勘察儀器與原理第一章緒論wxOk

勘查儀器原理教師：王旭Email：hfli@1同學們好，從今天開始我們來學習《勘查儀器原理》這門課。開課前先說說本課程的性質、任務與學習要求：本課程是勘查技術與工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課，主要學習現(xiàn)代測量儀器的基本理論、基本組成及其工作原理。本課程名稱為勘查儀器原理，就是所有勘探、地質調查儀器原理的總稱。勘查儀器的種類繁多，象地震儀、測井儀、重力儀、磁力儀、電法儀，錄井儀等等。每種儀器都有它自己的電路組成及工作原理，故本課程內容廣泛，但歸結起來，這些電子儀器都有其共性，就是將被測對象通過各種傳感器件做適當轉換后，再經信號調理、采樣、量化、編碼、傳輸、處理、存儲等步驟，完成被測對象的測量過程。受教學時數的限制，只能主要講述組成這些電子儀器相同的且決定儀器性能的電路部件－－數據采集系統(tǒng)。這也是選教材的依據。2通過學習本課程使同學們掌握現(xiàn)代測量儀器的基礎技術理論及數據采集系統(tǒng)工作原理，熟悉現(xiàn)代測試技術理念。本課程共46學時，其中課內講解34學時，共七章內容，實驗12學時，三個實驗（微弱信號檢測實驗，傳感器特性實驗，地震儀整機實驗）。由于本課程涉及面廣，在學習時，根據教學大綱對教材作適當調整，另外還有部分教材以外的內容，所以要求同學們一定要記好課堂筆記，將來考試內容以課堂講授為主。3課程內容：

緒論測量系統(tǒng)基本部件信號的編碼與傳輸數據的記錄與顯示現(xiàn)代測試技術及虛擬儀器勘查儀器實例測量儀器基本理論4參考資料：1、《地震勘探儀器原理》袁子龍著石油工業(yè)出版社20062、《數據采集技術》沈蘭蓀中國科技大學出版社19903、《微弱信號檢測》高晉占清華大學出版社2001

5成績評定平時成績15分；實驗成績15分；期末考試70分。課程性質：專業(yè)基礎課（必修）6同學們將來主要從事油氣地球物理勘探工作，而目前油氣勘探的主要方法是地震勘探，所以本課程以地震儀為主進行講解。7第一章緒論8一、測量與數據采集的基本概念二、數據采集系統(tǒng)基本組成及主要性能指標本章主要內容9所謂地球物理勘探就是利用某種電子儀器設備對相應的物理量進行測量的過程，如地震儀就是對地震波的測量，聲波測井儀是對聲波在井下各種巖層介質中傳播特性的測量（聲波在介質中傳播特性主要指聲波縱、橫波的速度特性、幅度特性和頻率特性），所以，在緒論中，我們首先學習第一節(jié)測量與數據采集的基本概念。10第一節(jié)

測量與數據采集的基本概念11主要內容一、測量概述（一）什么是測量（二）電子測量（三）電子測量儀器（四）電子測量儀器的發(fā)展概況二、數據采集的基本概念（一）數據采集（二）數據采集系統(tǒng)（三）現(xiàn)代數據采集系統(tǒng)的主要特點12一、測量概述（一）什么是測量測量是人類認識和改造世界的一種重要手段。在人們對客觀事物的認識過程中，需要進行定性、定量的分析，定量分析就需要進行測量。測量是通過實驗方法對客觀事物取得定量數據的過程。13測量對人類的進步起著重要的作用，科學的進步、生產的發(fā)展都需要用測量技術進行定量分析，以取得科學的數據，自然界的規(guī)律是在找到能對實際的量進行探查和測量的方法和手段，并經過邏輯推理才被揭示出來，并以定律的形式肯定下來，而一個理論只有在不斷地測量結果驗證之后，才被廣泛接受。14如數學、物理、化學等方面地定律、定理都是通過測量而得到。通過大量的觀察和測量，人們逐步準確地認識各種客觀事物，建立起各種定律、定理。離開測量，人類就不能真正準確地認識世界，也不能生產出合格地產品。在各個歷史時期，測量水平的高低可以反映出一個國家科學技術發(fā)展的狀況，因此，努力提高測量水平，實現(xiàn)測量手段和方法的現(xiàn)代化，是實現(xiàn)科學技術和生產現(xiàn)代化的重要條件和明顯標志。在當今信息時代，測量技術（獲取信息）、通信技術（傳遞信息）和計算機技術（信息處理）被稱為信息社會三大支柱，可見，測量技術是一門很重要的科學技術。15大地測量儀器16測量人員用GPS定位17Leica350衛(wèi)星定位儀全站儀Trimble5700衛(wèi)星定位儀18門捷列夫(1834-1907)

科學始于測量,沒有測量，便沒有精密的科學。門捷列夫19我常說的一句話是：

當你能夠測量你所關注的事物，而且能夠用數量來描述它的時候，你就對其有所認識；當你不能測量它，也不能將其量化的時候，你對它的了解就是貧乏和不深入的。開爾文為了紀念他在科學上的功績，國際計量大會把熱力學溫標（即絕對溫標）稱為開爾文（開氏）溫標，熱力學溫度以開爾文為單位，是現(xiàn)在國際單位制中七個基本單位之一。開爾文（1824-1907）20錢學森信息技術包括測量技術、計算機技術和通信技術，測量技術是信息技術的關鍵和基礎。錢學森(1911-2010)21王大珩（heng）儀器儀表是工業(yè)生產的“倍增器”，是高新技術和科研的“催化劑”，在軍事上體現(xiàn)的是“戰(zhàn)斗力”。王大珩(1915-2011)22（二）電子測量

對一個物理量的測量，可通過不同的方式、手段和設備來實現(xiàn)，比如重量測量、時間測量等。本課程研究的是利用電子技術來進行的測量。電子測量是測量領域的主要組成部分，它泛指以電子技術為基本手段的測量技術。電子測量主要是運用電子科學的原理、方法和設備對各種電量、電信號及電路元器件的特性和參數進行測量，同時還可以通過各種傳感器把非電量轉換成電量來測量。23電子測量不僅用于電子領域，而且廣泛用于物理學、化學、光學、機械學、材料學、生物學和醫(yī)學等科學領域。以及生產、國防、交通、商貿、農業(yè)、環(huán)保乃至日常生活的各個方面。2425近幾十年來，由于計算機技術和微電子技術的迅猛發(fā)展，使電子測量技術發(fā)生了質的飛躍，計算機技術與電子測量儀器相結合，構成了嶄新一代的智能儀器和自動測試系統(tǒng)。在科學研究和生產實踐中，常常需要對許多非電量進行測量。非電量是指各種非電物理量，如，圖像、聲音、壓力、位移、溫度、濕度、亮度、顏色、物質成分等。非電量測量可以通過各種對應的敏感元件（通常稱為傳感器），將被測物理量轉換成與之相關的電壓、電流等，而后再通過對電壓、電流的測量，得到被測物理量的大小。26例如，地震勘探中，利用檢波器把地震波在地表的振動轉換為電信號，此電信號通過一系列電子電路組成的地震儀器設備，最后得到我們常說的地震剖面。27ARIES地震儀器428XL地震儀器408UL地震儀器28（三）電子測量儀器利用電子技術實現(xiàn)測量的儀表設備，統(tǒng)稱為電子測量儀器。地震儀實際上是一種記錄地震信號的電子儀器。測量儀器通常都具備物理量轉換、信號處理與傳輸，以及測量結果的顯示等基本功能。物探所用的所有儀器設備就是測量設備?，F(xiàn)分別介紹這三項功能。1、轉換功能：對電壓、電流等電學量的測量，是通過測量各種電效應來達到目的的。29如，作為模擬式儀表最基本組成單元的動圈式檢流計（電流表），就是將流過線圈的電流強度轉換成與之成正比的扭矩而使儀表指針相對于初始位置偏轉一個角度，根據角度偏轉大小（可通過刻度盤上的刻度獲得）得到被測電流的大小。這是一種很基本的轉換功能。對非電量測量，必須將各種非電物理量（如前所講），通過各種對應的傳感器轉換成與之相關的電壓、電流等，而后再通過對電壓、電流的測量，得到被測物理量的大小。302、信號處理與傳輸功能：對進入測量電路的電信號，通常要進行信號處理。如，對弱信號要放大，強信號要衰減，有的要加濾波等防干擾措施，有的要將模擬信號轉換為數字信號，有的要用微處理器對信號進行處理等。在遙測遙控等系統(tǒng)中，現(xiàn)場測量結果經變送器處理后，需經較長距離的傳輸才能送到測試終端和控制臺。如，分布式遙測地震儀就是將采集站采集的地震信號經有線或無線傳輸到儀器中央記錄站進行處理和存儲。不管采用有線的還是無線的方式，傳輸過程中造成的信號失真和外界干擾等問題都會存在，因此現(xiàn)代測量技術和測量儀器都必須認真對待測量信號的傳輸問題。313、顯示功能：測量結果必須以某種方式顯示出來才有意義，因此，任何測量儀器都必須具備顯示功能。如，模擬儀表通過指針在儀表刻度盤上的位置顯示測量結果，數字式儀表通過數碼管、液晶屏或陰極射線管顯示測量結果。32模擬顯示：直觀顯示器：數字顯示：準確，但最后一位經常跳動不止。33圖像顯示：能顯示復雜的圖形和曲線，但價格昂貴。34（四）電子測量儀器的發(fā)展概況電子測量儀器的發(fā)展，圍繞著如何更好實現(xiàn)自動測試這個核心技術，大體經歷了四個階段：模擬儀器、數字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。35第一代：模擬儀器 以電磁感應定律為基礎的模擬指針式儀表; 以電子管或晶體管為基礎的分立元件儀表;第二代:以集成電路為基礎的數字式儀表;第三代:以微處理器為基礎的智能式儀表;第四代:以計算機為基礎的虛擬儀器，是測試領域里的一場新的革命。361、模擬儀器：完成模擬信號運算的儀器。這類儀器在一些實驗室、企業(yè)仍能看到，如指針式萬用表，晶體管毫伏表，接地電阻測試儀、兆歐表等。地震儀的發(fā)展也經歷了模擬時代，第一代地震儀是模擬光點照相記錄地震儀，簡稱光點儀，第二代是模擬磁帶記錄地震儀，簡稱磁帶儀。372、數字化儀器：完成數字（邏輯）運算的儀器，這類儀器相當普及，如數字電壓表，數字示波器等。383、智能儀器：通常把內含微處理器和通用標準接口總線（GPIB,GeneralPurposeInterfaceBus)的儀器稱為智能儀器，以區(qū)別于傳統(tǒng)的電子測量儀器，這類儀器既能進行自動測試，又具有一定的數據處理能力，可取代部分腦力勞動，習慣上稱為智能儀器。但由于其功能塊全部都是以硬件或固化的軟件的形式存在的，因而無論開發(fā)還是應用，都缺乏靈活性。這類儀器也很多，如DDS信號發(fā)生器，智能頻率計、頻譜儀等。394、虛擬儀器：是檢測技術與計算機技術和通信技術有機結合的產物，是指在通用計算機上添加一層軟件和一些硬件模塊，使用戶操作這臺通用計算機就像操作一臺真實的儀器一樣。這種看似計算機卻是儀器的“儀器”就是虛擬儀器。虛擬儀器技術強調軟件的作用，提出了軟件就是儀器的概念。40由于現(xiàn)代信息科學領域中的微電子技術、計算機技術、信號處理技術的高速發(fā)展，加速了電子測量技術與儀器的變革，同時網絡技術迅猛發(fā)展，正滲透到各個領域，推動著社會朝網絡化方向發(fā)展。虛擬儀器的發(fā)展取決于三個重要因素：計算機是載體，軟件是核心，高質量的A/D采集卡及調理放大器是關鍵。前面我們說到了信息社會三大支柱，其中信息的獲取是基礎和前題，而數據采集技術是信息獲取的主要手段，所以下面學習數據采集的基本概念。41二、數據采集的基本概念（一）數據采集概述隨著計算機技術的發(fā)展與普及，數字設備正越來越多地取代模擬設備，在生產過程控制和科學研究等廣泛的領域中，計算機測控技術正發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，外部世界的大部分信息是以連續(xù)變化的物理量形式出現(xiàn)的，例如溫度、壓力、位移、速度等。要將這些信息送入計算機進行處理，就必須先將這些連續(xù)的物理量離散化，并進行量化編碼，從而變成數字量，這個過程就是數據采集。它是計算機在監(jiān)測、管理和控制一個系統(tǒng)的過程中，取得原始數據的主要手段。42數據采集就是將被測對象(外部世界、現(xiàn)場)的各種參量(可以是物理量，也可以是化學量、生物量等)通過各種傳感元件做適當轉換后，再經信號調制、采樣、量化、編碼、傳輸等步驟，最后送到控制器進行數據處理或存儲記錄的過程。作為物探專業(yè)的基礎課，我們主要以地震儀作為重點學習對象，來研究地震數據采集過程。因為地震儀是勘查儀器中結構最復雜，技術最先進的測量儀器，是地震數據野外采集設備。43

（二）數據采集系統(tǒng)數據采集系統(tǒng)簡稱DAS（DataAcquisitionSystem），是用于數據采集的成套設備。是指將各種模擬量進行取樣、量化轉換成數字量后，以便由計算機進行存儲、處理、顯示或打印的裝置。是計算機與外部世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途經。44數據采集系統(tǒng)的組成結構傳感器模擬信號調理數據采集電路微機系統(tǒng)45多路模擬輸入通道數據采集系統(tǒng)

◆同時測量多種物理量或同一種物理量的多個測量點。多路模擬輸入通道可分為兩大類型：

◆集中式采集

◆分布式采集46

1、多路模擬信號集中式采集1）集中式數據采集系統(tǒng)的典型結構之一傳感器1傳感器2傳感器3調理調理調理模擬多路開關A/D計算機控制邏輯S/H多路共用采集電路分時采集472）集中式數據采集系統(tǒng)的典型結構之二傳感器1傳感器2傳感器3調理調理調理S/HS/H模擬多路開關S/HA/D計算機控制邏輯多路同步取樣共用A/D分時采集483）集中式數據采集系統(tǒng)的典型結構之三多通道同步采樣A/D，分時傳輸數據多通道獨立取樣A/D，有通道緩存49通信接口上位機數據采集站1數據采集站2數據采集站3數據采集站N………………模擬信號或數字信號2、分布式采集50所謂地震勘探就是用人工方法激發(fā)地震波，研究地震波在地層中傳播的規(guī)律，以查明地下的地質情況，為尋找油氣田或其它勘探目的服務的一種物探方法。地震勘探基本上可分為三個階段：野外數據采集、室內資料處理、地震資料解釋。每一個階段都需要使用一定的設備才能完成預期的任務?？辈閮x器就是野外數據采集的設備。野外數據采集階段也就是地震勘探第一階段的最終成果，就是地震勘探儀器產生的野外地震記錄，這些記錄是地震勘探第二、第三階段工作的原始依據和工作基礎，51所以，儀器性能好壞和使用是否恰當，直接影響地震記錄質量，也就必然影響到后期資料處理與解釋工作，最終勢必影響到地震勘探效果，所以，地震勘探儀器是地震勘探裝備中最基礎的設備，也是最關鍵、最重要的設備。數據采集系統(tǒng)是計算機與外部世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數據采集技術是信息科學的重要組成部分，已廣泛應用于國民經濟和國防建設的各個領域，并且隨著科學技術的發(fā)展，尤其是計算機技術的發(fā)展與普及，數據采集技術將有廣闊的發(fā)展前景。52數據采集系統(tǒng)追求的最主要目標有兩個：一是精度，二是速度。對任何量的測試都要有一定的精確度要求，否則將失去測試的意義；提高數據采集的速度不僅僅是提高了工作效率，更主要的是擴大數據采集系統(tǒng)的適用范圍，便于實現(xiàn)動態(tài)測試。53（三）現(xiàn)代數據采集系統(tǒng)的主要特點：1、現(xiàn)代數據采集系統(tǒng)一般都由計算機控制，使得數據采集的質量和效率等大為提高，也節(jié)省了硬件投資。2、軟件在數據采集系統(tǒng)的作用越來越大，這增加了系統(tǒng)設計的靈活性。（強調軟件的作用）543、數據采集與數據處理相互結合得日益緊密，形成數據采集與處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)從數據采集、處理到控制的全部工作。（采集與處理相結合）4、數據采集過程一般都具有“實時”特性，實時的標準是能滿足實際需要；對于通用數據采集系統(tǒng)一般希望有盡可能高的速度，以滿足更多的應用環(huán)境。555、隨著微電子技術的發(fā)展，電路集成度的提高，數據采集系統(tǒng)的體積越來越小，可靠性越來越高，甚至出現(xiàn)了單片數據采集系統(tǒng)。

6、總線在數據采集系統(tǒng)中有著廣泛的應用，總線技術它對數據采集系統(tǒng)結構的發(fā)展起著重要作用。56第二節(jié)

數據采集系統(tǒng)基本組成與主要技術指標57一、數據采集系統(tǒng)基本組成二、數據采集系統(tǒng)的主要性能指標主要內容58一、數據采集系統(tǒng)基本組成數據采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，硬件部分又可分為模擬部分和數字部分。下圖是硬件基本組成示意圖。前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關S/H計算機接口傳感器n………11前置放大傳感器濾波器前置放大濾波器計算機接口傳感器n1nn傳感器1n多路模擬開關前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器………傳感器前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關S/H計算機接口傳感器多路模擬開關前置放大濾波器前置放大傳感器………傳感器59前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關S/H計算機接口傳感器………1n下面簡單介紹一下數據采集系統(tǒng)的各個組成部分。通常把傳感器輸出到A/D轉換器輸出的這一段信號通道稱為模擬通道。60前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關S/H計算機接口傳感器多路模擬開關前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器1n傳感器的作用是把非電的物理量轉變成模擬電量(如電壓、電流或頻率)，例如使用熱電偶、熱電阻可以獲得隨溫度變化的電壓；轉速傳感器常把轉速轉換為電脈沖；檢波器把地震波轉換為電信號等。61地震檢波器就是地球物理勘探中常用的傳感器,它將地面的振動轉換成電信號。62多路模擬開關前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關S/H計算機接口傳感器1n放大器用來放大和緩沖輸入信號。由于傳感器輸出的信號較小，例如地震信號電壓大不過幾毫伏，小不到一微伏；人體生物電信號僅是微伏量級。因此，需要加以放大。以滿足大多數A／D轉換器的滿量程輸入5～10V的要求。此外，某些傳感器內阻比較大，輸出功率較小，這樣放大器還起到了阻抗變換器的作用來緩沖輸入信號。由于各類傳感器輸出信號的情況各不相同，所以放大器的種類也很繁雜。例如為了減少輸入信號的共模分量，就產生了各種差分放大器、儀用放大器和隔離放大器；為了使不同數量級的輸入電壓都具有最佳變換，就有量程可以變換的程控放大器；為了減少放大器輸出的漂移，則有斬波穩(wěn)零和激光修正的精密放大器。63多路模擬開關前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器1n前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關S/H計算機接口傳感器

傳感器和電路中的器件常會產生噪聲，人為的發(fā)射源也可以通過各種耦合渠道使信號通道感染上噪聲。例如工頻信號可以成為一種人為的干擾源。這種噪聲可以用濾波器來衰減。以提高模擬輸入信號的信噪比。64前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關S/H計算機接口傳感器多路模擬開關前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器

在數據采集系統(tǒng)中，往往要對多個物理量進行采集，即所謂多路巡回檢測，這可通過多路模擬開關來實現(xiàn)。多路模擬開關可以分時選通來自多個輸入通道的某一路信號，因此，在多路開關后的單元電路，如采樣／保持電路、A／D及處理器電路等，只需一套即可。這樣節(jié)省成本和體積。但這僅僅在物理量變化比較緩慢、變化周期在數十至數百毫秒之間的情況下較合適。因為這時可以使用普通的數十微秒A／D轉換器從容地分時處理這些信號。1n65多路模擬開關前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關S/H計算機接口傳感器1n但當分時通道較多時，必須注意泄漏及邏輯安排等問題；當信號頻率較高時，使用多路分路開關后，對A／D的轉換速率要求也隨之上升。在數據通過率超過40～50kHz時，一般不再使用分時的多路開關技術。模擬多路開關有時也可以安排在放大器之前，但當輸入的信號電平較低時，需注意選擇多路模擬開關的類型。若選用集成電路的模擬多路開關，由于它比干簧或繼電器組成的多路開關導通電阻大。泄漏電流大，因而有較大的誤差產生。所以要根據具體情況來選擇多路模擬開關的類型。66前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關S/H計算機接口傳感器多路模擬開關前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器1n模擬開關之后是模擬通道的轉換部分，它包括采樣／保持和A／D轉換電路。采樣／保持電路的作用是快速拾取模擬多路開關輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高A／D轉換器的轉換精度，如果把采樣／保持電路放在模擬多路開關之前(每道一個)，還可實現(xiàn)對瞬時信號進行同時采樣。67多路模擬開關前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關S/H計算機接口傳感器1n采樣／保持器輸出的信號送至模數轉換器，模數轉換器是模擬輸入通道的關鍵電路。由于輸入信號變化速度不同，系統(tǒng)對分辨力、精度、轉換速率及成本的要求也不同，所以A／D轉換器的種類也較多。早期的采樣／保持器和模數轉換器需要數據采集系統(tǒng)設計人員自行設計，目前普遍采用單片集成電路，有的單片A／D轉換器內部還包含有采樣／保持電路、基準電源和接口電路，這為系統(tǒng)設計提供了較大方便。68多路模擬開關前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關S/H計算機接口傳感器1n

A/D轉換的結果要送給計算機。有的采用并行碼輸出，有的則采用串行碼輸出。使用串行輸出結果的方式對長距離傳輸和需要光電隔離的場合較為有利。69二、數據采集系統(tǒng)的主要性能指標對數據采集系統(tǒng)的性能要求和具體應用目的與應用環(huán)境有密切關系，對應不同的情況往往有不同的要求。以下給出的是比較主要和常用的幾個指標的含義。70

1、系統(tǒng)分辨率：是指數據采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號最小變化量。通常用最低有效位值(LSB)占系統(tǒng)滿度信號的百分比表示，或用系統(tǒng)可分辨的實際電壓數值來表示，有時也用滿度信號可以分的級數來表示。71表1—1示