鷹眼地震前兆電磁波監測機配置和技術參數
機器功能概述
鷹眼地震前兆電磁波監測機是一款集單片微機應用技術、數據采集技術、計算機通訊技術於一體的高科技地震前兆數據測量機器。機器能自動連續地采集記錄0.1～20HZ范圍的電磁波信號，采用數字記錄的方式，記錄電磁波信號不同幅值的穿越次數。記錄後的數據，以小時為單位進行分組存貯，數據在機器內保存可長達一年，不會因停電或搬遷而掉失數據。存貯在機器中的數據，可以隨時通過操作麵板讀出，以便查閱、抄錄；也可以與計算機直接連接，把數據傳送到計算機中，進行繪圖、打印、保存以及分析。通過接入有線或無線的數據傳輸設備，還可以與監測中心的計算機遠程連接，實現多機聯網接收數據。機器采用單片微機組成系統，實現友好的人機交互和自動的數據采集，無須人工乾預。機器采用先進的表麵貼焊接工藝把高精度工業級SMD元件裝配而成，具有低功耗、高穩定性、高可靠性、抗乾擾能力強、掉電保護等優點。與鷹眼地震前兆電磁波監測機配套使用的計算機管理軟件具有自動遠程收發數據、顯示數據、顯示數據圖形、打印數據報表、打印數據圖形、異常報警分析等功能。
機器配置
鷹眼地震前兆電磁波監測機分為數字化數據記錄主機和電磁波信號接收探頭兩部份。監測機器配置示意圖如圖3.1所示。機器有兩路輸入接口，可以接一個或兩個電磁波探頭。若接兩個，按東西、南北方向水平放置，可以接收不同方向的電磁波信號，便於分析。探頭擺放在房間內或地麵即可，不需要打井、埋地或架天線。機器有兩路輸出接口，一個與計算機連接，一個與調制解調器或無線數傳設備相連，兩個輸出可根據需要選擇使用。
圖3.1、電磁波監測機配置
機器接通電源後便可以開始工作，自動記錄數據，通過機器麵板上的按鍵，可以顯示記錄在機器內的數據，這時可以把數據抄寫下來。若與近距離的計算機連接，便可以把數據傳送到計算機中，配合電磁波管理計算機軟件，可以進行數據查閱、顯示圖形、打印報表、打印圖形等操作，以及進行進一步分析處理工作。若再配有電話線、調制解調器、GPRS傳輸模塊，便可以實現遠程聯網，把數據傳送到監測中心的計算機中，實現數據的快速交互和共享，實現真正的無人值守。
圖3.2、電磁波監測機架構拓撲圖
機器工作原理
該機器是一臺電磁波信號數字化記錄機，每一個小時統計及保存采集結果。工作時，機器以10毫秒的時間間隔，自動地、不停地接收和記錄電磁波信號。當沒有信號或信號很微弱時記錄單元的數不改變。當有信號時，信號經過放大器放大，並由八階數字濾波器濾除高於20HZ頻率的無用信號後進行模/數（A/D）轉換，確定出信號的幅度大小。然後根據幅度值的大小及當前的日期時間和探頭號，在非易失性存貯器對應於該幅度值的單元中記錄其交變次數。如此循環工作，從而達到瞭按不同的信號幅度保存每小時信號穿越該幅度值次數的目的。
監測機將信號幅度分成四級，比如在滿幅度量程為5V下，分成大於0V、大於1.5V、大於3V、大於4.5V四種幅度值。對於電磁波信號，我們隻記錄兩個信息量，一個是四種幅度值，一個是在單位時間內（一小時）信號穿越該幅度值的次數。經過這樣的數字量化後的數據，以每小時為單位保存，不但數據量少，而且便於分析，既降低成本，又提高可靠性。
判斷的時候，我們可以根據記錄到的數據，推算被接收電磁波信號的強弱變化情況：如果在幾個幅度級別中都記錄到數據，就表示電磁波信號能量強、幅度大；如果某個時間記錄的計數值很大，就表示電磁波信號頻率較高、較密。
本機器給用戶還提供瞭一種采集手段，能向監測中心的計算機傳輸完整的電磁波信號波形。盡管機器不能保存電磁波的完整數據信息，但是它可以通過串行通訊口發送采樣值，由於采樣頻率為100HZ，A/D轉換位數為八位，所以每秒鐘發送100個字節的數據，通分析軟件分析。
電磁波探頭
為瞭能記錄到電磁波信號，需要配置電磁波探頭。探頭具有高靈敏度，在0.1～20HZ測量范圍能產生強電感量，感應出電磁波的變化，並具有抗乾擾、易搬動、體積小、防水、堅固耐用等特點。本機器選用國傢地震局研制的電磁波探頭，探頭磁芯采用導磁性能強的鈹膜合金制成，外麵繞兩組線圈，一組是工作線圈，另一組是標定線圈。探頭外殼長約60公分，直徑約8公分，由鋁型材料或工程塑料加工而成。該探頭抗乾擾能力強，放在辦公室內即可，無需打井，使用方便。探頭用於實際監測記錄時，已記錄過多次有別於正常情況下的脈沖信號和地震前兆異常信息。
探頭參數：內阻： R=59KΩ
電感量：L=38 ~ 58H
靈敏度為：10mv/nt
機器技術特點
1、單片微型計算機控制──該機器采用美國原裝進口的單片微電腦芯片作為全機控制大腦，在監控程序控制下，機器能自動地、連續地工作，有效地采集數據、存貯數據、顯示數據、設置參數、設置時間以及數據通信。
2、采樣周期和間隔──為保證能接收到每一個電磁波周期信號，根據采樣定理，采樣時間為0.01秒時，就能非常準確的捕捉到信號的完整信息。
3、數據的可靠保存——為可靠保存長達一年的數據序列，並且不會因停電、乾擾或搬遷等因素而掉失數據，機器為每個數據分配瞭固定的單元，並采用瞭大容量非易失性的閃爍記憶體存儲數據，並專門設計瞭讀寫控制電路，嚴格控制其無序的寫入，從而提高其可靠性。另外，為瞭準確、有效、長期地保存數據，把機器中存貯器所存放某月某日某小時某一探頭的單元設成是固定的，即共有12×31×24×2=17856個固定單元。一般情況下，機器會按時間順序每小時更新它所對應的單元數據，如此循環更新數據。所以，數據在機器內可以保存一年。當沒有電或停測時，某單元的數據沒有被更新，仍維持上一個月的數據。
4、存儲器容量──由於20HZ電磁波信號，每周期信號可以有兩次交變，因此一小時內的最大計數值為多可出現144000次（3600×20×2=144000），為保證能記錄到所有數據，又節省存儲單元，采用二進制數據格式，機器把每小時四個幅度級別的記錄單元各采用3個字節來存放累計結果。這樣，每個小時的數據要用27個字節存放（其中三個字節存放月日時信息，12個字節存放探頭1的四個級別的數據，12個字節存放探頭2的四個級別的數據），一天的數據為648個字節27×24=648），一個月的數據為20088個字節（27×24×31=20088），一年的數據為241056個字節（27×24×31×12=241056）。機器選用瞭2M字節的存貯器，以備日後擴展使用。
5、電磁波信號的放大──為解決微弱電壓信號的不失真放大難題，特選取瞭專用的機表測量放大芯片構成瞭高精度、高穩定度、低功耗、低漂移的雙端輸入程控放大電路。放大器前級放大器的放大倍數為一能與探頭匹配的固定值，後級程控放大1到9倍，後級可以通過機器麵板上的參數設定菜單進行手工設置，使多臺機器的記錄結果有一個定量化的比較。
6、0.1～20HZ低通濾波──為瞭濾除0.1～20HZ以外的乾擾成分，采用美國MAXIM公司的八階低通數字濾波芯片，設計成一個拐點頻率靈活設定的高精確度高階低通濾波器。濾波器拐點頻率可以通過機器麵板上的參數設定菜單進行手工設置，可以選擇測量范圍0.1~10HZ或者0.1~20HZ的濾波頻率，以適應個別監測點的需要和研究需要。
7、磁波信號幅度和頻率的采樣──反映地震前兆電磁波信號特征的兩大測量指標是其幅度和頻率。如果對每個信號都保存其頻率值和幅度值，雖然精確，但會占用大量的CPU時間和大量存儲器空間。為有效地壓縮數據量，我們不管每個波形的實時頻率，隻關心波形在每個幅度值上出現的次數，以小時為單位進行分組累計，即把記錄每個實時頻率轉化為統計每小時在每個幅度值上出現的頻度（次數）。這樣做，既減少數據量又基本不丟失電磁波信號兩個特征量的變化情況。分析的時候，如果接收的電磁波信號強，則它在多個量級中都被記錄到；如果交變次數多，則它被記錄的頻度（次數）就高。因此，通過記錄和分析每個幅度級別的頻度，也可以知道電磁波信號的強弱變化情況。
8、數據存貯的時間性──由於電磁波信號的變化均對應於某一時間，數據的存貯必須對應其準確時間，機器采用瞭實時時鐘芯片，具有百年日歷，掉電後照常行走，保證時間日期的準確性。
9、整機的高抗乾擾性──為能提高機器的抗乾擾性能，機器采用美國XICOR公司的μp監控芯片設計瞭一個集上電復位、電源監控、WATCHDOG（看門狗）電路於一體的單片機監控電路，能在程序失控下能自動喚醒CPU並重新進入正常的測量工作。
10、數據采集的並行性──由於對電磁波的采集是連續的，故必須保證在查閱數據、通信或鍵盤操作期間，機器仍能連續采集數據。
11、整機低功耗設計──為便於借助後備電源或不間斷電源實現不間斷監測，機器必須設計成低功耗工作方式，因此整個機器元器件均由CMOS或HCMOS低功耗集成電路構成，顯示部件采用LCD液晶屏，整機功耗小於3W。
12、能適應電壓變動──能適應電網電壓的大范圍變動，采用紋波少的穩壓電源，能適應電網的大范圍變動，允許電網波動范圍為180～280V。
13、機器放大倍數調節──為瞭適應不同地區電磁波信號的強弱情況，機器具有用戶調節放大倍數的功能。放大倍數是數字化的，有9檔。
14、連接計算機──為瞭使用計算機對電磁波機器記錄的數據進行進一步的保存和分析，能通過機器的通訊口與計算機串行口進行近距離數據通信，計算機可實時接收機器儲存的數據，與計算機實現數據轉存，應用計算機軟件對數據進行分析處理。同時，還可以實現電磁波數據或波形的實時顯示和儲存。
15、機器聯網──為瞭實現無人值守，以及快速獲得機器記錄的數據，各臺機器應能與監測中心聯網，通過電話線路或移動通訊線路，技術人員就可以在監測中心自動接收各個機器的數據。機器能自動完成摘機、數據傳輸和掛機等功能。如果選擇GPRS通訊方式，則可以自動獲取一個IP地址，此時機器可以實時的往監控中心的固定IP發送電磁波數據，實現真正的IP到點。機器也具備以太網的擴展接口和連接調制解調器的連接線，可以輕松的與其他設備組成局域網。
16、電磁波信號接收顯示──當接收到各幅度值電磁波信號時，在機器LCD麵板上會顯示兩個探頭四個幅度下的交變次數。從而知道當前電磁波信號的接收情況和大小強弱情況。
17、機器的可靠性、穩定性──由於選用瞭工業級的電子元件、SMD的焊接工藝、元件的合理排放、科學的佈線，機器抗乾擾能力強，溫度系數高，能在惡劣的環境下可靠運行。我們自行研發的主機板和顯示鍵盤板如圖6.1、6.2所示。
圖6.1、監測機主機電子線路板
圖6.2、監測機顯示電子線路板
18、顯示與查閱數據──為使用戶能直接獲得存放在機器內的觀測數據，用戶通過鍵盤可方便地顯示、查閱和抄錄數據。
19、提供方便靈活的操作方式──為適應不同的監測環境，機器麵板上有6個按鍵的鍵盤。用戶通過鍵盤，以人機交互方式查閱抄錄數據，修改日期時間值，設置系統參數。
20、機器具有美觀大方的外殼──機器外殼為純鋁合金19英寸標準機櫃機箱，密封，防潮，防塵，結實牢固。128X64的點陣液晶屏顯示，輕巧耐用的薄膜按鈕。機器背板上有電源接口、電源開關、兩路探頭接口，兩路RS232標準串行口。
21、機器內單片微機程序的編制──記錄機器的控制程序由主程序、數據采集程序、存貯程序、定時中斷服務程序、鍵盤中斷服務程序、顯示中斷服務程序、通訊中斷服務程序等組成，自動完成數據采集、數據存貯及數據顯示。還可通過鍵盤完成時間參數的設置、放大倍數設定和數據的抄錄，操作十分方便、靈活。
22、計算機配套處理軟件的編制──能在計算機上對電磁波數據進行處理。用戶可通過友好的人機界麵，能實現接收機器的電磁波數據、顯示查閱數據、修改數據、數據格式轉換、數據的圖形顯示、圖形打印、日報表輸出、月報表輸出、聯網自動通訊等功能。
配套的計算機處理軟件
機器的技術指標
幅度分辨率：具有四級幅度變化（在5V轉換量程下，△V=1.5V）
采集信號頻帶：0.1～20HZ，0.1~10HZ可選
測量通道數：2個
采樣頻率：100HZ
數據存貯容量：2M字節
通道數據保存長度：可以保存9-12個月的兩通道數據
整機功耗：< 5W
數據單位：電磁波信號交變次數／小時
數據顯示方式：128X64 LCD中文液晶顯示
數據通訊方式：異步串行通信，波特率4800bps、9600bps、19200bps、38400bps
數據存貯方式：在計算機中以月為單位存儲
放大倍數：9檔數字可調
外型結構尺寸圖
標準3U機櫃機箱（寬：482.6mm高：113mm深：360mm）
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