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地震信号检测网络的基础知识(六)

2020.9.29
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王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

低成本紧凑型地震检波器仅检测单个通道,谐振频率通常大于4.5 Hz,灵敏度大于25 V/m/s。同质三轴排列允许将三个类似的单通道地震检波器组合成一个三轴地震动传感器。需要一个周期扩展器来向下扩展地震检波器带宽,以达到宽带传感器的标准仪器规格。当设计采用单电源供电时,周期扩展器还可以用作增益放大器,并将输入信号的偏置设为ADC范围的中心。

MEMS加速度计固有的频率响应使其容易受到失调漂移和高频噪声的影响。带通滤波器可改善局部地震学感兴趣的频率范围内的加速度信号。地震检波器周期延长器和加速度计带通滤波器都需要低噪声、低失调电压和低输入偏置电流的精密运算放大器,例如ADA4610-1 26。

基准电压设置ADC的测量范围和周期扩展器的输出信号摆幅。如果使用模拟输出传感器,基准电压值还应考虑三个加速度信号的电压摆幅。基准电压的失调电压温漂必须非常低,特别是对于室外设施(通常在0?C至50?C)。ADI公司的超低噪声和高精度基准电压源ADR45xx系列是行业标杆,可以轻松满足这些要求27。

对于有电力线的设施,例如建筑物和测站,地震传感器的电源可以从有线直流电源转换器获取;对于远程和现场设施,电源可以从电池获取。从有线直流电源转换器获取时,低噪声开关稳压器和低噪声、低压差(LDO)稳压器适合应用。ADI公司LDO稳压器(例如ADM717x系列)具有高电源电压抑制比(PSRR)、低温漂和低噪声特性28。电池供电的设计需要高负载效率且低功耗的充电控制器和电池充电器,以便维持仪器长期运行而无需维护。此外,如果仪器能够从容易获得的能源(例如太阳能和热能)中收集能量,那么更好。ADP5091超低功耗能量采集器具有最大功率点跟踪和迟滞模式,可确保能量传输效率最高29。它有电源路径管理功能,可以在收集器、充电电池或原电池之间切换,使得自供电仪器能够可靠地运行。

如果使用模拟输出加速度计,Σ-?型转换器会接收来自周期扩展器的三个通道速度信号和另外三个通道加速度信号。该设计需要至少有六个输入通道的转换器。如果可能,速度和加速度信号须同时采样。对于采样时在通道之间切换的多通道ADC,采样速率需要更高。地震的目标信号最大频率为100 Hz。对于这些信号,无混叠的采样频率应为至少200 Hz或每周期5 ms。每个加速度和速度通道应以至少1.2 kSPS的采样速率采样。地震信号的分析推动了每个通道的过采样。因此,应选择采样速率远高于1.2 kSPS的ADC。AD7768是一款8通道24位Σ-Δ ADC,支持同步采样,无需更高采样速率30。其最大采样速率为256 kSPS,但在低功耗模式下,采样速率可降至32 kSPS。它非常灵活,支持以不同方式实施和应用地震仪器设计,并能轻松达到A类数据采集单元的标准要求。

低成本处理器的功能因应用而异。对于使用外部计算设备进行数据分析的远程节点,处理器是一个数据记录仪,它将所有通道的地震数据存储并打包为标准格式(SEED或SEG-Y),然后通过数据接口将其发送到计算设备。此应用的处理要求较低,因此可以使用低功耗微控制器。ADuCM4050是一款超低功耗ARM? Cortex?-M4微控制器,推荐用于物联网应用31。它有低功耗模式,休眠模式功耗为650 nA,快速唤醒关断模式功耗为200 nA。此外,它还有两个实时时钟(RTC)外设用于计时和时间同步数据采样。

对于内置数据分析功能的独立仪器,DSP会根据应用计算地震特征和其他参数,例如用于结构健康监测的建筑物健康指标。地震数据分析需要计算各种数学和统计函数。例如,地震强度的计算需要对数函数和用于加速度和速度的峰值检测窗口。此外,处理时间应足够短,以便能连续进行数据采样和处理。ADSP-BF706是一款低成本、低功耗DSP,处理速度高达400 MHz,是现场仪表应用的业界首选DSP32。它提供多个无缝外围接口,使得连接数据接口和ADC等外部器件更容易。

仪器的位置数据可以从GPS模块中提取,或者在安装过程中手动设置。对于时间数据,低成本DSP可以使用其内部RTC外设,或通过数据接口使用NTP。数据接口有多种选择,具体取决于安装类型。仪器可以使用工业RS-485接口进行有线通信(尤其是在建筑物内部),或使用以太网接口轻松将设备连接到现有数据网络。对于无线通信,仪器可以使用Wi-Fi设备或ADI公司SmartMesh? IP33,后者可在动态环境中实现全面的数据可靠性。


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