地震压电检波器及其测试仪原理与测试方法

地震压电检波器及其测试仪原理与测试方法
12 易碧金穆群英
()11 中油集团东方地球物理公司装备研究中心河北涿州 072751
() 21 西安石油仪器总厂西安 710049
摘要 :随着勘探和生产技术的发展 ,压电传感器在地质勘探中的应用越来越多 ,本文从分析压电检波器的原理出
发 ,对目前地震勘探中的几种检波器测试仪的测试原理和测试方法进行了详细的介绍。

关键词 :压电检波器对比测量灵敏度声场
) 1 所示。

它可被看作是单自由度二阶力学系统 , 图 1 概述
由于原始地震数据的准确性与可靠性取决于地其运动状态的微分方程为 :
2 震检波器与数字地震仪的性能 ,在地震勘探中必须 d x d x ( )( )m + c 1 + k x = F t2 d t d t 对检波器性能定期作检测分析和记录。

对于常规动压电压敏型检波器的有阻尼谐振频率为 : 圈式检波器 ,因其用量大 ,目前测试设备比较多 ; 对 1 2 2于压电检波器 ,由于其过去用量相对较少 ,所以有关
ω2 -( ) f = c n π 2() 压电检波器或水听检波器的测试设备也很少。

但ω k/ m ; k - 组合刚度 ; m - 质量 ; c - 阻尼式中 :=n 随着勘探的发
展 ,对水网和过渡带地区的勘探逐渐
系数。

压电压敏型检波器的灵敏度定义为输出量普及 ,作为水中传感器的压电检波器的使用也越来
与被越多 ,生产压电检波器的厂家也越来越多 ,国内外勘
测物理量的比值 :探施工单位对压电检波器的性能作定期测试分析的 Q ( )要求也越来越强烈。

为了加强对压电检波器的管理 K3 = Q P 和性能测试 ,加强对
各种物探仪器设备技术指标的式中 : K - 压敏型检波器的电荷灵敏度 ; Q - 压Q 定量评价与检定 ,合理地评价其使用价值 ,满足质量敏型检波器的输出电荷 ; P - 压力。

控制要求 ,一些单位生产了专门测试压电检波器的
测试仪器。

然而目前能够对压电检波器的性能作测
试分析的仪器很少 , 严重影响了地震勘探的质量。

本文从压电检波器的原理分析出发 ,对目前地震勘
探中的几种压电检波器测试仪的测试原理和测试方
法进行了详细介绍。

图 1 压电检波器内部结构剖面图
压电加速度型检波器是以压电晶体为转换元件 , 2 地震压电检波器原理
(,它们具有相似的灵敏度 - 频率响应特变压器耦合压电加速度检波器的灵敏度是指其输出电量电
) () () 如图 2,在约 10,400 Hz 间 ,灵敏度变化很小。

性荷或电压与所承受的振动或冲击加速度的比值。

因此对它的测试一般都是采用选定频率点的方式进Q ( ) = 5 KQα ( ) 行对比测量 ,即用参考晶体标准检波器作对比测 KQ 量。

所谓对比测量方法 ,是指在相同条件下测量已 ( )K= 6 uC u 知标准检波器和未知待测检波器的响应 ,然后利用式中 : K—压电加速度检波器的电荷灵敏度 ; K— Q u 声源、标准检波器、待测检波器都是线性的原理 ,两压电加速度检波器的电压灵敏度 ; Q —压电加速度者进行比较 , 而计算出待测检波器的最终响应值。

α检波器的输出电荷 ;—振动或冲击加速度 ; Ca —压其计算公式为 : 电加速度检波器的电容。

U x ( )M = M 8 x s压电加速度检波器的主谐振频率可由下式求得 Us
理论值 : 式中 : M —待测水听器的声压灵敏度 , V/ Pa ; M — x s
1 k 标准水听器的声压灵敏度 , V/ Pa ; U —待测水听器x ( )7 F= nπ 2m 输出端的开路电压 ,V ; U s —标准水听器输出端的开
式中 : K —检波器等效刚度系数 ; m —惯性体质量 ; 路电压 ,V 。

一般地震压电检波器的电压输出与频率响应的 ,必须满足驱为了对压电检波器进行准确测试
特性曲线如图 2 所示。

动和耦合的要求 :例如耦合腔内声场基本均匀 ,腔内
的设计包括耦合腔要求具有刚性的边界、腔内部无
释压材料以及腔的体积、尺寸等等需要满足测试条
件。

由于要求地震压电检波器对频率的响应范围在
1 k Hz 以下 ,因此它是类似包含对次声波有响应的
声学传感器 ,因此对它的测试需要建立一个稳定压
( ) 力场或声场包含次声波。

目前国外 I/ O 公司有
一种只能够快速测试压电检波器好坏的测试仪
( ) S HA R P ,它采用具有代表性的单一声场 170 Hz来
测试地震压电检波器的灵敏度。

国内有东方公司生
产的 S H T - 2 型压电检波器测试器 ,这种测试仪在
S HA R P 的基础上增加了测试数据的计算机存储、
打印和数据分析功能。

S HA R P 和 S H T - 2 都是便
图 3 压电检波器测试仪器原理方框图
图 3 所示。

,而要看是否符合在的高低不能说明检波器的好坏
测试仪一般由测试检波器的测试声场及其功率一起使用的检波器的误差范围。

例如一个灵敏度为放大驱动器、测试信号源、检波器输入匹配电路、检15 ?01 10V/ Ba r 的检波器 , 与灵敏度标称值为 15波器输出信号调理电路、模拟 - 数字转换电路以及 V/ Ba r 的检波器一起使用是合格的 ,但是如果它与 ( ) 作为中央控制和处理系统的计算机 C PU 等部件
灵敏度标称值为 10 V/ Ba r 的检波器一起使用 ,它就组成。

另外包括人机对话的显示器、打印机、键盘、
鼠标以及数据存储部件等设备。

测试原理是 C PU 是一个不合格的检波器。

( ) 根据测试的需要 ,控制信号源一般为函数发生器) 2厂家提供的标称值只是同一型号检波器灵敏产生一个给定频率的测试信号 ,通过功率放大器使度的典型值。

实际上 ,各检波器在某个频率时灵敏测试声场产生一个恒定的声压场。

使参考晶体和待度与标称值都存在或大或小的偏差 ,这是因为压电测检波器同时检测到声压 ,然后采集板采集在相同
晶体在切割、封装时的差异及耦合变压器的差异造 () 声场条件下的标准检波器和待测检波器的输出电
压值 ,进行比较而计算或分析出待测检波器性能。

() 成的 ,是允许的。

至于允许偏差多少容限值,由用对于小型的快速测试器 ,一般只能够产生
31 Hz 或户根据有关规定或甲方要求来定 , 一般选 10 ,
170 Hz 等具有代表性的单一频率的声场 ,声压约为20 % 。

如果标称值本来就低 , 如 10 V/ ba r , 而选择 1 mba r 。

对于多频率点的测试 , 需要复杂的信号源的容限值又太大 ,如 ?20 % ,那么灵敏度为 81 00 V/
(和高设计标准的声场 ,测试的频率范围越宽特别是 ba r 的检波器被程序视为合格。

而实际上 , 灵敏度
) 次声波的低频部分,则声场的体积越大。

声场的频过低对拾取弱地震信号
不利。

所以从这个角度说 , 率一般由参考检波器检测数据反馈到信号源作为锁
它是不合格的 ,应该选择小一点的容限值。

如果标
相信号而控制声场 ,是一个相对稳定的共振频率。

称值较高 , 如 15 V/ ba r , 而所选容限值太低 , 如 ?
10 %的话 , 那么小于 131 5 V/ ba r 和大于 161 5 V/
ba r 的检波器均视为不合格。

实际上 ,略低于 131 5
V/ ba r 和略高于 161 5 V/ ba r 的检波器都能满足地
) 4对压电检波器进行测试时 ,要选择合适的量参考文献 :
程。

不要选择过小的灵敏度范围 ,否则 ,会导致电路 1 王雪文 ,张志勇 1
传感器原理及应用 1 北京航空航天大
学出版社 ,2004 饱和 ,从而出现错误读数 ,得出错误结论。

有时候选
金先级 1 机电系统的计算机仿真 1 清华大学出版社 ,1991 择较大的灵敏度
范围比较方便 ,特别是进行快速测 2 Ma r k Pro duct s1 A Divi sio n of Shaw Reso urce Service s 3 试时 ,筒内的压电检波器还没完全静止 ,就能得到较
Inc1 Mar k Pro duct s , Inc1 稳定的读数 ,不过精度稍低。

()收稿件日
期 :2005 年 6 月 24 日) 5目前市场上的测试设备一般是以扬声器作为The Pri nciple s a nd Mea sure me nt of Hydrop ho ne
a nd it s Mea suri ng In st r ume nt s
Abstract : A s t he develop me nt of t he e xp lo ratio n a nd p ro ductio n t ech nolo gy , t here a re mo re a nd mo re hy2 drop ho ne s a re u sed i n geolo gical e xp lo ratio n1 The p ri ncip le s of hydrop ho ne i s a nal yzed i n t hi s p ap e r . The
( t heo r y a nd met ho d s of seve ral mea suri ng i n st r ume nt s of hydrop ho ne s a re i nt ro duced i n det ail1 by Y i B i n2 )j i n & M u Q u n y i n g
Key words : Hydrop ho ne s , Pai ri ng Co mp a ri so n Mea sure me
nt , Se n sitivit y , So u nd fiel d
()上接第 41 页
化组合使企业和科研单位都获得较好的经济效益。

国家的一些知名企业集团每年投入的科研费用有的
为提高企业对市场需求的敏感性 ,尽快将一个高达销售收入的 15 %以上 ,而我国的多数企业用于新的产品投放市场 ,可以发展战略联盟或在多个经科研的经费较低 ,高新技术企业也不过 3 , 5 % , 高济实体之间进行阶段性合作。

任何一个企业靠自身的也只是 7 %左右。

由于高新技术的研究开发具有的人力、资金、能力都很难独立完成一个全新的产一定的探索性 ,高新技术产品受到市场等诸因素的品。

如主机生产企业可与电子、自动化、液压等制造行业企业建立项目性网络式的战略联合体 ,实现对影晌有一个被市场接受和
认可的过程 ,不可能在短
市场的快速反应。

期内获得预期的市场效益。

因此 ,科技创新的投入和新产品开发具有很大的不确定性和风险性。

企业
有限的资金投入是否会获得预期的市场回报这是企
5 具有创新力的企业文化是持续发展之源泉业要慎重考虑的问题。