地球物理勘探仪器绪论

关于地球物理勘探仪器绪论第1页，共29页，2023年，2月20日，星期三物探仪器的作用与分类场类型：(1)以岩(矿)石弹性差异为基础，研究弹性波在岩石中传播规律的地震勘探；(2)以岩(矿)石电(介电、磁)性差异为基础，研究导电(介电、导磁)地质体引起的地电(电磁)异常的电法勘探；(3)以岩(矿)石密度差异为基础，研究密度不均匀地质体引起的重力异常的重力勘探；(4)以岩(矿)石磁性差异为基础，研究磁性地质体引起的磁异常的磁法勘探；(5)以岩(矿)石中放射性元素含量及种类的差异为基础，研究天然的或人工激发的辐射异常的核地球物理勘探；(6)以岩(矿)石温度差异为基础，研究储热地质体引起的地热异常的地热勘探。应用领域(1)区域性地质资源调查。海、陆、空(2)工程地质环境调查。(3)工程或巷道掘进过程中的超前预测。(4)工程施工质量及工程现状的检测。(5)环境地质方面。(6)水资源的凋查。(7)考古及文物保护方面的调查。绪论第2页，共29页，2023年，2月20日，星期三物探仪器的分类重力仪磁力仪电法仪（直流、交流、电磁法EM、TEM、雷达）地震仪核物探仪测井仪绪论第3页，共29页，2023年，2月20日，星期三第4页，共29页，2023年，2月20日，星期三第5页，共29页，2023年，2月20日，星期三《地球物理勘探仪器》绪论预备知识：信号测量、存储、传输第6页，共29页，2023年，2月20日，星期三信号测量1：信号放大电路

用来放大传感器输出的微弱电压，电流或电荷信号的放大电路称为测量信号放大电路，亦称仪用放大电路。对其基本要求是：①输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；②一定的放大倍数和稳定的增益；③低噪声；④低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；⑤足够的带宽和转换速率（无畸变的放大瞬态信号）；⑥高输入共模范围（如达几百伏）和高共模抑制比；⑦可调的闭环增益；⑧线性好、精度高；⑨成本低。现在常使用集成运算放大器来组成信号放大电路。集成运算放大器（简称运放）是一种高电压放大倍数的直接耦合放大器。它工作在放大区时，输入和输出呈线性关系，所以它又被称为线性集成电路。第7页，共29页，2023年，2月20日，星期三2种常用信号放大电路：

（1）、电桥放大电路

由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。一般被测量是非常微弱的，必须用专门的电桥电路来测量这种微弱的变化，应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。图1.1为惠根斯电桥原理图。第8页，共29页，2023年，2月20日，星期三2种常用信号放大电路：

（2）、可编程增益放大电路放大电路的增益通过数字逻辑电路由确定的程序来控制，这种电路称为可编程增益放大电路，亦称程控增益放大电路，简称PGA。例如图1.2，程序为A=0(开关A断开)、B=0(开关B断开)时，放大电路的电压放大倍数为-R/R1；当程序为A=1(开关A闭合)、B=0(开关B断开)时，放大倍数为-R2R/[R1（R2+R）]；当程序为A=0(开关A断开)、B=1(开关B闭合)，放大倍数为–R3R/[R1（R3+R）]；当程序为A=1、B=1(开关A、B均闭合)，放大倍数为–R2R3R/[R1（R2R3+R3R+RR2）]。因此可编程增益放大电路的增益是通过数字逻辑电路由确定的程序来控制。第9页，共29页，2023年，2月20日，星期三信号测量2：滤波电路

只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。任何一个电子系统都具有自己的频带宽度滤波器电路的幅频特性对于滤波器，增益幅度不为零的频率范围叫做通频带，简称通带，增益幅度为零的频率范围叫做阻带。通带内信号所获得的增益，叫做通带增益，阻带中信号所得到的衰减，叫做阻带衰减。在工程实际中，一般使用dB作为滤波器的幅度增益单位。低通LP、高通HP、带通BP第10页，共29页，2023年，2月20日，星期三a和b是用运算放大器设计的两种一阶Butterworth滤波电路的电路图a是反相输入一阶低通滤波器，实际上就是一个积分电路，其分析方法与一阶积分电路相同。图b是同相输入的一阶低通滤波器。根据给定的电路图可以得到：第11页，共29页，2023年，2月20日，星期三信号测量3：ADC（模拟数字转换器）原理A/D转换器的指标主要有转换精度和转换时间等指标。分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个输出为n位二进制数的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为（满量程输入的1/2n）。例如，A/D转换器的输出为12位二进制数，最大输入模拟信号为10V，则其分辨率为双积分型A/D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；逐次逼近式A/D转换器的转换速度较快，转换速度在几十微秒；并联型A/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。第12页，共29页，2023年，2月20日，星期三A/D转换器的类型有多种，可以分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大类。在直接A/D转换器中，输入的模拟信号直接被转换成相应的数字信号；直接型A/D转换器，它们的优点是转换速度快，但转换精度受分压电阻、基准电压及比较器阈值电压等精度的影响，精度较差，而在间接A/D转换器中，输入的模拟信号先被转换成某种中间变量（如时间t、频率f等），然后再将中间变量转换为最后的数字量。并行比较型ADC并行A/D转换器：是一种直接型A/D转换器，它由电压比较器，寄存器和编码器三部分构成。并行A/D转换器的转换时间仅取决于各器件的延迟时间和时钟脉冲宽度。所以，并行A/D转换器是转换速度最快的一种A/D转换器。但该电路的所需元件数目会随转换器输出位数的增多呈几何级数增加。第13页，共29页，2023年，2月20日，星期三逐位逼近型A/D转换器是一种直接型A/D转换器，这种转换器的原理图如图1.6所示，其内部包含一个D/A转换器。这种转换器是将模拟量输入vI与一系列由D/A转换器输出的基准电压进行比较而获得的。比较是从高位到低位逐位进行的，并依次确定各位数码是1还是0。转换开始前，先将逐位逼近寄存器（SAR）清0，开始转换后，控制逻辑将寄存器（SAR）的最高位置1，使其输出为100…000的形式，这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uO送至电压比较器作为比较基准、与模拟量输入vI进行比较。若uO＞vI，说明寄存器输出的数码大了，应将最高位改为0（去码），同时将次高位置1，使其输出为010…000的形式；若uO≤vI，说明寄存器输出的数码还不够大，因此，除了将最高位设置的1保留（加码）外，还需将次高位也设置为1，使其输出为110…000的形式。然后，再按上面同样的方法继续进行比较，确定次高位的1是去码还是加码。这样逐位比较下去，直到最低位止，比较完毕后，寄存器中的状态就是转化后的数字输出。第14页，共29页，2023年，2月20日，星期三间接型A/D转换器：双积分ADC的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行变换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。第15页，共29页，2023年，2月20日，星期三∑-Δ转换器又称为过采样转换器，它采用增量编码方式即根据前一量值与后一量值的差值的大小来进行量化编码。∑-Δ型ADC包括模拟∑-Δ调制器和数字抽取滤波器。∑-Δ调制器主要完成信号抽样及增量编码，它给数字抽取滤波器提供增量编码即∑-Δ码；数字抽取滤波器完成对∑-Δ码的抽取滤波，把增量编码转换成高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。优点：分辨率较高，高达24位；转换速率高，高于积分型和压频变换型ADC；价格低；内部利用高倍频过采样技术，实现了数字滤波，降低了对传感器信号进行滤波的要求。缺点：高速∑-△型ADC的价格较高；在转换速率相同的条件下，比积分型和逐次逼近型ADC的功耗高。第16页，共29页，2023年，2月20日，星期三信号测量4：数据存储

1：简称：Cache标准：CacheMemory中文：高速缓存2：简称：DDR标准：DoubleDateRate中文：双倍数据传输率3：简称：DIMM标准：DualinLineMemoryModule中文：双直列内存条4：简称：DRAM标准：DynamicRandomAccessMemory中文：动态随机存储器5：简称：ECC标准：ErrorCheckingandCorrection）在处理单位作错误侦测和改正所有的单一位的误差，也可以作双位或多位的误差核对与改正。6：简称：EDODRAM标准：ExtendDataOutDynamicRandomAccessMemory中文：EDO动态随机存储器7：简称：EEPROM标准：ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory中文：电子抹除式只读存储器8：简称：EPROM标准：ErasableProgrammableRead-OnlyMemory中文：紫外擦除只读存器9：简称：Flash标准：Memory中文：闪烁存储器10：简称：FeRAM标准：Ferroelectricrandomaccessmemory中文：铁电存储器11：简称：MRAM标准：MagnetoresistiveRandomAccessMemory中文：磁性随机存储器12：简称：RAM标准：RandomAccessMemory中文：随机存储器第17页，共29页，2023年，2月20日，星期三13：简称：RDRAM标准：RambusDRAM中文：Rambus动态随机存储器14：简称：ROM标准：ReadOnlyMemory中文：只读存储器15：简称：SDRAM标准：SynchronousDynamicRAM中文：同步动态随机存储器16：简称：SIMM标准：SingleIn-LineMemoryModule中文：单直列内存模块17：简称：SRAM标准：StaticRandomAccessMemory中文：静态随机存储器18：简称：VCMSDRAM标准：VirtualChannelMemorySDRAM中文：虚拟信道存储器19：U盘的存储U盘的存储原理是:计算机把二进制数字信号转为复合二进制数字信号（加入分配、核对、堆栈等指令）读写到USB芯片适配接口，通过芯片处理信号分配给EPROM2存储芯片的相应地址存储二进制数据，实现数据的存储。EPROM2数据存储器，其控制原理是电压控制栅晶体管的电压高低值（高低电位），栅晶体管的结电容可长时间保存电压值，也就是为什么USB断电后能保存数据的原因。20：硬盘的存储硬盘是一种采用磁介质的数据存储设备，数据存储在密封于洁净的硬盘驱动器内腔的若干个磁盘片上。这些盘片一般是在以铝为主要成分的片基表面涂上磁性介质所形成，在磁盘片的每一面上，以转动轴为轴心、以一定的磁密度为间隔的若干个同心圆就被划分成磁道（track），每个磁道又被划分为若干个扇区（sector），数据就按扇区存放在硬盘上。第18页，共29页，2023年，2月20日，星期三信号测量5：数据的传输1、串口串口通信是计算机上一种非常通用设备通信的协议。串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。a，波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。第19页，共29页，2023年，2月20日，星期三b，数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0～127（7位）。扩展的ASCII码是0～255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。

c，停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

d，奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。第20页，共29页，2023年，2月20日，星期三（1）RS232，RS485的区别

①.RS-232-C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。②RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。第21页，共29页，2023年，2月20日，星期三2、现场总线定义：是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。①基金会现场总线（FoundationFieldbus简称FF）

这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。②CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域网）

最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。③Lonworks

它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部７层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。④DeviceNet

DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。⑤PROFIBUS

PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA系列组成。⑥HART

HART是HighwayAddressableRemoteTransducer的缩写，最早由Rosemount公司开发。⑦CC-Link

CC-Link是Control&CommunicationLink（控制与通信链路系统）的缩写，在1996年11月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。⑧WorldFIP

WorkdFIP的北美部分与ISP合并为FF以后，WorldFIP的欧洲部分仍保持独立，总部设在法国。⑨INTERBUS

INTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线，2000年2月成为国际标准IEC61158。第22页，共29页，2023年，2月20日，星期三3、以太网以太网。指的是由Xerox公司创建并由Xerox,Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测技术)技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。它不是一种具体的网络，是一种技术规范。第23页，共29页，2023年，2月20日，星期三4、蓝牙

蓝牙（Bluetooth）是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的近距离无线数据通讯技术标准。它能够在10米的半径范围内实现单点对多点的无线数据和声音传输，其数据传输带宽可达1Mbps。通讯介质为频率在2.402GHz到2.480GHz之间的电磁波。第24页，共29页，2023年，2月20日，星期三5、红外

红外线IrDA，简称IR，是一种无线通讯方式，可以进行无线数据的传输。自1974年发明以来，得到很普遍的应用，如红外线鼠标，红外线打印机，红外线键盘等等。

红外线的特征：红外传输是一种点对点