勘察仪器与原理第一章绪论wxOk

勘查仪器原理教师：王旭Email：hfli@1同学们好，从今天开始我们来学习《勘查仪器原理》这门课。开课前先说说本课程的性质、任务与学习要求：本课程是勘查技术与工程专业的一门重要专业基础课，主要学习现代测量仪器的基本理论、基本组成及其工作原理。本课程名称为勘查仪器原理，就是所有勘探、地质调查仪器原理的总称。勘查仪器的种类繁多，象地震仪、测井仪、重力仪、磁力仪、电法仪，录井仪等等。每种仪器都有它自己的电路组成及工作原理，故本课程内容广泛，但归结起来，这些电子仪器都有其共性，就是将被测对象通过各种传感器件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输、处理、存储等步骤，完成被测对象的测量过程。受教学时数的限制，只能主要讲述组成这些电子仪器相同的且决定仪器性能的电路部件－－数据采集系统。这也是选教材的依据。2通过学习本课程使同学们掌握现代测量仪器的基础技术理论及数据采集系统工作原理，熟悉现代测试技术理念。本课程共46学时，其中课内讲解34学时，共七章内容，实验12学时，三个实验（微弱信号检测实验，传感器特性实验，地震仪整机实验）。由于本课程涉及面广，在学习时，根据教学大纲对教材作适当调整，另外还有部分教材以外的内容，所以要求同学们一定要记好课堂笔记，将来考试内容以课堂讲授为主。3课程内容：

绪论测量系统基本部件信号的编码与传输数据的记录与显示现代测试技术及虚拟仪器勘查仪器实例测量仪器基本理论4参考资料：1、《地震勘探仪器原理》袁子龙著石油工业出版社20062、《数据采集技术》沈兰荪中国科技大学出版社19903、《微弱信号检测》高晋占清华大学出版社2001

5成绩评定平时成绩15分；实验成绩15分；期末考试70分。课程性质：专业基础课（必修）6同学们将来主要从事油气地球物理勘探工作，而目前油气勘探的主要方法是地震勘探，所以本课程以地震仪为主进行讲解。7第一章绪论8一、测量与数据采集的基本概念二、数据采集系统基本组成及主要性能指标本章主要内容9所谓地球物理勘探就是利用某种电子仪器设备对相应的物理量进行测量的过程，如地震仪就是对地震波的测量，声波测井仪是对声波在井下各种岩层介质中传播特性的测量（声波在介质中传播特性主要指声波纵、横波的速度特性、幅度特性和频率特性），所以，在绪论中，我们首先学习第一节测量与数据采集的基本概念。10第一节

测量与数据采集的基本概念11主要内容一、测量概述（一）什么是测量（二）电子测量（三）电子测量仪器（四）电子测量仪器的发展概况二、数据采集的基本概念（一）数据采集（二）数据采集系统（三）现代数据采集系统的主要特点12一、测量概述（一）什么是测量测量是人类认识和改造世界的一种重要手段。在人们对客观事物的认识过程中，需要进行定性、定量的分析，定量分析就需要进行测量。测量是通过实验方法对客观事物取得定量数据的过程。13测量对人类的进步起着重要的作用，科学的进步、生产的发展都需要用测量技术进行定量分析，以取得科学的数据，自然界的规律是在找到能对实际的量进行探查和测量的方法和手段，并经过逻辑推理才被揭示出来，并以定律的形式肯定下来，而一个理论只有在不断地测量结果验证之后，才被广泛接受。14如数学、物理、化学等方面地定律、定理都是通过测量而得到。通过大量的观察和测量，人们逐步准确地认识各种客观事物，建立起各种定律、定理。离开测量，人类就不能真正准确地认识世界，也不能生产出合格地产品。在各个历史时期，测量水平的高低可以反映出一个国家科学技术发展的状况，因此，努力提高测量水平，实现测量手段和方法的现代化，是实现科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。在当今信息时代，测量技术（获取信息）、通信技术（传递信息）和计算机技术（信息处理）被称为信息社会三大支柱，可见，测量技术是一门很重要的科学技术。15大地测量仪器16测量人员用GPS定位17Leica350卫星定位仪全站仪Trimble5700卫星定位仪18门捷列夫(1834-1907)

科学始于测量,没有测量，便没有精密的科学。门捷列夫19我常说的一句话是：

当你能够测量你所关注的事物，而且能够用数量来描述它的时候，你就对其有所认识；当你不能测量它，也不能将其量化的时候，你对它的了解就是贫乏和不深入的。开尔文为了纪念他在科学上的功绩，国际计量大会把热力学温标（即绝对温标）称为开尔文（开氏）温标，热力学温度以开尔文为单位，是现在国际单位制中七个基本单位之一。开尔文（1824-1907）20钱学森信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术，测量技术是信息技术的关键和基础。钱学森(1911-2010)21王大珩（heng）仪器仪表是工业生产的“倍增器”，是高新技术和科研的“催化剂”，在军事上体现的是“战斗力”。王大珩(1915-2011)22（二）电子测量

对一个物理量的测量，可通过不同的方式、手段和设备来实现，比如重量测量、时间测量等。本课程研究的是利用电子技术来进行的测量。电子测量是测量领域的主要组成部分，它泛指以电子技术为基本手段的测量技术。电子测量主要是运用电子科学的原理、方法和设备对各种电量、电信号及电路元器件的特性和参数进行测量，同时还可以通过各种传感器把非电量转换成电量来测量。23电子测量不仅用于电子领域，而且广泛用于物理学、化学、光学、机械学、材料学、生物学和医学等科学领域。以及生产、国防、交通、商贸、农业、环保乃至日常生活的各个方面。2425近几十年来，由于计算机技术和微电子技术的迅猛发展，使电子测量技术发生了质的飞跃，计算机技术与电子测量仪器相结合，构成了崭新一代的智能仪器和自动测试系统。在科学研究和生产实践中，常常需要对许多非电量进行测量。非电量是指各种非电物理量，如，图像、声音、压力、位移、温度、湿度、亮度、颜色、物质成分等。非电量测量可以通过各种对应的敏感元件（通常称为传感器），将被测物理量转换成与之相关的电压、电流等，而后再通过对电压、电流的测量，得到被测物理量的大小。26例如，地震勘探中，利用检波器把地震波在地表的振动转换为电信号，此电信号通过一系列电子电路组成的地震仪器设备，最后得到我们常说的地震剖面。27ARIES地震仪器428XL地震仪器408UL地震仪器28（三）电子测量仪器利用电子技术实现测量的仪表设备，统称为电子测量仪器。地震仪实际上是一种记录地震信号的电子仪器。测量仪器通常都具备物理量转换、信号处理与传输，以及测量结果的显示等基本功能。物探所用的所有仪器设备就是测量设备。现分别介绍这三项功能。1、转换功能：对电压、电流等电学量的测量，是通过测量各种电效应来达到目的的。29如，作为模拟式仪表最基本组成单元的动圈式检流计（电流表），就是将流过线圈的电流强度转换成与之成正比的扭矩而使仪表指针相对于初始位置偏转一个角度，根据角度偏转大小（可通过刻度盘上的刻度获得）得到被测电流的大小。这是一种很基本的转换功能。对非电量测量，必须将各种非电物理量（如前所讲），通过各种对应的传感器转换成与之相关的电压、电流等，而后再通过对电压、电流的测量，得到被测物理量的大小。302、信号处理与传输功能：对进入测量电路的电信号，通常要进行信号处理。如，对弱信号要放大，强信号要衰减，有的要加滤波等防干扰措施，有的要将模拟信号转换为数字信号，有的要用微处理器对信号进行处理等。在遥测遥控等系统中，现场测量结果经变送器处理后，需经较长距离的传输才能送到测试终端和控制台。如，分布式遥测地震仪就是将采集站采集的地震信号经有线或无线传输到仪器中央记录站进行处理和存储。不管采用有线的还是无线的方式，传输过程中造成的信号失真和外界干扰等问题都会存在，因此现代测量技术和测量仪器都必须认真对待测量信号的传输问题。313、显示功能：测量结果必须以某种方式显示出来才有意义，因此，任何测量仪器都必须具备显示功能。如，模拟仪表通过指针在仪表刻度盘上的位置显示测量结果，数字式仪表通过数码管、液晶屏或阴极射线管显示测量结果。32模拟显示：直观显示器：数字显示：准确，但最后一位经常跳动不止。33图像显示：能显示复杂的图形和曲线，但价格昂贵。34（四）电子测量仪器的发展概况电子测量仪器的发展，围绕着如何更好实现自动测试这个核心技术，大体经历了四个阶段：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。35第一代：模拟仪器 以电磁感应定律为基础的模拟指针式仪表; 以电子管或晶体管为基础的分立元件仪表;第二代:以集成电路为基础的数字式仪表;第三代:以微处理器为基础的智能式仪表;第四代:以计算机为基础的虚拟仪器，是测试领域里的一场新的革命。361、模拟仪器：完成模拟信号运算的仪器。这类仪器在一些实验室、企业仍能看到，如指针式万用表，晶体管毫伏表，接地电阻测试仪、兆欧表等。地震仪的发展也经历了模拟时代，第一代地震仪是模拟光点照相记录地震仪，简称光点仪，第二代是模拟磁带记录地震仪，简称磁带仪。372、数字化仪器：完成数字（逻辑）运算的仪器，这类仪器相当普及，如数字电压表，数字示波器等。383、智能仪器：通常把内含微处理器和通用标准接口总线（GPIB,GeneralPurposeInterfaceBus)的仪器称为智能仪器，以区别于传统的电子测量仪器，这类仪器既能进行自动测试，又具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。但由于其功能块全部都是以硬件或固化的软件的形式存在的，因而无论开发还是应用，都缺乏灵活性。这类仪器也很多，如DDS信号发生器，智能频率计、频谱仪等。394、虚拟仪器：是检测技术与计算机技术和通信技术有机结合的产物，是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台真实的仪器一样。这种看似计算机却是仪器的“仪器”就是虚拟仪器。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了软件就是仪器的概念。40由于现代信息科学领域中的微电子技术、计算机技术、信号处理技术的高速发展，加速了电子测量技术与仪器的变革，同时网络技术迅猛发展，正渗透到各个领域，推动着社会朝网络化方向发展。虚拟仪器的发展取决于三个重要因素：计算机是载体，软件是核心，高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。前面我们说到了信息社会三大支柱，其中信息的获取是基础和前题，而数据采集技术是信息获取的主要手段，所以下面学习数据采集的基本概念。41二、数据采集的基本概念（一）数据采集概述随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。然而，外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的，例如温度、压力、位移、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先将这些连续的物理量离散化，并进行量化编码，从而变成数字量，这个过程就是数据采集。它是计算机在监测、管理和控制一个系统的过程中，取得原始数据的主要手段。42数据采集就是将被测对象(外部世界、现场)的各种参量(可以是物理量，也可以是化学量、生物量等)通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调制、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。作为物探专业的基础课，我们主要以地震仪作为重点学习对象，来研究地震数据采集过程。因为地震仪是勘查仪器中结构最复杂，技术最先进的测量仪器，是地震数据野外采集设备。43

（二）数据采集系统数据采集系统简称DAS（DataAcquisitionSystem），是用于数据采集的成套设备。是指将各种模拟量进行取样、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途经。44数据采集系统的组成结构传感器模拟信号调理数据采集电路微机系统45多路模拟输入通道数据采集系统

◆同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。多路模拟输入通道可分为两大类型：

◆集中式采集

◆分布式采集46

1、多路模拟信号集中式采集1）集中式数据采集系统的典型结构之一传感器1传感器2传感器3调理调理调理模拟多路开关A/D计算机控制逻辑S/H多路共用采集电路分时采集472）集中式数据采集系统的典型结构之二传感器1传感器2传感器3调理调理调理S/HS/H模拟多路开关S/HA/D计算机控制逻辑多路同步取样共用A/D分时采集483）集中式数据采集系统的典型结构之三多通道同步采样A/D，分时传输数据多通道独立取样A/D，有通道缓存49通信接口上位机数据采集站1数据采集站2数据采集站3数据采集站N………………模拟信号或数字信号2、分布式采集50所谓地震勘探就是用人工方法激发地震波，研究地震波在地层中传播的规律，以查明地下的地质情况，为寻找油气田或其它勘探目的服务的一种物探方法。地震勘探基本上可分为三个阶段：野外数据采集、室内资料处理、地震资料解释。每一个阶段都需要使用一定的设备才能完成预期的任务。勘查仪器就是野外数据采集的设备。野外数据采集阶段也就是地震勘探第一阶段的最终成果，就是地震勘探仪器产生的野外地震记录，这些记录是地震勘探第二、第三阶段工作的原始依据和工作基础，51所以，仪器性能好坏和使用是否恰当，直接影响地震记录质量，也就必然影响到后期资料处理与解释工作，最终势必影响到地震勘探效果，所以，地震勘探仪器是地震勘探装备中最基础的设备，也是最关键、最重要的设备。数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。52数据采集系统追求的最主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量的测试都要有一定的精确度要求，否则将失去测试的意义；提高数据采集的速度不仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大数据采集系统的适用范围，便于实现动态测试。53（三）现代数据采集系统的主要特点：1、现代数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率等大为提高，也节省了硬件投资。2、软件在数据采集系统的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。（强调软件的作用）543、数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成数据采集与处理系统，可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。（采集与处理相结合）4、数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需要；对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。555、随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。

6、总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术它对数据采集系统结构的发展起着重要作用。56第二节

数据采集系统基本组成与主要技术指标57一、数据采集系统基本组成二、数据采集系统的主要性能指标主要内容58一、数据采集系统基本组成数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。下图是硬件基本组成示意图。前置放大传感器ADC滤波器前置放大滤波器多路模拟开关S/H计算机接口传感器n………11前置放大传感器滤波器前置放大滤波器计算机接口传感器n1nn传感器1n多路模拟开关前置放大滤波器前置放大滤波器传感器………传感器………传感器前置放大传感器ADC滤波器前置放大滤波器多路模拟开关S/H计算机接口传感器多路模拟开关前置放大滤波器前置放大传感器………传感器59前置放大传感器ADC滤波器前置放大滤波器多路模拟开关S/H计算机接口传感器………1n下面简单介绍一下数据采集系统的各个组成部分。通常把传感器输出到A/D转换器输出的这一段信号通道称为模拟通道。60前置放大传感器ADC滤波器前置放大滤波器多路模拟开关S/H计算机接口传感器多路模拟开关前置放大滤波器前置放大滤波器传感器………传感器1n传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量(如电压、电流或频率)，例如使用热电偶、热电阻可以获得随温度变化的电压；转速传感器常把转速转换为电脉冲；检波器把地震波转换为电信号等。61地震检波器就是地球物理勘探中常用的传感器,它将地面的振动转换成电信号。62多路模拟开关前置放大滤波器前置放大滤波器传感器………传感器前置放大传感器ADC滤波器前置放大滤波器多路模拟开关S/H计算机接口传感器1n放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，例如地震信号电压大不过几毫伏，小不到一微伏；人体生物电信号仅是微伏量级。因此，需要加以放大。以满足大多数A／D转换器的满量程输入5～10V的要求。此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到了阻抗变换器的作用来缓冲输入信号。由于各类传感器输出信号的情况各不相同，所以放大器的种类也很繁杂。例如为了减少输入信号的共模分量，就产生了各种差分放大器、仪用放大器和隔离放大器；为了使不同数量级的输入电压都具有最佳变换，就有量程可以变换的程控放大器；为了减少放大器输出的漂移，则有斩波稳零和激光修正的精密放大器。63多路模拟开关前置放大滤波器前置放大滤波器传感器………传感器1n前置放大传感器ADC滤波器前置放大滤波器多路模拟开关S/H计算机接口传感器

传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合渠道使信号通道感染上噪声。例如工频信号可以成为一种人为的干扰源。这种噪声可以用滤波器来衰减。以提高模拟输入信号的信噪比。64前置放大传感器ADC滤波器前置放大滤波器多路模拟开关S/H计算机接口传感器多路模拟开关前置放大滤波器前置放大滤波器传感器………传感器

在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可通过多路模拟开关来实现。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号，因此，在多路开关后的单元电路，如采样／保持电路、A／D及处理器电路等，只需一套即可。这样节省成本和体积。但这仅仅在物理量变化比较缓慢、变化周期在数十至数百毫秒之间的情况下较合适。因为这时可以使用普通的数十微秒A／D转换器从容地分时处理这些信号。1n65多路模拟开关前置放大滤波器前置放大滤波器传感器………传感器前置放大传感器ADC滤波器前置放大滤波器多路模拟开关S/H计算机接口传感器1n但当分时通道较多时，必须注意泄漏及逻辑安排等问题；当信号频率较高时，使用多路分路开关后，对A／D的转换速率要求也随之上升。在数据通过率超过40～50kHz时，一般不再使用分时的多路开关技术。模拟多路开关有时也可以安排在放大器之前，但当输入的信号电平较低时，需注意选择多路模拟开关的类型。若选用集成电路的模拟多路开关，由于它比干簧或继电器组成的多路开关导通电阻大。泄漏电流大，因而有较大的误差产生。所以要根据具体情况来选择多路模拟开关的类型。66前置放大传感器ADC滤波器前置放大滤波器多路模拟开关S/H计算机接口传感器多路模拟开关前置放大滤波器前置放大滤波器传感器………传感器1n模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样／保持和A／D转换电路。采样／保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高A／D转换器的转换精度，如果把采样／保持电路放在模拟多路开关之前(每道一个)，还可实现对瞬时信号进行同时采样。67多路模拟开关前置放大滤波器前置放大滤波器传感器………传感器前置放大传感器ADC滤波器前置放大滤波器多路模拟开关S/H计算机接口传感器1n采样／保持器输出的信号送至模数转换器，模数转换器是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号变化速度不同，系统对分辨力、精度、转换速率及成本的要求也不同，所以A／D转换器的种类也较多。早期的采样／保持器和模数转换器需要数据采集系统设计人员自行设计，目前普遍采用单片集成电路，有的单片A／D转换器内部还包含有采样／保持电路、基准电源和接口电路，这为系统设计提供了较大方便。68多路模拟开关前置放大滤波器前置放大滤波器传感器………传感器前置放大传感器ADC滤波器前置放大滤波器多路模拟开关S/H计算机接口传感器1n

A/D转换的结果要送给计算机。有的采用并行码输出，有的则采用串行码输出。使用串行输出结果的方式对长距离传输和需要光电隔离的场合较为有利。69二、数据采集系统的主要性能指标对数据采集系统的性能要求和具体应用目的与应用环境有密切关系，对应不同的情况往往有不同的要求。以下给出的是比较主要和常用的几个指标的含义。70

1、系统分辨率：是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。通常用最低有效位值(LSB)占系统满度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际电压数值来表示，有时也用满度信号可以分的级数来表示。71表1—1示