水平定向钻机钻头深度信息无线传输与信号处理系统的设计

11-题目水平定向钻机钻头深度信息无线传输与信号处理系统的设计英文题目ThedesignofinformationwirelesstransmissionandprocessingsystemfordepthinformationofHorizontalDirectionalDrill目录TOC\o"1-2"\h\z\u目录 Ui图4-5深度信号的显示ICL7107的最大输入电压为±199.9mV,模拟信号在输入ICL7107之前经过了多次当大处理，其峰值已可能超过±199.9mV。因此，模拟信号在处理之前需进行分压处理，如图4-5所示，可以通过调节滑变阻器RWF1来实现，使得模拟信号的变化范围在ICL7107的最大输入电压范围之内。管脚1输入+5V的工作电压。管脚26需要一个-5V的电压，这可以直接从+5V转化而来。具体方法如下：用一只NPN三极管，两只电阻进行信号放大，把芯片38脚的振荡信号串接一个电阻连接到三极管基极，在三极管集电极串接一个电阻（为了保护），在正常工作时，使三极管的集电极电压保持在+3V左右,这样，在三极管的集电极有放大的交流信号，把这个信号通过电容C2和C3耦合到稳压二极管D1和D2上，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给ICL7107的管脚26使用。选择合适的元器件使得这个负电压保持在-4V左右，不能超过-5V。管脚27,28,29分别接电容和电阻，如图4-5所示，构成一个阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络。管脚30，32，36通过滑动变阻器RWF2与+5V的电压相连，管脚37不接。滑动变阻器RWF2起着调零的作用。到这里，信号经过发射，接受，滤波，放大，运算和显示过后，完成整个处理过程，实现对地下钻头深度的测量。

第五章系统分析第一节误差来源分析在任何检测系统中，微弱信号均须进行放大，任何微弱的误差都可能对系统最后的结果造成较大的误差。在本课题所涉及的系统中，从信号的发射到最后的显示整个过程中都存在着许多不可避免的误差来源。这些来源有的可以通过改进设计方案来减小或消除，有的却是不可避免的。系统误差来源主要有以下几个方面：（1）定位信号受地质状况和管线网络的影响受城市已有管网的制约，新的管线铺设可能在地下3至10米左右的深度处，在其上方可能有各种金属和非金属管网，同时，掘进头在复杂的地质构造下，所发射的信号会大大衰减，掘进到上方已有各种管网的地方，电磁波信号有可能被屏蔽。另外发射频率还可能耦合在附近其它管线上，使定位发生误差，从而严重影响地面信号的接收和追踪。（2）定位信号严重受到城市空间电磁信号的干扰[15]大城市的空间电磁干扰问题非常严重，尤其在地质条件复杂的区域，接受器接收到的信号本已经很弱，在加上空间电磁波的干扰，更加混淆了精确定位信号的提取和分析。虽然信号接收电路中有滤波电路，但是空间电磁波总能在信号接收器上产生微弱的信号，这种信号经过放大后对系统的测量精度也存在着一定的影响，也是测量过程中不可避免的一个因素。（3）信号发射源附近谐波的影响信号发射源附近的谐波对整个测量系统有很大的影响。这些信号的干扰无法用滤波器滤除干净，它们能加强信号源发射的电磁波信号，使导向仪接收到的信号强度比实际值大很多，从而极大地影响测量的精度。（4）地层电导率σ[2]；地层是一种半导体，电磁波在地层中传播的时候存在着能量的衰减，因为半导电媒质要吸收电磁波的能量。电磁波信号频率f越高或媒质的电导率σ越大，电波的振幅衰减越严重，穿透能力越弱。而实际施工时信号必须穿透几十米的地层到达地面接收。因此，导向仪实际接收到的信号强度比理论上的信号强度要小，使得实际测量结果也偏小。（5）电路中元器件的热噪声、散粒噪声所形成的白噪声的影响[17]测量中，噪声是一种不希望的扰动信号，噪声无处不在，是限制和影响测量仪器的灵敏度、精确性和重复性的重要因素，它与信号共存。要提取有用的信号，就必须尽量减小或抑制元器件的噪声。对弱信号放大和传递影响最大的是元器件中的热噪声、散粒噪声所形成的白噪声和l/f的低频噪声。这些噪声也是无法用屏蔽措施来消除的。（6）方案设计所带来的误差比如由第三章第三节信号接收电路的制作过程中知道，系统采用的是两个由相同参数构成的电路分别对两个线圈所接收到的信号进行滤波和放大，电路虽然较为简单，但是在信号的放大滤波的过程中，由于元器件的噪声的影响，可能会产生不同的误差。如果才用一个电路进行放大滤波，又给信号的分离带来困难。另外，在第四章第一节信号的运算处理过程中也存在着较大的误差。这是因为由集成运算器构成的电路的级数越多，运算结果所带来的误差也就越大。因此，如何改进设计方案，使得设计方案更加有利于减少系统的误差来源，这也是以后系统设计中所需特别重视的问题。综上所述，如何消除或减小误差队测量结果的影响，是后续信号处理要解决的一个关键性技术难题。第二节改进措施本课题所涉及到的信号的滤波，放大和处理过程，信号绝大部分时间是以模拟量的形式存在，只是在最后为了显示才将其转换成数字信号。模拟信号处理的目的是抑制随机噪声，提高信噪比。因此，我们综合采取了下面几种方法或措施来减小系统误差的来源，提高系统的精度。（1）如前所述，为减小元器件噪声的影响，可将两个线圈接收的信号交由一个信号滤波放大电路进行处理。但是这样做也就增加了后续的信号分离电路的制作难度。因此，采用哪种方式对信号进行滤波和放大也是一个值得深入探讨的问题。（2）由于电子技术的发展，单片机在越来越多的领域发挥着举足轻重的作用。本课题从注重信号处理的过程这点出发，为了体现整个过程对双线圈补偿法原理的实现，电路由简单的元器件组成，而并没有采用单片机。其实信号的运算处理过程完全可以由单片机来实现，这样不仅简化了电路，而且避免使用集成运算放大器和模拟乘法器，能够较大幅度地提高系统的精度[17]。（3）模拟信号在最后的现实之前，必须进行量化，即进行A/D转换。进行A/D转换之前，须考虑A/D转换器的分辨率和模拟输入电压量程这两个问题。由于受A/D转换的量化误差的限制，当被测信号变化范围较大时，由于信号的强弱不同，如果采用单一放大倍数的放大器电路，就会存在对较弱信号进行转换时，可能出现较大误差；对强信号进行转换时，势必造成A/D转换器的饱和。由于本课题所涉及的低频电磁信号在近场传播时其强度与距离的三次方成反比，具有比较大的动态范围，为充分利用A/D转换器的分辨力，提高系统的精度，可以采用对弱信号进行较高放大倍数放大，对强信号进行较低放大倍数放大的方法，使被转换量落在A/D转换器的线性区间之内，并尽可能落在1/2满刻度至接近满刻度的区域转换。并根据未知参数量值的范围，自动选择合适的增益或衰减倍数[18][19]。

结论本课题以电磁波的发射和接收及其后继信号的处理过程为核心，根据电磁波信号强度来测量地下钻头的深度，它是水平定向钻机导向仪的重要组成部分。本文阐述了地下钻头电磁波信号的发射原理，综合分析了现有导向仪主要采用的几种信号接收方式，给出了信号发射和接收原理框图以及信号处理的过程框图，并根据信号发射和接收原理绘制相应的电路图，具体分析了从信号的接收到信号的显示之间的整个信号处理过程。采用最基本的电路元件实现信号的发射和接收，利用集成运放器和模拟乘法器组合成不同的运算电路实现对信号的运算，最后利用数码显示管进行深度的显示。讲述了信号在发射，接收和处理的过程中可能会产生误差的原因，分析误差的来源，以及提出了一些具体的改进措施。

致谢

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