地震检波器及其发展趋势

地震检波器及其发展趋势一、概念地震检波器（Seismometer）是用于地质勘探和工程测量的专用传感器，是一种将地面振动转变为电信号的传感器，或者说是将机械能转化为电能的能量转换装置，核心作用是采集地震数据。二、分类常规地震检波器有磁电、涡流、压电、压阻式;新型的有：MEMS（微电子机械系统）式得数字检波器、FBG检波器。后者与常规的相比具有高频响应好、动态范围宽、抗电磁干扰，灵敏度高的特点，因此是未来检波器发展的主流。三、特性参数阻尼；失真度；灵敏度；自然频率；线圈电阻；带宽。考虑到地震信号具有：动态范围大，频率范围宽，速度变化快，背景噪音多等特点。因此就要求地震检波器具有：分辨视角广，频率响应好，线性度高，抗干扰能力强等属性。四、常规检波器1.磁电检波器：目前陆上地震勘探普遍使用电动式检波器。（1）原理：电磁感应原理利用上、下两个线圈绕制在铝制线圈架上，组成一个惯性体，由弹簧片悬挂在永久磁铁产生的磁场中，永久磁铁与检波器外壳固定在一起。当检波器外壳随地面震动时，引起线圈相对于永久磁铁运动，两线圈产生感应电动势，随着检波器外壳振动的大小变化，感应电动势也随之变化，速度越大，感应电势也大，检波器震动时，在检波器的输出端输出相应的电信号，传输给地震仪器。（2）两个线圈的接法应满足：在绕制线圈时，一个线圈正绕另一线圈反绕，并把上线圈的终端与下线圈的起端联在一起（反向连接），把上下线圈的另外两个端头做为输出端。当线圈相对磁钢运动时，由于两线圈的磁场方向相反，所以连接的两线圈的感应电势是同向相加的。对于外界磁场干扰，反向连接的两线圈的感应电势是反向抵消的，这样就提高了抗干扰能力。（3）优缺点：永磁体由于受温度、地磁影响大、易氧化且磁场不稳定，地震检波器的灵敏度低、稳定性及重复性差。现场工作量大，自然频率选择较多、需要大量的检波器组合，排列复杂，强度大。实际的探测工作中,地质勘探人员需要携带大量的测量器材,特别是布设探测器阵列时,沉重的电缆和众多的探测器令人不堪负荷。而探测地点又常在深山大林之中,工作量大,同时,检波器电缆易受外界电磁场的干扰,影响数据的可靠性。2.涡流检波器（1）原理：涡流检波器内部结构与普通电动式检波器不同，是一种加速度检波器，当地震反射波到达地面时，检波器外壳被机械振动所驱动，活动铜环相对永久磁铁便产生相对运动，在活动铜环内产生涡流，涡流又产生次生的涡旋磁场，它使固定的线圈产生感生电动势和电流。（2）优缺点：活动的惯性体与输出端没有电连接，可以大大提高检波器的可靠性，并且感应电动势随频率的增加按6dB/oct斜率上升，这种特性可以部分补偿地震信号因大地吸收衰减而造成的高频损失，有利于高频信号。涡流检波器虽然能提升高频信号，但它的灵敏度与常规检波器的灵敏度相比较太低，且成本较高，在实际工作中不常使用。3.压电式检波器（1）原理：压电式检波器在海洋地震勘探中广泛使用，这种检波器是根据某些物质的压电效应制成的。当沿着一定方向对某些电介质施力使其变形时,介质内部就产生极化现象。压电检波器正是利用这种压电效应,将地震波引起的水压变效应转变为电信号的一种机电转换装置。（2）实例：HYD-1型压电检波器是一种压电传感器，它具有体积小、密封性能好、灵敏度高等特点。水下工作深度1米—35米，可以和美国2512型压电检波器互换使用。可用于海洋、水库、河流等水域地震勘探。4.压阻式地震检波器原理及优缺点：压阻式的地震检波器是利用特定半导体的导电性质来工作的，该类型的地震检波器灵敏度高，可以测量微小的地震波变化。其测量灵敏度受到测量原件的收缩性能的影响较大，压阻式地震检波器体积小，携带操作方便，但是该类型的地震检波器性能受到温度的影响较大。五、新型检波器背景：目前，地震勘探中大量使用的地震检波器仍然是模拟检波器，随着数字检波器的广泛使用，人们发现数字检波器能最大程度地弥补模拟检波器的缺陷，大大地提高地震采集资料的品质。在国外的勘探市场上，国外数字检波器的实验阶段已经结束，正在逐渐大规模的推广应用，数字检波器将在未来世界石油勘探中起重要作用。目前，国内数字检波器的应用还限制在很小的范围之内。1.MEMS（微电子机械系统）式得数字检波器（1）ＭＥＭＳ工作原理ＭＥＭＳ本质上是由两对固定电极和一块可移动的质量块电极构成的。实际上，可移动的质量块电极和固定电极之间形成了一个电容器。当可移动的质量块电极传输重力加速度时，质量块电极就会沿轴的方向上下运动。这种运动使得两个电极之间的间隙发生了变化，从而产生了不同的电容量。这个电容量变化的信息反馈到ＡＳＩＣ电路中，从而使ＡＳＩＣ电路产生一个配平力来阻止质量块电极运动，使质量块电极返回到零位置。因惯性的作用，质量块电极会产生振动，配平力在ＡＳＩＣ电路中被转换成一个电压来阻止质量块电极的运动。同时这个电压在ＡＳＩＣ电路中被编码成Δ－∑格式，并产生Δ－∑２４位的数字输出。（2）三分量数字地震检波器三分量数字传感器是用三个MEMS加速度传感器正交直角安装成的三分量数字传感器。MEMS加速度传感器主要有两部分：微电子技术加工的电容性机械振动系统和信号转换闭环反馈控制JBKL（专用大规模集成电路芯片）。MEMS机械震动系统由质量体、弹簧、端盖、框架构成，质量体的两面镀有金属导电物，在端盖与质量体相对的面上即顶盖和底盖上也镀有金属，这样就形成了一个差动电容器，加上相应的电路就可以成为电容式加速度传感器。该系统由四片独立的光刻单晶硅晶片组合而成，为了排除气体阻尼和气体布朗运动引起的热噪声，采用了高真空封装。（3）三分量数字检波器的主要性能指标：数字检波器内部经过MEMS传感器和ADC电路，直接输出24位数字信号；动态范围可达到120dB，比传统检波器的动态范围至少高出50dB-60dB；谐波畸变指标小于0.003%，比传统检波器的谐波畸变至少低一个数量级；数字检波器输出的幅频特性十分平坦，在1Hz-800Hz范围内，始终保持平直，而输出相位为零相位；超低噪音特性、极高的向量保真度、不受外界电磁信号干扰的影响，如天电、工业高压线或地下电缆等干扰。2.FBG光纤光栅地震检波器（1）Bragg光纤：光纤Bragg光栅是利用掺杂光纤的光敏性，在一根单模掺杂光纤上，通过工艺方法使外界入射的光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。纤芯的折射率沿光纤的轴向呈现周期性或非周期性分布，且每个光栅面与光纤轴向垂直。（2）原理：地震检波器实质为振动传感器，由光纤光栅构成的地震检波器，其工作原理是利用光纤光栅对应力应变的敏感作用，把对应变物理量的测量转化为对光学物理量的测量。完整的地震检波系统，其组成如图1所示，宽带光源的光经耦合器输入到检波器后，对于光纤布拉格光栅中满足布拉格条件的光将发射来其余的光则沿原光路继续传输，由于反射光包含振动信息，因此,对反射光解调。而长周期光纤光栅因其透射性质，则需对透射光进行解调。解调系统利用光电检测电路，把带有外界信息的光信号转化成电信号输出，再经过放大器后送进计算机分析。（3）力学模型和灵敏度分析：六、国内检波器发展1．70年代以前：模拟纪录，道数少，频带窄（14-60Hz）、低灵敏度（3-5v/m/s）、动态范围小（30dB）、型号单一2．80年代中期：地震仪器实现了数字化，计算机数据处理技术也相继发展，更重要的是三维地震勘探、高分辨率地震勘探的出现，地震勘探领域扩大到山地、戈壁、沙漠、滩海及海上，地震检波器在性能及型号上发生了较大的变化。一大批高性能技术指标的检波器相继出现，检波器的灵敏度、自然频率、失真系数、假频等技术指标都得到较大改进，更加适用于地震勘探的需求。3．9O年代：国内部分检波器生产厂家，引进了国外的检波器生产线，经过消化吸收，其检波器技术水平达到了国际发达国家水平。随着高精度地震勘探的推广，检波器向三高（高保真、高灵敏度、高分辨）方向发展，检波器的型号和品种也越来越多，例如：不同型号超级检波器、涡流检波器、高性能压电检波器等。4.21世纪始：随着传感器技术、电子技术、计算机技术、数据传输技术等技术的发展。现在高分辨地震数据采集，要求采集的地震数据达到高精确度、高信噪比、高矢量保真度，因此这个阶段相继出现了精度更高的检波器。新型检波器发展的特点主要表现在：（1）采用新的检测原理。光纤传感技术、微电子机械传感技术、高性能压电材料、电容传感器等一批高新技术进入地震勘探检波器领域；（2）检波器内全面实现数字化，减少了信号的模拟传输部分；（3）检波器的动态范围、灵敏度、失真等部分技术指标大幅度提高，抗电磁干扰能力大幅度增强。七、结束语目前,地震勘探还会在相当长一段时间内依赖于模拟检波器,模拟检波器技术还需在降低失真、减小技术指标允差、提高假频和提高可靠性等方面不断取得新的发展。数字检波器的研制成功,将给地震勘探新技术、新方法的发展带来新的活力,引起地震检波器技术新的突破。国内检波器厂家和相关科研单位应加快研制速度,使我国的地震检波器技术跟上国际检波器发展的步伐,为我国的地震勘探做出贡献。资料来源：百度百科——地震检波器；中国百科网——地震检波器介绍；地震检波器的发展方向——刘光林，刘泰生，李刚，高中录，姚光凯；浅析地震检波器的工作原理——赵素芳；地震检波器新技术发展方向——付清峰；地震检波器——百度文库；用于地震勘探的三分量检波器——付清峰刘绘清石油仪器仪表——石油工业出版社等。