地震儀天然地震信號采集系統

馮軍(中石化地球物理公司勝利分公司物探儀器管理中心 山東東營257000)

地震的發生會給人們生活帶來巨大的危害，但是地震產生的信號有可以很好的幫我們去認識地球的結構和變化，因此對于天然地震信號的檢測具有非常重要的意義。常用的地震信號檢測工具是地震儀，地震儀在測量地震信號的過程中，主要利用機械機構測量，存在著占地空間大、設備成本高、測量的頻率范圍小等問題，對于地震信號的采集和檢測效果不好。微機電技術是近年來不斷發展的一種微電子技術，該技術將機械部件、信號采集、分析、線路等統一集中到半導體原件上，從而有效的減小了地震儀的體積和重量，而且成本低，測量的頻率范圍大，測量的精度高。地震儀收集到的地震信號，需要通過數據采集系統輸送的計算機中，因此地震儀數據采集器的精度和效率，會影響到地震信號檢測的精度。文章通過研究分析，設計了一種高效地震儀信號采集系統裝置。

一、地震儀信號采集系統的方案設計

地震儀檢測到地震信號后，會將檢測到的信號轉換成電信號，數據采集系統接受地震儀輸出的電信號，并且將接受到的電信號轉換成數字信號，再將數字信號發送到計算機中。利用相應的計算機軟件，對地震信息進行收集、存儲和分析。常用的地震儀器通常能夠檢測東南西北和上下三個分量的地震信號。為了能夠更好的解決現階段地震信號強度低、頻率小的問題，需要設計出精度高、低頻信號采集好的單分量采集元件，通過采用特定的電路，使采集元件輸出單分量的電信號，形成單分量信號傳感器。將三個單分量傳感器組合成一個整體儀器，經過密封處理后就可以得到三分量地震信號測量儀。如何高效采集地震儀器輸出的電子模擬信號，是提高地震信號檢測精度的關鍵，因此地震儀數據采集器的效率和精度非常重要。地震發生時間、發生次數、持續時間、地震強度都是變化不定的，因此需要地震儀的數據采集系統具有較高的測量精度，以及較高的穩定性和可靠性。設計的數據采集采集系統，要發揮良好的效果，需要具備以下基本功能，地震儀的數據采集系統要能連續的采集地震信號，而且能將采集的信號實時的同步顯示，信號采集系統可以實現多路多類型地震信號的采集。可以既將采集到的地震信號存儲成規定的形式。并且能能夠對檢測存儲得到的地震波信號進行回放。將地震信號采集系統的各項裝置和功能，合理的安排到整體系統中，建立良好的人機交互界面，同時能實現系統各個功能和參數的設定。

二、地震儀信號采集裝置設計

設計的三分量地震儀可以測量三個方向上的加速度，三分量地震儀由三個分量加速度測量裝置組成。天然地震信號的頻率范圍小，頻率較低。需要地震儀具有良好的性能，特別是系統的加速度芯片的性能要好。加速度芯片功能是將系統的加速值轉換成相應的電信號，衡量加速度芯片性能的指標主要有，芯片的精度、測量范圍、靈敏性等參數。可以用做地震儀加速度芯片的種類很多，每種類型都有各自的工作原理。其中電容式的加速度芯片，利用特殊設計的結構，可以將地震產生的信號，轉變成電容值的大小的變化，進而通過電容的變化來反應電壓的變化。系統結構的穩定性好，測量精度高，對地震信號的響應效果較好，特別是對低頻信號，具有良好的響應特征。利用慣性力原理做成的加速度芯片，電容式加速度芯片類型是非常好的選擇，該芯片結構的質量小、對溫度的適應性高。因此作為本設計中理想的加速度芯片類型。扭轉擺動類型的加速度芯片，是一種電容式的加速度芯片。利用慣性力的作用，質量片可以通過中間軸扭轉，從而產生電容的變化。該類型加速度芯片的質量片，主要包括五個部分。其中有兩對是對稱分布的，只有一個是單個存在的。由于這種不對稱性的存在，才會形成中心軸兩側的質量不相等。所以當有地震信號輸入時，就會影響到質量片的平衡，造成質量片的扭轉運動，在質量片的下部安裝有玻璃基片，玻璃基片和質量片相互配合形成電容。當質量片發生扭轉時，電容的電容值就會發生變化。而且在中心軸的兩側，一側的電容會增大，另一側的電容會減小，形成電容的差值。形成的電容差經過電路的放大和處理后，可以形成變化的電壓信號。由于地震信號的強度不高，地震儀的使用環境比較復雜，檢測到的地震信號容易受到環境的影響，因此需要對測得的地震信號進行處理和放大，放大出實際的地震信號，減小其他噪聲的影響。信號的放大電路通常設計到最前部，放大電路的精確性對于后續信號的處理具有較大的影響。因此需要選擇精度高穩定性好的前置放大電路。前置放大電路的噪聲要低，由于電路的存在，都會存在一定的噪音，因此當沒有地震信號輸入時，電路的輸出端也會檢測到信號，這就是電路內部的噪音。因此需要選擇輸出噪聲低的前置放大電路結構。地震儀的干擾信號中，雷電形成的干擾會以共模的方式存在，其信號的幅度要明顯的小于地震信號。地震儀的前置放大電路通常需要較高的共模抑制比，來減小其他因素對于地震信號的影響。

結束語

通過對地震信號的準確監測和分析，可以幫助人們提高認識地球結構和分析利用地震的能力。天然地震信號強度低，信號頻率低，給信號的檢測帶來了很大的難度。將三個單分量傳感器組合起來，進過密封處理后就可以形成三分量地震信號測量儀。衡量加速度芯片性能的指標主要有芯片的精度、測量范圍、靈敏性。電容式加速度芯片，可以將地震信號轉變成電容量的變化，再通過電容的變化來轉換成電壓的變化。扭擺型加速度芯片的結構穩定性好，測量精度高，對于地震信號的響應效果好。通過研究對于提高地震信號的采集和檢測水平，提高地震儀的測量精度和工作效率具有積極的意義。

[1]潘中印.微電子-機械系統傳感器及其應用[J].物探裝備.2003；13(4):217-219.

[2]孫傳友,潘正良.地震勘探儀器原理[M]..東營:石油大學出版社.1996.

[3]王世軍.基于MEMS的導航數據采集系統的研究與設計：[D]，沈陽理工大學，沈陽：2005.