地震检波器原理与结构

检波器原理 —参数描述2
阻尼系数：对惯性体振动过程中受阻力影响，其能量逐衰减的
现象。这里指的是并联的衰减电阻与线圈组成放电回路，阻止惯 性体振动的衰减系数。 —临界阻尼：使质量体回到平衡位置而不在其相反方向有任何偏 移的它的值。相当于不产生“反冲”的最小阻尼量。习惯上给定 为值1或100%，其它的阻尼值都表示为临界阻尼的百分比。 ■测试方法：给检波器线圈加一恒定的电流，使其从起点提升到 它最大行程的 70% ，然后已断开电流 0时刻，采集其输出的正弦 波，按公式计算。
典型失真降至 0.03%
检波器输出波型失真有谐波失真和毛刺失真两种基本形式。与激振频 率、能量有关。来源之一是弹簧片，弹簧片的压缩或伸长与所加的外 力不成正比导致惯性体运动速度非线性，导致输出电压非线性失真。 另外是结构中的其它（如压缩、扭转、旋转等）振动引起弹性系数非 线性，导致畸变。 ■测试方法：给检波器加一个低畸变的交流信号。计算其响应。
地震接收技术
报告人：易碧金 电 话：13931209189 E-mail：yibijin@cnpc.com.cn
东方地球物理公司采集技术支持部技术交流 2016 年 07月 04日
提
纲
一、地震检波器基本原理与结构
1、引言 2、电磁感应式检波器 3、压电检波器 4、光纤检波器 5、MEMS检波器 6、其它（多分量检波器等）
检波器原理—参数描述3
失真度（畸变） ：作为一个信号通路，对通过的信号所产生的失 真程度。定义为输出中谐波分量的总有效值与基波分量有效值之比的 百分比。失真决定了检波器的动态分辨率。
☺低失真增加了动态分辨率，有助于记录到淹没在低频强噪声 ( 如地
滚波)中的较弱高频信号；
态范围；
☺失真导致了谐波失真(亦即地震带宽内的噪声) ；低失真 = 更大的动 ☺失真代表系统整体性能，低失真提高了系统整体性能使检波器串的
模拟数字混合电缆。 传输主机指令， 和采集的数据。
Biblioteka Baidu数传电缆或电台

对常规检波器输出的模拟信号进行滤波、 整形、Ａ／ＤＣ、存储、传输。 或对数字检波器输出的数字信号进行编 排、传输、存储。
SP
系统主机执行操作、采集、测试控制， 是野外采集系统的大脑；并且对采集 到的地震数据进行监视、分析、和转 储
d E W X G X dt
G
E X

E I Z
G
Fe I
式中W-线圈中的圈数， φ通过线圈的磁通量（磁流），X弹簧伸长或缩短值 ，dφ/dt磁流梯度（以位移X＝1cm运动时穿过线圈的磁通量的变化）, Fe电 流I流过线圈时产生电磁力，Z线圈电阻，G值称为机电耦合系数－机电转换 系统以速度 X =1cm/s运动所产生的电动势E，单位是V/CM/S
灵敏度决定于机电耦合系数和负载阻抗与内阻的比值，减少线
圈的内阻R1、增大负载电阻R2。 增加线圈的圈数W、加粗线经、提高通过线圈的磁流梯度都可 以提高灵敏度。 过阻尼使灵敏度降低 , 并且在低频时比高频时降低更显著 , 欠阻 尼在共振频率区使灵敏度增大。一般取0.7倍临界阻尼。
地震检波器综述
o加速度型检波器（涡流式、动环式检波器） o压敏（电）检波器（水听检波器）
o数字型MEMS检波器(低噪声MEMS 加速度计)
o数字型光纤检波器
提
纲
一、地震检波器基本原理与结构
1、引言 2、电磁感应式检波器 3、压电检波器 4、光纤检波器 5、MEMS检波器 6、其它（多分量检波器等）
2016/9/9
主要参数：自然频率、阻尼系数、灵敏度、谐波失真 、假频 相关参数：直流电阻、阻抗、噪声、漏电、极性 其它物理参数：悬体质量、线圈最大位移、允许倾斜 角度、
检波器原理 —参数描述1
地震检波器主要参数描述（含义、作用与测试）：
自然频率：检波器的共振频率。或当振动系统作无阻尼振动
时的固有频率或自然频率。
检波器的微分方程： d 2 x dxt m m c kxt 0 2 dt dt
其中: x0为振动物体的绝对位移、xm为振动物体的绝对位移、Xt=xm-x0为质量 块与振动体（即检波器壳体）之间的相对位移
检波器原理 –速度型检波器结构
速度型检波器：由线架、悬浮弹簧、磁钢、磁靴及弹簧
片组成。它可以看作是由质量体 m 、弹簧 k 、和阻尼 c 构成的 二阶惯性振动系统(工作在线性区）。
动圈检波器结构示意图
检波器原理 –速度型检波器频率
系统的固有频率－当振动系统作无阻尼振动时具有的频率(它完全由系统本 身的性质 -- 弹簧振子的质量和刚度所决定) ：
d K a W 自然频率： 灵敏度a： dx M （其中k-组合刚度, m- 质量,w线圈圈数， dø/dx磁流梯度）
F0
提高灵敏度的方法
检波器原理 —输出波形、参数计算方法
检波器的输出波形如右图
阻尼系数计算公式（A）和自然频率计算公式(B)：
ln Bt A1 A2
2
A1 2 ln A2
Fn
1 2T 1 Bt
(B) 灵敏度计算公式
2mA1 Fn exp I 1 Bt2 arctan Bt 1 B Bt
式中 A(ω)=|H(jω)|, φ(ω)=arctg[HI(ω)/HR(ω)]。
传感器的动态特性 —频率响应
对正弦输入的响应（时域） 若输入信号为正弦波： 则响应由暂态响应部分和稳态响应部分组成，暂 态响应逐渐衰减直至消失，稳态响应是一与输入信 号同频率但不同幅值，并存在相位差的正弦信号。 二阶系统对正弦信号的响应为，
fi=BLV
式中： B-磁场强度;
检波器原理 –速度型检波器工作原理（微分方程）
速度型检波器（常规检波器）
■ 线圈通过弹簧片或悬浮弹簧与外壳相连、且位于磁钢与外壳
组成的磁场之间，构成与磁钢、外壳作相对运动的惯性体。
由于外壳与地耦合，当震源激发时地面与检波器壳体一起产 生相同的振动，由于质量体的惯性使磁靴与磁钢产生相对运 动，线圈切割磁场中的磁力线产生感应电动势，其电压的大 小取决于运动的速度，因此也叫速度型检波器。
前
言 引言
接下来我们简单了解一下检波器参数描述 、 检波器的分类 。
同样，作为仪器前端的检波器无论是种类还是使用花样 也越来越多。例如：叫法上有常规检波器、高精度检波器、 数字检波器、双检波器（双检）、三分量检波器、四分量检 波器；动圈检波器、电磁感应检波器、压电检波器、光纤检 波器、MEMS检波器、石英检波器；海洋检波器、水听器、沼 泽检波器、陆地检波器、井中检波器、测井检波器、低频检 波器、高频检波器、高温检波器等等，使用上，组合方法（ 包括个数）不断变化甚至越来越多、包括埋臵井深、尾锥测 试等。使工作量越来越繁重，效果并不如人所愿。甚至使人 们产生许多误区。 因此，为提高勘探效益效果，从原理上对接收设备进行 了解和认识，才能从根本上根据不同的地质目标和作业环境 ，科学、合理地选配和使用地震检波器就显得十分重要。（ 例如埋臵、及检波器使用时间对数据采集质量的影响等）。
式中ω0 传感器无阻尼固有频率；ωd 传感器有阻尼时的固有频率； ξ 传感器阻尼比， k1、k2，常数，由初始条件决定。
传感器的动态特性
二阶系统的频率响应函数
幅频特性
相频特性
传感器的动态特性
—二阶系统的频率响应曲线
二阶系统的频率响应曲线
地震检波器综述
衡量地震检波器性能指标的主要参数有：
地震检波器定义
地震检波器是一种将地面振动转变为 电信号的一种传感器，或者说地震检波器 是把机械振动转化为电信号的机械装置。 它以最大的逼真度产生地面运动垂直分量 的电模拟。每个地震检波器都是由机械部 分和与其相连的具有电负载的机电转换器 所组成。要求它的振幅－频率响应在有意 义的频率内是线性的，相位的响应是线性 的。
■测试方法：给检波器线圈加一恒定的电流，使其从起点提 升到它最大行程的70%，然后已断开电流0时刻，采集其输出 的正弦波，按公式计算。
灵敏度：检波器对激励（振动）的敏感程度。
■测试方法：给检波器线圈加一恒定的电流，使其从起点提 升到它最大行程的70%，然后已断开电流0时刻，采集其输出 的正弦波，按公式计算。
目前我们勘探市场大量使用的检波器是变 磁通式（或动圈式）检波器。由于它的输出电 压与线圈相对磁铁的运动速度成正比，也称速 度检波器。
地震检波器综述-传感器原理
一个振动系统由一个质量体、一个弹簧和一个阻尼器组成 。地震检波器的装置示意图如下：
假设外壳的运动精确地重复着地面运动，外壳上具有伸长系数 K的弹簧悬挂着称为惯性质量的重荷M，当外壳和惯性质量M产 生相对位移时，在其电极上造成某个电动势E
（常规或模拟输出检波器）数据采集示意图
前
言 引言
地震检波器作为野外数据采集过程中最为关键的采
集前端装备，其性能及所采集的数据质量直接关系到地 质效果而倍受关注。随着高分辨率勘探的深入，对地震 数据采集质量提出了新的要求。特别是 宽频、高保真、 高信噪比的低成本采集要求越来越迫切。 为了满足低成本以及数据采集的高质量要求，仪器 的道数、种类也在不断的增加：有线地震仪、无线地震 仪、节点地震仪、无缆地震仪、光纤地震仪等等。道数 也是从“多道”上升到了几万道、几十万道，并且期望 百万道。
二、地震数据采集仪器技术
1、现状 2、地震检波器接口 3 、数据采集及相关指标 4 、源控制及同步
提
纲
一、地震检波器基本原理与结构
1、引言 2、电磁感应式检波器 3、压电检波器 4、光纤检波器 5、MEMS检波器 6、其它（多分量检波器等）
2016/9/9
常规或模拟输出检波器数据采集
地震信号转换为模拟电信号 并借助模拟电缆传送到A/D设备 （检波器限制了勘探的精度）
检波器的等效电路
R2 E U R1 R2
R R1 R2
R2G U X R

U X


R2 G R
α 称为检波器的有效灵敏度，它的意义是机电转换系统以速 度X＝1cm/s运动时产生的电压输出。 检波器的有效灵敏度决定于机电耦合系数和负载阻抗与内阻 的比值增大线圈圈数，加粗线经，采用强磁材料及合理设计 磁系统等可以提高仪器的灵敏度。
提高机电转换系数G，可以通过提高磁通量φ和增加线 圈圈数W。
传感器的动态特性 —二阶传感器的数学模型
二阶系统的微分方程为
二阶系统函数（拉氏传递函数）
式中 k( 静态刚度 ) 、ω0( 无阻尼固有频率 ) 、ξ( 阻尼比 ) 三个量 称为二阶传感器的特征量；
传感器的动态特性 —二阶传感器的阶跃响应
二阶系统分欠阻尼系统（ ξ<1 ）、过阻尼系 统（ξ＞1）和临界阻尼系统（ξ＝1），一般传 感器为欠阻尼系统，ξ值一般在0.7左右，其响 应为
式中
，
，为有阻尼时的固有频率。
传感器的动态特性 —频率响应
二阶系统的阶跃响应
超调量α
衰减度φ
传感器的动态特性 —频率响应
频率响应：在一系列不同频率的正弦信号的作用 下，传感器的输出特性，分幅频特性和相频特性。
检波器原理 –速度型检波器 速度型检波器（常规检波器）
■它是一种基于电磁感应原理的机电变换。这种传感器能够 实现机械能与电能的相互转换。 当导体以速度 V垂直磁场方向运动时，导体上两端产生感 生电动势u。根据棂次定律，
u=BLV(其方向由右手定则确定)。
当导体上有电流时，导体将受到磁场的电磁力 fi 的作用。 根据安培定律，不计导体本身电阻抗时：
检波器原理 –速度型检波器特性
地震检波器特性
频率特性、相位特性是以检波器 外壳运动的速度振幅来计算 当振动物体的振动频率f低于传 感器的固有频率 f0 时，传感器 的灵敏度随频率而明显变化。 当振动物体的振动频率f远高于 传感器的固有频率时，传感器 的灵敏度接近为常数。在这一 频段（传感器的频响应范围） ，传感器的输出电压与振动速 度成正比。 当振动物体的振动频率更高时 由于线圈阻抗增加，灵敏度将 随着频率的增加而下降。
2 t
2
（A）
式中：Bt－阻尼系数，A1－第一个峰值， A2－第二个峰值，T－第一个半周期， Fn－自然频率，G－灵敏度， G m－检波器惯性体质量， I－通过检波器线圈的直流电流。

检波器原理—分类
地震检波器—按工作原理划分可分为:
o速度型检波器
( 动圈式、惯性式、电动式、磁感应式、常规、超 级检波器)