阅读说明：本技术 一种用于隧道地震波信号采集的无线传感器及方法 (Wireless sensor and method for acquiring tunnel seismic wave signals ) 是由 许新骥 马川义 张庆松 王建森 张宝利 许孝滨 李铎 解冬东 陈磊 于 2020-10-20 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种用于隧道地震波信号采集的无线传感器及方法,包括采集器和接收器,采集器包括多个输入模拟通道,每个输入模拟通道通过一模拟/数字转换器连接至第一控制器,所述第一控制器连接第一无线模块；接收器包括第二无线模块,第二无线模块与第二控制器连接,第二控制器连接有多个数字/模拟转换器,每个数字/模拟转换器分别连接有一模拟信号缓冲器,每个模拟信号缓冲器的另一端连接一电压/电流选择转换器,电压/电流选择转换器连接一模拟输出通道,避免有线形式的模拟信号采集系统布线不便的弊端,同时兼顾了无线仪器体积小、重量轻的优点。(The invention provides a wireless sensor and a method for acquiring tunnel seismic wave signals, wherein the wireless sensor comprises a collector and a receiver, the collector comprises a plurality of input analog channels, each input analog channel is connected to a first controller through an analog/digital converter, and the first controller is connected with a first wireless module; the receiver comprises a second wireless module, the second wireless module is connected with a second controller, the second controller is connected with a plurality of digital/analog converters, each digital/analog converter is connected with an analog signal buffer, the other end of each analog signal buffer is connected with a voltage/current selection converter, the voltage/current selection converter is connected with an analog output channel, the defect that a wired analog signal acquisition system is inconvenient to wire is avoided, and meanwhile, the advantages of small size and light weight of a wireless instrument are taken into consideration.)

一种用于隧道地震波信号采集的无线传感器及方法

技术领域

本公开属于无线传感器技术领域，具体涉及一种用于隧道地震波信号采集的无线传感器及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

通常隧道空间狭窄、环境噪声大、电磁干扰严重等各种不利因素，使得在隋道中使用仪器有很大的局限性，比如现场施工机械的移动对布设的电缆可能造成破坏，又比如通过有线方式传输电压型信号远传后信噪比变差；再比如因为像TBM、盾构机等是移动的施工设备，故探测点必须随着它们移动，要求检波器随时安装/拆卸，对于有线方式仪器的使用，工作量很大。

为了在隧道施工中使用，常将地面用的地震波探测仪器进行改造，作为隧道地震波超前探测技术仪器使用，这类仪器多为有线模拟信号传输方式，即使采用无线方式的仪器也多为单通道仪器，或模拟信号通道数少且数量固定不能修改；在用单通道仪器组合为多通道仪器使用时，结构复杂不易实现数据采集的同步和系统的一致性。

其中，对于有线仪器，检波器输出的模拟信号要经过数十米(最长的检测点的距离能够达到70米以上)的电缆传输到采集系统的模拟输入端，为提高信号的传输质量，通常要采用截面面积较大的多芯屏蔽电缆，电缆本身的重量很大，对于施工人员来说收/放电缆操作极为不便，工作量大效率低。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种用于隧道地震波信号采集的无线传感器，本公开基于无线数字传输技术，通过采集器将地震波信号转换为数字信号，并通过无线信道传输给接收器，接收器将数字信号还原为模拟信号。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种用于隧道地震波信号采集的无线传感器，包括采集器和接收器，所述采集器包括多个输入模拟通道，每个输入模拟通道通过一模拟/数字转换器连接至第一控制器，所述第一控制器连接第一无线模块；

所述接收器包括第二无线模块、第二控制器和多个数字/模拟转换器、模拟信号缓冲器以及电压/电流选择转换器，所述第二无线模块与第一无线模块通信，所述第二无线模块与第二控制器连接，所述第二控制器连接有多个数字/模拟转换器，每个数字/模拟转换器分别连接有一模拟信号缓冲器，每个模拟信号缓冲器的另一端连接一电压/电流选择转换器，电压/电流选择转换器连接一模拟输出通道。

作为可选择的实施方式，所述第一控制器连接有一配置接口，通过所述配置接口配置采集器的工作参数。

作为可选择的实施方式，所述采集器的工作参数包括无线频点、模拟/数字转换器采样率、模拟/数字转换器分辨率和输入模拟信号通道数。

作为可选择的实施方式，所述第一控制器通过无线模块接口总线配置第一无线模块的无线信道。

作为可选择的实施方式，所述第一控制器通过ADC控制总线配置模拟/数字转换器的采样率，所述第一控制器通过ADC数据总线读取模拟/数字转换器输出的信号数据。

作为可选择的实施方式，所述第一控制器根据配置的模拟/数字转换器采样率、模拟/数字转换器分辨率，对信号数据进行重采样，使输出数据的输出分辨率和输出采样率符合配置要求。

作为可选择的实施方式，所述第一无线模块和第二无线模块的结构一致。

作为可选择的实施方式，所述第二控制器被配置为接收到第二无线模块通过无线模块接口总线给出的数据，对数据进行校验，校验正确时，对信号数据段编码进行解码，作为数字/模拟转换器的基础数据。

作为可选择的实施方式，所述模拟输出通道包括量程转换器，所述模拟信号缓冲器对数字/模拟转换器输出的模拟信号进行缓冲，再输送给所述电压/电流转换电路及量程转换电路进行信号转换，起到前后级阻抗匹配的目的，同时对信号进行适当的增益调整；所述电压/电流转换电路及量程转换电路，按照配置要求将模拟信号缓冲器输出的信号转换为电压型模拟信号和电流型模拟信号。

作为可选择的实施方式，模拟信号输出形式包括：电压型信号和电流型信号；

所述电压型信号量程为±5V或±10V，双极性平衡输出；

所述电流型信号量程为0mA～20mA时，以信号地为参照地，双极性电流信号输出，偏置电流为10mA；

所述电流型信号量程为4mA～20mA时，以信号地为参照地，双极性电流信号输出，偏置电流为12mA。

基于上述用于隧道地震波信号采集的无线传感器的工作方法，包括：

配置接口接收到配置信息后，第一控制器判断配置信息是否正确，如果正确，分别配置输入模拟通道、模拟/数字转换器和第一无线模块的参数；

第一控制器选择相应的输入模拟通道进行信号采集，并将采集的信号数据进行压缩，对数据进行打包处理并通过第一无线模块和第二无线模块的通信，传输给接收器；

第二控制器接收到第二无线模块给出的数据后，对数据进行校验，校验正确时，对信号数据段编码进行解码，选择输出通道个数，进行数字/模拟转换、缓冲以及电压/电流选择转换。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开的无线传感器由采集器和接收器组成，通过配置信息调整两者工作状态，配置信息包括：无线频率、采样率、分辨率、模拟通道数、输出模拟信号形式等工作参数，适用范围广泛。

本公开的无线传感器能够避免有线形式的模拟信号采集系统布线不便的弊端，同时兼顾了无线仪器体积小、重量轻的优点，还能够实现单通道/多通道的切换，相较传统的单通道无线仪器和固定多通道数的无线仪器使用更加灵活方便。

本公开的无线传感器的采集器和接收器工作于同一无线频率(信道)；采集器和接收器可以工作在不同路数模拟输入/输出通道状态；采集器的模拟/数字转换(ADC)的采样率和分辨率、分辨率和接收器的数字/模拟转换(DAC)的采样率和分辨率一一对应，ADC的采样率和分辨率以及DAC的采样率和分辨率能够在一定范围内调整，与模拟通道数进行多样性搭配组合，可以适应不同采集系统的要求；采集器对数字化的地震波信号进行压缩编码和无线发送；接收器接收信号后进行解压并还原为模拟信号，输出模拟信号可以是电压型信号，也可以是电流型信号。

综上所述，本发明可以灵活调整配置数据采集参数以适应不同采样速率和分辨率的需求，也能够根据需求调整模拟输入输出通道数量，还可以在电压型和电流型模拟信号之间调整输出形式，还可以调整输出信号的有效动态范围(电压信号动态范围或电流信号动态范围)，诸如上述功能，解决了隧道施工中不便采用有线型式输送信号的情形下的模拟信号传输问题，克服了地面设备改造为隧道设备使用情形下诸多受限问题和不便之处，自然本发明也适用于地面使用，具有适用范围广泛的特点。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开的无线传感器结构示意图；

图2是本公开的采集器控制器细节图；

图3是本公开的接收器控制器细节图；

图4是本公开的模拟输出通道示意图。

具体实施方式

：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

如图1所示，一种用于隧道地震波信号采集的无线传感器，由采集器和接收器组成；其中，上述采集器包括输入模拟通道、模拟/数字转换器ADC、控制器、无线模块等；上述接收器包括无线模块、控制器、数字/模拟转换器DAC、放大器AMP、电压/电流选择转换器等。

采集器可通过配置接口配置工作参数：无线频点(信道)、ADC采样率、ADC分辨率、输入模拟信号通道数等；

接收器可通过配置接口配置：无线频点(信道)、DAC采样率、DAC分辨率、输出模拟信号通道数、模拟信号输出形式等；

采集器可以采集1路、2路、3路或4路模拟信号，通过ADC转换器转换为数字信号，并对数字信号进行压缩编码；

接收器对接收到的数字信号进行解压还原为信号数据，并将信号数据通过DAC转换器还原为模拟信号，模拟输出通道数可以是1路、2路、3路或4路；

采集器和接收器两者工作参数一一对应；

所述采集器和接收器工作于同一无线频点(信道)；

所述采集器的ADC采样率和ADC分辨率与接收器的DAC采样率和DAC分辨率相同；

所述采集器的输入模拟通道数和接收器的输出模拟通道数相同。

具体的，如图2所示，采集器，可以通过配置接口配置采集器的工作参数：无线频点(信道)、ADC采样率、ADC分辨率、输入模拟信号通道数等；所述工作参数是上述配置接口接收到配置信息后，采集器控制内核判断配置信息正确后，分别通过模拟输入通道选择控制总线、ADC控制总线、ADC数据总线、无线模块接口总线等完成配置。

采集器控制内核通过模拟输入通道选择控制总线使能对应的输入模拟通道，相关电路上电进入正常工作状态，其它不使能的模拟通道保持掉电状态以降低功耗；

采集器控制内核通过无线模块接口总线配置无线模块的无线信道，这个无线信道与所述接收器内部的无线模块相同；

采集器控制内核通过ADC控制总线配置ADC转换器的采样率，同时，上述采集器控制内核通过ADC数据总线读取ADC转换器输出的信号数据；这里所述ADC转换器的工作采样率高于或等于配置信息里的采样率，数据分辨率为固定值24bit；上述输出分辨率为24bit、16bit或8bit等；

采集器控制内核根据配置的ADC采样率、ADC分辨率，对信号数据进行重采样，使输出数据的输出分辨率和输出采样率符合配置要求；

根据上述采集器的ADC转换器的采样率和分辨率，结合配置接口要求的ADC采样率、ADC分辨率、输入模拟信号通道数，可以实现如下表所示工作模式组合：

上述采集器控制内核完成上述数据处理后，对信号数据进行压缩，对数据进行打包处理；上述采集器控制内核通过无线模块接口总线将前述打包后的数据写入无线模块；所述无线模块将数据发送给接收器。

如图3所示，接收器，可以通过配置接口配置接收器的工作参数：无线频点(信道)、DAC采样率、DAC分辨率、输出模拟信号通道数和模拟信号输出形式等；所述工作参数是上述配置接口接收到配置信息后，接收器控制内核判断配置信息正确时，分别通过模拟信号输出形式控制总线、DAC控制总线、DAC数据总线、无线模块接口总线等完成配置。

接收器控制内核通过无线模块接口总线配置无线模块的无线信道，这个无线信道与所述采集器内部的无线模块相同；上述接收器控制内核接收到无线模块通过无线模块接口总线给出的数据后，对数据进行校验，校验正确时，对信号数据段编码进行解码，作为DAC转换的基础数据；

接收器控制内核通过DAC控制总线配置DAC转换器的采样率，同时，接收器控制内核通过DAC数据总线向DAC转换器写入信号数据。

这里所述DAC转换器数据分辨率为固定值24bit；根据配置要求，接收器控制内核将接收到的前述分辨率为24bit、16bit或8bit的基础数据进行增益调整，调整后的信号数据满足24bitDAC转换器的数据格式要求，与后续所述的模拟电路增益相匹配，起到增益调整作用，与硬件电路复合完成量程的调整；

接收器控制内核通过模拟信号输出形式控制总线使能对应的输出模拟通道和输出模拟信号形式，相关电路上电进入正常工作状态，其它不使能的模拟通道保持掉电状态以降低功耗。

如图4所示，输出模拟通道每一路包含放大器AMP、电压电流转换器及量程转换器等功能电路；所述放大器AMP对DAC输出的模拟信号进行缓冲，再输送给所述电压/电流转换电路及量程转换电路进行信号转换，起到前后级阻抗匹配的目的，同时对信号进行适当的增益调整。

电压/电流转换电路及量程转换电路，按照配置要求可以将前述AMP输出的信号转换为电压型模拟信号和电流型模拟信号，电压型模拟信号量程为±5V或±10V，电流型模拟信号量程为0mA～20mA或4mA～20mA；

电压型信号为双极性信号，以差分对形式通过双绞线平衡传输；

电流型信号与信号参照地形成电流环路，最大环路直流阻抗不大于600欧姆，驱动电压为18V～30V；所述电流型信号为双极性电流信号，偏置在量程的中间电流值，0mA～20mA量程时偏置电流为10mA，4mA～20mA量程时偏置电流为12mA。

利用基于无线数字传输技术、用于地震波信号采集进行超前预报的一种无线传感器，可以灵活配置模拟输入通道数量和模拟输出通道数量，可以设定使用1路、2路、3路模拟信号输入通道，最大可使用4个模拟信号输入通道，不使用的内部模拟通道处于低功耗状态的掉电状态；本实施例可以提供多种外部模拟信号输入接口和模拟信号输出接口。

本实施例中，每个采集点的采集器通过长度只有几米、截面面积较小的屏蔽电缆连接检波器，12套这种检波器、电缆、采集器组成的采集点的总重量远小于有线仪器电缆的重量。对于无线设备来说，采集器的模拟信号输入端口可以小型化轻量化，再者不需要电缆远传，信号驱动能力可以降低，耗电量随之下降，在保证工作时长的前提下，系统供电部分内置电池的容量、重量、体积都同步减小。因此，整套仪器的重量、体积也随之减小，利于携带移动，布设采集点的工作量和强度降低，效率大大提高。

这样本实施例即避免有线形式的模拟信号采集系统布线不便的弊端，同时兼顾了无线仪器体积小、重量轻的优点，还能够实现单通道/多通道的切换，相较传统的单通道无线仪器和固定多通道数的无线仪器使用更加灵活方便。

上述举例只是描述部分现有实际应用场景，不代表全部现有或将来开发的新的应用场景。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。