基于MEMS的数字地震检波器的研究

摘要

本文是以MEMS技术传感器为研究基础，依附于路基溶洞监测工程，设计新型的精度更高的MEMS数字地震检波器，来替代传统模拟地震检波器，打破国外技术的垄断。本文详细地调研了地震检波器技术在国内外的发展现状；简要分析了小型化数字化检波器技术的指标要求；对MEMS数字检波器发展的趋势以及传统检波器和数字检波器的优缺点做了对比分析；同时对适用于路基桥梁等工程地下探测的MEMS数字地震检波器系统进行了以下研究：
　　①通过分析 MEMS传感器的工作原理及制作工艺研究，建立了其相应的力学和电学模型，并对本项目中所用的MEMS传感器进行了后期调理电路的设计与实现。
　　② MEMS传感器采集到的地震波初始信号仍然是模拟信号，直接传输难以避免会掺杂许多噪声干扰信号。为了增强采集信号的抗干扰能力，需要进行快速数字化传输，本文设计了24位高精度delta-sigma AD转换器原理图及PCB板图，并对AD采样波特率进行了可选择化软件控制。
　　③探测地层越深，所采集的数据量就越大，为了能对地下更深层的地质结构进行勘探检测，本项目设计了512bit双缓存SDRAM芯片，采用FPGA微控处理器进行高速缓存及传输的控制。
　　④在完成整个硬件系统后，运用了signal Tap II对系统设计器件的性能及工作准确性进行了仿真验证。
　　⑤基于dotNET平台，建立了MEMS数字化检波器相应软件之间的通信，并设计实现了对单检波器采集数据存储、实时时域波形显示及格式转换的功能。
　　⑥在MEMS数字地震检波器系统设计稳定后，为了验证检波器在复杂环境下的采集效果，在野外进行了实地检测试验，并对采集数据进行时频特性、噪声干扰等性能分析研究，实验结果表明，本文设计的数字检波器能够胜任野外地震勘探的要求。
　　本文设计的检波器在保证其测量精度下，主要在检波器小型化，数字化传输上取得了突破，该研究成果将为国内检波器向数字化发展起到推动作用。

目录

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目录

1 绪论

1.1 立项依据

1.2 论文的主要内容及技术路线

2 数字地震检波器系统方案设计

2.1 地震勘探原理

2.2 MEMS传感技术

2.3 地震勘探对数字地震检波器的基本要求

2.4 MEMS数字检波器系统架构和方案设计

2.5 本章小结

3 地震检波器硬件设计与实现

3.1 地震检波器硬件方案

3.2 硬件电路设计思路

3.3 传感器电路设计

3.4 检波器的AD采样电路设计

3.5 双缓存SDRAM控制电路设计

3.6 数据传输控制模块设计

3.7 PCB设计

3.8 MEMS数字地震检波器工艺制作

3.9 本章小结

4 数字地震检波器系统软件设计

4.1 系统软件设计结构与框架

4.2 PC机与FPGA实现的通信及协议制定

4.3 数字检波器软件系统设计与仿真

4.4 PC端检测软件设计

4.5 本章小结

5 系统性能测试

5.1 系统性能测试方案

5.2 系统测试仪器

5.3 检波器性能测试

5.4 系统外场测试

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的相关论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间申请的相关专利目录

C. 作者在攻读硕士学位期间参加的相关科研项目