光纤微地震检波器技术讲义
中科院半导体所科技成果——光纤地震检波器
中科院半导体所科技成果——光纤地震检波器
项目成熟阶段生长期
项目来源基金、863
成果简介光纤地震检波器采用光纤激光传感技术，具有精度高、系统自噪声低、可单根光纤串联多支传感器复用、无电磁干扰、体积细小的优点。
可广泛应用于井下石油物探、压裂监测、地震监测等领域。
由于光纤地震检波器采用全光纤传感和传输，耐高温、不怕水、井下无任何电子器件，特别适合井下的地震波监测。
技术特点体积小、重量轻、无电磁干扰、传输距离长（可达数千米）、系统自噪声低（ng量级）
专利情况中国科学院半导体研究所具有光纤地震检波器的授权发明专利3项，完全自主知识产权。
市场分析油气勘探领域、地震监测领域需求强烈，年市场容量在数十亿人民币以上。
半导体所的光纤地震检波器已经成功用于辽河油田的井下地震勘探、云南省普洱地区的地震监测。
其中，在2011年12月的试验中成功监测到云南南部的1.2级地震。
合作方式技术转让、技术服务、技术入股
产业化所需条件企业提供厂房、基础建设、900万启动资金和设备资金，8人左右的技术团队和20人左右的生产团队。
微震检测技术
微震检测技术⼀、引⾔微震检测技术是⼀种新型的⽆损检测技术，其应⽤范围⼴泛，涉及到⽯油、化⼯、电⼒、交通等多个领域。
微震检测技术通过对微震信号的采集和分析，实现对设备或结构的⽆损检测和评估，具有⾮破坏性、⾼精度、⾼灵敏度等优点。
本⽂将对微震检测技术的原理、应⽤和发展趋势进⾏详细介绍。
⼆、微震检测技术的原理微震检测技术的基本原理是利⽤微震信号的传播特性，对设备和结构进⾏⽆损检测。
微震信号是由物体内部或表⾯产⽣的微⼩振动，这些振动信号包含了⼤量的信息，如物体的结构、材料性质、应⼒分布等。
通过采集和分析这些微震信号，可以实现对设备和结构的⽆损检测和评估。
具体⽽⾔，微震检测技术包括以下⼏个步骤：1.信号采集：使⽤⾼灵敏度的传感器，对微震信号进⾏采集。
传感器应具有良好的动态范围和频率响应，以捕捉到尽可能多的有⽤信息。
2.信号处理：采集到的微震信号通常包含噪声和其他⼲扰，需要进⾏滤波、放⼤、去噪等处理，以提取出有⽤的信息。
3.信号分析：对处理后的信号进⾏频谱分析、时频分析等，以获取设备的状态信息，如裂纹、腐蚀、疲劳等。
4.诊断和评估：根据分析结果，对设备和结构的状态进⾏诊断和评估，预测其寿命和安全性。
三、微震检测技术的应⽤微震检测技术作为⼀种新型的⽆损检测技术，具有⼴泛的应⽤前景。
以下是⼀些典型的应⽤领域：1.⽯油⼯业：在⽯油⼯业中，微震检测技术被⼴泛应⽤于油井、油⽓管道等设备的⽆损检测。
通过对微震信号的分析，可以发现设备内部的裂纹、腐蚀等缺陷，避免事故的发⽣。
2.电⼒⼯业：在电⼒⼯业中，微震检测技术被应⽤于变压器、发电机等设备的状态监测和故障诊断。
通过对变压器内部的微震信号进⾏分析，可以判断其内部的绕组状态和是否存在局部放电等故障。
3.交通运输：在交通运输领域，微震检测技术被应⽤于桥梁、隧道、⾼速公路等基础设施的检测和评估。
通过对这些设施的微震信号进⾏分析，可以发现其内部的损伤和缺陷，及时进⾏维修和加固。
4.机械制造：在机械制造领域，微震检测技术被应⽤于各种机械设备和结构的⽆损检测。
地震勘探-检波器工作原理
地震勘探检波器的工作原理地震检波器的理论基础地震检波器是将地表振动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电装置，以最大的逼真度产生地面运动垂直分量的电模拟。
每一个现代地震检波器都是有机械部分和其相连的具有电负载的机电转换器所组成，地震检波器的电学部分和机械部分组成一个整体。
要求它的振幅——频率响应在有意义的频率内是线性的，相位的响应也是线性的。
根据机电转换原理，可把常用的检测器分为三类：即变磁通式（或动圈式）、变磁阻式、压电式。
由于动圈式检波器的输出电压与线圈相对磁铁的运动速度成正比，这种检波器也叫速度检波器。
我国路上地震勘探工作大部分使用变磁通式的检波器。
根据用途不同，也可把地震检波器分为地面检波器、沼泽检波器和井中检波器等。
一个振动系统，它是由一个质量M ，一个弹簧和一个阻尼器Z 组成，地震检波器的装置如图1-1所示，地震检波器的外壳安置在地面上（或沉没于井中），于是，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 ，为了使用权惯性质量的振动平静下来，惯性质量中被放在胶质液体中，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热E 。
在地震勘探检波器中，主要应用各种感应转换器，在感应转换器中，根据电磁感应，将机械振动变成电震荡，感应机电转换器可以作为与质量M 紧密相连的线圈和与外壳相连的永久磁铁之和（或者反过来），线圈在磁铁的磁场中移动时，在线圈内就发生电动势，转换器线圈内阻在内的某个电阻Z 与转换器两极相连。
可以把地震检波器作为机电系统来研究，这里，某个激发函数()t ζ——例如外壳（地面）对固定读书系统的位移速度，作用于这个系统的输入端，在地震检波器的输出端发生从其电学部分中的负载电阻取得的某个变化的电压()t U ，地震检波器数学模型应该确定这些值之间的关系。
地震检波器的数学模型 为了建立地震检波器的运动数学模型，先讨论其中的作用力。
地震检波器惯性体质量讲稿
进行测试。测试计算出的各项数据与技术指标菜
单的标准值及允差进行比较以判断检波器合格与 否。对于检波器因外并电阻、惯性体质量等引起 的标准值偏移计算，依据下列阻尼系数（4） 、灵 敏度（5）等公式计算。
2016/9/20 7
4、阻尼系数计算公式（4）
G0 Bt B0 4Fn m( Rc RB )
ห้องสมุดไป่ตู้
˵ ² ¤Ê äÈ èµ Ä¸ ßÐ ÔÌ åÖ ÊÁ ¿ (g)
表1 将其各参数指标作为标准值，测试其开路和并1400Ω电阻的各参数值。
GPT-1» ë ² ¨Æ ÷² â Ê Ô Ò Ç ² â Ê Ô ¼ á ¸ û Î Ä » þ ² â Ê Ô Ê ±» ä :12/08/02 12:19:28 » ë ² ¨Æ ÷Ð Í ¹ Å £ ¹ 903/4A-10Hz ² â Ê Ô Î Â ¶ È £ ¹ 13.0 ² ¢ Á ª µ ç × è £ ¹ à º Ó Ð ´ ® ² ¢ ¸ × Ï µ £ ¹ µ ¤ Ö º Î Â ¶ È ² ¸ ³ ¤ £ ¹ ² ¸ ³ ¤ ± ê × » ´ Ó 13.0µ ¼ 13.0 Ô è Ò ô µ ç × è × Ô È º Æ µ Â Ê × è Ä á Á é à ô ¶ È Ê §Õ æ è ¿ × ¸ mv ohm Hz v/m/s % ohm ±× · ¢ ê × ± » Ö µ 383 9.89 0.264 29.1 0 11.3 g Ê µ ² â Ö µ 0.4 382.9 9.89 0.264 29.1 0.038 2175 » ë ² ¨Æ ÷Ð Í ¹ Å £ ¹ 903/4A-10Hz ² â Ê Ô Î Â ¶ È £ ¹ 13.0 ² ¢ Á ª µ ç × è £ ¹ 1395.0 ´ ® ² ¢ ¸ × Ï µ £ ¹ µ ¤ Ö º ê × ± » Ö µ 300.5 9.89 0.603 22.8 0 11.3 g Ê µ ² â Ö µ 0.2 300.4 9.9 0.603 22.7 0.025 878
第二章 地震检波器
第二章地震检波器地震检波器是把传输到地面或水中的地震波转换成电信号的机电转换装置，它是野外地震数据采集的关键部件。
第一节电动式地震检波器工作原理：当地震波到达地面引起机械振动时，线圈对磁铁作相对运动而切割磁力线，根据电磁感应原理，线圈中产生感生电动势，且感生电动势的大小与线圈和磁铁的相对运动速度成正比。
图2-1（a）电动式检波器基本结构图2-1（b）电动式检波器外形图2-2 检波器内各部分的运动关系图2-2 检波器内各部分的运动关系12一、运动方程的建立运动方程反应的是检波器线圈运动与地面运动的关系。
规定：z ——地面产生的向上位移y ——线圈框架（惯性体）的向上位移x ——线圈相对磁铁的向下位移（x ＜0），并且：y z x =+1．弹簧克服惯性体重力后的拉力K FK F kx =- （2-1）2． 线圈受到的电磁阻尼力根据法拉第电磁感应定律，线圈两端输出的电动势为dtdxs dt dx dx d n dt d ne ⋅=⋅==φφ dxd ns φ=称为机电转换系数，也叫空载灵敏度。
线圈中的感应电流为：c o e ei R R R==+式中c R 是线圈内阻，o R 是线圈负载电阻。
感应电流受到的电磁力L F ：dtdx R s R e s i dx d n F L ⋅-=⋅-=⋅-=2φ （2-2） 3． 铝制线圈框架受到的电磁阻尼力当圆筒形铝制线圈框架在磁场中运动时，线圈框架内将产生涡电流。
涡电流产生涡旋磁场，此涡旋磁场与永久磁场相互作用的结果也是阻止线圈框架的运3动，这种电磁阻尼力与线圈框架相对磁铁的运动速度成正比：dtdxF T μ-= (2-3) 根据牛顿第二定律，将式（2-1）、（2-2）和（2-3）相加：2222222()k L T s dxF F F k x R dtd yd z d x M M dt dtdt μ++=-⋅-+⋅⎛⎫=⋅=⋅+ ⎪⎝⎭ 即 222221dtzd x M k dt dx R s M dt x d -=+⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅+μ （2-4） 一般式 2220222dtz d x dt dx h dt x d -=++ω （2-5）MRs h 2/2+=μ——衰减系数，M K /0=ω——自然频率 。
地震勘探仪器讲解
目前地震仪器一览
目前以24位ADC仪器作为绝对主体。 特点：稳定和可靠性高；系统软/硬件功能强、指标高、
指标差距不大，各有特色。 有线传输式的网络仪器： SERCEL 408UL ;428UL ；
IMAGE； I/O-SYSTEM IV； ARAM-ARIES；SI-2000 无线数据传输仪器：BOX；Vibtech-it 数据存储式独立型地震仪器：I/O-RSR、SYSTEM-IV(VR)；
• 毕竟，地震数据采集系统与地震勘探方 法的发展的需求还是距离很大，地球物 理学家也一直抱怨仪器动态范围不够。 在高分辨率勘探地质任务面前更是越来
越显示出了它的不足。
数字化的核心部件 – 模数转换器
• 于是仪器研制人员又被迫回到数字化 的核心部件 – 模数转换器来考虑问题。 当时适合地震信号数字化成的传统模 数转换通常采用逐次比较设计方案， 连续变化的模拟信号按采样频率离散 为一系列保持平定的子样，对这些子 样用类似天平称重的方法，通过加减 一系列标准的电压码来测量子样。当 比较码值的总和电压与子样电压相等 时便实现了量化。
JGI-MS-2000；BGP-3S-1 全数字式：I/O-SYSTEM IV；Sercel-408DSU
硅微机械加速度计
• 经过 15 年研制开发而生产的数字加速度计包含 两个主要部件：硅微机械加速度计和专用混合集 成电路ASIC 。硅微机械加速度计由用弹簧悬挂的 在环绕支架上的运动惯性体组成。为此应用四片 6 英吋双面抛光单晶硅片制造，中间两层构成惯 性体、支架和中心电极；上下两层则构成外层电 极并用金属热压与支架形成一体。惯性体表面外 延层光刻制成硅弹簧，在惯性体和顶底盖表面制 成金属电极与连线，从而在惯性体表面与顶底盖 之间形成了电容器。整个芯体案大约 6.5MM × 5.5MM × 2MM，真空陶瓷封装。
地震检波器
涡流式
涡流式地震检波器是美国OYO公司1984年研制成的一种检波器。它是利用惯性部件和固定在机壳里的永久磁 场的相对运动产生涡流，涡流又使固定在机壳里的线圈感应出电压和电流的原理而制成的。一个固定的圆柱形磁 铁沿中央轴安装在机壳内，线圈固定地绕在永久磁铁的外面，非磁性可运动的铜环由弹簧悬挂在磁铁和线圈之间 构成惯性部件。当机壳被地面振动驱动时，固定在机壳内的永久磁铁和铜环之间的相对运动在铜环中形成涡流， 涡流的变化引起次生的变化磁场，变化的磁场在固定的线圈中产生电动势。铜环内涡流的大小与检波器外壳的运 动有关，它本质上是一种对外壳位移加速的传感器。它的结构特点是活动的惯性体，与输出端没有电连接，这就 大大提高了检波器的可靠性，并且其感应电动势随频率的增加按6dB/oct斜率上升(dB为分贝，oct为倍频程)，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。因此，用这种检波器可以提高地震勘探检波器(MEMS)是微机电机械传感器(Micro—Machined Electro Mechanical Sen—sor)的简称。 它是一种微米级的类似于集成电路的装置和工具，现已应用于工业、汽车、国防、生命科学和日常生活。MEMS技 术是从早期的汽车轮胎压力传感器到为开发气囊而进行的汽车撞毁试验以及航空电子等大冲击量检测设备而逐渐 发展而来的。
地震检波器
水中的地震波转换成电信号的机电转换装置
01 电动式
03 涡流式
目录
02 压电式 04 数字MEMS
地震检波器是把传输到地面或水中的地震波转换成电信号的机电转换装置，它是地震仪野外数据采集的关键 部件。陆上地震勘探普遍使用电动式检波器，海上地震勘探普遍采用压电式检波器。涡流检波器是20世纪80年代 发展起来的一种新型检波器，（2016年）受到与重视的是基于微机电机械传感技术（MEMS技术）的数字地震检波 器。
地震仪器基础检波器ppt课件
– 常规反射地震勘探中接收的地震有效波的频率 范围一般在 0～300Hz 之间 ,并要求传感器在 此频率范围内对振动的响应 包括相位和振幅响 应 是线性、稳定的。
– 对地震波而言,大地是一个非线性系统 ,一般是 频率越高地震波的能量就衰减越快 ,这就使到 达检波器的高频振动信号要比低频振动信号小 得多 ,要采用更多的叠加次数才能有效突出高 频弱小反射信号。为此就产生了一种幅度频率 特性与大地相反的检波器,以便补偿大地对高频 弱小信号衰减的能量 ,这就要加速度检波器。
的有效动态范围已达到120dB以上(理论值140dB)，想在仪器本身提高勘探质 量难度已很大，而与之配套的地震检波器其动态范围。
• 检波器动态范围一览表
动态范围(dB) 53.97 60 66.02 73.98 80 失真度（％） 0.2 0.1 0.05 0.02 0.01 目前，国内检波器的失真指标要求在0.2%以下，其动态范围小于60dB，不及 仪器动态范围的一半。 可见，如何提高检波器自身的动态范围，已成为提高地震勘探质量的瓶颈， 虽然对提高检波器的动态范围到底对地震勘探质量的能提高多少，目前没有 量的概念，但是，检波器的动态范围越大，其地震数据就越能真实的反应地 质概貌，这是物探专家们的共识。所以说，低失真的检波器是勘探业内一直 追求的检波器。这是本系列检波器要解决的目标之一。
导体热敏电阻又可分为正电阻温度系数（PTC），负电阻系数（NTC），临界 电阻温度系数（CTR）等几种。
• PTC热敏电阻一般用BaTiO3（钛酸钡）系列材料制成。当温度超过某一定值
时，其电阻值快速增长。主要用于各种电器设备的过热保护，发热源的定温 控制（如电热蚊香的发热元件）和用作限流元件。还可用于彩电消磁。
地震检波器原理
地震检波器原理
地震检波器可以检测地震波的原理如下：
1. 地震波的产生：当地壳发生断裂或移动时，会产生能量释放，形成地震波。
地震波分为P波、S波和表面波等类型。
2. 接收地震波：地震检波器设备安放在地面或地下，用于接收地震波的传播。
一些常见的地震检波器包括地震计、加速度计、地震传感器等。
3. 检测原理：地震波通过地震检波器的感应器，例如压电器件等，产生机械应力或电信号。
这些信号可以转化为电信号，通过放大器和滤波器处理后，被记录和分析。
4. 记录和分析：地震检波器将接收到的地震波信号转化为电信号后，在地震计或其他设备上记录下来。
这些数据可以被地震学家和地质学家用来研究地震的特性和发生地点，以及为地震预测和防灾提供重要信息。
总之，地震检波器原理是通过感应器将接收的地震波转化为电信号，通过记录和分析这些信号来研究地震的特性和预测地震风险。
地震检波器技术及应用_罗福龙
涡流具有双重功能 : 1. 对惯性体的运动提供阻尼 ; 2. 产生次磁场使线圈切割磁力线 , 进而在线圈 中产生感生电动势 。 此时 , 感生电动势的大小与振动激励信号的加 速度成正比 , 因此 , 这种结构的检波器也被称为常规 加速度检波器 。 常规检波器(包括速度型和加速度型检波器)频 率特性 、 相位特性是以检波器外壳运动的速度振幅
地震检波器原理和特性
地震检波器是一种将地面振动转变为电信号的 传感器 , 或者说地震检波器是将机械能转化为电能 的能量转换装置 。 常规反射地震勘探中接收的地震
* 罗福龙 , 男 , 1961 年出生 , 高级工程师 。 1984 年毕业于江汉石油学院仪器专业 , 一直从事地球物理勘探装备的研究和技术服务及技 术管理工作 。 现为东方地球物理公司装备事业部专家 、总工程师 。
图 4 速度型和术的 发展以及制造工艺的不断进 步 , 目前已能够以小公差( 2. 5 % )制造出高保真度的 检波器 。 4. 改进设计方案 , 提高设计标准 , 降低设计偏差 因为小的设计和制造偏差既可以保证在宽频带 (10 ～ 240H z)内有大的动态范围和低的失真 , 也可 以改进检波器串以及阵列的相位相似性和信号幅度 相似性及一致性 , 进而有更高的噪声“ 抑制” 和更好 的信号“ 聚焦” 效果等 。 相对常规检波器而言 , 超级 检波器具有更高的技术指标 、 更好的一致性和更大 的动态范围 。 数字传感器(检波器) 数字检波器和传统检波器在原理和功能上完全 不同 , 传统意义上的地震检波器是以电磁感应方式 将地震(振动)信号转换为模拟电信号输出 , 而数字 检波器是以重力平衡方式(M EMS 技术)将地震(振 动)信号直接转换为高精度的数字信号 。 数字检 波器的 核心是 MEM S (M icro Electromechanical System , 即微电子机械系统 )技术 , 这种
微震监测系统ppt课件
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火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
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火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
3、设备技术指标、特点
其他技术指标
现场布线支持串联、并联等多种网络拓扑结构
100米内可使用网线或光纤实时传输采样数据 80千米内采用光纤实时传输采样数据 远程通过手机GPRS无线邮件传送微震事件，
➢ 可进行震源定位校正与各种震源参数的分析，3D界面 实时、动态地显示产生的微震事件的时间与空间定位
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火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
3、设备技术指标、特点
设备特点(3)
➢ 可导入待监测范围内的边坡、矿体、隧道等几 何三维模型，提供可视化三维界面，实时、动态地 显示产生的微震事件的时空定位、震级与震源参数 等信息，并可查看历史事件的信息及实现监测信息 的动态演示。
实时发送故障信息
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火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
3、设备技术指标、特点
设备特点(1)
➢ 高精度、高灵敏度单轴、三轴速度/加速度型传感器
➢ 数据采样率高、光纤网络传输、最大可级联2048道，
地震检波器高教课件
技术研究
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第二节 压电式地震检波器
压电效应：某些介质。当沿一定方向对其施力而使 它变形时，内部就会产生极化现象，同时在它的两个表面 上便产生符号相反的电荷（作用力方向改变时，电荷的极 性也随着改变）。当外力去掉后，又重新恢复不带电的状 态，这种现象称为压电效应。
压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造 的多晶压电材料。它具有类似铁磁材料磁畴结构的 电畴结构。
技术研究
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一、涡流检波器的传递函数
涡流检波器的运动方程为：
d2x dt 2
2h
dx dt
ω02 x
d2z dt 2
传递函数为：H (
j)
E( j) Z( j)
G
02
2 2
j2h
振幅特性为：H () H ( j)
G 2
(02 2 )2 4h22
相位特性为： ( )
arctan
2h 02 2
但是尽管带电荷放大器的海上检波器比变压器耦合 式海上检波器容易接受串音干扰，但它没有因为变压 器接受干扰而产生噪声，而且便于在勘探船上测试整 个电路，因此在海上勘探中得到广泛的应用。
技术研究
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第三节涡流式地震检波器
惯性部件和固定在 机壳里的永久磁场做相 对运动产生涡流，涡流 又使固定在机壳里的线 圈感应出电流，根据这 一原理制成涡流检波器。
dx dt
2
根据牛顿第二定律导出电动式检波器的运动方程如
下示：
d2x dt 2
2h
dx dt
ω20
x
d2z dt 2
二、输出电压方程和固有振动
电动式检波器的输出电压方程为：
d 2V dt 2
2h
光纤微地震检波器技术讲义
二、光纤微地震检波器技术
美国威德福公司， 完成了大量工程示范，逐渐商用化
信号的传感与传输一体化，系统结构简单 光纤传输损耗小，适于远距离传输
二、光纤微地震检波器技术
US Seismic Systems, Inc. (USSI，美国) 前 身 ： Litton’s (now NG) Fiber Optic
Strategic Business，光纤声呐阵（LWWAA system）
二、光纤微地震检波器技术-技术优势
低噪声探测特性
采用光纤干涉技术，灵敏度高 可检测最小信号比传统压电检波器要低1个数量级（200 ng以下），使
探测更弱地震波信号成为可能
频带宽
带宽宽，可以响应甚低频到1 kHz
大动态范围、大数据量、高速传输
传统压电检波器的系统动态范围一般在60 dB～80 dB 光纤检波器采用数字信号处理，系统动态范围可以到120 dB～140 dB 光纤兼具传感和信号传输功能，可大数据量高速传输
压裂产生地震信号微弱，对接收地震信号的检波器提出较高要求，通常需要 高灵敏度的检波器，并布放在井下，对微地震信号进行采集。
二、光纤微地震检波器技术
为什么采用光纤技术？
光纤检波器具有更高的灵敏度 光纤检波器具有更好的高频响应特性 可实现多通道、大数据量、高速传输 前端没有电子元件，更高的可靠性 耐高温高压 无需供电，防水耐腐蚀，可长期布放 抗电磁干扰，通道串扰小
二、光纤微地震检波器技术
抗电磁干扰与信号串扰能力强
全光光纤检波器从检波器探头到信号传输均以光纤为载体，无电 磁干扰影响，各通道信号串扰小，尤其在野外石油勘探作业中优 势明显
前端没有电子设备，防水，耐腐蚀，耐高温高压
微型检波一体化三分量地震仪及其应用
・煤田物探・ 文章编号:100121986(2003)0320045204微型检波一体化三分量地震仪及其应用王怀秀,彭苏萍,朱国维 (中国矿业大学,北京 100083)摘要:讨论了一种微型便携式地震仪的设计思路,该仪器具有本安防爆,重量轻、低功耗、高精度、高采样率等特点,内置三分量检波器,采集数据原位数字化且原位存储,能极大限度地抵抗外界干扰,提高采集信号的信噪比,实现了地震勘探检波一体化的理想采集条件。
该仪器适用于恶劣环境条件下的高精度浅层多波勘探,如岩土体强度的原位测试、残余煤厚探测与工程检测等。
通过实际应用证明该仪器应用范围广阔。
关 键 词:微型;检波一体化;三分量地震仪;多波多分量勘探中图分类号:P63114+3 文献标识码:A 1 前言地震勘探装备主要由震源、检波器和数据采集系统3部分组成。
现有装备的数据采集系统和检波器都是分离的,所以存在模拟信号传输时易产生通道串扰、受环境噪声与工频等的干扰等问题,特别是在场地狭小而环境条件又恶劣的煤矿井下或建筑现场,干扰因素多,要采集高信噪比、高分辨率和高保真的地震信号,达到工程勘探的要求,往往有一定的难度。
多波多分量地震勘探是在地质条件复杂地区,提高地震勘探精度和解决诸多工程地质问题的有效手段。
它以采集信息量丰富和提供参数多、勘探精度高,越来越得到业界人士的重视。
本文针对特殊场地条件下,采集数据量相对较少的小型地震勘探的特点,从勘探装备的结构组成上采取措施,把三分量检波器和数据采集系统融为一体,实现了多分量地震勘探检波一体化的理想采集条件,极大地提高了装备的抗干扰能力,仪器设计中,撇开局部器件的高指标,注重整个系统的高性能,从而提高勘探的整体效果。
2 设计原则211 系统设计地震数据采集系统的性能决定于整个系统中的每个环节,现有的仪器制造商们片面追求主机的高动态指标,而对位于主机前端的地震检波器的动态范围考虑不足。
目前,常用于地震勘探的是动圈式检波器,其失真度为011%的已被誉为超级系列产品,即使这样,它的动态范围也不过为60db ,所以,检波器被称作地震勘探的瓶颈。
第4讲地震检波器及其新技术
压电传感器的等效电路
压电传感器组合的串并联
海上检波器的耦合电路
数字检波器
数字检波器的核心是MEMS (Micro Electro Mechanical System，即微电 子机械系统)技术，这种技术就是以硅材 料为基底，采用微机械加工工艺和IC工 艺加工出差动电容式微机械加速度计。 这种加速度计(数字检波器)是集微型传 感器、执行器、信号处理器以及控制电 路、接口电路、通信电路和电源为一体 的微型机电系统。
数字检波器的优点
(1)直接以电信号平衡重力变化原理来感应地 震波的振动加速度信号； (2)幅度与相位频率特性曲线在500Hz内都是平 坦的直线； (3)信号失真度低于0.003%，即瞬时动态90dB 以上； (4)传感器直接输出24位一个样点的数字信号； (5)能自动识别和校正垂直地心方向的倾斜角 度。
数字检波器结构
数字检波器工作原理
数字检波器与传统检波器的区别
数字检波器和传统检波器在原理和功能 上完全不同，传统意义上的地震检波器 是以电磁感应方式将地震(振动速度)信 号转换为模拟电信号输出，而数字检波 器是以重力平衡方式(MEMS 技术)将地震 (振动加速度)信号直接转换为高精度的 数字信号。
压电检波器
HYD-1型压电检波器
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。
压电检波器在水中的使用
压电检波器用于海上勘探
海上检波器的接法—消除海浪干扰
陆上地震检波器 （动圈式速度检波器）
微地震检测技术简介
微地震监测技术及应用随着非常规致密砂岩气、页岩气藏的开采开发，压裂技术在储层改造中起着举足轻重的作用，而微地震监测技术是评价压裂施工效果的关键且即时的技术之一。
根据微地震监测处理高精度地反演微震位置，从而预测压裂裂缝的发展趋势及区域，对压裂施工效果进行跟踪及评判，同时也为后期油气藏的开采和开发提供技术指导。
第一节微地震监测技术原理与发展微地震监测技术是通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术,其基础是声发射学和地震学。
与地震勘探相反,微地震监测中震源的位置、发震时刻、震源强度都是未知的,确定这些因素恰恰是微地震监测的首要任务。
微地震是一种小型的地震（mine tremor or microseismic）。
在地下矿井深部开采过程中发生岩石破裂和地震活动，常常是不可避免的现象。
由开采诱发的地震活动，通常定义为，在开采坑道附近的岩体内因应力场变化导致岩石破坏而引起的那些地震事件。
开采坑道周围的总的应力状态。
是开采引起的附加应力和岩体内的环境应力的总和。
一、技术背景岩爆是岩石猛烈的破裂，造成开采坑道的破坏，只有那些能够引起矿区附近的地区都受到破坏的地震事件才叫做冲击地压或煤爆、“岩爆”。
对地下开采诱发的地震活动性的研究表明，矿震不一定全都发生在开采的地点，且不同地区的最大震级也不相同，但矿震深度一般对应于开采挖掘的深度。
每年在一些矿区的地震台网能记录到几千个地震事件，只有几个是岩爆。
在由开采引起的地震事件的大的系列里，岩爆只是其中很小的一个分支。
对矿山地震、微地震及冲击地压的观测具有一致性，但应用到实际生产中必须区别对待。
二、微地震技术的发展基于微震监测的裂缝评价技术正发展成为油层压裂生产过程中直观而又可靠的技术。
近几年来，国内众多油气田纷纷投入人力、物力和资金，积极开展该技术的应用与研究工作，广泛用于油气勘探开发工作。
2011年，东方物探公司投入专项资金，积极开展压裂微地震监测技术研究，压裂微地震监测技术水平得到快速提升。
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二、光纤微地震检波器技术
US Seismic Systems, Inc. (USSI，美国) 前 身 ： Litton’s (now NG) Fiber Optic
Strategic Business，光纤声呐阵（LWWAA system）
二、光纤微地震检波器技术
抗电磁干扰与信号串扰能力强
全光光纤检波器从检波器探头到信号传输均以光纤为载体，无电 磁干扰影响，各通道信号串扰小，尤其在野外石油勘探作业中优 势明显
前端没有电子设备，防水，耐腐蚀，耐高温高压
井下无电子设备，信号传输全部在光纤中进行 探头也由光纤制作而成，前端不需要供电，可在恶劣环境中应用
一、非常规油气及开发现状
水力压裂技术是目前世界上非常规油气田开发和老油田增产所应用最为广泛 且最为有效的技术措施。－－－－－通过对产油井注水，使得地层涨裂，产生连 通裂缝，改善储层，释放天然气和石油。
一、非常规油气及开发现状-
微地震监测技术
微地震监测，利用水力压裂作业时引起的地下岩层裂缝或错断所产生的地震 波（微地震），进行水力压裂裂缝属性监测的方法。
光纤微地震检波器技术
20一、非常规油气及开发现状
什么是非常规油气？ 在油气藏特征与成藏机理方面有别于常规油气藏、采用传统开采技术通常不 能获得经济产量的油气藏。非常规油气包括致密油气、页岩油气、煤层气、 天然气水合物、水溶气、重油(超重油)、天然沥青(油砂)、油页岩等。
压裂产生地震信号微弱，对接收地震信号的检波器提出较高要求，通常需要 高灵敏度的检波器，并布放在井下，对微地震信号进行采集。
二、光纤微地震检波器技术
为什么采用光纤技术？
光纤检波器具有更高的灵敏度 光纤检波器具有更好的高频响应特性 可实现多通道、大数据量、高速传输 前端没有电子元件，更高的可靠性 耐高温高压 无需供电，防水耐腐蚀，可长期布放 抗电磁干扰，通道串扰小
商用的光纤微地震检波器系统
二、光纤微地震检波器技术
美国威德福公司， 完成了大量工程示范，逐渐商用化
二、光纤微地震检波器技术-技术优势
低噪声探测特性
采用光纤干涉技术，灵敏度高 可检测最小信号比传统压电检波器要低1个数量级（200 ng以下），使
探测更弱地震波信号成为可能
频带宽
带宽宽，可以响应甚低频到1 kHz
大动态范围、大数据量、高速传输
传统压电检波器的系统动态范围一般在60 dB～80 dB 光纤检波器采用数字信号处理，系统动态范围可以到120 dB～140 dB 光纤兼具传感和信号传输功能，可大数据量高速传输