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专利号: 201210353274X
申请人: 中北大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种复合式智能震动传感器,其特征是:该震动传感器为球形结构,球形结构包括由底壳(1)与顶壳(2)构成的球形外壳、灌封材料(4)、外部接口(5)、电源及信号调理电路板(9)、传感器与姿态测试电路板(10)、控制电路板(11)与铜柱(12);其中:所述的底壳与顶壳的外部为半球体并连接成一体,在所述的底壳与顶壳外部装有压电陶瓷(6);压电陶瓷的两面镀有金属电极(8),两个压电陶瓷的金属电极的两极并联,并引入壳内的电源及信号调理电路板上;所述的顶壳上端装有外部接口;

所述的电源及信号调理电路板、传感器与姿态测试电路板、控制电路板11通过电路板安装孔(16)与铜柱从上至下固定在球形外壳内部;

在所述的顶壳和底壳组成的球形外壳上设有X轴标定孔(14)、Y轴标定孔(15)及Z轴标定孔(13);所述的X轴标定安装孔、Y轴标定安装孔分别位于用于震动测试的高、低量程加速度传感器X、Y轴延长线与顶壳、底壳交界面的相交处;Z轴标定安装孔位于用于震动测试的高、低量程加速度传感器Z轴与底壳的相交处。

2.根据权利要求1所述的一种复合式智能震动传感器,其特征是:所述的传感器与姿态测试电路板(10)有上、下面板,在上面板装用于姿态测试的三轴磁阻传感器(17)、用于姿态测试的三轴加速度传感器(18)、用于震动测试的低量程三轴加速度传感器(19);在下面板上装用于震动测试的高量程三轴加速度传感器(20);其中:(1)所述的用于震动测试的低量程三轴加速度传感器与用于震动测试的高量程三轴加速度传感器分别安装在上、下两面板的中心位置;

(2)所述的用于姿态测试的三轴磁阻传感器、用于姿态测试的三轴加速度传感器位于低量程加速度传感器的X轴延长线上;

(3)所述的用于姿态测试的三轴磁阻传感器的X轴、用于姿态测试的三轴加速度传感器的X轴与用于震动测试的低量程加速度传感器的X轴、用于震动测试的高量程加速度传感器的X轴位于同一轴线上;

以上所述的所有的传感器的Y轴、Z轴相互平行。

3.根据权利要求2所述的一种复合式智能震动传感器,其特征是:该震动传感器还包括智能控制系统,智能控制系统包含外部接口(5)、压电陶瓷(6)、用于姿态测试的三轴磁阻传感器(17)、用于姿态测试的三轴加速度传感器(18)、用于震动测试的低量程三轴加速度传感器(19)、用于震动测试的高量程三轴加速度传感器(20)、微控制器(21)、串口通信单元(22)、适配放大器(23)、抗混叠滤波器(24)、电压跟随器(25)、电荷放大器(26)、电源模块(27);

所述的三轴磁阻传感器、三轴加速度传感器通过串行总线与微控制器连接,并通过串口通信单元与外部接口连接,所述的低量程三轴加速度传感器、高量程三轴加速度传感器通过适配放大器、抗混叠滤波器、电压跟随器后与外部接口连接;

所述的压电陶瓷通过电荷放大器、适配放大器、抗混叠滤波器、电压跟随器后与外部接口连接。

4.根据权利要求1所述的一种复合式智能震动传感器,其特征是:所述的底壳(1)和顶壳(2)为与土壤密度相匹配的低密度复合材料;所述的灌封材料(4)同样为与土壤密度相匹配的低密度复合材料;所述的外部接口(5)为复用接口。

5.根据权利要求3所述的一种复合式智能震动传感器的震源测试定位方法,其特征是:在地下震源定位过程中,围绕震源至少布置四个检测点,即检测点又称为震动探测节点,由地上控制部分和地下震动传感器组成;将震动传感器埋设在地下,每个检测点的震动传感器轴向上都有磁阻传感器和加速度传感器,分别用于检测震动传感器的敏感轴偏离磁北方向和重力方向的夹角,用检测点的地上控制部分通过外部接口对地下震动传感器的夹角信息、震动加速度信息和压电陶瓷获取的压力信息进行采集;利用所述的夹角信息、震动加速度信息和压电陶瓷获取的压力信息实现震源定位的方法包括以下三部分:(1)基于TDOA的震源定位

以一个检测点作为参考点,将其余检测点的压电陶瓷获取的压力-时间信号与参考检测点获取的压力-时间信号进行基于相关分析或自适应滤波的时差测量LMS,得到时间差信息,通过目标定位算法确定震源位置;

(2)基于DOA的震源定位

1)利用高、低量程加速度传感器探测到的加速度信息,通过能量比法获取各检测点探测到的震动信号初至波的加速度峰值;

2)传感器自身坐标系与震动场坐标系的转换;坐标系进行转换是将磁北方向和重力加速度方向组成的笛卡尔坐标系作为震动场的统一坐标系,通过复合式旋转矩阵算法,利用所述的夹角信息,将各节点在自身坐标系下探测到的爆破震动信号初至波的加速度峰值转换成震动场统一坐标系下的加速度峰值;

3)基于DOA定位算法,在震动场统一坐标系下,将上述各节点探测到的爆破震动信号初至波的加速度峰值转换为各节点相对于震源的方位角和俯仰角,并利用现有的DOA多点测向交叉定位算法确定震源位置;

(3)TDOA与DOA定位结果数据融合

将TDOA震源位置结果和DOA震源位置结果进行数据融合;采用现有的融合算法实现最终震源定位;其中:TDOA为基于时间差定位法,主要是通过各传感器节点接收信号的时间延迟实现对目标源定位;

DOA为基于波到达方向定位法,主要是通过传感器节点接受信号时到达方向角的不同来实现对目标源的定位。