井下地震计测试评估方案

井下地震计测试评估方案一、适用范围本方案规定了地震监测专业设备——井下地震计的测试项目和技术方法，测试内容包括井下地震计的功能及外观要求、主要性能指标、密闭性测试、倾斜稳定性测试等。本方案适用于以井壁方式固定的井下地震计的测试，可作为井下地震计测试评估工作的技术依据。二、编制依据本大纲所规定的测试方法参阅了《测震台网专业设备入网检测规程》第5章和《地震观测仪器进网技术要求——地震仪（送审稿）》第7章的相关部分内容。本大纲所规定的测试项目参阅了《井下地震计设备技术指标要求》的相关部分内容。本大纲所规定的主要测试设备技术指标参阅了《地震专用设备质量检测平台-通用电子检测实验室》的相关部分内容。三、测试项目1、功能及外观要求序号项目技术要求指标类型1观测分量EW、NS、UDB2输出量及方式电压量，双端平衡输出。B3满量程＞0.0095m/s（≤20Hz）＞0.005m/s（20Hz～40Hz）B4灵敏度2000V•s/m（双端平衡输出）B5传递函数提供设备零、极点值标称值，每台设备提供实际测定灵敏度及幅频特性。B6校准装置地震计内部应具有能够对摆锤施加测试力的动圈校准装置，提供校准常数，采用电流标定方式的设备需提供校准线圈内阻。A7供电电压标称DC12V（摆体供电，不含紧固装置）B8锁摆与开锁在保证设备运输与搬运安全的前提下，配备必要的摆锤开锁和锁止机构，（如无必要可不配置）相关操控机构可外置或内置，为内置时须具有线控或指令控制等遥控功能。C9摆锤零位输出及调整输出摆锤零位信号用于监控。具有指令遥控功能，以启动摆锤零位调整操作。（短周期地震计对此项不做要求）A10标定使能具有指令遥控功能，以接通和断开校准线圈。C11物理尺寸适应观测井钢管内径120mm～160mm。A12配套附件提供与井底或井壁固定装置，设备支持再次提升至地面回收。A13配套电缆支持大于300米长度；防酸、防碱、防油和防腐蚀。B2、主要性能指标序号项目技术要求指标类型1总谐波失真度≤0.2%B2幅频特性高端截止频率≥40Hz低端截止频率：标称值±标称值*3%低频端阻尼0.707±0.022幅频误差：-0.5dB～0.5dB（10Hz～30Hz），-3dB～1dB（30Hz～40Hz）A3灵敏度误≤3%B差4输出电阻≤100ΩC5最大负载电容0.01μFC6最大输出电流≥5mAC7供电电压范围适应范围9V～18V（摆体供电，不含紧固装置）B8功耗运行功耗＜3W（摆体功耗，不含紧固装置）峰值功耗＜10W（摆体功耗，不含紧固装置）C3、密闭性测试序号项目技术要求指标类型1井下环境适应具备防水密封仓，密封舱可保证水井（油）井内承受10兆帕下能长期工作。B4、倾斜稳定性测试序号项目技术要求指标类型1倾斜稳定性外腔体偏离垂线±5°（特别是水平向敏感轴的偏离）后，工作周期、工作阻尼和输出灵敏度的变化均应小于5%在上列偏差范围内。B（指标类型定义参见《地震监测专业设备技术要求指标分类说明》）四、主要测试设备1、低失真信号发生器：要求可产生正弦波、方波等波形。正弦波输出幅度5.0μVpp～20.0Vpp，频率范围0.001Hz～200kHz，失真度-100dB（≤20kHz）。2、可调直流电源：供电电压0v～36v可调，最大总电流输出20A。3、数字示波器：要求带宽≥500MHz，最大采样率≥2G，模拟输入通道数≥2，数字输入通道≥8。4、数字多用表：要求电压测量范围0V～±20V，读数精度±（3ppm读数+0.2ppm量程）。5、通用地震数据采集器：A/D转换位数应≥24bit，±20V量程时零输入噪声3.3μV，输入通道≥6。6、倾斜台：台面直径≥150mm，可倾斜角度0°～10°，载重≥100kg。7、密闭性实验舱：舱体直径≥150mm，舱体深度≥1500mm，压力范围0MPa～30MPa可调。五、测试方法1、功能及外观要求（1）观测分量通过文档与实物相结合进行实验认定。可结合人工振动触发，判断其是否具备EW、NS、UD三个观测分量。（2）输出量及方式通过文档与实物相结合进行实验认定。通过查看接线方式，使用地震数据采集器跟踪人工振动触发后的地震计输出响应，判断其是否为双端平衡电压量输出。（3）满量程通过文档与实物相结合进行实验认定。通过设备说明书获取仪器最大测量范围，判断其满量程是否符合技术要求。（4）灵敏度通过文档与实物相结合进行实验认定。通过设备说明书获取仪器标称灵敏度，可结合主要技术指标中的灵敏度项目的测试结果，判断其灵敏度是否符合技术要求。（5）传递函数通过文档与实物相结合进行实验认定。查看被测设备是否提供零、极点值标称值，并提供实际测定灵敏度及幅频特性，可通过主要性能指标中幅频特性项目的测试予以验证。（6）校准装置通过文档与实物相结合进行实验认定。通过设备说明书判断该井下地震计内部是否具有能够对摆锤施加测试力的动圈校准装置，并获得相应的校准常数，采用电流标定方式的设备需提供校准线圈内阻。可通过主要性能指标中幅频特性项目的测试予以验证。（7）供电电压通过文档与实物相结合进行实验认定。通过设备说明书获取仪器标称供电电压值，测试过程中使用该电压值给仪器供电予以验证。（8）锁摆与开锁通过文档与实物相结合进行实验认定。按照说明书的操作步骤，对井下地震计的摆锤开锁和锁止机构进行操作，在摆锤开锁和锁止时分别用标定线圈正弦信号激励法或者人工振动触发的方法，实验观察摆锤开锁和锁止的工作情况，并确认是否符合技术要求的规定（为内置时须具有线控或指令控制等遥控功能）。对于没有配置锁摆与开锁机构的设备，应确认其是否可保证设备运输与搬运安全。（9）摆锤零位输出及调整对于除短周期井下地震计外的其他设备，通过文档与实物相结合进行实验认定。可使用倾斜台倾斜腔体，用电压表监视地震计输出的摆锤零位信号。并按照说明书的操作步骤，在倾斜后发送遥控指令，启动摆锤零位调整操作，同时用电压表继续监视地震计输出的摆锤零位信号。以此对摆锤零位输出及调整功能进行实验确认。（10）标定使能通过文档与实物相结合进行实验认定。按照说明书的操作步骤，发送接通校准线圈指令后，用信号发生器向标定线圈施加正弦激励信号，其输出应有明显正弦响应；发送断开校准线圈指令后，继续用信号源向标定线圈施加正弦激励信号，其应停止输出响应。以此对标定使能功能进行实验确认。（11）物理尺寸使用游标卡尺量取仪器腔体的外径，取腔体上、中、下三段测得直径的最大值作为腔体外径的测量结果，使用钢直尺测量仪器腔体的长度，并通过文档和实物结合进行认定其是否满足尺寸要求。（12）配套附件通过文档与实物相结合进行认定。判断其是否支持提供与井底或井壁固定装置，是否支持再次提升至地面回收。（13）配套电缆通过文档与实物相结合进行认定。判断其是否支持大于300米长度的配套电缆，电缆是否具备防酸、防碱、防油和防腐蚀等特性。2、主要性能指标传感器的主要性能指标使用标定线圈激励法测试。被测地震计安放在稳固、振动干扰较小的平台上或地面上。被测地震计的校准装置驱动线圈连接到信号发生器的输出端（对于电流型标定设备，可串联电阻R用于控制测试电流）。全部技术指标均应将测试设备和被测地震计预热30分钟后开始测试，并测试全部观测分量（EW、NS、UD）。具体数据处理方法参见《测震台网专业设备入网检测规程》5.2.2、5.2.3，测试过程中可根据实际情况对串联电阻和测试频点值进行调整。图1测试接线图对于正弦信号测试。电流型标定设备的标定信号输入端可参考表1接入串联电阻后连接信号发生器，电压型标定设备的标定信号输入端可直接连接信号发生器。使用地震数据采集器记录地震计的输出信号。测试信号幅度的选择以获得较大的信噪比为原则，原则上应使被测地震仪的输出峰值处于满量程的10%～70%范围。测试过程中宜按照表2列出的频点进行测试，测试频带应包括0.5fL～1.6fH，fL和fH分别为被测地震计低频端和高频端标称（-3dB）截止频率。在频带2fL～0.5fH范围内，可适当减少测试频点，例如只测、、（n为整数）频点。对于每个测试频点，需保证地震计进入稳态响应后，至少记录1分钟的连续波形数据。当测试频率较低时，应适当延长记录时间，保证记录3个完整的振荡周期。表1测试回路串联电阻R的参考取值（电流型标定设备）测试频带0.001Hz～0.02Hz0.01Hz～0.2Hz0.1Hz～2Hz1Hz～100Hz串联电阻R100KΩ10KΩ1KΩ100Ω表2参考测试频点值（Hz）0.001250.00160.0020.00250.003150.0040.0050.00630.0080.010.01250.0160.020.0250.03150.040.050.0630.080.10.1250.160.20.250.3150.40.50.630.811.251.622.53.15456.381012.516202531.540506380100对于阶跃信号测试，接线方式与正弦信号测试相同，信号发生器输出方波信号的周期ΔT可参照表3设置。测试信号幅度的选择以获得较大的信噪比为原则，使得被测地震仪的最大输出处于满量程的10%～70%范围内，使用数据采集器记录地震计的输出信号。图2阶跃测试信号波形（上）及其地震计响应信号（下）表3阶跃信号参数选择范围脉冲宽度ΔT串联电阻R（电流型标定设备）短周期地震计10s～15s1KΩ～2KΩ宽频带地震计200s～600s30KΩ～100KΩ甚宽频带地震计400s～1200s50KΩ～200KΩ超宽频带地震计1200s～3600s150KΩ～600KΩ（1）总谐波失真度应用标定线圈激励法进行正弦信号测试。对于短周期地震仪，截取5Hz频点的正弦波测试数据；对于各类宽频带地震计，截取1Hz频点的正弦波测试数据。数据记录时间不少于240s，分析计算地震计输出信号的谐波失真度。（2）幅频特性应用标定线圈激励法进行正弦信号测试。使用正弦信号测试结果并计算各频点的灵敏度，计算幅频误差。应用标定线圈激励法进行阶跃信号测试。至少记录和处理6个阶跃跳变沿（可选择3个上升沿和3个下降沿）对应的地震仪响应数据，分别截取方波输入信号上升沿和下降沿对应的地震仪响应数据段，计算和记录自振周期和阻尼系数的平均值作为测试结果。（3）灵敏度误差采用对比法测试。使用一台经过振动台灵敏度测试的地震计作为参考仪器，与被测地震仪紧邻安装在周边100米范围内无明显干扰源的测试场地上，保持安装方位一致。同步记录不少于1小时的连续数据，并计算同一时段被测地震计记录数据有效值与参考地震计之比𝑟𝑠(𝑖)，使用参考地震仪的灵敏度和𝑟𝑠̅计算被测地震仪的灵敏度。具体计算方法推荐如下（测试过程中应根据测试地点的背景噪声情况，选择信噪比较高的频带范围进行处理）：例如可使用频带2.5Hz～5Hz、带外倍频程衰减不小于12dB的带通滤波器对记录数据进行滤波，将滤波后的数据分为10段，计算每一段的有效值。计算同一时段被测地震仪记录数据有效值与参考地震仪之比𝑟𝑠(𝑖)，并计算𝑟𝑠(𝑖)的均值𝑟𝑠̅和标准差σ，一般情况下应保证σ/𝑟𝑠̅.。𝑟𝑠̅即为两台地震仪的灵敏度之比。（4）输出电阻采用正弦信号激励地震计的校准线圈，使地震计有较高信噪比的电压信号输出（频率宜选3Hz～10Hz），分别接入10kΩ和2kΩ负载电阻，使用数字电压表测量电阻上的电压幅度，并使用下式计算输出电阻。12212121URURUURRRO式中R1和R2表示两次测量时的负载电阻，对应的测量电压分别为U1、U2。（5）最大负载电容在输出端和信号地线之间接入0.01μF高频瓷介电容，用示波器监测信号输出端是否有自激振荡现象。（6）最大输出电流使用标定线圈激励法，驱动地震计输出满量程的正弦波。地震计输出端串联2kΩ负载电阻，使用数字示波器分析计算地震计输出的峰值电压。当输出电压最大值未达到标称满量程时，可适当降低负载电阻，使输出电流理论值达到5mA。（7）供电电压范围使用可调直流电源供电，分别调整电源电压为9V和18V，使用标定线圈激励