Виды генерируемых сигналов

При вибросейсморазведке применяют сигналы с изменяемыми во времени параметрами (СВИП), то есть у этих сигналов в различные моменты времени могут иметь место различные значения амплитуды и частоты.

Рисунок 1.2 СВИП сигнал

Главное отличие СВИП сигналов друг от друга – это зависимость изменения параметра от времени. На рисунке 1.1 приведен пример типичного СВИП сигнала с линейной зависимостью частоты от времени.

Основными параметрами сигналов являются:

- F1 – начальная частота

- F2 – конечная частота

- SL – время излучения

- T – время

В настоящее время путем теоретической и практической проработки были определены наиболее предпочтительные виды СВИП сигналов, с помощью передачи и приема которых, получается наиболее полная геологическая картина при сейсморазведке. Эти законы изменения и их параметры общепризнанны и поэтому в разрабатываемом устройстве предполагается выполнить реализацию генератора со следующими законами изменения частоты от времени:

1. Линейный:

	(1.1)
где F1 – начальная частота, Гц; F2 – конечная частота, Гц; SL – время излучения, с; t – время, с.

Рисунок 1.3 Линейный закон изменения частоты от времени

2. Т-Power:

	(1.2)
где n изменяется (0,3…3)

Рисунок 1.4 Вид изменения частоты от времени Т-Power

3. dB на октаву:

	(1.3)
	(1.4)
	(1.5)
	(1.6)
где dBOct изменяется ±(0,01…0,5)

4. dB на Герц:

	(1.7)
где a изменяется ±(0,001…0,5)

Рисунок 1.5 Зависимость закона изменения частоты от времени dB на

октаву от параметра

Зависимости dB на октаву и dB на Герц на малых частотах по виду близки к линейной зависимости, поэтому имеет смысл их использование на значительных интервалах частот.

Как было сказано выше, помимо изменения частоты во времени изменяется также и амплитуда сигнала по определенному закону.

(1.8)

Наиболее используемым является косинусоидальный закон изменения амплитуды (в формуле (1.8)), который распространяется на определенный период сигнала, что позволяет привести сигнал к форме (смотри рисунок 1.5). Это имеет важное значение, так как позволяет плавно ввести механическую часть источника к режиму максимальной амплитуды.

Рисунок 1.5 СВИП сигнал с применением косинусоидальной огибающей

1.6. Обзор применяемых датчиков

Для получения данных используются акселерометры – лектромеханический преобразователь, создающий электрический выходной сигнал при подвергании вибрациям. Уровень электрического выходного сигнала пропорционален колебательному ускорению.

Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации.

Пьезоэлектрические акселерометры.

Рассмотрим принцип работы: Схема устройства пьезоэлектрического акселерометра показана на рис. 1.6

Рис. 1.6 Схема устройства пьезоэлектрического акселерометра

Конструктивно такой акселерометр состоит из кристалла или набора кристаллов пьезоэлектрика, заключенного в легкий металлический корпус. Для увеличения чувствительности акселерометра на пьезоэлемент накладывается некоторая масса, прижимаемая прочной пружиной к кристаллу. При установке акселерометра на колеблющуюся поверхность масса перемещается относительно основания. Так как величина электродвижущейся силы, возникающей на обкладках пьезоэлемента акселерометра при колебаниях, определяется инерционной силой, а последняя пропорциональна колебательному ускорению места установки акселерометра, то выходной сигнал последнего будет прямо пропорционален колебательному ускорению. Следовательно, прежде чем проводить эффективные измерения, необходимо установить соотношение между колебательным ускорением и выходным напряжением. Акселерометр можно считать механической системой с одной степенью свободы, как показано на рис. 1.7.

Рис. 1.7 Эквивалентная пружинно-массовая система акселерометра

Акселерометр с высокой чувствительностью, максимальным диапазоном частот и минимальным весом считался бы идеальным. К сожалению, требование высокой чувствительности противоречит требованию небольшого веса и широкого диапазона частот. Следовательно, на практике обычно принимают какое-нибудь компромиссное решение. Кроме того, некоторые акселерометры разрабатываются для специальных целей, например, для работы в крайне неблагоприятных условиях окружающей среды. По этой причине также неизбежно компромиссное решение с конструктивной точки зрения.

Сравнительно недавно появилось новое направление - интегральные акселерометры:

Промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены.

Современные технологии микрообработки позволяют изготовить интегральные акселерометры, имеющие малые габариты и низкую цену. В настоящее время изготавливаются ИМС акселерометров трех типов: пьезопленочные, объемные и поверхностные.

Пленочные пьезоэлектрические акселерометры

Пленочные пьезоэлектрические датчики ускорения выполняются на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной пленки. Многослойная пленка закреплена на подложке из окиси алюминия, и к ней присоединена инерционная масса из порошкового металла. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация пленки. Благодаря пьезоэффекту возникает разность потенциалов на границах слоев пленки, зависящая от ускорения. Чувствительный элемент датчика обладает чрезвычайно высоким выходным сопротивлением, поэтому на подложке датчика ACH-01 компании Atochem Sensors имеется также полевой транзистор с малым током затвора, который представляет собой усилитель напряжения. Это позволяет измерять переменные ускорения со сравнительно низкой частотой. Датчики этого типа имеют плохую повторяемость характеристик в серийном производстве, высокую чувствительность к изменению температуры и давления. Они не могут контролировать постоянные ускорения и гравитационные силы.

Объемные интегральные акселерометры

Этот датчик состоит из двух пластин кремния 1 и 2, которые сплавлены друг с другом. Тремя тонкими кремниевыми балками имеющимися в пластине, инерционная масса а соединена с кремниевой рамкой на второй пластине. Эта масса соединяется с кремниевой рамкой механически с одного края. Каждая из коротких внешних (изгибных) балок содержит пару имплантированных пьезорезисторов, образующих полумост. Два полумоста соединяются в мостовую схему. Когда происходит вибрация, масса движется вниз, изгибая балки и вызывая деформацию пьезорезисторов. Таким образом, датчик и расположенная вне кристалла электронная схема обработки сигналов создают при работе выходной сигнал напряжением от 50 до 100 мВ полной шкалы.

Резонансная частота приборов — не менее 10 кГц.

Интегральные датчики ускорения объемной конструкции имеют ряд недостатков. Во-первых, они сложны в производстве, поскольку операции формирования объемных структур не очень просто совмещаются со стандартными поверхностными интегральными технологиями. Во-вторых, желательно иметь датчик минимально возможных размеров на схемном кристалле также минимально возможных размеров. Уменьшение размеров кристалла дает повышение его механической прочности и снижение стоимости. В то же время в датчике объемной конструкции только на размещение чувствительного элемента требуется от 6,5 до 16 мм2 площади кристалла. Размещение на кристалле схем формирования сигнала может увеличить эту площадь еще в два раза.

Поверхностные интегральные акселерометры

Компания Analog Devices изготавливает семейство акселерометров ADXLххх поверхностной конструкции. Первым в этом семействе идет ADXL50, серийный выпуск которого был начат в 1991 г.

Весь кристалл акселерометра размером 3,05*3,05 мм занят главным образом схемами формирования сигнала, которые окружают миниатюрный датчик ускорения размером 1*1 мм, расположенный в его центре. Датчик представляет собой дифференциальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которого вырезаны (вытравлены) из плоского куска поликремниевой пленки толщиной 2 мкм. Неподвижные обкладки этого конденсатора представляют собой простые консольные стержни, расположенные на высоте 1 мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремниевых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу на молекулярном уровне.

На рис. 1.8 показан основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика. Фактически датчик имеет 54 элементарных ячейки для измерения ускорения, но для простоты рисунок показывает только одну ячейку. Инерционная масса датчика ускорения при изменении скорости перемещения кристалла смещается относительно остальной части кристалла.

Рис. 1.8 Основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика ускорения

Ее пальцеобразные выступы образуют подвижную обкладку конденсатора переменной емкости. С каждого конца эта структура опирается на столбики-анкеры, аналогичные по конструкции держателям неподвижных обкладок. Растяжки по концам инерционной массы, удерживающие ее на весу, являются как бы механическими пружинами постоянной упругости, ограничивающими перемещение пробной массы и ее возврат в исходное положение.

Говоря другими словами, сила инерции при воздействии ускорения

F = ma (1.9)

уравновешивается силой упругости пружины

F = kx (1.10)

где m — масса, a — ускорение, k — жесткость пружины, x — перемещение массы относительно исходного состояния. Отсюда следует, что a = x (k / m), причем k/m — конструктивный параметр датчика.

Поскольку перемещение инерционной массы должно происходить в плоскости поликремниевой пленки, ось чувствительности датчика лежит в этой плоскости, и, следовательно, она параллельна плоскости печатной пла-

ты, к которой припаивается датчик.

Каждый из наборов неподвижных обкладок конденсатора (Y и Z) электрически соединен параллельно внутри схемного кристалла. В результате получается пара независимых конденсаторов X—Y и X—Z, подвижная обкладка которых образована всей совокупностью пальцеобразных выступов инерционной массы. Внутри кристалла эти три обкладки подключены ко встроенным схемам формирования сигнала акселерометра. В спокойном состоянии (движение с постоянной скоростью) все «пальцы» подвижной обкладки Х благодаря растяжкам находятся на одинаковом расстоянии от пар пальцев неподвижных обкладок.

Рис. 1.9 Упрощенная конструкция датчика ускорения микросхемы

При каком-либо ускорении подвижные пальцы приближаются к одному из наборов неподвижных пальцев и удаляются от другого набора. В результате этого относительного перемещения соответствующие расстояния становятся неодинаковыми, и емкости между подвижной обкладкой и каждой из неподвижных обкладок изменяются (рис. 1.9.).

При ускорении датчика разностный сигнал не равен нулю, причем его амплитуда зависит от величины смещения подвижной обкладки, а фаза определяется знаком ускорения.

Фазочувствительный демодулятор преобразует этот сигнал в низкочастотный (полосой от 0 до 1000 Гц), характеризующий величину и знак ускорения. Это напряжение поступает на предусилитель, с выхода которого сигнал идет на внешний вывод ИМС.

Чтобы уменьшить влияние температуры окружающей среды, временные изменения параметров, снизить нелинейность переходной характеристики акселерометра, разработчики ввели отрицательную обратную связь по положению инерционной массы. В более поздних моделях ИМС акселерометров инженеры компании Analog Devices отказались от обратной связи по положению инерционной массы. С одной стороны, это позволило почти в два раза уменьшить площадь кристалла датчика, повысить его экономичность, увеличить размах выходного напряжения, практически исключить внешние компоненты, снизить стоимость, но с другой стороны, увеличилось смещение инерционной массы, что привело к некоторому реальному ухудшению линейности. Акселерометры семейства ADXL также снабжены системой самотестирования.

Для того чтобы снизить требования к стабильности источника питания и сделать возможным питание акселерометров прямо от батарей, их выходное напряжение делают пропорциональным произведению ускорения на напряжение питания.

Рис. 1.10 Включение ADXL50

В таком случае его следует включать по логометрической схеме, как это показано на рис. 1.10. В этой схеме удобно применить АЦП, который использует питающее напряжение в качестве опорного.

В настоящее время Analog Devices выпускает несколько моделей интегральных акселерометров: одноосные ADXL105, ADXL150, ADXL190 на максимальное ускорение ±5 g, ±50 g, ±100 g соответственно, и двухосные ADXL202, ADXL210 и ADXL250 на максимальное ускорение по обеим осям ±2 g, ±10 g и ±50 g соответтвенно. Датчики изготавливаются в основном в плоских керамических корпусах QC-14 с планарными выводами, причем оси, по которым измеряется ускорение, направлены параллельно плоскости выводов (то есть параллельно плоскости печатной платы). Вариант ADXL202Е выпускается в миниатюрном безвыводном кристаллоносителе LCC-8 размером 5*5*2 мм. Для удобства сопряжения с микроконтроллерами выходные сигналы ИМС ADXL202 и ADXL210 представляют собой прямоугольные импульсы постоянной частоты. Информация об ускорении отображается относительной длительностью импульсов g.

Завершая описание акселерометров компании Analog Devices, приведу несколько интересных цифр, характеризующих конструкцию и уровень технологии производства этих микросхем.

Масса инерционного грузика — 0,1 мкг.

Емкость каждой части дифференциального конденсатора — 0,1 пФ.

Минимальное обнаруживаемое отклонение емкости — 20 aФ (10–18Ф).

Изменение емкости, соответствующее ускорению полной шкалы — 0,01 пФ.

Расстояние между обкладками конденсатора — 1,3 мкм.

Минимальное обнаруживаемое отклонение подвижных обкладок конденсатора — 0,2 ангстрема (пятая часть диаметра атома!).

Выбор акселерометра

Для измерения ускорения производимого вибратором при работе необходимо и достаточно применить одноосные акселерометры способные измерять ускорения до 16g. Исходя из вышеописанного сравнения и экономической эффективности наиболее предпочтительными являются акселерометры фирмы «Analog Devices» ADXL50 и ADXL150, но это не категорично и практически могут применяться и другие со сходными характеристиками в том числе и пьезоэлектрические акселерометры фирмы «Брюль и Къер».

Для совместимости с различными типами входных датчиков в разрабатываемом модуле синтезатора предполагается предусмотреть нормировку, которая позволит получить необходимые параметры.

Поиск по сайту: