基于ARM的檢波器特性測量儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

石油是工業(yè)的生命．作為高質(zhì)量能源和化工原料，石油在現(xiàn)代工業(yè)中愈來愈受到重視。隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的提高，對油氣的需求量更是日益增加。石油、天然氣一般埋藏于地表深層，開采這些資源就必須獲取油氣藏的位置、平面分布、儲油層厚度廣度、油氣儲量等資料。地球物理勘探的主要任務(wù)之一就是獲取這些資料。地球物理勘探方法有地震勘探、重力勘探、磁力勘探、電法勘探等。其中地震勘探法是最普遍的方法。地震勘探專用的傳感器叫做地震檢波器。地震波檢波器在石油地震勘探中具有重要作用，它直接影響勘探的結(jié)果，因此在每一次使用之前必須對其進(jìn)行檢測。而每次地震波勘探中所需要的地震波檢波器數(shù)目極多，需要人工逐個檢查，耗時較多且不具有可行性。因此，就需要專用的測試儀器批量測試。另外，由于勘探工作環(huán)境要求，需要測試系統(tǒng)具有體積更小、功耗更低、可靠性更高的特性。

我國的測試系統(tǒng)技術(shù)總體水平比較落后，目前國內(nèi)測試系統(tǒng)的現(xiàn)狀是：國產(chǎn)地震波檢波器的測試系統(tǒng)只適于在物探公司內(nèi)使用，不適于野外現(xiàn)場使用，地震波檢波器必須在使用前預(yù)先測定好；國外地震波檢波器的測試系統(tǒng)由于價(jià)格昂貴，只能少量使用，一旦損壞大多報(bào)廢，造成極大浪費(fèi)。

因此，在借鑒國外產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)、克服國內(nèi)產(chǎn)品的缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了一種新型的高精度便攜式地震波檢波器測試系統(tǒng)。

2 對比測量法原理

由于目前地震勘探采用的壓電檢波器幾乎都是變壓器耦合，它們具有相似的靈敏度一頻率響應(yīng)特性，在10 Hz～400 Hz之間，靈敏度變化小，因此一般都采用選定頻率點(diǎn)的方式對其進(jìn)行對比測量。即用參考晶體(標(biāo)準(zhǔn)檢波器)做對比測量。所謂對比測量是指在相同條件下測量已知標(biāo)準(zhǔn)檢波器和未知待測檢波器的響應(yīng)，然后利用聲源、標(biāo)準(zhǔn)檢波器、待測檢波器都是線性的原理，對兩者進(jìn)行比較，計(jì)算待測檢波器的響應(yīng)值。

Mx=Ms(Ux/Us) (1)

式中，Mx為待測檢波器的聲壓靈敏度，V／Pa；Ms為標(biāo)準(zhǔn)檢波器的電壓靈敏度，V／Pa；Ux為待測檢波器輸出端的開路電壓，V；Us為標(biāo)準(zhǔn)檢波器輸出端的開路電壓，V。

如果采用分貝表示，則被測檢波器的自由場開路電壓靈敏度級為：

MLX=20lg(Ux/Us)+ML0 (2)

3 聲場分析

準(zhǔn)確測試壓電檢波器，必須滿足驅(qū)動和耦合要求。例如耦合腔內(nèi)聲場基本均勻，腔內(nèi)的設(shè)計(jì)(包括耦合腔)要求具有剛性邊界、腔內(nèi)部無釋壓材料以及腔的體積、尺寸滿足測試條件。由于要求地震壓電檢波器對頻率的響應(yīng)范圍低于1 kHz．因此它是類似包含對次聲波有響應(yīng)的聲學(xué)傳感器，對其測試需要建立一個穩(wěn)定壓力場或聲場(包含次聲波)。

由于地震檢波器是反映所受壓力敏感程度的壓力傳感器，因此需要建立一個已知的均勻壓力場對其進(jìn)行測試。目前對于傳感器耦合，一般有密封液體罐構(gòu)成的液壓壓力場和聲源系統(tǒng)構(gòu)成的聲學(xué)壓力場(以下簡稱聲場)。但是這些壓力場受環(huán)境影響，而且壓力控制較困難。目前對水聽傳感器的測試一般采用耦合腔互易測量、壓電補(bǔ)償法、震動液柱法、密閉腔比較法等幾種對比測量方法。

為了方便測試，本文采用密閉腔比較法。兩端密閉的剛性圓桶模擬自由場環(huán)境，圓管的一端為電動式低頻揚(yáng)聲器，作為聲場的驅(qū)動源；另一端用鋼性材料密封。為了驗(yàn)證該裝置近似滿足自由場的條件，并對該裝置進(jìn)行理論驗(yàn)證。通過仿真不難看出：管內(nèi)的不同位置在同一頻率的聲源激勵下，各個點(diǎn)的聲壓值變化不大，同一位置隨時間變化。各點(diǎn)的聲壓值幾乎不變，因此可以認(rèn)定該裝置近似滿足自由場的條件。

4 測量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用嵌入式32位ARM器件S3C2410作為主控CPU，依據(jù)對比測量法原理，設(shè)計(jì)便攜式多功能檢波器特性測量儀，具有單點(diǎn)及掃頻測量檢波器低頻接受電壓靈敏度、電壓靈敏度級、直流電阻以及頻率計(jì)數(shù)器的功能。本系統(tǒng)包括正弦信號發(fā)生模塊、功率放大模塊、數(shù)據(jù)測量模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、USB接口、網(wǎng)絡(luò)接口、串行接口和上位機(jī)軟件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

4.1 激勵信號源

激勵信號源包括正弦信號發(fā)生模塊和功率放大模塊兩部分，產(chǎn)生推動電聲換能器的功率激勵信號。其中，正弦信號發(fā)生模塊采用ADI公司的DDS器件—AD9833型可編程波形發(fā)生器，能產(chǎn)生正弦波、三角波和方波信號，其輸出頻率范圍為0 MHz～12.5 MHz。AD9833原理框圖如圖2所示。

其中，相位累加器為28位，取其高14位作為讀取正弦波形存儲器的地址。每一次，時鐘使相位累加器的輸出，即就是正弦ROM尋址地址遞增頻率設(shè)定數(shù)據(jù)字K，對應(yīng)的波形相位變化為：

△P=2π·K／228 (3)

因此，改變相位累加器的設(shè)定數(shù)據(jù)字K就可改變相位值△P，從而改變合成信號頻率f。經(jīng)化簡，合成信號頻率f由下式求出：

f=(K·fmclk)／228 (4)

用高穩(wěn)定一體化晶體振蕩器獲得fmclk=25 MHz，K的取值范圍為1<K<228。最低頻率為fmin=fmclk/228。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，fmin為0.1 MHz，即就是最終頻率分辨率，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

功率放大模塊實(shí)現(xiàn)正弦信號的功率放大，信噪比高于25 dB，以驅(qū)動水聲換能器產(chǎn)生自由場。因系統(tǒng)功率放大模塊在輸入信號峰-峰值超過500 mV時，信號失真，所以應(yīng)將正弦信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的正弦信號的峰-峰值控制在500 mV內(nèi)。

4.2 數(shù)據(jù)測量模塊

數(shù)據(jù)測量模塊包括交流電壓、直流電阻和頻率測量，采用CYRUSTEk公司的ES51962即可完成電壓、電阻、頻率的測量。ES51962是一款自動量程選擇、3 V直流電源供電的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。它提供了交流／直流電壓測量、電阻測量、電流測量(μA和A)和頻率計(jì)數(shù)器的自動量選擇，也提供串行數(shù)據(jù)傳輸。

4.3 數(shù)據(jù)處理與顯示

系統(tǒng)微處理器模塊采用ARM2410開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Samsung公司的ARM處理器S3C2410，是由6層板設(shè)計(jì)。該開發(fā)系統(tǒng)在盡可能小的面板上(120 mm×90 mm)集成64 MB SDRAM、64 MBNAND Flash、1 MB Boot Flash、RJ-45網(wǎng)卡、音頻輸入與輸出、USB Host、USB slave、標(biāo)準(zhǔn)串口、SD卡插座等設(shè)備接口，支持LCD／STN液晶屏接口，可以接各種單色、偽彩、真彩液晶屏，并含有觸摸屏接口。通過預(yù)留的USB口可實(shí)時地將數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)盤或PC機(jī)硬盤中。

液晶顯示模塊采用Samsung公司的3.5寸TFT(帶觸摸)，通過液晶屏的觸摸功能或USB鼠標(biāo)，可方便地對測試系統(tǒng)進(jìn)行窗口化操作。系統(tǒng)進(jìn)入測試界面后，液晶顯示面板能以實(shí)時刷新的方式顯示當(dāng)前日期和溫度。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)軟件采用EVC工具開發(fā)，可直接在Windows CE環(huán)境下運(yùn)行。上位機(jī)軟件是控制系統(tǒng)運(yùn)行的重要部分，提供人機(jī)交互界面，顯示數(shù)據(jù)測量情況。軟件主要完成人機(jī)接口、數(shù)據(jù)測量與處理，并與下位機(jī)通信，控制下位機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)軟件可分為主程序模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通訊模塊三部分。主程序模塊完成界面顯示、人機(jī)接口、模塊調(diào)用、輸出控制等功能；數(shù)據(jù)處理模塊完成數(shù)據(jù)采集、靈敏度的計(jì)算等功能；通訊模塊除了接收數(shù)據(jù)還向下位機(jī)發(fā)出由人機(jī)接口控制的各項(xiàng)測量控制命令。圖3所示為系統(tǒng)軟件流程圖。

6 系統(tǒng)性能及誤差分析

實(shí)驗(yàn)測試選用31.5 Hz頻點(diǎn)進(jìn)行對比測量。比較法誤差的來源分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差主要是由校準(zhǔn)時所要求的條件如自由場、檢波器的線性等不滿足程度引起，降低此誤差可以通過改善測試環(huán)境和條件。當(dāng)頻率低于100 kHz時，本系統(tǒng)的誤差低于0.2 dB。偶然誤差服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，通過多次測量減少偶然誤差。通過輸出波形觀測及頻譜分析如圖4所示。由于環(huán)境噪聲、音源噪聲及器件電噪聲的存在，檢波器輸出波形疊加了高斯分布噪聲。文中給出了信噪比28 dB下的比較法測量的理論分析結(jié)果，如圖5、圖6所示。

圖5、圖6給出了高斯分布噪聲對系統(tǒng)測量的影響，從圖6可以看出，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)高斯分布噪聲影響小于0.04 dB。圖7所示為實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果的比較。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖7看，測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)吻合良好，與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量值的最大片移量為0.18 dB，系統(tǒng)自穩(wěn)定性能良好，誤差范圍在0.2 dB。系統(tǒng)的偶然誤差小于0.05 dB。系統(tǒng)測量時的信噪比大于25 dB，校準(zhǔn)距離d的測量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1 dB。實(shí)測結(jié)果表明，測試結(jié)果的準(zhǔn)確度優(yōu)于0.3 dB，高于國家測試標(biāo)準(zhǔn)1.5 dB。

7 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用高精度的信號發(fā)生器作為激勵信號，為后續(xù)的測量提供了良好的信號環(huán)境，為精密測量打下了良好的基礎(chǔ)，獲得滿意的測試性能。該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確產(chǎn)生均勻、連續(xù)、穩(wěn)定的低頻信號，完成水聲信號采集、電壓靈敏度和電壓靈敏級的處理、直流電阻測量、數(shù)據(jù)存儲等功能。該系統(tǒng)操作簡單、攜帶方便。本系統(tǒng)還可以擴(kuò)展為對水聲換能器阻抗特性等多種參數(shù)的測量，尤其適合不宜使用基于PC構(gòu)架的水聲測試裝置的場合。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，材料選擇合理，成本低于以往的水聲測試裝置，易于推廣。