阅读说明：本技术 一种数字低频地震传感器 (Digital low-frequency seismic sensor ) 是由 张晓鹏 王同东 王敏超 李欣 崔甲甲 朱维 肖卫国 于 2019-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种数字低频地震传感器,解决现有地震探测系统无法直接输出数字信号,或存在造价高、结构复杂、功耗较大,以及无法探测地壳深部低频地震信号的问题。该传感器包括摆体系统、电磁换能器、检测级电路、多级积分器、量化器、驱动级电路、PID控制器、DAC；摆体系统感应到振动产生振动信号,经电磁换能器转换为电压信号；电压信号经检测级电路反向放大,进入多级积分器经采样保持和积分滤波；经滤波后的电压信号由量化器进行模数转换；DAC用于将量化器输出的数字位流生成脉冲宽度调制电压,经PID控制器调理为控制电压,由驱动级电路转化为电磁换能器的线圈电流,线圈电流经磁场换能器转换为电磁力,用于平衡摆体系统的运动趋势。(The invention provides a digital low-frequency seismic sensor, which solves the problems that the existing seismic detection system cannot directly output digital signals, or has high manufacturing cost, complex structure, large power consumption and cannot detect low-frequency seismic signals in the deep part of the earth crust. The sensor comprises a pendulum system, an electromagnetic transducer, a detection stage circuit, a multi-stage integrator, a quantizer, a driving stage circuit, a PID controller and a DAC; the pendulum system induces vibration to generate a vibration signal, and the vibration signal is converted into a voltage signal through the electromagnetic transducer; the voltage signal is reversely amplified by a detection stage circuit, enters a multi-stage integrator and is subjected to sampling holding and integral filtering; performing analog-to-digital conversion on the filtered voltage signal by a quantizer; the DAC is used for generating pulse width modulation voltage from the digital bit stream output by the quantizer, the pulse width modulation voltage is conditioned into control voltage through the PID controller, the control voltage is converted into coil current of the electromagnetic transducer through the driving stage circuit, and the coil current is converted into electromagnetic force through the magnetic field transducer and used for balancing the motion trend of the pendulum body system.)

一种数字低频地震传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种数字低频地震传感器。

背景技术

目前勘探地震探测系统主要由地震检波器和数据采集器构成，其结构特点是地震检波器作为传感单元拾取地震信号并输出模拟电压，数据采集器将该电压信号转换为数字量。这类探测系统无法直接输出数字信号，其数字化采集依赖于模拟数字转换芯片，存在造价高、结构复杂及功耗较大等问题；另外，常用的动圈式地震检波器采用速度型电磁换能原理，为非反馈式开环结构，限制其下截止频率为4Hz～50Hz，无法探测地壳深部反射和透射而来的低频地震信号，影响对地下介质结构和油气资源的探测精度和深度。

发明内容

为了解决现有地震探测系统无法直接输出数字信号，或者采用模拟数字转换芯片存在造价高、结构复杂、功耗较大，以及无法探测地壳深部反射和透射的低频地震信号，影响对地下介质结构和油气资源的探测精度和深度技术问题，本发明提供了一种数字低频地震传感器。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种数字低频地震传感器，其特殊之处在于：包括信号拾取单元和数字型反馈控制单元；所述信号拾取单元包括摆体系统、电磁换能器、检测级电路、多级积分器、量化器；

所述摆体系统感应到振动产生振动信号，经电磁换能器转换为电压信号；所述电压信号经检测级电路反向放大，进入多级积分器经采样保持和积分滤波；经滤波后的电压信号由量化器进行模数转换，若电压信号大于阈值，则量化器输出数字高电平+1；若电压信号小于等于阈值，则量化器输出数字低电平-1；

所述数字型反馈控制单元包括驱动级电路、PID控制器、DAC。

所述DAC与量化器的输出连接，用于将量化器输出的数字位流生成脉冲宽度调制电压；所述脉冲宽度调制电压经PID控制器调理为控制电压，由驱动级电路转化为电磁换能器的线圈电流，所述线圈电流经磁场换能器转换为电磁力，用于平衡摆体系统的运动趋势。

进一步地，所述电磁换能器包括感生电压Vcoil和线圈电阻Rcoil，感生电压Vcoil的一端与线圈电阻Rcoil的一端相连；

所述检测级电路包括检测级运算放大器和反馈电阻R1；

所述感生电压Vcoil的另一端经输入电阻R2接入检测级运算放大器的负输入端，反馈电阻R1的两端分别接检测级运算放大器的负输入端和接检测级运算放大器的输出端，检测级运算放大器的正输入端与线圈电阻Rcoil的另一端相连，线圈电阻Rcoil的另一端与匹配电阻R3的一端连接，匹配电阻R3的另一端接地。

进一步地，所述匹配电阻R3等于线圈电阻Rcoil，反馈电阻R1等于输入电阻R2。

进一步地，所述多级积分器采用3阶分布式反馈结构或2阶分布式反馈结构。

进一步地，所述3阶分布式反馈结构包括第一级滤波器、第二级滤波器及第三级滤波器；

所述第一级滤波器包括第一减法器、前馈放大器K1、第一积分器，所述第二级滤波器包括第二减法器、前馈放大器K2、第二积分器，所述第三级滤波器包括第三减法器、前馈放大器K3、第三积分器；

所述第一减法器、前馈放大器K1、第一积分器、第二减法器、前馈放大器K2、第二积分器、第三减法器、前馈放大器K3、第三积分器依次连接，且第一减法器的正输入端接入检测级运算放大器的输出端，第三积分器的输出端与量化器的输入端连接，第一减法器的负输入端、第二减法器的负输入端、第三减法器的负输入端分别与量化器的输出端连接。

进一步地，所述2阶分布式反馈结构包括第一级滤波器和第二级滤波器；

所述第一级滤波器包括第一减法器、前馈放大器K1、第一积分器，所述第二级滤波器包括第二减法器、前馈放大器K2、第二积分器；

所述第一减法器、前馈放大器K1、第一积分器、第二减法器、前馈放大器K2、第二积分器依次连接，且第一减法器的正输入端接入检测级运算放大器的输出端，第二积分器的输出端与量化器的输入端连接，第一减法器的负输入端、第二减法器的负输入端分别与量化器的输出端连接。

进一步地，所述DAC包括模拟开关，所述模拟开关的输入端与量化器的输出端连接；

输入数字信号为+1时，连接正控制电压+Vfb的模拟开关导通；输入数字信号为-1时，连接负控制电压-Vfb的模拟开关导通。

进一步地，所述PID控制器包括加法电路和三个并联的放大支路，三个放大支路分别为比例放大器、积分放大器、差分放大器；

所述比例放大器、积分放大器、差分放大器的一端均与模拟开关的输出端连接，其另一端均与加法电路的三个正输入端连接。

进一步地，所述驱动级电路包括控制级运放放大器；

所述控制级运放放大器的正输入端接加法电路的输出端，控制级运放放大器的负输入端与线圈电阻Rcoil另一端连接，控制级运放放大器的输出端与感生电压Vcoil的另一端连接。

进一步地，所述量化器为1位量化器或者低位量化器；DAC与量化器对应为1位DAC或低位DAC。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明数字低频地震传感器具有直接输出数字信号，采用模拟-数字混合电路系统进行采样量化，无需模拟-数字转换芯片，具有低频响应好、结构紧凑、功耗低、动态范围大、线性度好的特点；

摆体系统和电磁换能器接入检测级电路和驱动级电路，使得摆体依靠其原有的线圈，实现检测摆体运动，并将地动速度转换为感应电动势，并施加反馈电磁力，用于平衡摆体的运动趋势，拓展机械系统的低频带宽，实现闭环反馈。

2、本发明数字低频地震传感器低频响应好，采用力平衡技术拓展摆体系统低频频带；

3、本发明数字低频地震传感器兼容性强，电路系统可直接接入现有动圈式地震检波器或类似摆体和换能系统，拓展低频响应，并输出数字信号。

4、本发明传感器中多级积分器可采用3阶分布式反馈结构，3阶结构具有高阶噪声整形特征，量化噪声小的优点；

多级积分器也可采用2阶分布式反馈结构，该结构将3阶分布式反馈结构中第三极滤波器舍去，结构较为简单，功耗较低，系统易于稳定。

附图说明

图1是本发明数字低频地震传感器的原理示意图；

图2是本发明数字低频地震传感器中检测级电路、驱动级电路、PID控制器的电路原理图；

图3是本发明数字低频地震传感器实施例一中多级积分器、量化器、DAC的电路原理图；

图4是本发明数字低频地震传感器实施例二中多级积分器、量化器、DAC的电路原理图；

其中，附图标记如下：

1-电磁换能器，2-PID控制器，21-加法电路，22-放大支路，3-运算放大器，31-检测级运算放大器的负输入端，32-检测级运算放大器的正输入端，33-检测级运算放大器的输出端，4-控制级运放放大器，41-控制级运放放大器的负输入端，42-控制级运放放大器的正输入端，43-控制级运放放大器的输出端，5-电路参考点，6-第一级滤波器，61-第一减法器，62-第一积分器，7-第二级滤波器，71-第二减法器，72-第二积分器，8-第三级滤波器，81-第三减法器，82-第三积分器，9-量化器，10-模拟开关。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

实施例一

如图1所示，一种数字低频地震传感器，包括信号拾取单元和数字型反馈控制单元；信号拾取单元包括摆体系统、电磁换能器检测级电路、多级积分器、量化器9，数字型反馈控制单元包括驱动级电路、PID控制器2、DAC；常规动圈式地震检波器可作为摆体系统和电磁换能器1，接入检测级电路和驱动级电路，使得摆体依靠其原有的单一线圈，实现检测摆体运动，并将地动速度转换为感应电动势，并施加反馈电磁力，用于平衡摆体的运动趋势，拓展机械系统的低频带宽；另外，数字型反馈控制单元将现有技术采用的模拟电路系统改变为模拟-混合电路系统，该传感器中量化器9的工作频率远高于奈奎斯特频率，实现对低速地震信号的过采样量化，将量化噪声整形至地震信号的频带之外，完成对地震信号的高精度数字采集。

如图2所示，电磁换能器1等效为感生电压Vcoil和线圈电阻Rcoil，感生电压Vcoil的一端与线圈电阻Rcoil的一端相连；

检测级电路由一运算放大器3构成反向放大器，输出电压为线圈感生电压的负值，包括检测级运算放大器3和反馈电阻R1；感生电压Vcoil的另一端经输入电阻R2接入检测级运算放大器的负输入端31，反馈电阻R1的两端分别接检测级运算放大器的负输入端31和接检测级运算放大器的输出端33，检测级运算放大器的正输入端32与线圈电阻Rcoil的另一端相连，线圈电阻Rcoil的另一端与匹配电阻R3的一端连接，匹配电阻R3的另一端接地。

检测级电路工作原理为：电磁换能器1等效为感生电压Vcoil串联线圈电阻Rcoil，经输入电阻R2接入检测级运算放大器的负输入端31，反馈电阻R1跨接负输入端和输出端，构成反向放大电路，反向电路参考点5接入运算放大器33的正输入端，并与匹配电阻R3连接，匹配电阻R3接地GND，其中，电路参考点5表示电路计算时，两运放及换能器可以此为电路参考点；令匹配电阻R3取值等于线圈电阻Rcoil，反馈电阻R1等于输入电阻R2，根据运算放大器3特性，检测级电路输出电阻为感生电压的负值，即Vout＝-Vcoil。

如图3所示，多级积分器采用3阶分布式反馈结构，3阶分布式反馈结构包括第一级滤波器6、第二级滤波器7及第三级滤波器8；第一级滤波器6包括第一减法器61、前馈放大器K1、第一积分器62，第二级滤波器7包括第二减法器71、前馈放大器K2、第二积分器72，第三级滤波器8包括第三减法器81、前馈放大器K3、第三积分器82；

第一减法器61、前馈放大器K1、第一积分器62、第二减法器71、前馈放大器K2、第二积分器72、第三减法器81、前馈放大器K3、第三积分器82依次连接，且第一减法器61的正输入端接入检测级运算放大器的输出端33，第三积分器82的输出端与量化器9的输入端连接，第一减法器61的负输入端、第二减法器71的负输入端、第三减法器81的负输入端分别与量化器9的输出端连接。

多级积分器的工作原理为：采样保持器在时钟的同步下将检测级电路输出的电压Vout转换为离散时间信号，该离散时间信号依次进入第一减法器61、前馈放大器K1、第一积分器62、第二减法器71、前馈放大器K2、第二积分器72、第三减法器81、前馈放大器K3、第三积分器82，级联输出经1位量化器9输出数字位流+1或-1，数字位流经分布式反馈支路分别在第一减法器61、第二减法器71、第三减法器81处进行反馈。3阶结构具有高阶噪声整形特征，具有量化噪声小等优点，但功耗较高，需特别调教系统参数以保证系统的闭环稳定性。

量化器9可采用1位量化器或者低位量化器实现，本实施例采用1位量化器的实现方式，该1位量化器可由时钟同步的比较器电路实现，当输入地模拟信号大于参考电压时输出数字高电平+1，反之输出数字低电平-1，为本申请地震传感器输出的数字位流。

DAC为数字-模拟转换电路，完成输入数字量至脉冲调制模拟电压信号的转换。该DAC的选择应与量化器9进行匹配，与上述1位量化器相适应的，本实施例提供一种采用1位DAC的实施例，该量化器由模拟开关10实现，输入数字信号为+1时，连接正反馈电压+Vfb的模拟开关10导通并输出正反馈电压，输入数字信号为-1时，连接负控制电压-Vfb的模拟开关10导通并输出负反馈电压，其输出为正比于数字位流的脉冲宽度调制电压信号。

PID控制器2为比例-积分-差分控制器，包括三个放大支路22并行构成的控制支路和加法电路21，三个放大支路22分别为比例放大器、积分放大器、差分放大器；比例放大器、积分放大器、差分放大器的一端均与模拟开关10的输出端连接，其另一端均与加法电路21的三个正输入端连接。

数字位流经1位DAC生成的脉冲宽度调制电压为PID控制器2输入信号，PID控制器2由三路并行构成，分别是比例、微分、积分，该三路信号分别运算脉冲宽度调制电压，经加法电路21和成为控制电压Vctrl。

驱动级电路由换能线圈作为控制级运放放大器4的反馈电阻，驱动线圈电流，该电流正比于驱动级的输入电压，驱动级电路包括控制级运放放大器4；

控制电压Vctrl接入控制级运放放大器的正输入端42，控制级运放放大器的负输入端41与线圈电阻Rcoil另一端(电路参考点5)连接，控制级运放放大器的输出端43接入检测级电路的输入电阻R2，并与电磁换能器1相连；根据运算放大器3特性，电路参考点5电压等于控制电压Vctrl，流经线圈电阻Rcoil的电流Icoil＝Vctrl/R3，电磁力正比于线圈电流Icoil和控制电压。

本实施例数字低频地震传感器原理：

外界对摆体系统施加振动时，摆体由于惯性作用偏离平衡位置，经电磁换能器1转换为电压信号；该电压信号经检测级电路反向放大，进入多级积分器经采样保持和积分滤波，经滤波的信号由1位量化器9进行比较，大于阈值输出+1(若电压信号大于阈值，则量化器9输出数字高电平+1)，反之输出-1(若电压信号小于等于阈值，则量化器9输出数字低电平-1)，该二进制位流为数字输出，与采样时钟同步，并作为反馈控制部分的输入信号。

1位DAC与量化器9的输出连接，用于将量化器9输出的数字位流生成脉冲宽度调制电压，具体为，该位流为+1时，1位DAC输出正电压，反之输出负电压；该数字型脉冲宽度调制信号经PID控制器2调理为控制电压，由驱动级电路转化为电磁换能器1的线圈电流，该线圈电流经磁场换能为电磁力，用于平衡摆体的运动趋势，使得摆体相对于静止参考系的运动极小。在该反馈力的作用下，摆体系统的机械特性得到了改变，拓展了下截止频率、改善了系统的低频响应、提升系统的最大可检测的振动幅度。

本申请信号拾取部分和数字型反馈控制部分的实现方式采用模拟-数字混合的高阶求和-增量调制器电路系统，较采用模拟电路系统的现有技术多了数字电路，在该结构下，本申请传感器具有直接输出数字信号的优势：不需要数据采集器进行模拟-数字转换、功耗低、数字信号易于存储、抗干扰和道间串扰、低衰减适合远距离传输。

实施例二

与实施例一不同之处，在于如图4所示，多级积分器采用2阶分布式反馈结构；

2阶分布式反馈结构包括第一级滤波器6和第二级滤波器7；第一级滤波器6包括第一减法器61、前馈放大器K1、第一积分器62，第二级滤波器7包括第二减法器71、前馈放大器K2、第二积分器72；

第一减法器61、前馈放大器K1、第一积分器62、第二减法器71、前馈放大器K2、第二积分器72依次连接，且第一减法器61的正输入端接入检测级运算放大器的输出端33，第二积分器72的输出端与量化器9的输入端连接，第一减法器61的负输入端、第二减法器71的负输入端分别与量化器9的输出端连接。

多级积分器的工作原理为：采样保持器在时钟的同步下将检测级电路输出的电压Vout转换为离散时间信号，该离散时间信号依次进入第一减法器61、前馈放大器K1、第一积分器62、第二减法器71、前馈放大器K2、第二积分器72，级联输出经1位量化器9输出数字位流+1或-1，数字位流经分布式反馈支路分别在第一减法器61、第二减法器71处进行反馈。将3阶结构中第三级滤波器舍去，因此该2阶结构较为简单，功耗较低，系统易于稳定。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。