采集到可信的實(shí)驗數(shù)據(jù)。長周期地電信號采集特點(diǎn)是，采集時間長，野外施工環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾嚴(yán)重，噪聲頻譜豐富，因此需要長周期地電信號采集裝置低噪聲、低漂移、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)。因此，本發(fā)明針對長周期地電信號的特點(diǎn)和施工特點(diǎn)設(shè)計了一種長周期地電信號采集系統(tǒng)及測量方法。

中國，屈栓柱在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)的碩士畢業(yè)論文《超長周期地電信號采集電路的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)》中提出了24位a/d和具有數(shù)字濾波功能的長周期地電信號采集電路，實(shí)現(xiàn)了把人為和自然因素影響較大的0.1-10hz的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)采集，提高信噪比和數(shù)據(jù)質(zhì)量。但采集電路中沒有考慮到在不同地質(zhì)條件下，由于采集電路和不極化電極參考電壓不同而造成的地電信號漂移導(dǎo)致采集通道飽和的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決當(dāng)前長周期地電信號采集裝置不穩(wěn)定，對環(huán)境干擾敏感，電路設(shè)計針對性不強(qiáng)、采集通道易飽和等問題，而提供的一種長周期地電信號采集系統(tǒng)及測量方法。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種長周期地電信號采集系統(tǒng)，包括：

不極化電極傳感器，通過屏蔽電纜將地電差分信號輸入；

阻抗匹配與抗射頻干擾電路，接受所述不極化電極傳感器輸入的信號，降低由于信號傳輸線路較長帶來的射頻干擾誤差；

差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路，將經(jīng)過所述阻抗匹配與抗射頻干擾電路處理的地電差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號；

巴特沃斯低通濾波電路，將所述單端信號進(jìn)行低通濾波處理；

2.5v基準(zhǔn)電壓電路，輸出2.5v基準(zhǔn)電壓與所述經(jīng)過低通濾波處理的單端信號構(gòu)成偽差分對信號；

a/d驅(qū)動電路，接收偽差分對信號并輸出至a/d轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號；

微控制器，將二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為帶符號浮點(diǎn)型數(shù)字信號并通過串口通信隔離電路輸出；

上位機(jī)，接收微控制器的輸出信號，在所述上位機(jī)運(yùn)行軟件labview顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。

進(jìn)一步地，所述2.5v基準(zhǔn)電壓電路統(tǒng)一為裝置所在大地基準(zhǔn)點(diǎn)、差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路、巴特沃斯低通濾波電路、a/d驅(qū)動電路和a/d轉(zhuǎn)換電路提供2.5v基準(zhǔn)電壓。

進(jìn)一步地，設(shè)定阻抗匹配與抗射頻干擾電路的差分帶寬和共模帶寬，抗射頻干擾濾波的-3db差分帶寬計算公式如式(1)所示，共模帶寬計算公式如式(2)所示：

其中，bwdiff：差分帶寬；bwcm：共模帶寬r：電阻r1和電阻r2之和，r1＝r2；c1：決定共模帶寬的電容；c2：決定差模帶寬的電容。

進(jìn)一步地，地電差分信號經(jīng)過阻抗匹配與抗射頻干擾電路后分別輸入差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路的同相輸入端vinp和反相輸入端vinn，根據(jù)差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路輸入電阻r3和反饋電阻r4設(shè)定差模增益為4，并將差分地電信號轉(zhuǎn)換成單端信號，參考端vref接2.5v基準(zhǔn)電壓電路。

進(jìn)一步地，巴特沃斯低通濾波器為由運(yùn)算放大器組成的兩個四階巴特沃斯低通濾波器，運(yùn)算放大器的同相端參考電平接2.5v基準(zhǔn)電壓。

進(jìn)一步地，單端地電信號經(jīng)巴特沃斯低通濾波器輸出進(jìn)入a/d驅(qū)動電路，包括一電阻r7和一電容c6，根據(jù)后端a/d轉(zhuǎn)換電路選擇電阻r7和電容c6，電容c6一端與電阻r7連接后，另一端接2.5v基準(zhǔn)電壓電路。

進(jìn)一步地，單端地電信號經(jīng)a/d驅(qū)動電路后接入a/d轉(zhuǎn)換電路偽差分同相端，偽差分反相端接2.5v基準(zhǔn)電壓電路。

進(jìn)一步地，所述a/d轉(zhuǎn)換電路為多路，每路a/d轉(zhuǎn)換電路中a/d同步端分別接入二或門邏輯器件or1和二或門邏輯器件or2輸入端，輸出端二或門邏輯器件or3輸入端，當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)都準(zhǔn)備就緒時，二或門邏輯器件or3輸出端輸出下降沿給微控制器。

進(jìn)一步地，2.5v基準(zhǔn)電壓電路接入2.5v輸出隔離電路輸入端k1端，2.5v輸出隔離電路輸出端與匹配電阻r8連接，經(jīng)電容型的靜噪濾波器nfe61pt472c1h9l后k2端接鐵棒就近插入裝置所在大地，為東西向或南北向不極化電極提供2.5v電壓參考和地電壓偏置。

一種長周期地電信號測量方法，其方法包括如下的步驟：

采集地電差分信號，通過屏蔽電纜將地電差分信號輸入；

通過阻抗匹配與抗射頻干擾降低由于信號傳輸線路較長帶來的射頻干擾誤差；

將地電差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號；

將所述單端信號進(jìn)行低通濾波處理；

輸出2.5v基準(zhǔn)電壓與所述單端信號構(gòu)成偽差分對信號；

接收偽差分對信號并輸出轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號；

將二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為帶符號浮點(diǎn)型數(shù)字信號并通過串口通信隔離后輸出；

運(yùn)行軟件labview顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。

本發(fā)明有兩種布極測量方式：

方式一、以本系統(tǒng)為中心，間距為50米，分別向地磁南、地磁北、地磁東、地磁西方向布置不極化電極，共四個不極化電極構(gòu)成兩對地電差分信號，每對不極化電極之間間距為100米。偏置電壓鐵棒就近插入大地。

方式二、以本系統(tǒng)為中心，并在系統(tǒng)位置就近布置四個不極化電極，然后以間距為50米，分別向地磁南、地磁北、地磁東、地磁西方向布置不極化電極，共八個不極化電極構(gòu)成四對地電差分信號，每對不極化電極之間間距為50米。偏置電壓鐵棒就近插入大地。

本發(fā)明的電路原理是，每對不極化電極通過屏蔽電纜將地電差分信號輸入給本系統(tǒng)，經(jīng)阻抗匹配和抗射頻干擾電路輸出給差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路，差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，該單端信號經(jīng)過巴特沃斯低通濾波電路后與2.5基準(zhǔn)電壓構(gòu)成偽差分對經(jīng)a/d驅(qū)動電路輸入到a/d轉(zhuǎn)換電路，a/d轉(zhuǎn)換電路采用外部2.5v基準(zhǔn)電壓電路，a/d轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號，經(jīng)spi通信電路和a/d同步電路輸出到微控制器，微控制器將二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為帶符號浮點(diǎn)型數(shù)字信號并通過串口通信隔離電路輸出到pc，上位機(jī)軟件labview顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。

本發(fā)明的有益效果是，電路結(jié)構(gòu)簡單，針對長周期地電信號特點(diǎn)設(shè)計采集系統(tǒng)。2.5v基準(zhǔn)電壓電路輸出電路統(tǒng)一為儀器所在大地基準(zhǔn)電壓、差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路、巴特沃斯低通濾波電路、a/d驅(qū)動電路和a/d轉(zhuǎn)換電路提供2.5v基準(zhǔn)電壓，并與經(jīng)過儀表放大器后的單端地電信號構(gòu)成偽差分對。地電信號從采集首端到末端都以2.5v基準(zhǔn)電壓為基準(zhǔn)，使本裝置外不極化電極產(chǎn)生的差分對信號以2.5v基準(zhǔn)電壓為基準(zhǔn)產(chǎn)生相應(yīng)幅度的地電信號，提高了本采集裝置對環(huán)境的抗干擾程度，避免了由于不同地質(zhì)條件下，采集電路和不極化電極參考電壓不同而造成的地電信號漂移導(dǎo)致采集通道飽和的問題。同時，當(dāng)由于長時間測量導(dǎo)致地電信號和2.5v基準(zhǔn)電壓變化時，而a/d轉(zhuǎn)換電路采集單端地電信號與2.5v基準(zhǔn)電壓構(gòu)成的偽差分信號，從而提高了采集裝置的時間穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所述系統(tǒng)中模擬信號調(diào)理及a/d轉(zhuǎn)換電路示意圖；

圖3為本發(fā)明所述系統(tǒng)中阻抗匹配與抗射頻干擾濾波電路示意圖；

圖4為本發(fā)明所述系統(tǒng)中差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路示意圖；

圖5為本發(fā)明所述系統(tǒng)中四階巴特沃斯低通電路示意圖；

圖6為本發(fā)明所述系統(tǒng)中a/d驅(qū)動電路示意圖；

圖7為本發(fā)明所述系統(tǒng)中a/d同步電路示意圖；

圖8為本發(fā)明所述系統(tǒng)中2.5v輸出隔離電路示意圖。

1、不極化電極傳感器；2、模擬電源供電部分；3、數(shù)字電源供電部分；4、模擬信號調(diào)理電路；5、a/d轉(zhuǎn)換電路；6、2.5v基準(zhǔn)源偏置部分；7、數(shù)字信號調(diào)理電路；8、微控制器；9、串口通信隔離電路；10、上位機(jī)；11、a/d同步電路；12、+5v外部電源13、電壓轉(zhuǎn)換和隔離電路；14、2.5v基準(zhǔn)源輸出隔離電路；15、阻抗匹配與抗射頻干擾濾波電路；16、差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路；17、巴特沃斯低通濾波電路；18、a/d驅(qū)動電路；19、2.5v基準(zhǔn)電壓電路；20、2.5v輸出隔離電路；21、k1端；22、k2端；23、電源電路部分；24、鐵棒。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明專利作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

一種長周期地電信號采集系統(tǒng)，如圖1結(jié)合圖2所示，通過不極化電極傳感器1，通過屏蔽電纜將地電差分信號輸入，由模擬電源供電部分2與數(shù)字電源供電部分3和電源電路三大部分23組成。模擬電源供電部分2包括模擬信號調(diào)理電路4和a/d轉(zhuǎn)換電路5中模擬電壓部分，數(shù)字電源供電部分3包括數(shù)字信號調(diào)理電路7和a/d轉(zhuǎn)換電路5中數(shù)字電壓部分。采集系統(tǒng)在a/d轉(zhuǎn)換電路5中實(shí)現(xiàn)數(shù)模隔離。模擬信號調(diào)理電路4包括阻抗匹配和抗射頻干擾電路15與差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路16連接，差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路16與巴特沃斯低通濾波電路17連接，巴特沃斯低通濾波電路17與a/d驅(qū)動電路18連接，a/d驅(qū)動電路18與a/d轉(zhuǎn)換電路5連接，a/d轉(zhuǎn)換電路5經(jīng)spi通信和a/d同步電路11與微控制器8連接，微控制器8經(jīng)串口通信隔離電路9與上位機(jī)10連接，2.5v基準(zhǔn)電壓電路19與2.5v輸出隔離電路14連接，2.5v輸出隔離電路14輸出與鐵棒24連接并接入大地，2.5v基準(zhǔn)源偏置部分6是2.5v基準(zhǔn)電壓電路19統(tǒng)一為系統(tǒng)所在大地、差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路、巴特沃斯低通濾波電路、a/d驅(qū)動電路、a/d轉(zhuǎn)換電路提供基準(zhǔn)和偏置電壓。整套采集系統(tǒng)由+5v外部電源12供電，電壓轉(zhuǎn)換和隔離電路13產(chǎn)生與+5v電壓外部電源12隔離的系統(tǒng)電壓，為采集系統(tǒng)提供所需的電能。具體地：

不極化電極傳感器1通過屏蔽電纜將地電差分信號輸入；

阻抗匹配與抗射頻干擾電路15，接受不極化電極傳感器輸入的信號，降低由于信號傳輸線路較長帶來的射頻干擾誤差；

差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路16，將經(jīng)過所述阻抗匹配與抗射頻干擾電路處理的地電差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號；

巴特沃斯低通濾波電路17，將所述單端信號進(jìn)行低通濾波處理；

2.5v基準(zhǔn)電壓電路19，輸出2.5v基準(zhǔn)電壓與所述經(jīng)過低通濾波處理的單端信號構(gòu)成偽差分對信號；

a/d驅(qū)動電路，接收偽差分對信號并輸出至a/d轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號；

微控制器，將二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為帶符號浮點(diǎn)型數(shù)字信號并通過串口通信隔離電路輸出；

上位機(jī)，接收微控制器的輸出信號，在所述上位機(jī)運(yùn)行軟件labview顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。

2.5v基準(zhǔn)電壓電路19輸出電路統(tǒng)一為裝置所在大地基準(zhǔn)點(diǎn)、差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路、巴特沃斯低通濾波電路、a/d驅(qū)動電路和a/d轉(zhuǎn)換電路提供2.5v基準(zhǔn)電壓。

本發(fā)明提供的長周期地電信號測量方法，其方法如下所述：

采集地電差分信號，通過屏蔽電纜將地電差分信號輸入；

通過阻抗匹配與抗射頻干擾降低由于信號傳輸線路較長帶來的射頻干擾誤差；

將地電差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號；

將所述單端信號進(jìn)行低通濾波處理；

輸出2.5v基準(zhǔn)電壓與所述單端信號構(gòu)成偽差分對信號；

接收偽差分對信號并輸出轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號；

將二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為帶符號浮點(diǎn)型數(shù)字信號并通過串口通信隔離后輸出；

運(yùn)行軟件labview顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。

采用本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)周期地電信號測量的方法包括：

步驟一、將一對不極化電極1接收到的長周期地電信號分為兩個支路經(jīng)電容器類型的靜噪濾波器nfe61pt472c1h9l接入阻抗匹配電路，靜噪濾波器nfe61pt472c1h9l有很強(qiáng)的信號噪聲隔離功能和噪聲抑制效果。信號經(jīng)阻抗匹配電路后進(jìn)入抗射頻干擾濾波器，這里用阻抗匹配與抗射頻干擾濾波電路來實(shí)現(xiàn)，目的是降低由于信號傳輸線路較長帶來的射頻干擾誤差。參見圖3，阻抗匹配與抗射頻干擾濾波電路中的抗射頻干擾濾波器有兩種不同的帶寬：差分帶寬和共模帶寬。由于后端差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路單位增益條件下信號帶寬為1khz，共模帶寬應(yīng)小于儀表放大器單位增益條件下帶寬的10％，所以設(shè)定抗射頻干擾濾波器共模帶寬為72hz，又由于決定共模帶寬的電容值c1應(yīng)為決定差模帶寬的電容值c2的10％或者更小，所以差模帶寬為3.4hz。抗射頻干擾濾波器的-3db差分帶寬計算公式如式(1)所示，共模帶寬計算公式如式(2)所示：

bwdiff：差分帶寬；bwcm：共模帶寬r：電阻r1和電阻r2之和，r1＝r2；c1：決定共模帶寬的電容；c2：決定差模帶寬的電容；

步驟二、參見圖4，地電差分信號經(jīng)過抗射頻干擾濾波后分別輸入差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路的同相輸入端vinp和反相輸入端vinn，差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路包括輸入電阻r3與反饋電阻r4，連接在一儀表放大器中，根據(jù)差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路輸入電阻r2和反饋電阻r4設(shè)定儀表放大器差模增益為4，并將差分地電信號轉(zhuǎn)換成單端信號，儀表放大器參考端vref接2.5v基準(zhǔn)電壓電路。差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路的輸出信號vout與增益計算公式如式(3)所示：

步驟三、參見圖5，差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路輸出后的單端地電信號進(jìn)入由運(yùn)算放大器ada4528-2組成的兩個四階巴特沃斯低通濾波器，由于后端a/d轉(zhuǎn)換器中設(shè)定采樣率為1hz，所以低通濾波器設(shè)定截止頻率fc為0.34hz。ada4528-2中的兩個運(yùn)算放大器同相端參考電平接2.5v基準(zhǔn)電壓電路。截止頻率fc計算公式如式(4)所示：

步驟四、參見圖6，單端地電信號經(jīng)巴特沃斯低通濾波器輸出進(jìn)入a/d驅(qū)動電路，根據(jù)后端a/d轉(zhuǎn)換芯片ads1263選擇100歐姆電阻和1uf電容，1uf電容另一端接2.5v基準(zhǔn)電壓電路。

步驟五、單端地電信號經(jīng)a/d驅(qū)動電路后接入a/d轉(zhuǎn)換電路偽差分同相端，偽差分反相端接2.5v基準(zhǔn)電壓電路。a/d轉(zhuǎn)換芯片采用外部基準(zhǔn)電壓源2.5v。a/d驅(qū)動電路中電阻r7為100歐姆，電容c6為1微法。

步驟六、參見圖7，每路a/d轉(zhuǎn)換電路中a/d同步端接分別接入二或門邏輯器件輸入端or1和二或門邏輯器件or2輸入端，輸出分別接入二或門邏輯器件or3輸入端，當(dāng)四路a/d轉(zhuǎn)換器中a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)都準(zhǔn)備就緒時，二或門邏輯器件or3輸出端or3輸出下降沿給微控制器,三個二或門邏輯器件組成a/d同步電路。

步驟七、參見圖8，2.5v基準(zhǔn)電壓電路接入2.5v輸出隔離電路20輸入端k1,21，2.5v輸出隔離電路20輸出端與匹配電阻r8連接，經(jīng)電容型的靜噪濾波器nfe61pt472c1h9l后k2端22接鐵棒就近插入裝置所在大地，為東西向(或南北向)不極化電極提供2.5v電壓參考和地電壓偏置。以避免在不同地質(zhì)條件下，由于采集電路和不極化電極參考電壓不同而造成的地電信號漂移導(dǎo)致采集通道飽和的問題。

步驟八、a/d轉(zhuǎn)換電路輸出與微控制器stm32l151c6t6連接，并建立spi通訊，經(jīng)微控制器數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后經(jīng)串口通訊隔離電路接入上位機(jī)軟件labview中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時在線觀測和分析等。至此，完成了長周期地電信號采集系統(tǒng)及測量方法的設(shè)計。