基于MEMS传感器的高精度地震波采集系统研究

【摘要】地震波数据的采集在生产实践中起着越来越大的作用，其主要应用包括地震预警和地震勘探等。传统的地震波传感器体积较大，灵敏度低，动态范围小。而基于MEMS电容传感技术的加速度传感器具有体积小，灵敏度高，动态范围大等优点，更适合构建符合高精度要求的地震采集系统。本文基于国产MEMS加速度传感器，研发高精度地震波采集系统，在实现地震波数据高精度采集，存储和访问的前提下，利用长短时平均比算法和固定窗AIC算法实现了基于天然地震纵波的震相捡拾和纵波初至时刻估计。具体工作包括系统的软件设计和硬件设计。硬件设计部分包括模拟电路部分和数字电路部分的设计。模拟电路部分使用精密差分信号调理电路接收传感器输出信号，使用24位高精度AD芯片完成模数转换。数字电路部分使用STM32微控制器驱动TF卡电路以及液晶显示屏电路。本系统采取数模电路隔离的版图设计方案以减小数字电路对模拟电路的干扰，使用磁耦隔离芯片隔离数字电路与模拟电路的通信接口，数模电路只在系统电源处有地线连接。软件设计部分实现了在50Hz采样率下对于地震波数据的实时动态波形显示，数据实时存储，数据访问。算法部分实现了P波震相识别和P波震相初至时间估计。具体工作如下：1.本文基于TF卡存储和Fat文件系统设计了低功耗数据存储和连续存储两种工作模式，两种工作模式基于不同原理实现，适于不同采集条件下的数据存储任务，都以20ms采样间隔存储10000个地震波数据至TF卡上指定文本文件内。2.对应文件内的数据存储格式，本文设计了数据访问算法，实现了文件内加速度数据的完整读取。3.本文采用环形缓冲区数据结构实现有序数列存取，可简单高效地实现长短时平均值比计算，以识别地震纵波的初至。同时，为更精确的得到纵波初至时刻，采用固定时间窗AIC准则估计纵波初至精确时刻，并把计算结果实时显示于液晶屏上。最后经过系统测试，系统电路部分在连续存储模式下，其最小分辨率可达50uV，对低频信号响应灵敏，在LCD上的波形重建效果良好。在模拟采集环境下，算法运行稳定可靠，具有一定的实用性。本系统设计为基于MEMS传感器的地震波采集系统设计提供了参考。
【作者】施湛；
【导师】董林玺；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电路与系统，2014，硕士
【关键词】MEMS；地震采集；地震预警；24位AD转换；STM32；长短时平均比；AIC准则；

【参考文献】
[1]王洁琼.基于工业以太网的HL-2A装置ECRH系统的逻辑控制与监测[D].华中科技大学,电气工程,2013,硕士.
[2]田文奇.基于时空双尺度的电动汽车换电站有序充电调度方法[D].北京交通大学,2013.
[3]王春艳.陕西省农村剩余劳动力转移模式研究[D].西安建筑科技大学,科学技术哲学,2004,硕士.
[4]刘经优.农民工思想现状及改善途径的研究[D].江西理工大学,思想政治教育,2011,硕士.
[5]周晓姝.药理效应法测定青风藤水提物药动学参数的研究[D].湖北中医药大学,药剂学,2013,硕士.
[6]江红胜.新时期特大城市街道办事处职能研究[D].中南民族大学,公共管理,2013,硕士.
[7]陈艳.缺血后处理减轻再灌注损伤后肾纤维化的作用机制[D].吉林大学,病理学与病理生理学,2014,硕士.
[8]宗丽娜.网络文化背景下的教学设计对策研究[D].内蒙古师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[9]钟伟清.基于ORACLE的烤烟种植空间数据库性能优化[D].西南大学,计算机软件与理论,2014,硕士.
[10]秦泗永.建筑市场劳务用工模式研究[D].北京交通大学,2014.
[11]张秋艳.调容式自动消弧装置的研究[D].西安科技大学,电力系统及其自动化,2014,硕士.
[12]刘猛.三维模型在公路选线教学中的研究[D].长安大学,道路与铁道工程,2013,硕士.
[13]须文雅.钛合金微弧氧化膜层结构性能研究[D].长安大学,机械工程,2013,硕士.
[14]张强,陆军,侯霖,金花,朴敬惠.玉米秸秆发酵法生产燃料酒精的研究进展[J].饲料工业.2005(09)
[15]钟飞.802.11n无线局域网技术在城市轨道交通高速车—地通信环境下的应用研究[D].华南理工大学,电子与通信工程,2012,硕士.
[16]郭群英.上市公司财务欺诈的法律规制[D].对外经济贸易大学,法律,2004,硕士.
[17]谢颖.我国艺术体操集体项目成套动作编排艺术呈现的研究[D].北京体育大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[18]刘婷玉.高中语文古典诗歌“言志”教学探究[D].东北师范大学,学科教学（专业学位）,2012,硕士.
[19]江岚.论科普类文本中非语言因素的翻译策略[D].上海外国语大学,翻译,2012,硕士.
[20]张建.商用车EPS试验台的研发[D].长安大学,车辆工程,2013,硕士.
[21]刘晓栋.基于零配置网络的多屏互动系统设计与实现[D].华中科技大学,计算机技术,2013,硕士.
[22]叶辉.鑫诺电梯抗电磁干扰滤波器的设计与应用[D].天津大学,控制工程,2013,硕士.
[23]何志桥,姜哲,姜理英,杨樟保,陈建孟,宋爽.多壁碳纳米管的氨表面改性及其臭氧催化降解草酸[J].化工学报,2012,08:2551-2556.
[24]孙江锋.社会主义新农村建设背景下的农村文化建设研究[D].江西农业大学,马克思主义基本原理,2012,硕士.
[25]张忠心.18Ni型马氏体时效钢热挤压管粗晶细化热处理工艺研究[J].四川冶金.1989(03)
[26]陈洁颖.我国教育福利制度的现状和改革研究[D].浙江财经学院,社会保障,2012,硕士.
[27]赵亚.论农村水环境污染的法律问题[D].河北经贸大学,法律,2014,硕士.
[28]邓康丽.IL-17对人宫颈癌细胞株HeLa体外增殖的影响及作用机制的研究[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[29]彭杉杉.先验偶然真理理论研究[D].燕山大学,逻辑学,2013,硕士.
[30]樊青青.基于混沌理论的光纤链路状态分析和性能监测方法研究[D].大连理工大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[31]王攀.两种氨基葡萄糖对兔膝骨性关节炎模型关节液中IL-1和TNF-α含量影响的实验研究[D].遵义医学院,骨外科学（专业学位）,2013,硕士.
[32]那婷婷.建国后毛泽东的文化安全观论析[D].东北师范大学,中共党史,2012,硕士.
[33]顾飞飞,唐陇军,孙勇,杨林.面向事件的智能化电网调度运行日志管理系统[J].电力系统自动化,2010,04:103-106.
[34]杨金薇.冀教版小学英语教材的评价[D].鲁东大学,学科教学（专业学位）,2014,硕士.
[35]G·M·胡佛.地震波的散射[J].石油地球物理勘探,1976,S1:31.
[36]张指毓.并网风电场的选址定容规划及其评价[D].燕山大学,电力系统及其自动化,2014,硕士.
[37]陈俊,王光,严伟,沈全荣.关于发电机转子接地保护几个问题的探讨[J].电力系统自动化,2008,01:90-92+102.
[38]魏亚兵.新型手性硫烯配体的设计合成和应用[D].华东理工大学,应用化学,2013,硕士.
[39]孙立民.我国男装品牌发展策略研究[D].北京交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[40]唐欣.越南社会主义改革理论创新研究[D].吉林大学,国外马克思主义研究,2013,硕士.
[41]初文涛.基于.NET的表单辅助设计及管理系统的设计与实现[D].大连理工大学,机械工程（专业学位）,2013,硕士.
[42]尹千才.长螺旋钻机大功率液压动力头研究[D].中南林业科技大学,森林工程,2013,硕士.
[43]赵立凯.Q235基体表面SHS反应制备NiAl涂层工艺研究[D].哈尔滨工业大学,材料加工工程,2013,硕士.
[44]赵怡.基于CAN总线大型可移动高塔吊电控系统的设计分析[D].燕山大学,电气工程,2012,硕士.
[45]王兴刚.小企业非理性投融资行为研究[D].吉林大学,项目管理,2013,硕士.
[46]王帆.王中山筝曲新技法研究[D].武汉音乐学院,音乐与舞蹈学,2013,硕士.
[47]陈一新.试论都市报头条新闻报道[D].复旦大学,新闻学,2012,硕士.
[48]李萍.三佳房地产公司人力资源管理现状调研分析及方案规划[D].西南财经大学,工商管理,2003,硕士.
[49]刘忠,周建中,张勇传,邹敏.基于水电机组复合特征提取的RBFNN故障诊断[J].电力系统自动化,2007,11:87-91.
[50]唐灿,喻志诚.基于电子商务交易中数据挖掘平台的思考[J].重庆商学院学报,2002,06:82-84.