地震仪天然地震信号采集系统

冯军(中石化地球物理公司胜利分公司物探仪器管理中心 山东东营257000)

地震的发生会给人们生活带来巨大的危害，但是地震产生的信号有可以很好的帮我们去认识地球的结构和变化，因此对于天然地震信号的检测具有非常重要的意义。常用的地震信号检测工具是地震仪，地震仪在测量地震信号的过程中，主要利用机械机构测量，存在着占地空间大、设备成本高、测量的频率范围小等问题，对于地震信号的采集和检测效果不好。微机电技术是近年来不断发展的一种微电子技术，该技术将机械部件、信号采集、分析、线路等统一集中到半导体原件上，从而有效的减小了地震仪的体积和重量，而且成本低，测量的频率范围大，测量的精度高。地震仪收集到的地震信号，需要通过数据采集系统输送的计算机中，因此地震仪数据采集器的精度和效率，会影响到地震信号检测的精度。文章通过研究分析，设计了一种高效地震仪信号采集系统装置。

一、地震仪信号采集系统的方案设计

地震仪检测到地震信号后，会将检测到的信号转换成电信号，数据采集系统接受地震仪输出的电信号，并且将接受到的电信号转换成数字信号，再将数字信号发送到计算机中。利用相应的计算机软件，对地震信息进行收集、存储和分析。常用的地震仪器通常能够检测东南西北和上下三个分量的地震信号。为了能够更好的解决现阶段地震信号强度低、频率小的问题，需要设计出精度高、低频信号采集好的单分量采集元件，通过采用特定的电路，使采集元件输出单分量的电信号，形成单分量信号传感器。将三个单分量传感器组合成一个整体仪器，经过密封处理后就可以得到三分量地震信号测量仪。如何高效采集地震仪器输出的电子模拟信号，是提高地震信号检测精度的关键，因此地震仪数据采集器的效率和精度非常重要。地震发生时间、发生次数、持续时间、地震强度都是变化不定的，因此需要地震仪的数据采集系统具有较高的测量精度，以及较高的稳定性和可靠性。设计的数据采集采集系统，要发挥良好的效果，需要具备以下基本功能，地震仪的数据采集系统要能连续的采集地震信号，而且能将采集的信号实时的同步显示，信号采集系统可以实现多路多类型地震信号的采集。可以既将采集到的地震信号存储成规定的形式。并且能能够对检测存储得到的地震波信号进行回放。将地震信号采集系统的各项装置和功能，合理的安排到整体系统中，建立良好的人机交互界面，同时能实现系统各个功能和参数的设定。

二、地震仪信号采集装置设计

设计的三分量地震仪可以测量三个方向上的加速度，三分量地震仪由三个分量加速度测量装置组成。天然地震信号的频率范围小，频率较低。需要地震仪具有良好的性能，特别是系统的加速度芯片的性能要好。加速度芯片功能是将系统的加速值转换成相应的电信号，衡量加速度芯片性能的指标主要有，芯片的精度、测量范围、灵敏性等参数。可以用做地震仪加速度芯片的种类很多，每种类型都有各自的工作原理。其中电容式的加速度芯片，利用特殊设计的结构，可以将地震产生的信号，转变成电容值的大小的变化，进而通过电容的变化来反应电压的变化。系统结构的稳定性好，测量精度高，对地震信号的响应效果较好，特别是对低频信号，具有良好的响应特征。利用惯性力原理做成的加速度芯片，电容式加速度芯片类型是非常好的选择，该芯片结构的质量小、对温度的适应性高。因此作为本设计中理想的加速度芯片类型。扭转摆动类型的加速度芯片，是一种电容式的加速度芯片。利用惯性力的作用，质量片可以通过中间轴扭转，从而产生电容的变化。该类型加速度芯片的质量片，主要包括五个部分。其中有两对是对称分布的，只有一个是单个存在的。由于这种不对称性的存在，才会形成中心轴两侧的质量不相等。所以当有地震信号输入时，就会影响到质量片的平衡，造成质量片的扭转运动，在质量片的下部安装有玻璃基片，玻璃基片和质量片相互配合形成电容。当质量片发生扭转时，电容的电容值就会发生变化。而且在中心轴的两侧，一侧的电容会增大，另一侧的电容会减小，形成电容的差值。形成的电容差经过电路的放大和处理后，可以形成变化的电压信号。由于地震信号的强度不高，地震仪的使用环境比较复杂，检测到的地震信号容易受到环境的影响，因此需要对测得的地震信号进行处理和放大，放大出实际的地震信号，减小其他噪声的影响。信号的放大电路通常设计到最前部，放大电路的精确性对于后续信号的处理具有较大的影响。因此需要选择精度高稳定性好的前置放大电路。前置放大电路的噪声要低，由于电路的存在，都会存在一定的噪音，因此当没有地震信号输入时，电路的输出端也会检测到信号，这就是电路内部的噪音。因此需要选择输出噪声低的前置放大电路结构。地震仪的干扰信号中，雷电形成的干扰会以共模的方式存在，其信号的幅度要明显的小于地震信号。地震仪的前置放大电路通常需要较高的共模抑制比，来减小其他因素对于地震信号的影响。

结束语

通过对地震信号的准确监测和分析，可以帮助人们提高认识地球结构和分析利用地震的能力。天然地震信号强度低，信号频率低，给信号的检测带来了很大的难度。将三个单分量传感器组合起来，进过密封处理后就可以形成三分量地震信号测量仪。衡量加速度芯片性能的指标主要有芯片的精度、测量范围、灵敏性。电容式加速度芯片，可以将地震信号转变成电容量的变化，再通过电容的变化来转换成电压的变化。扭摆型加速度芯片的结构稳定性好，测量精度高，对于地震信号的响应效果好。通过研究对于提高地震信号的采集和检测水平，提高地震仪的测量精度和工作效率具有积极的意义。

[1]潘中印.微电子-机械系统传感器及其应用[J].物探装备.2003；13(4):217-219.

[2]孙传友,潘正良.地震勘探仪器原理[M]..东营:石油大学出版社.1996.

[3]王世军.基于MEMS的导航数据采集系统的研究与设计：[D]，沈阳理工大学，沈阳：2005.