地震仪天然地震信号采集系统
地震仪天然地震信号采集系统
冯军(中石化地球物理公司胜利分公司物探仪器管理中心 山东东营 257000)
摘要： 通过对地震信号的收集和测量分析， 可以进一步的分
析地的构造， 对天然地震进行有效的预测和预报， 从而减小天然
地震的灾害， 到达利用地震信号的目的。天然地震信号强度低，
频率小， 频率范围窄， 这给信号的检测带来了很大的难度。文章
通过调研分析， 设计了一种高效率的地震信号检测系统。通过研
究对于提高地震信号的检测精度具有重要的意义。
关键词： 地震仪； 天然地震； 信号； 采集； 检测； 分析
地震的发生会给人们生活带来巨大的危害， 但是地震产生的
信号有可以很好的帮我们去认识地球的结构和变化， 因此对于天
然地震信号的检测具有非常重要的意义。常用的地震信号检测
工具是地震仪， 地震仪在测量地震信号的过程中， 主要利用机械
机构测量， 存在着占地空间大、 设备成本高、 测量的频率范围小等
问题， 对于地震信号的采集和检测效果不好。微机电技术是近年
来不断发展的一种微电子技术， 该技术将机械部件、 信号采集、 分
析、 线路等统一集中到半导体原件上， 从而有效的减小了地震仪
的体积和重量， 而且成本低， 测量的频率范围大， 测量的精度高。
地震仪收集到的地震信号， 需要通过数据采集系统输送的计算机
中， 因此地震仪数据采集器的精度和效率， 会影响到地震信号检
测的精度。文章通过研究分析， 设计了一种高效地震仪信号采集
系统装置。
一、 地震仪信号采集系统的方案设计
地震仪检测到地震信号后， 会将检测到的信号转换成电信
号， 数据采集系统接受地震仪输出的电信号， 并且将接受到的电
信号转换成数字信号， 再将数字信号发送到计算机中。利用相应
的计算机软件， 对地震信息进行收集、 存储和分析。常用的地震
仪器通常能够检测东南西北和上下三个分量的地震信号。为了
能够更好的解决现阶段地震信号强度低、 频率小的问题， 需要设
计出精度高、 低频信号采集好的单分量采集元件， 通过采用特定
的电路， 使采集元件输出单分量的电信号， 形成单分量信号传感
器。将三个单分量传感器组合成一个整体仪器， 经过密封处理后
就可以得到三分量地震信号测量仪。如何高效采集地震仪器输
出的电子模拟信号， 是提高地震信号检测精度的关键， 因此地震
仪数据采集器的效率和精度非常重要。地震发生时间、 发生次
数、 持续时间、 地震强度都是变化不定的， 因此需要地震仪的数据
采集系统具有较高的测量精度， 以及较高的稳定性和可靠性。设
计的数据采集采集系统， 要发挥良好的效果， 需要具备以下基本
功能， 地震仪的数据采集系统要能连续的采集地震信号， 而且能
将采集的信号实时的同步显示， 信号采集系统可以实现多路多类
型地震信号的采集。可以既将采集到的地震信号存储成规定的
形式。并且能能够对检测存储得到的地震波信号进行回放。将
地震信号采集系统的各项装置和功能， 合理的安排到整体系统
中， 建立良好的人机交互界面， 同时能实现系统各个功能和参数
的设定。
二、 地震仪信号采集装置设计
设计的三分量地震仪可以测量三个方向上的加速度， 三分量
地震仪由三个分量加速度测量装置组成。天然地震信号的频率
范围小， 频率较低。需要地震仪具有良好的性能， 特别是系统的
加速度芯片的性能要好。加速度芯片功能是将系统的加速值转
换成相应的电信号， 衡量加速度芯片性能的指标主要有， 芯片的
精度、 测量范围、 灵敏性等参数。可以用做地震仪加速度芯片的
种类很多， 每种类型都有各自的工作原理。其中电容式的加速度
芯片， 利用特殊设计的结构， 可以将地震产生的信号， 转变成电容
值的大小的变化， 进而通过电容的变化来反应电压的变化。系统
结构的稳定性好， 测量精度高， 对地震信号的响应效果较好， 特别
是对低频信号， 具有良好的响应特征。利用惯性力原理做成的加
速度芯片， 电容式加速度芯片类型是非常好的选择， 该芯片结构
的质量小、 对温度的适应性高。因此作为本设计中理想的加速度
芯片类型。扭转摆动类型的加速度芯片， 是一种电容式的加速度
芯片。利用惯性力的作用， 质量片可以通过中间轴扭转， 从而产
生电容的变化。该类型加速度芯片的质量片， 主要包括五个部
分。其中有两对是对称分布的， 只有一个是单个存在的。由于这
种不对称性的存在， 才会形成中心轴两侧的质量不相等。所以当
有地震信号输入时， 就会影响到质量片的平衡， 造成质量片的扭
转运动， 在质量片的下部安装有玻璃基片， 玻璃基片和质量片相
互配合形成电容。当质量片发生扭转时， 电容的电容值就会发生
变化。而且在中心轴的两侧， 一侧的电容会增大， 另一侧的电容
会减小， 形成电容的差值。形成的电容差经过电路的放大和处理
后， 可以形成变化的电压信号。由于地震信号的强度不高， 地震
仪的使用环境比较复杂， 检测到的地震信号容易受到环境的影
响， 因此需要对测得的地震信号进行处理和放大， 放大出实际的
地震信号， 减小其他噪声的影响。信号的放大电路通常设计到最
前部， 放大电路的精确性对于后续信号的处理具有较大的影响。
因此需要选择精度高稳定性好的前置放大电路。前置放大电路
的噪声要低， 由于电路的存在， 都会存在一定的噪音， 因此当没有
地震信号输入时， 电路的输出端也会检测到信号， 这就是电路内
部的噪音。因此需要选择输出噪声低的前置放大电路结构。地
震仪的干扰信号中， 雷电形成的干扰会以共模的方式存在， 其信
号的幅度要明显的小于地震信号。地震仪的前置放大电路通常
需要较高的共模抑制比， 来减小其他因素对于地震信号的影响。
结束语
通过对地震信号的准确监测和分析， 可以帮助人们提高认识
地球结构和分析利用地震的能力。天然地震信号强度低， 信号频
率低， 给信号的检测带来了很大的难度。将三个单分量传感器组
合起来， 进过密封处理后就可以形成三分量地震信号测量仪。衡
量加速度芯片性能的指标主要有芯片的精度、 测量范围、 灵敏
性。电容式加速度芯片， 可以将地震信号转变成电容量的变化，
再通过电容的变化来转换成电压的变化。扭摆型加速度芯片的
结构稳定性好， 测量精度高， 对于地震信号的响应效果好。通过
研究对于提高地震信号的采集和检测水平， 提高地震仪的测量精
度和工作效率具有积极的意义。
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