1 基于ARM的检波器特性测量仪设计与实现.docVIP

基于ARM的检波器特性测量仪设计与实现 1、引言 石油是工业的生命．作为高质量能源和化工原料，石油在现代工业中愈来愈受到重视。随着我国经济持续发展和人民生活水平的提高，对油气的需求量更是日益增加。石油、天然气一般埋藏于地表深层，开采这些资源就必须获取油气藏的位置、平面分布、储油层厚度广度、油气储量等资料。地球物理勘探的主要任务之一就是获取这些资料。地球物理勘探方法有地震勘探、重力勘探、磁力勘探、电法勘探等。其中地震勘探法是最普遍的方法。地震勘探专用的传感器叫做地震检波器。地震波检波器在石油地震勘探中具有重要作用，它直接影响勘探的结果，因此在每一次使用之前必须对其进行检测。而每次地震波勘探中所需要的地震波检波器数目极多，需要人工逐个检查，耗时较多且不具有可行性。因此，就需要专用的测试仪器批量测试。另外，由于勘探工作环境要求，需要测试系统具有体积更小、功耗更低、可靠性更高的特性。 我国的测试系统技术总体水平比较落后，目前国内测试系统的现状是：国产地震波检波器的测试系统只适于在物探公司内使用，不适于野外现场使用，地震波检波器必须在使用前预先测定好；国外地震波检波器的测试系统由于价格昂贵，只能少量使用，一旦损坏大多报废，造成极大浪费。 因此，在借鉴国外产品的优点、克服国内产品的缺点基础上，研制开发了一种新型的高精度便携式地震波检波器测试系统。 2 对比测量法原理 由于目前地震勘探采用的压电检波器几乎都是变压器耦合，它们具有相似的灵敏度一频率响应特性，在10 Hz～400 Hz之间，灵敏度变化小，因此一般都采用选定频率点的方式对其进行对比测量。即用参考晶体(标准检波器)做对比测量。所谓对比测量是指在相同条件下测量已知标准检波器和未知待测检波器的响应，然后利用声源、标准检波器、待测检波器都是线性的原理，对两者进行比较，计算待测检波器的响应值。 Mx=Ms(Ux/Us) (1) 式中，Mx为待测检波器的声压灵敏度，V／Pa；Ms为标准检波器的电压灵敏度，V／Pa；Ux为待测检波器输出端的开路电压，V；Us为标准检波器输出端的开路电压，V。 如果采用分贝表示，则被测检波器的自由场开路电压灵敏度级为： MLX=20lg(Ux/Us)+ML0 (2) 3 声场分析 确测试压电检波器，必须满足驱动和耦合要求。例如耦合腔内声场基本均匀，腔内的设计(包括耦合腔)要求具有刚性边界、腔内部无释压材料以及腔的体积、尺寸满足测试条件。由于要求地震压电检波器对频率的响应范围低于1 kHz．因此它是类似包含对次声波有响应的声学传感器，对其测试需要建立一个稳定压力场或声场(包含次声波)。 由于地震检波器是反映所受压力敏感程度的压力传感器，因此需要建立一个已知的均匀压力场对其进行测试。目前对于传感器耦合，一般有密封液体罐构成的液压压力场和声源系统构成的声学压力场(以下简称声场)。但是这些压力场受环境影响，而且压力控制较困难。目前对水听传感器的测试一般采用耦合腔互易测量、压电补偿法、震动液柱法、密闭腔比较法等几种对比测量方法。 为了方便测试，本文采用密闭腔比较法。两端密闭的刚性圆桶模拟自由场环境，圆管的一端为电动式低频扬声器，作为声场的驱动源；另一端用钢性材料密封。为了验证该装置近似满足自由场的条件，并对该装置进行理论验证。通过仿真不难看出：管内的不同位置在同一频率的声源激励下，各个点的声压值变化不大，同一位置随时间变化。各点的声压值几乎不变，因此可以认定该装置近似满足自由场的条件。 4 测量的系统设计与实现 本系统采用嵌入式32位ARM器件S3C2410作为主控CPU，依据对比测量法原理，设计便携式多功能检波器特性测量仪，具有单点及扫频测量检波器低频接受电压灵敏度、电压灵敏度级、直流电阻以及频率计数器的功能。本系统包括正弦信号发生模块、功率放大模块、数据测量模块、数据存储模块、USB接口、网络接口、串行接口和上位机软件。 4.1 激励信号源 激励信号源包括正弦信号发生模块和功率放大模块两部分，产生推动电声换能器的功率激励信号。其中，正弦信号发生模块采用ADI公司的DDS器件—AD9833型可编程波形发生器，能产生正弦波、三角波和方波信号，其输出频率范围为0 MHz～12.5 MHz。 其中，相位累加器为28位，取其高14位作为读取正弦波形存储器的地址。每一次，时钟使相位累加器的输出，即就是正弦ROM寻址地址递增频率设定数据字K，对应的波形相位变化为： △P=2π·K／228 (3) 因此，改变相位累加器的设定数据字K就可改变相位值△P，从而改变合成信号频率f。经化简，合成信号频率f由下式求出： f=(K·fmclk)／228 (4) 　用高稳定一体化晶体振荡器获得fmclk=25 MHz，K的取值范围为1K228。最低频率为