用于实验教学的数字化MEMS地震仪开发_郑晶.pdf
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1、ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 2 期Vol42 No22023 年 2 月Feb 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 02 018用于实验教学的数字化 MEMS 地震仪开发郑晶a,b,卫泓旭a,沈帅帅a,孙文达a(中国矿业大学(北京)a 地球科学与测绘工程学院;b 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083)摘要:开发了基于全数字化 MEMS 的实验教学用地震仪,该仪器采用 AS3002A芯片作为数字化检波器,直接输出数字信号,无需传统地震仪的前级
2、输入电路和模数转换电路;利用 STM32 作为主控芯片,通过 STM32 的串行外设接口(SPI)通信读取 MEMS 的采集数据,并将数据分包存储到 SD 卡;采用 WIFI 或 4G 无线通信等模块传输到上位机进行实时显示,也可利用该仪器开展脚步声采集等实验。通过室内实验测试了该仪器的各项性能指标,结果表明,该地震仪能长时稳定地实现震动信息的实时采集、传输和存储。该仪器较传统地震仪无需单独的前级输入和模数转换电路,大大降低了成本和体积,且性能满足实验教学要求。关键词:地球物理专业;地震仪;微机电系统中图分类号:G 642文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)02 0083 0
3、4Development of Digital MEMS Seismic Station for Experiment TeachingZHENG Jinga,b,WEI Hongxua,SHEN Shuaishuaia,SUN Wendaa(a College of Geoscience and Surveying Engineering;b State Key Laboratory of Coal esources andSafe Mining,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China)Ab
4、stract:This research develops a fully digital MEMS-based seismograph The instrument can be used to carry outexperiments such as footstep sound collection The instrument uses the AS3002A chip as a digital detector to directlyoutput digital signals without the previous input circuit and analog-to-digi
5、tal conversion circuit as traditional seismicinstruments STM32 is used as the main control chip,the data collected by the MEMS chip are read through the SPIcommunication of STM32,and then the data are packaged and stored in the SD card,so that the data can be transmittedto the host computer in real
6、time for display using WIFI or 4G wireless communication module The performanceindicators of the instrument are tested through laboratory experiments The experiments show that the node instrumentcan realize the real-time acquisition,transmission and storage of vibration information stably for a long
7、 time Comparedwith the traditional seismograph,the instrument does not need a separate pre-stage input and analog-to-digital conversioncircuit,which greatly reduces the cost and volume,and its performance meets the requirements of experimentalteaching Through the development of experimental teaching
8、,the enthusiasm of students can be mobilized,and thefoundation for the study of subsequent courses can be laidKey words:geophysics;seismometer;microelectro mechanical systems(MEMS)收稿日期:2022-06-24基金项目:国家重点研发计划课题(2018YFB0605503);中央高校基本科研业务费(2021JCCXDC02);中国矿业大学(北京)课程建设项目(J200312)作者简介:郑晶(1985 ),女,江西萍乡人
9、,博士,教授,主要研究方向为地球物理探测技术、地球物理勘探仪器开发及相关教学工作。Tel:13581856455;E-mail:zhengjing cumtb edu cn0引言地震仪器研发领域在地震勘探行业新的问题和新的要求不断提出以及电子信息技术突飞猛进的推动下发展迅速1。2010 年以来,INO、AutoSeis、Geospace、FireFieldNodal 公司分别推出了 FireFly、HD、GS、Z-land2 等系统的一系列地震仪,东方地球物理公司及第 42 卷吉林大学推出了 GPS 授时地震仪3 及 GEIWS-1 无缆遥测地球物理采集系统4。近年来开发的地震仪可大致分为盲采
10、式节点系统,具有简单质量控制的半盲采 式 系 统,无 线 实 时 节 点 系 统 这 3 类5。如FireFieldNodal 公司推出的 Z-land 系统就是一种典型的盲采式节点系统,其具有独立的野外采集系统,采用外置检波器的方式采集单道数据,并将数据存储于内部大容量存储系统中,采用内部锂电池供电,可以连续采集多天。OYO Geospace 公司推出的 GS 系统是一种带有质量控制系统的节点系统,其可以在仪器布设过程中,通过无线网络系统,用手持终端对设备进行管理并实现质量控制。无线实时节点系统可以通过网络接口对于数据进行边采集边实时查看,进行质量控制。中煤科工集团西安研究院有限公司6、合肥
11、国为电子有限公司7 等多个研究机构都开发了自主知识产权的节点式地震仪。本文在前期开发的高精度微震监测仪器基础上,针对实验教学8 要求小体积、低成本而研制了一款体积小巧、结构简单、成本更低的用于学生进行实验教学的全数字化 MEMS 地震仪。1总体设计本文设计的地震仪能够对 1 300 Hz 带宽范围内信号进行良好的线性响应,仪器设计主要包括硬件设计和嵌入式软件设计两部分。硬件的设计:选择合适的 MEMS 芯片设计数字检波器;选择高性价比的控制芯片并对其外围电路进行设计。软件的设计,利用STM32 嵌入式平台,完成数据采集、存储和传输。地震仪主要由 MEMS 采集芯片、数据存储模块、控制模块、通信
12、模块和电源模块组成,如图 1 所示为地震仪硬件结构框图。图 1地震仪硬件结构框图2硬件设计2.1数字检波器设计地震仪开始工作的第一步就是要采集由人工或者天然激发的振动信号,其采集的数据质量影响着之后工作的每一步,是整个微震数据采集系统的基础部分,其性能指标要求较高,需要选择一款合适的振动信号采集芯片。微震监测领域9,在频率范围方面,需要对于低频和高频振动信号均有所信号的具有较高频率范围的检波器;在灵敏度方面,需要对于微弱信号反应程度较为敏锐的检波器;在动态范围方面,需要具有较高动态范围的检波器,同时其要具有较强的抗电磁干扰能力10-11。依据以上几个指标本文选择低噪声高带宽电容式 MEMS 数
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