低频弹性波接收传感器的设计

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本课题来源于国家自然科学基金项目“基于连续震源的煤层反射式槽波精细探测理论研究”,旨在利用地震检波器和弱信号检测、处理的相关知识,设计一款低频弹性波接收传感器,能够实现对微弱弹性波信号的接收、放大、去噪等功能。  本文的研究工作主要是从以下四个方面展开的:  (1)分析弹性波在大地信道中的反射、折射、衰减等传播特性,明确弹性波传感器的结构组成以及设计要求,根据动圈式检波器的工作原理,设计出自然频率为40Hz左右,阻尼系数为0.65,灵敏度为0.3V/(cm·s-1)的弹性波检波换能器。  (2)分析弹性波在传播过程中所受到的噪声影响,并对噪声的来源及种类进行分析,比较傅里叶变换与小波变换的特点,采用改进的小波变换阈值去噪法滤除信号中的噪声。  (3)完成低频弹性波接收传感器的硬件和软件设计。设计以INA128为核心的增益可调的低噪高增益放大电路、截止频率为100Hz的低通滤波电路以及截止频率为50Hz的陷波器电路等。选用MSP430F149作为主控芯片,在保证弹性波接收传感器正常运行的同时,完成数模转换、数据处理工作。  (4)在无电磁干扰和无地面振动的实验室环境下,进行弹性波接收试验。对比信号源发出的波形与传感器输出端输出的波形后得出,弹性波接收传感器能够接收频带宽度为40~100Hz的低频弹性波信号,并且动态范围达到100dB,通过与CDJ-Z38型检波器的比较,对传感器性能进行优化,在加强传感器与介质的耦合性后,自然频率能够达到35Hz。
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