一种长周期地电信号采集系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种长周期地电信号采集系统，不极化电极传感器，通过屏蔽电缆将地电差分信号输入；阻抗匹配与抗射频干扰电路，接受所述不极化电极传感器输入的信号，差分信号转单端信号电路，将地电差分信号转换成单端信号；巴特沃斯低通滤波电路，将单端信号进行低通滤波处理；2.5V基准电压源，与单端信号构成伪差分对信号；A/D驱动电路，接收伪差分对信号并输出至A/D转换电路转换成二进制数字信号；微控制器将二进制数字信号转换为带符号浮点型数字信号并通过串口通信隔离电路输出至上位机。本实用新型专利技术解决了由于不同地质条件下，采集电路和不极化电极参考电压不同而造成的地电信号漂移导致采集通道饱和的问题。

A long period geoelectric signal acquisition system

The utility model discloses a long period magnetotelluric signal acquisition system, electrode sensor, the shielded cable will electrical differential signal input; impedance matching and anti-jamming circuit, receiving the signal polarization electrode sensor input differential signal, single end signal circuit, the electric differential signal into the single end signal; Butterworth low-pass filter circuit, single end signal low-pass filter; 2.5V reference voltage source, and the single ended signal to form a Pseudo differential signal; A/D drive circuit, receiving Pseudo differential signal and output to the A/ D conversion circuit converts binary digital signal; micro controller converts a binary digital signal signed floating-point digital signal and serial communication through the isolation circuit output to the host computer. The utility model solves the problem that the acquisition channel is saturated due to the drift of the geoelectric signal caused by the different reference voltages of the sampling circuit and the non polarized electrode under different geological conditions.

【技术实现步骤摘要】
一种长周期地电信号采集系统
本技术涉及一种地电信号采集系统，具体涉及一种长周期地电信号采集系统。
技术介绍
随着我国深部探测计划的进行，同时为了了解岩石圈结构和大地构造情况，采集长周期地电信号对进一步完善大地电磁构造理论具有重要的意义。为完成此类项目需要完成能够采集长周期信号采集的装置，可靠的采集装置才能采集到可信的实验数据。长周期地电信号采集特点是，采集时间长，野外施工环境复杂，电磁干扰严重，噪声频谱丰富，因此需要长周期地电信号采集装置低噪声、低漂移、低功耗、抗干扰能力强。因此，本专利技术针对长周期地电信号的特点和施工特点设计了一种长周期地电信号采集系统及测量方法。中国，屈栓柱在中国地质大学(北京)的硕士毕业论文《超长周期地电信号采集电路的设计与实现》中提出了24位A/D和具有数字滤波功能的长周期地电信号采集电路，实现了把人为和自然因素影响较大的0.1-10Hz的数据进行单独采集，提高信噪比和数据质量。但采集电路中没有考虑到在不同地质条件下，由于采集电路和不极化电极参考电压不同而造成的地电信号漂移导致采集通道饱和的问题。
技术实现思路
本技术的目的是为了解决当前长周期地电信号采集装置不稳定，对环境干扰敏感，电路设计针对性不强、采集通道易饱和等问题，而提供的一种长周期地电信号采集系统。本技术的具体技术方案如下：一种长周期地电信号采集系统，包括：不极化电极传感器，通过屏蔽电缆将地电差分信号输入；阻抗匹配与抗射频干扰电路，接受所述不极化电极传感器输入的信号，降低由于信号传输线路较长带来的射频干扰误差；差分信号转单端信号电路，将经过所述阻抗匹配与抗射频干扰电路处理的地电差分信号转换成单端信号；巴特沃斯低通滤波电路，将所述单端信号进行低通滤波处理；2.5V基准电压电路，输出2.5V基准电压与所述经过低通滤波处理的单端信号构成伪差分对信号；A/D驱动电路，接收伪差分对信号并输出至A/D转换电路转换成二进制数字信号；微控制器，将二进制数字信号转换为带符号浮点型数字信号并通过串口通信隔离电路输出；上位机，接收微控制器的输出信号，在所述上位机运行软件LabVIEW显示当前数据采集状态。进一步地，所述2.5V基准电压电路统一为装置所在大地基准点、差分信号转单端信号电路、巴特沃斯低通滤波电路、A/D驱动电路和A/D转换电路提供2.5V基准电压。进一步地，设定阻抗匹配与抗射频干扰电路的差分带宽和共模带宽，抗射频干扰滤波的-3dB差分带宽计算公式如式(1)所示，共模带宽计算公式如式(2)所示：其中，BWDIFF：差分带宽；BWCM：共模带宽R：电阻R1和电阻R2之和，R1＝R2；C1：决定共模带宽的电容；C2：决定差模带宽的电容。进一步地，地电差分信号经过阻抗匹配与抗射频干扰电路后分别输入差分信号转单端信号电路的同相输入端VINP和反相输入端VINN，根据差分信号转单端信号电路输入电阻R3和反馈电阻R4设定差模增益为4，并将差分地电信号转换成单端信号，参考端Vref接2.5V基准电压电路。进一步地，巴特沃斯低通滤波器为由运算放大器组成的两个四阶巴特沃斯低通滤波器，运算放大器的同相端参考电平接2.5V基准电压。进一步地，单端地电信号经巴特沃斯低通滤波器输出进入A/D驱动电路，包括一电阻R7和一电容C6，根据后端A/D转换电路选择电阻R7和电容C6，电容C6一端与电阻R7连接后，另一端接2.5V基准电压电路。进一步地，单端地电信号经A/D驱动电路后接入A/D转换电路伪差分同相端，伪差分反相端接2.5V基准电压电路。进一步地，所述A/D转换电路为多路，每路A/D转换电路中A/D同步端分别接入二或门逻辑器件OR1和二或门逻辑器件OR2输入端，输出端二或门逻辑器件OR3输入端，当A/D转换数据都准备就绪时，二或门逻辑器件OR3输出端输出下降沿给微控制器。进一步地，2.5V基准电压电路接入2.5V输出隔离电路输入端K1端，2.5V输出隔离电路输出端与匹配电阻R8连接，经电容型的静噪滤波器NFE61PT472C1H9L后K2端接铁棒就近插入装置所在大地，为东西向或南北向不极化电极提供2.5V电压参考和地电压偏置。本技术有两种布极测量方式：方式一、以本系统为中心，间距为50米，分别向地磁南、地磁北、地磁东、地磁西方向布置不极化电极，共四个不极化电极构成两对地电差分信号，每对不极化电极之间间距为100米。偏置电压铁棒就近插入大地。方式二、以本系统为中心，并在系统位置就近布置四个不极化电极，然后以间距为50米，分别向地磁南、地磁北、地磁东、地磁西方向布置不极化电极，共八个不极化电极构成四对地电差分信号，每对不极化电极之间间距为50米。偏置电压铁棒就近插入大地。本技术的电路原理是，每对不极化电极通过屏蔽电缆将地电差分信号输入给本系统，经阻抗匹配和抗射频干扰电路输出给差分信号转单端信号电路，差分信号转单端信号电路将差分信号转换为单端信号，该单端信号经过巴特沃斯低通滤波电路后与2.5基准电压构成伪差分对经A/D驱动电路输入到A/D转换电路，A/D转换电路采用外部2.5V基准电压电路，A/D转换电路将模拟信号转换成二进制数字信号，经SPI通信电路和A/D同步电路输出到微控制器，微控制器将二进制数字信号转换为带符号浮点型数字信号并通过串口通信隔离电路输出到PC，上位机软件LabVIEW显示当前数据采集状态。本技术的有益效果是，电路结构简单，针对长周期地电信号特点设计采集系统。2.5V基准电压电路输出电路统一为仪器所在大地基准电压、差分信号转单端信号电路、巴特沃斯低通滤波电路、A/D驱动电路和A/D转换电路提供2.5V基准电压，并与经过仪表放大器后的单端地电信号构成伪差分对。地电信号从采集首端到末端都以2.5V基准电压为基准，使本装置外不极化电极产生的差分对信号以2.5V基准电压为基准产生相应幅度的地电信号，提高了本采集装置对环境的抗干扰程度，避免了由于不同地质条件下，采集电路和不极化电极参考电压不同而造成的地电信号漂移导致采集通道饱和的问题。同时，当由于长时间测量导致地电信号和2.5V基准电压变化时，而A/D转换电路采集单端地电信号与2.5V基准电压构成的伪差分信号，从而提高了采集装置的时间稳定性。附图说明图1为本技术所述系统的整体结构示意图；图2为本技术所述系统中模拟信号调理及A/D转换电路示意图；图3为本技术所述系统中阻抗匹配与抗射频干扰滤波电路示意图；图4为本技术所述系统中差分信号转单端信号电路示意图；图5为本技术所述系统中四阶巴特沃斯低通电路示意图；图6为本技术所述系统中A/D驱动电路示意图；图7为本技术所述系统中A/D同步电路示意图；图8为本技术所述系统中2.5V输出隔离电路示意图。1、不极化电极传感器；2、模拟电源供电部分；3、数字电源供电部分；4、模拟信号调理电路；5、A/D转换电路；6、2.5V基准源偏置部分；7、数字信号调理电路；8、微控制器；9、串口通信隔离电路；10、上位机；11、A/D同步电路；12、+5V外部电源13、电压转换和隔离电路；14、2.5V基准源输出隔离电路；15、阻抗匹配与抗射频干扰滤波电路；16、差分信号转单端信号电路；17、巴特沃斯低通滤波电路；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种长周期地电信号采集系统，其特征在于：包括：不极化电极传感器，通过屏蔽电缆将地电差分信号输入；阻抗匹配与抗射频干扰电路，接受所述不极化电极传感器输入的信号，降低由于信号传输线路较长带来的射频干扰误差；差分信号转单端信号电路，将经过所述阻抗匹配与抗射频干扰电路处理的地电差分信号转换成单端信号；巴特沃斯低通滤波电路，将所述单端信号进行低通滤波处理；2.5V基准电压源，输出2.5V基准电压与所述经过低通滤波处理的单端信号构成伪差分对信号；A/D驱动电路，接收伪差分对信号并输出至A/D转换电路转换成二进制数字信号；微控制器，将二进制数字信号转换为带符号浮点型数字信号并通过串口通信隔离电路输出；上位机，接收微控制器的输出信号，在所述上位机运行软件LabVIEW显示当前数据采集状态。

【技术特征摘要】
1.一种长周期地电信号采集系统，其特征在于：包括：不极化电极传感器，通过屏蔽电缆将地电差分信号输入；阻抗匹配与抗射频干扰电路，接受所述不极化电极传感器输入的信号，降低由于信号传输线路较长带来的射频干扰误差；差分信号转单端信号电路，将经过所述阻抗匹配与抗射频干扰电路处理的地电差分信号转换成单端信号；巴特沃斯低通滤波电路，将所述单端信号进行低通滤波处理；2.5V基准电压源，输出2.5V基准电压与所述经过低通滤波处理的单端信号构成伪差分对信号；A/D驱动电路，接收伪差分对信号并输出至A/D转换电路转换成二进制数字信号；微控制器，将二进制数字信号转换为带符号浮点型数字信号并通过串口通信隔离电路输出；上位机，接收微控制器的输出信号，在所述上位机运行软件LabVIEW显示当前数据采集状态。2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述2.5V基准电压电路统一为装置所在大地基准点、差分信号转单端信号电路、巴特沃斯低通滤波电路、A/D驱动电路和A/D转换电路提供2.5V基准电压。3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，地电差分信号经过阻抗匹配与抗射频干扰电路后分别输入差分信号转单端信号电路的同相输入端VINP和反相输入端VINN，根据差分信号转单端信号电路输入电阻R3和反馈电阻R4设定差模增益为4，并将差分地电信号转换成单端...

【专利技术属性】
技术研发人员：林君，刘群连，王世隆，石景，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林,22