基于ARM的检波器特性测量仪设计与实现

1 引言

石油是工业的生命．作为高质量能源和化工原料，石油在现代工业中愈来愈受到重视。随着我国经济持续发展和人民生活水平的提高，对油气的需求量更是日益增加。石油、天然气一般埋藏于地表深层，开采这些资源就必须获取油气藏的位置、平面分布、储油层厚度广度、油气储量等资料。地球物理勘探的主要任务之一就是获取这些资料。地球物理勘探方法有地震勘探、重力勘探、磁力勘探、电法勘探等。其中地震勘探法是最普遍的方法。地震勘探专用的传感器叫做地震检波器。地震波检波器在石油地震勘探中具有重要作用，它直接影响勘探的结果，因此在每一次使用之前必须对其进行检测。而每次地震波勘探中所需要的地震波检波器数目极多，需要人工逐个检查，耗时较多且不具有可行性。因此，就需要专用的测试仪器批量测试。另外，由于勘探工作环境要求，需要测试系统具有体积更小、功耗更低、可靠性更高的特性。

我国的测试系统技术总体水平比较落后，目前国内测试系统的现状是：国产地震波检波器的测试系统只适于在物探公司内使用，不适于野外现场使用，地震波检波器必须在使用前预先测定好；国外地震波检波器的测试系统由于价格昂贵，只能少量使用，一旦损坏大多报废，造成极大浪费。

因此，在借鉴国外产品的优点、克服国内产品的缺点基础上，研制开发了一种新型的高精度便携式地震波检波器测试系统。

2 对比测量法原理

由于目前地震勘探采用的压电检波器几乎都是变压器耦合，它们具有相似的灵敏度一频率响应特性，在10 Hz～400 Hz之间，灵敏度变化小，因此一般都采用选定频率点的方式对其进行对比测量。即用参考晶体(标准检波器)做对比测量。所谓对比测量是指在相同条件下测量已知标准检波器和未知待测检波器的响应，然后利用声源、标准检波器、待测检波器都是线性的原理，对两者进行比较，计算待测检波器的响应值。

Mx=Ms(Ux/Us) (1)

式中，Mx为待测检波器的声压灵敏度，V／Pa；Ms为标准检波器的电压灵敏度，V／Pa；Ux为待测检波器输出端的开路电压，V；Us为标准检波器输出端的开路电压，V。

如果采用分贝表示，则被测检波器的自由场开路电压灵敏度级为：

MLX=20lg(Ux/Us)+ML0 (2)

3 声场分析

准确测试压电检波器，必须满足驱动和耦合要求。例如耦合腔内声场基本均匀，腔内的设计(包括耦合腔)要求具有刚性边界、腔内部无释压材料以及腔的体积、尺寸满足测试条件。由于要求地震压电检波器对频率的响应范围低于1 kHz．因此它是类似包含对次声波有响应的声学传感器，对其测试需要建立一个稳定压力场或声场(包含次声波)。

由于地震检波器是反映所受压力敏感程度的压力传感器，因此需要建立一个已知的均匀压力场对其进行测试。目前对于传感器耦合，一般有密封液体罐构成的液压压力场和声源系统构成的声学压力场(以下简称声场)。但是这些压力场受环境影响，而且压力控制较困难。目前对水听传感器的测试一般采用耦合腔互易测量、压电补偿法、震动液柱法、密闭腔比较法等几种对比测量方法。

为了方便测试，本文采用密闭腔比较法。两端密闭的刚性圆桶模拟自由场环境，圆管的一端为电动式低频扬声器，作为声场的驱动源；另一端用钢性材料密封。为了验证该装置近似满足自由场的条件，并对该装置进行理论验证。通过仿真不难看出：管内的不同位置在同一频率的声源激励下，各个点的声压值变化不大，同一位置随时间变化。各点的声压值几乎不变，因此可以认定该装置近似满足自由场的条件。

4 测量的系统设计与实现

本系统采用嵌入式32位ARM器件S3C2410作为主控CPU，依据对比测量法原理，设计便携式多功能检波器特性测量仪，具有单点及扫频测量检波器低频接受电压灵敏度、电压灵敏度级、直流电阻以及频率计数器的功能。本系统包括正弦信号发生模块、功率放大模块、数据测量模块、数据存储模块、USB接口、网络接口、串行接口和上位机软件。系统结构原理框图如图1所示。

4.1 激励信号源

激励信号源包括正弦信号发生模块和功率放大模块两部分，产生推动电声换能器的功率激励信号。其中，正弦信号发生模块采用ADI公司的DDS器件—AD9833型可编程波形发生器，能产生正弦波、三角波和方波信号，其输出频率范围为0 MHz～12.5 MHz。AD9833原理框图如图2所示。

其中，相位累加器为28位，取其高14位作为读取正弦波形存储器的地址。每一次，时钟使相位累加器的输出，即就是正弦ROM寻址地址递增频率设定数据字K，对应的波形相位变化为：

△P=2π·K／228 (3)

因此，改变相位累加器的设定数据字K就可改变相位值△P，从而改变合成信号频率f。经化简，合成信号频率f由下式求出：

f=(K·fmclk)／228 (4)

用高稳定一体化晶体振荡器获得fmclk=25 MHz，K的取值范围为1<K<228。最低频率为fmin=fmclk/228。本系统设计中，fmin为0.1 MHz，即就是最终频率分辨率，完全满足设计要求。

功率放大模块实现正弦信号的功率放大，信噪比高于25 dB，以驱动水声换能器产生自由场。因系统功率放大模块在输入信号峰-峰值超过500 mV时，信号失真，所以应将正弦信号发生模块产生的正弦信号的峰-峰值控制在500 mV内。

4.2 数据测量模块

数据测量模块包括交流电压、直流电阻和频率测量，采用CYRUSTEk公司的ES51962即可完成电压、电阻、频率的测量。ES51962是一款自动量程选择、3 V直流电源供电的模／数转换器。它提供了交流／直流电压测量、电阻测量、电流测量(μA和A)和频率计数器的自动量选择，也提供串行数据传输。

4.3 数据处理与显示

系统微处理器模块采用ARM2410开发系统，该系统采用Samsung公司的ARM处理器S3C2410，是由6层板设计。该开发系统在尽可能小的面板上(120 mm×90 mm)集成64 MB SDRAM、64 MBNAND Flash、1 MB Boot Flash、RJ-45网卡、音频输入与输出、USB Host、USB slave、标准串口、SD卡插座等设备接口，支持LCD／STN液晶屏接口，可以接各种单色、伪彩、真彩液晶屏，并含有触摸屏接口。通过预留的USB口可实时地将数据导入U盘或PC机硬盘中。

液晶显示模块采用Samsung公司的3.5寸TFT(带触摸)，通过液晶屏的触摸功能或USB鼠标，可方便地对测试系统进行窗口化操作。系统进入测试界面后，液晶显示面板能以实时刷新的方式显示当前日期和温度。

5 系统软件设计及实现

上位机软件采用EVC工具开发，可直接在Windows CE环境下运行。上位机软件是控制系统运行的重要部分，提供人机交互界面，显示数据测量情况。软件主要完成人机接口、数据测量与处理，并与下位机通信，控制下位机运行状态。系统软件可分为主程序模块、数据处理模块和通讯模块三部分。主程序模块完成界面显示、人机接口、模块调用、输出控制等功能；数据处理模块完成数据采集、灵敏度的计算等功能；通讯模块除了接收数据还向下位机发出由人机接口控制的各项测量控制命令。图3所示为系统软件流程图。

6 系统性能及误差分析

实验测试选用31.5 Hz频点进行对比测量。比较法误差的来源分为系统误差和偶然误差。系统误差主要是由校准时所要求的条件如自由场、检波器的线性等不满足程度引起，降低此误差可以通过改善测试环境和条件。当频率低于100 kHz时，本系统的误差低于0.2 dB。偶然误差服从统计规律，通过多次测量减少偶然误差。通过输出波形观测及频谱分析如图4所示。由于环境噪声、音源噪声及器件电噪声的存在，检波器输出波形叠加了高斯分布噪声。文中给出了信噪比28 dB下的比较法测量的理论分析结果，如图5、图6所示。

图5、图6给出了高斯分布噪声对系统测量的影响，从图6可以看出，本系统设计高斯分布噪声影响小于0.04 dB。图7所示为实验结果与标准结果的比较。从实验结果图7看，测试结果与标准吻合良好，与标准计量值的最大片移量为0.18 dB，系统自稳定性能良好，误差范围在0.2 dB。系统的偶然误差小于0.05 dB。系统测量时的信噪比大于25 dB，校准距离d的测量准确度优于0.1 dB。实测结果表明，测试结果的准确度优于0.3 dB，高于国家测试标准1.5 dB。

7 结束语

本系统采用高精度的信号发生器作为激励信号，为后续的测量提供了良好的信号环境，为精密测量打下了良好的基础，获得满意的测试性能。该系统可以准确产生均匀、连续、稳定的低频信号，完成水声信号采集、电压灵敏度和电压灵敏级的处理、直流电阻测量、数据存储等功能。该系统操作简单、携带方便。本系统还可以扩展为对水声换能器阻抗特性等多种参数的测量，尤其适合不宜使用基于PC构架的水声测试装置的场合。该装置结构紧凑，材料选择合理，成本低于以往的水声测试装置，易于推广。