高精度三通道強震動地震記錄儀硬件設計

王永光，郭少霞，常學勇

（1. 空軍大連通信士官學校 校務部營房科，遼寧 大連 116600；2. 大連大學 土木工程技術研究與開發中心，遼寧 大連 116622；3. 大連大學 建筑工程學院，遼寧 大連 116622）

高精度三通道強震動地震記錄儀硬件設計

王永光1，郭少霞2，常學勇3

（1. 空軍大連通信士官學校 校務部營房科，遼寧 大連 116600；2. 大連大學 土木工程技術研究與開發中心，遼寧 大連 116622；3. 大連大學 建筑工程學院，遼寧 大連 116622）

本文詳細介紹應用24bitsAD實現的高精度三通道強震記錄儀硬件設計原理及整體設計過程。24bitsAD本身動態范圍能實現100 dB以上的，特別實用于地震臺網中無人值守的三通道強震動記錄儀，系統硬件的穩定可靠、技術的先進等諸多優勢，可以實現對天然強震動的有效記錄。

記錄儀；強震動；AD；加速度計

1 概述

強震觀測是地震觀測的重要組成部分，其主要目的是獲取強震發生時地面震動的記錄，為及時有效地組織抗震救災及建立大震應急系統提供科學依據。強震觀測可為震后快速評估震害和抗震救災服務。

三通道強震儀主要用于大型結構（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，配置的軟件除可進行一般振動信號的記錄分析外，還可判斷結構健康狀態。三通道強震儀配接一臺三分量力平衡加速度計[1]，實現監測系統中一個點的概念，多個點組成監測系統，多個監測系統就實現了地震監測網絡。

2 高精度三通道強震記錄儀硬件設計需求

高精度三通道強震記錄儀硬件設計考慮到工作的環境和現場的各種情況以及電路工作的穩定性，在系統設計上需要解決的問題如下：

(1)GT243QDR內置標準的高性能模塊主板。

(2)內置大容量固態存儲介質，可以實現幾百MB的數據容量空間。

(3)儀器自身帶有液晶顯示，可以直接閱讀采集到的數據波形。

(4)儀器自身帶有鍵盤，可以直接對儀器進行參數設置，增強了人機交互功能。

(5)通道處理電路在物理上完全獨立，信號輸入完全屏蔽。

(6)硬件電路采用多層電路板設計，保證系統工作穩定、測量精度高，具有極強的抗干擾能力。

(7)GT243QDR無論是數字電路還是模擬電路，都采用極低紋波的線性電源供電，使得系統電路中的電源的穩定性得到保證。

(8)機箱設計考慮到抗壓抗震的要求，選用精密鋁板，保證電路板與機箱安裝可靠固定。

3 高精度三通道強震動記錄儀硬件原理設計

高精度三通道強震動記錄儀以虛擬儀器[2]原理為技術基礎。深度應用當前先進的電子技術、信號處理技術、抗干擾技術[3,4]等技術，使得儀器本身有高穩定、高可靠性、技術先進等特點。硬件實現具體的技術特點如下：

(1)各通道前置信號調理、A/D轉換、過采樣提取完全獨立；

(2)應用高精度的24位Σ-△調制A/D轉換器[5]，使動態范圍達到120 dB；

(3)采用大規模門陣列，提高了儀器的集成度和可靠性；

(4)道間干擾小于-140 dB；

(5)內嵌高穩定嵌入式低功耗模塊主板進行數據的存儲和通信；

(6)采用容量可隨意擴充的固態電子盤；

(7)儀器內部含高穩定性的鎳氫電池；

(8)各種通訊穩定；

(9)儀器本身帶有液晶顯示與鍵盤系統，人機交互十分方便。

由傳感器送給AD板的電壓信號，經前置信號處理后送入24位Σ-△AD轉換器，轉換成串行數據流，送入Σ-△AD轉換器的數字濾波器進行數字濾波，經數字濾波后的24位串行數據按照系統邏輯進行輸出24位串行數據，通過移位寄存器實現串并轉換保持，等待CPU讀取AD數據。如圖1，AD轉換器內部邏輯框圖。

24位Σ-△調制A/D 轉換器采用過采樣技術，把輸入的模擬信號轉換成24位高精度的數字信號輸出給數字濾波器。數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，并且進行高通濾波、去假頻信號得到所需的數字信號。串并轉換使信號的24位數據流按照給定的邏輯保持。上位模塊主板按照系統控制邏輯采集AD板AD數據，模塊主板將采來的AD數據數據處理后進行存儲。系統設計原理如圖2。

圖1 AD轉換器內部邏輯框圖

圖2 高精度三通道強震動記錄儀原理框圖

4 結論

高精度三通道強震動記錄儀硬件系統設計的技術優勢，已經獲得用戶的良好反饋，綜合系統測試儀器達到的技術指標入下：

(1)通道數：3通道+ 一個時間通道；

(2)A/D分辨率：24位Σ-△調制A/D 轉換器；

(3)動態范圍：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：線性相移。

高精度三通道強震動記錄儀的廣泛應用，必將獲取大量記錄數據用于分析結構的抗震性能，以便更準確地實施工程抗震加固及為同類新構筑物進行抗震設計，為國民經濟安全做出貢獻。

[1]王家行, 胡振榮. SLJ型寬頻帶大動態力平衡三分向加速度計的設計與研制[J]. 地震地磁觀測與研究, 1997, 18(5)∶46-52.

[2]郭迅, 閻礪銘, 裴 強, 等. 新型數據采集分析系統及其在工程振動中的應用[J]. 地震工程與工程振動, 2002, 22(4)∶60-65.

[3]崔慶谷. 反饋式地震計的性能設計與噪聲測量研究[D].中國地震局地球物理研究所, 2003.

[4]崔慶谷, 童汪練. 地震計儀器噪聲測量中的幾個問題[J].地震地磁觀測與研究, 2003, 24(6)∶ 39-46.

[5]張俊. 高分辨、低漂移地震數據采集技術的研究與實驗[D].中國地震局地震預測研究所, 2011.

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

國家自然科學基金項目(21271036，20871024)；遼寧省教育廳項目(L2013470，L2013471)。

王永光（1975-），男，工程師，研究方向：施工管理。