王永光,郭少霞,常學(xué)勇
(1. 空軍大連通信士官學(xué)校 校務(wù)部營房科,遼寧 大連 116600;2. 大連大學(xué) 土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心,遼寧 大連 116622;3. 大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院,遼寧 大連 116622)
高精度三通道強(qiáng)震動地震記錄儀硬件設(shè)計(jì)
王永光1,郭少霞2,常學(xué)勇3
(1. 空軍大連通信士官學(xué)校 校務(wù)部營房科,遼寧 大連 116600;2. 大連大學(xué) 土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心,遼寧 大連 116622;3. 大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院,遼寧 大連 116622)
本文詳細(xì)介紹應(yīng)用24bitsAD實(shí)現(xiàn)的高精度三通道強(qiáng)震記錄儀硬件設(shè)計(jì)原理及整體設(shè)計(jì)過程。24bitsAD本身動態(tài)范圍能實(shí)現(xiàn)100 dB以上的,特別實(shí)用于地震臺網(wǎng)中無人值守的三通道強(qiáng)震動記錄儀,系統(tǒng)硬件的穩(wěn)定可靠、技術(shù)的先進(jìn)等諸多優(yōu)勢,可以實(shí)現(xiàn)對天然強(qiáng)震動的有效記錄。
記錄儀;強(qiáng)震動;AD;加速度計(jì)
強(qiáng)震觀測是地震觀測的重要組成部分,其主要目的是獲取強(qiáng)震發(fā)生時地面震動的記錄,為及時有效地組織抗震救災(zāi)及建立大震應(yīng)急系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。強(qiáng)震觀測可為震后快速評估震害和抗震救災(zāi)服務(wù)。
三通道強(qiáng)震儀主要用于大型結(jié)構(gòu)(水壩、橋梁、高層建筑、核電廠等)震時地震記錄以及常時健康診斷,配置的軟件除可進(jìn)行一般振動信號的記錄分析外,還可判斷結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。三通道強(qiáng)震儀配接一臺三分量力平衡加速度計(jì)[1],實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)中一個點(diǎn)的概念,多個點(diǎn)組成監(jiān)測系統(tǒng),多個監(jiān)測系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。
高精度三通道強(qiáng)震記錄儀硬件設(shè)計(jì)考慮到工作的環(huán)境和現(xiàn)場的各種情況以及電路工作的穩(wěn)定性,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上需要解決的問題如下:
(1)GT243QDR內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的高性能模塊主板。
(2)內(nèi)置大容量固態(tài)存儲介質(zhì),可以實(shí)現(xiàn)幾百M(fèi)B的數(shù)據(jù)容量空間。
(3)儀器自身帶有液晶顯示,可以直接閱讀采集到的數(shù)據(jù)波形。
(4)儀器自身帶有鍵盤,可以直接對儀器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,增強(qiáng)了人機(jī)交互功能。
(5)通道處理電路在物理上完全獨(dú)立,信號輸入完全屏蔽。
(6)硬件電路采用多層電路板設(shè)計(jì),保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測量精度高,具有極強(qiáng)的抗干擾能力。
(7)GT243QDR無論是數(shù)字電路還是模擬電路,都采用極低紋波的線性電源供電,使得系統(tǒng)電路中的電源的穩(wěn)定性得到保證。
(8)機(jī)箱設(shè)計(jì)考慮到抗壓抗震的要求,選用精密鋁板,保證電路板與機(jī)箱安裝可靠固定。
高精度三通道強(qiáng)震動記錄儀以虛擬儀器[2]原理為技術(shù)基礎(chǔ)。深度應(yīng)用當(dāng)前先進(jìn)的電子技術(shù)、信號處理技術(shù)、抗干擾技術(shù)[3,4]等技術(shù),使得儀器本身有高穩(wěn)定、高可靠性、技術(shù)先進(jìn)等特點(diǎn)。硬件實(shí)現(xiàn)具體的技術(shù)特點(diǎn)如下:
(1)各通道前置信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、過采樣提取完全獨(dú)立;
(2)應(yīng)用高精度的24位Σ-△調(diào)制A/D轉(zhuǎn)換器[5],使動態(tài)范圍達(dá)到120 dB;
(3)采用大規(guī)模門陣列,提高了儀器的集成度和可靠性;
(4)道間干擾小于-140 dB;
(5)內(nèi)嵌高穩(wěn)定嵌入式低功耗模塊主板進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和通信;
(6)采用容量可隨意擴(kuò)充的固態(tài)電子盤;
(7)儀器內(nèi)部含高穩(wěn)定性的鎳氫電池;
(8)各種通訊穩(wěn)定;
(9)儀器本身帶有液晶顯示與鍵盤系統(tǒng),人機(jī)交互十分方便。
由傳感器送給AD板的電壓信號,經(jīng)前置信號處理后送入24位Σ-△AD轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)流,送入Σ-△AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)字濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波,經(jīng)數(shù)字濾波后的24位串行數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)邏輯進(jìn)行輸出24位串行數(shù)據(jù),通過移位寄存器實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換保持,等待CPU讀取AD數(shù)據(jù)。如圖1,AD轉(zhuǎn)換器內(nèi)部邏輯框圖。
24位Σ-△調(diào)制A/D 轉(zhuǎn)換器采用過采樣技術(shù),把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成24位高精度的數(shù)字信號輸出給數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器的作用是把高采樣率、低分辨率的信號抽取為奈奎斯特采樣率輸出的高分辨率信號,并且進(jìn)行高通濾波、去假頻信號得到所需的數(shù)字信號。串并轉(zhuǎn)換使信號的24位數(shù)據(jù)流按照給定的邏輯保持。上位模塊主板按照系統(tǒng)控制邏輯采集AD板AD數(shù)據(jù),模塊主板將采來的AD數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行存儲。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖2。
圖1 AD轉(zhuǎn)換器內(nèi)部邏輯框圖
圖2 高精度三通道強(qiáng)震動記錄儀原理框圖
高精度三通道強(qiáng)震動記錄儀硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢,已經(jīng)獲得用戶的良好反饋,綜合系統(tǒng)測試儀器達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)入下:
(1)通道數(shù):3通道+ 一個時間通道;
(2)A/D分辨率:24位Σ-△調(diào)制A/D 轉(zhuǎn)換器;
(3)動態(tài)范圍:大于120 dB(200 Hz);
(4)滿量程輸入:0~±5 V;
(5)通道間隔離度:道間干擾小于-145 dB;
(6)通道采集完全同步,無相位差;
(7)采樣率:50 Hz、100 Hz、200 Hz、500 Hz、1000 Hz;
(8)頻率響應(yīng):線性相移。
高精度三通道強(qiáng)震動記錄儀的廣泛應(yīng)用,必將獲取大量記錄數(shù)據(jù)用于分析結(jié)構(gòu)的抗震性能,以便更準(zhǔn)確地實(shí)施工程抗震加固及為同類新構(gòu)筑物進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),為國民經(jīng)濟(jì)安全做出貢獻(xiàn)。
[1]王家行, 胡振榮. SLJ型寬頻帶大動態(tài)力平衡三分向加速度計(jì)的設(shè)計(jì)與研制[J]. 地震地磁觀測與研究, 1997, 18(5)∶46-52.
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Hardware Design of High Precise Strong Seismic Motion Recorder with Three Channels
WANG Yong-guang1, GUO Shao-xia2, CHANG Xue-yong3
(1. Dalian Airforce Communication NCO Academy, Dalian 116600, China;2. The R&D Center of the Civil Engineering Technology,Dalian University, Dalian 116622, China; 3. College of Civil and Architectural Engineering, Dalian University, Dalian 116622, China)
In this paper, the whole design process and hardware design principle of three-channel recorder with high precision are introduced in detail and the application of 24 bits-AD is also achieved. Dynamic range of 24 bits-AD can achieve more than 100 dB, especially practical three channel on unmanned seismic network on strong motion recorder, the hardware of the system is stable and reliable, advanced technology and other advantages, can effectively record the vibration of the natural strong earthquake.
grapher; strong ground motion; AD; accelerometer
P315.6
A
1008-2395(2015)06-0048-03
2015-11-04
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21271036,20871024);遼寧省教育廳項(xiàng)目(L2013470,L2013471)。
王永光(1975-),男,工程師,研究方向:施工管理。