基于ARM的檢波器特性測量儀設計與實現

1 引言

石油是工業的生命．作為高質量能源和化工原料，石油在現代工業中愈來愈受到重視。隨著我國經濟持續發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果，因此在每一次使用之前必須對其進行檢測。而每次地震波勘探中所需要的地震波檢波器數目極多，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，由于勘探工作環境要求，需要測試系統具有體積更小、功耗更低、可靠性更高的特性。

我國的測試系統技術總體水平比較落后，目前國內測試系統的現狀是：國產地震波檢波器的測試系統只適于在物探公司內使用，不適于野外現場使用，地震波檢波器必須在使用前預先測定好；國外地震波檢波器的測試系統由于價格昂貴，只能少量使用，一旦損壞大多報廢，造成極大浪費。

因此，在借鑒國外產品的優點、克服國內產品的缺點基礎上，研制開發了一種新型的高精度便攜式地震波檢波器測試系統。

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的方式對其進行對比測量。即用參考晶體(標準檢波器)做對比測量。所謂對比測量是指在相同條件下測量已知標準檢波器和未知待測檢波器的響應，然后利用聲源、標準檢波器、待測檢波器都是線性的原理，對兩者進行比較，計算待測檢波器的響應值。

Mx=Ms(Ux/Us) (1)

式中，Mx為待測檢波器的聲壓靈敏度，V／Pa；Ms為標準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為標準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

準確測試壓電檢波器，必須滿足驅動和耦合要求。例如耦合腔內聲場基本均勻，腔內的設計(包括耦合腔)要求具有剛性邊界、腔內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范圍低于1 kHz．因此它是類似包含對次聲波有響應的聲學傳感器，對其測試需要建立一個穩定壓力場或聲場(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行測試。目前對于傳感器耦合，一般有密封液體罐構成的液壓壓力場和聲源系統構成的聲學壓力場(以下簡稱聲場)。但是這些壓力場受環境影響，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境，圓管的一端為電動式低頻揚聲器，作為聲場的驅動源；另一端用鋼性材料密封。為了驗證該裝置近似滿足自由場的條件，并對該裝置進行理論驗證。通過仿真不難看出：管內的不同位置在同一頻率的聲源激勵下，各個點的聲壓值變化不大，同一位置隨時間變化。各點的聲壓值幾乎不變，因此可以認定該裝置近似滿足自由場的條件。

4 測量的系統設計與實現

本系統采用嵌入式32位ARM器件S3C2410作為主控CPU，依據對比測量法原理，設計便攜式多功能檢波器特性測量儀，具有單點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數器的功能。本系統包括正弦信號發生模塊、功率放大模塊、數據測量模塊、數據存儲模塊、USB接口、網絡接口、串行接口和上位機軟件。系統結構原理框圖如圖1所示。

4.1 激勵信號源

激勵信號源包括正弦信號發生模塊和功率放大模塊兩部分，產生推動電聲換能器的功率激勵信號。其中，正弦信號發生模塊采用ADI公司的DDS器件―AD9833型可編程波形發生器，能產生正弦波、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定數據字K，對應的波形相位變化為：

△P=2πK／228 (3)

因此，改變相位累加器的設定數據字K就可改變相位值△P，從而改變合成信號頻率f。經化簡，合成信號頻率f由下式求出：

f=(Kfmclk)／228 (4)

用高穩定一體化晶體振蕩器獲得fmclk=25 MHz，K的取值范圍為1K228。最低頻率為fmin=fmclk/228。本系統設計中，fmin為0.1 MHz，即就是最終頻率分辨率，完全滿足設計要求。

功率放大模塊實現正弦信號的功率放大，信噪比高于25 dB，以驅動水聲換能器產生自由場。因系統功率放大模塊在輸入信號峰-峰值超過500 mV時，信號失真，所以應將正弦信號發生模塊產生的正弦信號的峰-峰值控制在500 mV內。

4.2 數據測量模塊

數據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／數轉換器。它提供了交流／直流電壓測量、電阻測量、電流測量(μA和A)和頻率計數器的自動量選擇，也提供串行數據傳輸。

4.3 數據處理與顯示

系統微處理器模塊采用ARM2410開發系統，該系統采用Samsung公司的ARM處理器S3C2410，是由6層板設計。該開發系統在盡可能小的面板上(120 mm90 mm)集成64 MB SDRAM、64 MBNAND Flash、1 MB Boot Flash、RJ-45網卡、音頻輸入與輸出、USB Host、USB slave、標準串口、SD卡插座等設備接口，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。通過預留的USB口可實時地將數據導入U盤或PC機硬盤中。

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，可方便地對測試系統進行窗口化操作。系統進入測試界面后，液晶顯示面板能以實時刷新的方式顯示當前日期和溫度。

5 系統軟件設計及實現

上位機軟件采用EVC工具開發，可直接在Windows CE環境下運行。上位機軟件是控制系統運行的重要部分，提供人機交互界面，顯示數據測量情況。軟件主要完成人機接口、數據測量與處理，并與下位機通信，控制下位機運行狀態。系統軟件可分為主程序模塊、數據處理模塊和通訊模塊三部分。主程序模塊完成界面顯示、人機接口、模塊調用、輸出控制等功能；數據處理模塊完成數據采集、靈敏度的計算等功能；通訊模塊除了接收數據還向下位機發出由人機接口控制的各項測量控制命令。圖3所示為系統軟件流程圖。

6 系統性能及誤差分析

實驗測試選用31.5 Hz頻點進行對比測量。比較法誤差的來源分為系統誤差和偶然誤差。系統誤差主要是由校準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境和條件。當頻率低于100 kHz時，本系統的誤差低于0.2 dB。偶然誤差服從統計規律，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果，如圖5、圖6所示。

圖5、圖6給出了高斯分布噪聲對系統測量的影響，從圖6可以看出，本系統設計高斯分布噪聲影響小于0.04 dB。圖7所示為實驗結果與標準結果的比較。從實驗結果圖7看，測試結果與標準吻合良好，與標準計量值的最大片移量為0.18 dB，系統自穩定性能良好，誤差范圍在0.2 dB。系統的偶然誤差小于0.05 dB。系統測量時的信噪比大于25 dB，校準距離d的測量準確度優于0.1 dB。實測結果表明，測試結果的準確度優于0.3 dB，高于國家測試標準1.5 dB。

7 結束語

本系統采用高精度的信號發生器作為激勵信號，為后續的測量提供了良好的信號環境，為精密測量打下了良好的基礎，獲得滿意的測試性能。該系統可以準確產生均勻、連續、穩定的低頻信號，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、數據存儲等功能。該系統操作簡單、攜帶方便。本系統還可以擴展為對水聲換能器阻抗特性等多種參數的測量，尤其適合不宜使用基于PC構架的水聲測試裝置的場合。該裝置結構緊湊，材料選擇合理，成本低于以往的水聲測試裝置，易于推廣。