本文概述了国内外地震检波器技术的应用现状和发展趋势，比较了 传统地震检波器与 MEMS 数字检波器的主要性能参数并总结了各自的优 缺点。通过对比分析三轴 MEMS 加速度计的性能参数，选择性价比高的 ADXL327 加速度计研制三分量 MEMS 加速度传感器，用以检测地震震 动(振动)。将低成本、低功耗、多功能的 PIC 微控制器作为 MEMS 数字 检波器的控制“心脏”，对 MEMS 加速度传感器的模拟信号进行数字化， 以消除传统检波器模拟信号长线传输的干扰；利用 MCP6S26 可编程增益 放大器控制增益和选择输入信道，减少对微控制器的管脚数量，降低了 微控制器的成本和功耗需求；采用 STA/LTA、外部按键和电平变化中断 多种触发方式检测地震震动，使 MEMS 数字检波器在没有震动时进入休 眠模式，极大的降低了 MEMS 数字检波器的功耗。 以 MEMS 加速度计和 PIC 微控制器为核心器件研制的 MEMS 数字 检波器，集地震震动检测和数据采集于一体，实现了 MEMS 数字检波器 的微型化、轻型化、低功耗、低成本、宽频带、大动态范围，以适应各 种矿山顶板、底板、矿压监测等实际应用的需要，因此，将 MEMS 加速 度计将有力提升地震测量对矿山地质灾害的预测预报能力。 精确拾取地震测量微地震事件的 P 波到时，对于震源定位和震源机 制解释具有重要意义。本文对比研究了三种地震测量事件 P 波到时自动 拾取算法，其中 STA/LTA 算法拾取信噪比高的微地震事件非常有效，令 人印象深刻。比较了 STA/LTA 不同短时窗长度对拾取精度的影响，短时 窗长度越大，拾取敏感性降低，触发阈值应随着短时窗长度增加而减小。 基于小波变换的多尺度分解思想，用小波变换后的小波系数代替原 始信号，应用包含在小波系数中震相的运动学特征和偏振信息，提出了 联合小波变换与偏振分析自动拾取 P 波到时的方法。通过分析信噪比低 的微地震事件，拾取 P 波到时的结果仍然满意。但滑动时窗计算协方差 矩阵及定位函数的过程计算量较大，需较长时间。 STA/LTA 算法不能或无法准确自动拾取弱震相或信噪比低的微地震 信号 P 波到时，而经多尺度小波包去噪后重构微地震信号信噪比得到很 大提高。因此，本文提出了小波包去噪联合经典 STA/LTA 拾取 P 波到时西南科技大学硕士研究生学位报告 第 Ⅱ 页 的方法，实现了全程自动拾取微地震 P 波到时，提高了拾取精度和效率。 关键词，地震测量 ADXL327 PIC STA/LTA 小波变换 偏振分析西南科技大学硕士研究生学位报告 第 Ⅲ 页 Abstract This paper reviewed the application situation and development trend of seismometer technology, compared the traditional seismometers and MEMS digital acquisitions’ main performance parameters, summarized their respective advantages and disadvantages. And then, comparative analysis the performance parameters of the different three-axis MEMS accelerometers,finally,we choice the high performance/price ratio ADXL327 accelerometer to manufacture 3-component MEMS acceleration sensors to detect earthquake shook (vibration).We use the low cost, low power consumption,multi-function PIC microcontroller as MEMS digital detector’s “heart”, it converse the two three components MEMS acceleration sensors analog signal into digital signal to eliminate traditional detectors analog signal long-term transmission interference; we use MCP6S26 programmable gain amplifier control gain and select input channel to reduce the tube of micro controller feet, cost and power consumption demand. To reduce the power consumption, we adopt STA/LTA, external key and level of changes triggered interruption to detect micro seismic shook (vibration).when MEMS digital detectors in no vibration, it enter into hibernation mode, these measures greatly reduce the power consumption of the MEMS digital acquisition. We use the MEMS accelerometer and PIC microcontroller as the core device develop digital detector, set earthquake shook (vibration) detection unit and data acquisition at an organic whole, realized the MEMS digital acquisition militarization, light-duty, low power consumption, low cost, wide band, big dynamic range to adapt to all kinds of mining roof and floor, mine pressure monitoring application needs, it will be strong to ascend micro seismic measuring mine geology hazard prediction ability. Accurately pick up the micro seismic events have important meaning for source orientation and explain focal mechanism in earthquake measuring. We contrast research three kinds of earthquake measuring P-西南科技大学硕士研究生学位报告 第 Ⅳ 页 arrived automatic loot algorithm, STA/LTA wins high micro seismic signal noise ratio effectively and impressive. We compared different short-time window length influence of STA/LTA accuracy, the result show that the greater short-time window length, the greater decrease of the sensitivity. Therefore, the trigger threshold should be set increase with the decrease of the short-time window length. Based on wavelet transform multi scale analysis thought, We use the wavelet transform coefficients instead of the original signals, applications the kinematic features of seismic phase information and polarization including in wavelet coefficients puts forward that united the wavelet transform and the polarization analysis automatic loot P-wave method. The results show that this algorithm pick up the low SNR micro seismic signal still satisfactory. But when sliding window to calculate covariance matrix and positioning function, computation is larger and cost time long. STA/LTA algorithm can't or can't be accurately automatic loot weak or low SNR micro seismic events, the multi-scale wavelet denoising micro seismic signals and reconstruct the micro seismic signals can improve the SNR, therefore, we propose that Wavelet de-noising combined classic STA/LTA pick up P wave. This method has realized full automatic loot micro seismic P-wave arrived and improved the loot efficiency and precision. Key words: earthquake measuring;ADXL327;PIC;STA/LTA;wavelet transform; polarization analysis西南科技大学硕士研究生学位报告 第 Ⅴ 页 目 录 1 绪论 .....................................................1 1.1 微地震监测技术 1 1.2 P 波到时自动拾取和数字检波器研究意义 4 1.3 本文研究思路 5 2 传统地震检波器与 MEMS 数字检波器比较 ......................7 2.1 传统地震检波器原理和特性 7 2.1.1 电磁感应式检波器 7 2.1.2 压电检波器 11 2.1.3 超级检波器 12 2.2 MEMS 检波器发展历史及应用 13 2.2.1 MEMS 的起源 13 2.2.2 MEMS 主要制造工艺技术 13 2.2.3 基于 MEMS 的数字检波器 13 2.3 传统检波器与 MEMS 数字检波器比较 16 2.3.1 地震检波器性能指标综述 16 2.3.2 传统检波器与 MEMS 数字检波器性能参数对比分析 18 2.3.3 传统检波器与 MEMS 数字检波器的优缺点 21 2.4 本章小结 24 3 MEMS 数字检波器电路设计 .................................25 3.1 系统总体设计方案 25 3.1.1 设计原则 25 3.1.2 设计指标 25 3.1.3 技术难点 26 3.1.4 硬件构成 26 3.2 三轴 MEMS 加速度芯片比较与优选 27 3.2.1 MEMS 加速度芯片种类 27 3.2.2 MEMS 芯片的比较与优选 28 3.2.3 MEMS 芯片优选结果 30 3.3 MEMS 加速度传感器电路设计 31 3.3.1 MEMS 电容式微加速度计工作原理 31西南科技大学硕士研究生学位报告 第 Ⅵ 页 3.3.2 ADXL327 电路设计 33 3.4 MCP6S26 电路设计 38 3.4.1 MCP6S26 芯片的功能和性能参数 38 3.4.2 MCP6S26 工作原理 39 3.4.3 MEMS 传感器有源信号放大电路分析 40 3.5 微控制器选型及电路设计 42 3.5.1 微控制器的发展与选择 43 3.5.2 微控制器接口电路设计 44 3.6 23_K256 数据缓存电路设计 45 3.7 串行通信接口电路设计 45 3.8 系统电源设计 46 3.9 本章小结 47 4 MEMS 数字检波器软件设计 .................................48 4.1 系统软件设计策略和编程语言的选择 48 4.2 系统软件主程序 49 4.2.1 系统初始化子程序 50 4.2.2 MCP6S26 通道选择和增益控制子程序 51 4.2.3 PIC 微控制器 A/D 转换、数据写入 23_K256 子程序 52 4.2.4 读写 23_K256 子程序 56 4.2.5 串口通信子程序 57 4.3 中断处理程序 61 4.3.1 中断入口地址设置 61 4.3.2 中断处理初始化子程序 62 4.3.3 外部中断 INT0 处理子程序 62 4.3.4 模拟电压电平变化中断子程序 63 4.3.5 中断管理子程序 65 4.4 长短时窗比振动自动触发判断程序 65 4.4.1 长短时窗平均比算法 65 4.4.2 长短时窗平均比程序 66 4.5 读写 EEPROM 采样率、增益、触发阈值程序 66 4.6 精确控制延时时间函数 67 4.7 软件复位功能 68西南科技大学硕士研究生学位报告 第 Ⅶ 页 4.8 功耗管理 69 4.8.1 全速运行模式与空闲模式切换 69 4.8.2 电池电压监测 69 4.9 本章小结 71 5 串行通信和数据采集处理系统 ..............................73 5.1 上位机数据通信和处理系统设计 73 5.2 Matlab 平台下 PC 机与 MEMS 数字检波器串行通信 74 5.3 STA/LTA 拾取 P 波到时对比研究 76 5.3.1 STA/LTA 方法介绍 77 5.3.2 不同短时窗 STA/LTA 拾取 P 波到时对比研究 77 5.4 联合小波变换与偏振分析自动拾取