地球物理勘探儀器 緒論

1、地球物理勘探儀器緒論 ? 應(yīng)用地球物理學(xué)5是應(yīng)用地球物理學(xué)系列課程之一，講授的主要內(nèi)容是地球物理地球物理勘探儀器勘探儀器，它是地球物理學(xué)專業(yè)的專業(yè)課。通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生了解地球物理勘探儀器的類型和發(fā)展趨勢，掌握主要儀器設(shè)備的基本理論、工作原理和工作方法，熟悉主要儀器所解決的地球物理問題、應(yīng)用條件和地質(zhì)效果。 緒論 物探儀器的作用與分類 ?場類型： ?(1) 究彈性波在巖石中傳播規(guī)律的地震以巖(礦)石彈性差異為基礎(chǔ)，研勘探； ?(2) 為基礎(chǔ)，研究導(dǎo)電以巖(礦)石電(介電、磁)性差異質(zhì)體引起的地電勘探； (電磁(介電、導(dǎo)磁)異常的電法)地?(3) 究密度不均勻地質(zhì)體引起的重力異以巖(礦)石密

2、度差異為基礎(chǔ)，研常的重力勘探； ?(4) 究磁性地質(zhì)體引起的磁異常的磁法以巖(礦)石磁性差異為基礎(chǔ)，研勘探； ?(5) 種類的差異為基礎(chǔ)，研究天然的或以巖(礦)石中放射性元素含量及人工激發(fā)的輻射異常的核地球物理勘探； ?(6) 究儲熱地質(zhì)體引起的地?zé)岙惓５牡匾詭r(礦)石溫度差異為基礎(chǔ)，研熱勘探。 ?應(yīng)用領(lǐng)域 ?(1)區(qū)域性地質(zhì)資源調(diào)查。 海、陸、空 ?(2)工程地質(zhì)環(huán)境調(diào)查。 ?(3)測。工程或巷道掘進過程中的超前預(yù) ?(4)工程施工質(zhì)量及工程現(xiàn)狀的檢測。 ?(5)環(huán)境地質(zhì)方面。 ?(6)水資源的凋查。 ?(7)考古及文物保護方面的調(diào)查。 緒論 物探儀器的分類 ?重力儀 ?磁力儀 ?電法儀（直

3、流、交流、電磁法?地震儀 ?核物探儀 ?測井儀 EM、TEM、雷達） 預(yù)備知識： 信號測量、存儲、傳輸?shù)厍蛭锢砜碧絻x器緒論 ?的放大電路稱為測量信號放大電路，亦稱 儀用放大電路。 ? 對其基本要求是：輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配；一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益；低噪聲；低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移；足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率（無畸變的放大瞬態(tài)信號）；高輸入共模范圍（如達幾百伏）和高共模抑制比；可調(diào)的閉環(huán)增益；線性好、精度高；成本低。 ? 現(xiàn)在常使用集成運算放大器來組成信號放大電路。集成運算放大器（簡稱運放）是一種高電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。它工作在放大區(qū)時，輸入和輸出呈線性關(guān)系，所

4、以它又被稱為線性集成電路。 信號測量信號測量1：信號放大電路：信號放大電路 用來放大傳感器輸出的微弱電壓，電流或電荷信號 2種常用信號放大電路： （1）、電橋放大電路 ? 由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路或由傳感器和運算放大器構(gòu)成的電橋都稱為電橋放大電路。 ? 一般被測量是非常微弱的，必須用專門的電橋電路來測量這種微弱的變化，應(yīng)用于電參量式傳感器，如電感式、電阻應(yīng)變式、電容式傳感器等，經(jīng)常通過電橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓或電流信號，并用運算放大器作進一步放大，或由傳感器和運算放大器直接構(gòu)成電橋放大電路，輸出放大了的電壓信號。 ? 圖1.1為惠根斯電橋原理圖。 ? 放大電路的增益通過數(shù)字邏輯電路由

5、確定的程序來控制，這種電路稱為可編程增益放大電路，亦稱程控增益放大電路，簡稱PGA。 ? 例如圖1.2，程序為A=0(開關(guān)A斷開) 、B=0(開關(guān)B斷開)時，放大電路的電壓放大倍數(shù)為-R/R1；當程序為A=1(開關(guān)A閉合) 、B=0(開關(guān)B斷開)時，放大倍數(shù)為- R2R/R1（R2+R）；當程序為A=0(開關(guān)A斷開)、B=1(開關(guān)B閉合)，放大倍數(shù)為 R3R/R1（R3+R）；當程序為A=1、B=1(開關(guān)A、B均閉合)，放大倍數(shù)為R2R3R/R1（R2 R3+R3 R +R R2）。 ? 因此可編程增益放大電路的增益是通過數(shù)字邏輯電路由確定的程序來控制。 R2 R3 A B R 2種常用信號放

6、大電路： （2）、可編程增益放大電路 Ui R1 + N + Uo ?信號測量信號測量2： 濾波電路濾波電路 只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一 部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或濾波電路。 任何一個電子系統(tǒng)都具有自己的頻帶寬度 濾波器電路的幅頻特性 對于濾波器，增益幅度不為零的頻率范圍叫做通頻帶，簡稱通帶，增益幅度為零的頻率范圍叫做阻帶。 通帶內(nèi)信號所獲得的增益，叫做通帶增益，阻帶中信號所得到的衰減，叫做阻帶衰減。在工程實際中，一般使用dB作為濾波器的幅度增益單位。 低通LP、高通HP、帶通BP ? a和b是用運算放大器設(shè)計的兩種一階Butterworth濾波電路的電路

7、 ? 圖a是反相輸入一階低通濾波器，實際上就是一個積分電路，其分析方法與一階積分電路相同。 ? 圖b是同相輸入的一階低通濾波器。根據(jù)給定的電路圖可以得到： 信號測量3：ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）原理 ? A/D轉(zhuǎn)換器的指標主要有轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時間等指標。 ? 分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講，一個輸出為n位二進制數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個不同量級，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為（滿量程輸入的1/2n）。例如，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為12位二進制數(shù)，最大輸入模擬信號為10V，則其分辨率為 110 V?10 V?2 .44 mV40962 ? 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換

8、器的轉(zhuǎn)換速度最慢，需幾百毫秒左右；逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，轉(zhuǎn)換速度在幾十微秒；并聯(lián)型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，僅需幾十納秒時間。 12? A/D轉(zhuǎn)換器的類型有多種，可以分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩大類。 ? 在直接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬信號直接被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號；直接型A/D轉(zhuǎn)換器，它們的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快，但轉(zhuǎn)換精度受分壓電阻、基準電壓及比較器閾值電壓等精度的影響，精度較差， ? 而在間接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬信號先被轉(zhuǎn)換成某種中間變量（如時間t、頻率f等），然后再將中間變量轉(zhuǎn)換為最后的數(shù)字量。 并行A/D轉(zhuǎn)換器：是一種直接型直接型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器，它

9、由電壓比較器，寄存器和編碼器三部分構(gòu)成。并行A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間僅取決于各器件的延遲時間和時鐘脈沖寬度。所以，并行A/D轉(zhuǎn)換器是轉(zhuǎn)換速度最快的一種A/D轉(zhuǎn)換器。但該電路的所需元件數(shù)目會隨轉(zhuǎn)換器輸出位數(shù)的增多呈幾何級數(shù)增加。 逐位逼近型A/D轉(zhuǎn)換器 是一種直接型原理圖如圖轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器是將模擬量輸入1.6A/D所示，其內(nèi)部包含一個轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器的一系列由D/A轉(zhuǎn)換器輸出的基準電壓進行vD/AI與比較而獲得的。比較是從高位到低位逐位進行的，并依次確定各位數(shù)碼是轉(zhuǎn)換開始前，先將逐位逼近寄存器（1還是0。清（0，開始轉(zhuǎn)換后，控制邏輯將寄存器SAR）100000SAR）的最高位置1，使其輸出為

10、轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓的形式，這個數(shù)碼被作為比較基準、與模擬量輸入uD/A轉(zhuǎn)換器O送至電壓比較器若應(yīng)將最高位改為uvvI進行比較。OI，說明寄存器輸出的數(shù)碼大了，位置u1，使其輸出為0（去碼），同時將次高010000的形式；若因此，除了將最高位設(shè)置的OvI，說明寄存器輸出的數(shù)碼還不夠大，外，還需將次高位也設(shè)置為1保留（加碼）為樣的方法繼續(xù)進行比較，確定次高位的110000的形式。然后，再按上面同1，使其輸出1是去碼還是加碼。這樣逐位比較下去，直到最低位止，比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是轉(zhuǎn)化后的數(shù)字輸出。 模擬量輸入vuoID/A轉(zhuǎn)換器C數(shù)字量輸出CO逐次逼近寄存器(SAR)控制邏輯啟動信號CP轉(zhuǎn)

11、換結(jié)束圖圖7-15 逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理1.6逐位逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器原理圖 ? 間接型A/D轉(zhuǎn)換器：雙積分雙積分ADC的基本原理是對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。由于該轉(zhuǎn)換電路是對輸入電壓的平均值進行變換，所以它具有很強的抗工頻干擾能力，在數(shù)字測量中得到廣泛應(yīng)用。 ? -轉(zhuǎn)換器又稱為過采樣轉(zhuǎn)換器，它采用增量編碼方式即根據(jù)前一量值與后一量值的差值的大小來進行量化編碼。-型ADC包括模擬-調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器。-調(diào)制器主要完成信號抽樣及增量編碼，它給數(shù)字抽取濾波器提

12、供增量編碼即-碼；數(shù)字抽取濾波器完成對-碼的抽取濾波，把增量編碼轉(zhuǎn)換成高分辨率的線性脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號。因此抽取濾波器實際上相當于一個碼型變換器。 ? 優(yōu)點：分辨率較高，高達24位；轉(zhuǎn)換速率高，高于積分型和壓頻變換型ADC；價格低；內(nèi)部利用高倍頻過采樣技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)字濾波，降低了對傳感器信號進行濾波的要求。 ? 缺點：高速-型ADC的價格較高；在轉(zhuǎn)換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近型ADC的功耗高。 信號測量4：數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲 ?1： 簡稱：Cache 標準：Cache Memory 中文：高速緩存 ?2：簡稱：DDR 標準：Double Date Rate 中文：雙倍數(shù)據(jù)傳輸率 ?

13、3：簡稱：DIMM 標準：Dual in Line Memory Module 中文：雙直列內(nèi)存條 ?4：簡稱：DRAM 標準：Dynamic Random Access Memory 中文：動態(tài)隨機存儲器 ?5：簡稱：ECC 標準：Error Checking and Correction ） 在處理單位作錯誤偵測和改正所有的單一位的誤差，也可以作雙位或多位的誤差核對與改正。 ?6：簡稱：EDO DRAM 標準：Access Memory Extend Data Out Dynamic Random 中文：EDO動態(tài)隨機存儲器 ?7：簡稱：EEPROM 標準：Read-Only Memory

14、 Electrically Erasable Programmable 中文：電子抹除式只讀存儲器 ?8：簡稱：EPROM 標準：Memory Erasable Programmable Read-Only 中文：紫外擦除只讀存器 ?9：簡稱：Flash 標準：Memory 中文：閃爍存儲器 ?10：簡稱：FeRAM 標準：memory Ferroelectric random access 中文：鐵電存儲器 ?11：簡稱：MRAM 標準：Memory Magnetoresistive Random Access 中文：磁性隨機存儲器 ?12：簡稱：RAM 標準：Random Access M

15、emory 中文：隨機存儲器 ?13：簡稱：RDRAM 標準：Rambus DRAM 中文：Rambus動態(tài)隨機存儲器 ?14：簡稱：ROM 標準：Read Only Memory 中文：只讀存儲器 ?15：簡稱：SDRAM 標準：Synchronous Dynamic RAM 中文：同步動態(tài)隨機存儲器 ?16：簡稱：SIMM 標準：Single In-Line Memory Module 中文：單直列內(nèi)存模塊 ?17：簡稱：SRAM 標準：Static Random Access Memory 中文：靜態(tài)隨機存儲器 ?18：簡稱：VCM SDRAM 標準：Virtual Channel Me

16、mory SDRAM 中文：虛擬信道存儲器 ?19：U盤的存儲 U盤的存儲原理是轉(zhuǎn)為復(fù)合二進制數(shù)字信號（加入分配、核:計算機把二進制數(shù)字信號對、堆棧等指令）讀寫到口，通過芯片處理信號分配給USBEPROM2芯片適配接存儲芯片的相應(yīng)地址存儲二進制數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。 EPROM2數(shù)據(jù)存儲器，其控制原理是電壓控制柵晶體管的電壓高低值（高低電位），柵晶體管的結(jié)電容可長時間保存電壓值，也就是為什么后能保存數(shù)據(jù)的原因。 USB斷電?20：硬盤的存儲 硬盤是一種采用磁介質(zhì)的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，數(shù)據(jù)存儲在密封于潔凈的硬盤驅(qū)動器內(nèi)腔的若干個 磁盤片上。這些盤片一般是在以鋁為主要成分的片基表面涂上磁性介質(zhì)所形成，在

17、磁盤片的 每一面上，以轉(zhuǎn)動軸為軸心、以一定的磁密度為間隔的若干個同心圓就被劃分成磁道又被劃分為若干個扇區(qū)（ （track就按扇區(qū)存放在硬盤上sector），每個磁道），數(shù)據(jù)。 信號測量5：數(shù)據(jù)的傳輸 ? 1、串口 ? 串口通信是計算機上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議。串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。 ? a，波特率：這是一個衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個bit。當我們提到時鐘周期時，我們就是指波特率例如如果協(xié)議需要4800波特率，那么時鐘是48

18、00Hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為4800Hz。通常電話線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠遠大于這些值，但是波特率和距離成反比。 ? b，數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當計算機發(fā)送一個信息包，實際的數(shù)據(jù)不會是8位的，標準的值是5、7和8位。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。比如，標準的ASCII碼是0127（7位）。擴展的ASCII碼是0255（8位）。如果數(shù)據(jù)使用簡單的文本（標準 ASCII碼），那么每個數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個包是指一個字節(jié)，包括開始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位。由于實際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語“包”指任何通信的情況。 ?

19、 c，停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設(shè)備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。 ? d，奇偶校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有四種檢錯方式：偶、奇、高和低。當然沒有校驗位也是可以的。對于偶和奇校驗的情況，串口會設(shè)置校驗位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對于偶校驗，校驗位為0，保證邏輯高的位

20、數(shù)是偶數(shù)個。 ? （1）RS232，RS485的區(qū)別 .RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標準設(shè)有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。 RS-485總線,在要

21、求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485 串行總線標準。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。 ? 2、現(xiàn)場總線 ?定義：是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題 。 基金會現(xiàn)場總線（FoundationFieldbus 簡稱FF） 這是以美國Fisher-Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家

22、公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的聯(lián)合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協(xié)議于1994年9月合并的。 CAN（ControllerAreaNetwork 控制器局域網(wǎng)） 最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域，其總線規(guī)范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。 Lonworks 它由美國Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導(dǎo)。它采用ISO/OSI模型的全部層通訊協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置。 DeviceNet Device

23、Net是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，有著開放的網(wǎng)絡(luò)標準。 PROFIBUS PROFIBUS是德國標準（DIN19245）和歐洲標準（EN50170）的現(xiàn)場總線標準。由PROFIBUS-DP、PROFIBUSFMS、PROFIBUSPA系列組成。 HART HART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫，最早由Rosemount公司開發(fā)。 CC-Link CC-Link是Control&Communication Link（控制與通信鏈路系統(tǒng)）的縮寫，在1996年11月，由三菱電機為主導(dǎo)的多家公司推出，其增長勢頭迅猛，在亞

24、洲占有較大份額。 WorldFIP WorkdFIP的北美部分與ISP合并為FF以后，WorldFIP的歐洲部分仍保持獨立，總部設(shè)在法國。 INTERBUS INTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現(xiàn)場總線，2000年2月成為國際標準IEC61158。 ? 3、以太網(wǎng) ? 以太網(wǎng)。指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox,Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測技術(shù))技術(shù)，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。它不是一種具體的網(wǎng)絡(luò)，是一種技術(shù)規(guī)范。 ? 4、藍牙 藍牙（Bluetooth）是由東芝、愛立信、IBM、Intel和諾基亞于1998年5月共同提出的近距離無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)標準。它能夠在10米的半徑范圍內(nèi)實現(xiàn)單點對多點的無線數(shù)據(jù)和聲音傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達1Mbps。通訊介質(zhì)為頻率在2.402GHz到2.480GHz之間的電磁波。 ? 5、紅外 紅外線IrDA，簡稱IR，是一種無線通訊方式，可以進行無線數(shù)據(jù)的傳輸。自 1974年發(fā)明以來，得到很普遍的應(yīng)用，如紅外線鼠標，紅外線打印機，紅外線鍵盤等等。 紅外線的特征：紅外傳輸是一種點