地震检波器

四、地震检波器的分类
• • • • • • • • • • • • 从使用环境分有： 陆上检波器 沼泽检波器 海上检波器 从工作原理分有： 动圈式检波器（常规检波器和超级检波器） 压电检波器 数字传感器(数字检波器) 按输出信号所跟踪的物理量分有： 速度检波器 加速度检波器 压力检波器
陆上地震检波器 （动圈式速度检波器）
G 2
2 (0 2 ) 2 4h 2 2
2h 相位特性为： ( ) arctan 2 0 2
二、涡流式地震检波器的主要技术指标（见课本）
结论：涡流检波器能提升高频信号，但它的 灵敏度与常规检波器的灵敏度相比较太低，大约 低50倍左右。
作业
1.独立分析压电式检波器的工作原理。 2.涡流检波器工作原理分析，并了解它与电 动式检波器相比较有哪些优缺点？
(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800Hz内都是平 坦的直线； (3)信号失真度低于0.003%，即瞬时动态100dB 以上； (4)抗电磁干扰能力强，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。
第三章 地震检波器
第一节 电动势地震检波器
电动势地震检波器的 结构和外形如右图示： 当地面存在机械振动时， 线圈对磁铁作相对运动切割 磁力线，根据电磁感应原理， 线圈中产生感生电动势，且 感生电动势的大小和磁铁的 相对运动速度成正比，线圈 输出的模拟电信号与地面机 械振动的速度变化规律是一 致的。
迈克尔·法拉第
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。
数字检波器的优点
一、运动方程的建立
检波器内部各组 成部分的运动关系如 右图所示。于是有：
y=z+x
1.弹簧克服惯性体重力后 的拉力FK
FK kx
2.线圈受到的电磁阻尼力
dx 3.铝制线圈的电磁阻尼力 FT dt
s 2 dx FL R dt
根据牛顿第二定律导出电动式检波器的运动方程如 下示： 2 2
V K P
式中 K—一个与压电常数成正比且与压电检波器结构 尺寸有关的常数，称为压电检波器的开路灵敏度。
二、变压器耦合式海上检波器
V0为变压器次级电压，它与仪器输入端得到的电 压Va关系为： Ra 图中R为： R ( R
Va V0
RL Ra
Ra ) R Rd RL Ra
变压器耦合海上检波器阻抗匹配较好. 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。
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。
作业：
1.电动式检波器由哪几部分组成？ 2.电动式检波器是如何将机械振动转换成电 信号的？ 3.（独立）分析电动式检波器的幅频特性和 相频特性。
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。
d L
传递函数为：
Va ( j ) P ( j )
G
2 0 0 (1 2 ) j 2 D
式中
自然频率：
0
1 r L1C (1 1 ) R2
阻尼系数：
L1 1 D 0 (r ) 1C 2 R2
传输常数： 其中
Ra R2 K R G n R2 r1 R r2 RL Ra
这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转 换为电能的现象，就是正压电效应，而由电效应转变 为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆 压电效应。
一、压电陶瓷的压电效应
压电检波器等效成一 个与电容相并联的电荷源， 如右图a示,或等效成一个电 压源，如右图b示。
若压电检波器附近的水压 为P，则压电检波器的开路 输出电压为： c
d x dx d z 2 2h ω 0 x 2 2 dt dt dt
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：
dV dV d z 2 2h ω 0V G0 3 2 dt dt dt
2
3
电动式检波器的固有振动有三种情况：欠阻尼、过阻 尼和临界阻尼，振动波形如下页图示：
四、性能参数 1.阻尼 电动式检波器的阻尼为：
S2 1 D D0 Dc 2M 0 4 Mf 0 R
2.自然频率 3.灵敏度 电动式检波器输出电压是： V G0 Z
R0 S Z RC R0
可见，机电转换系数S越高，则检波器输出电压越大， 因此机电转换系数S也称为固有灵敏度。 4.非线性 5.绝缘电阻
检波器的埋置
检波器组合——检波器串
m
检波器组合的连接方式
涡流检波器（加速度检波器）
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。
R2 n2 (R r2 )
三、带电荷放大器的海上检波器
jCR f V0 该电路传递函数为： Vc (1 jC f R f )(1 jCRL )
变换后可得带电荷放大的海上检波器的 传递函数为：
V0 ( j ) 1 1 G P( j ) 1 1 j 1 j 2
迈克尔·法拉第（Michael Faraday，公元1791～公元1867）英国物理
学家、化学家，也是著名的自学成才的科学家。生于萨里郡纽因顿一个贫苦
铁匠家庭，仅上过小学。迈克尔·法拉第是英国著名化学家戴维的学生和助 手，他的发现奠定了电磁学的基础，是麦克思韦的先导。 1831年10月17日， 法拉第首次发现电磁感应现象，在电磁学方面做出了伟大贡献。 法拉第最先提出电场概念和电场线概念。更主要的是他在电化学方面（对电流所产生的化学效 应的研究）所做出的贡献。经过多次精心试验，法拉第总结了两个电解定律，这两个定律均以他的 名字命名，构成了电化学的基础。他将化学中的许多重要术语给予了通俗的名称，如阳极、阴极、 电极、离子等。 法拉第的照片在1991年至2001年时，被印在20元的英镑纸币上。南极洲的前英国实验室：法拉 第气候研究站以他为名，而电容则以法拉作为单位。此外，一莫耳的电子所含的电量（约 96485库 仑）也称为法拉第常数，让世人缅怀他在电学上无与伦比的贡献。法拉第电磁感应定律陈述一随时 间改变的磁通量会创造电动势。法拉第在英国皇家研究院（Royal Institution ）中任富勒里安化 学教授，并指为终身职。在所有任过此职者中，法拉第为第一个，也是最为出名的学者。 爱因斯坦在他的学习墙上放着法拉第的一张照片，并将其与牛顿和麦克斯韦放在一起。
2Dω ω0 φ （ω ）＝-arctan 2 2 ω0 -ω
绘出电动式检波器的 相位特性如图： 可知，φ（0）=0°， φ （ω0）=-90°， φ（∞）=180°，在ω=0、 ω0、 ∞三个 频率处，不同阻尼的电动 势检波器均有相同的相移， 而其它频率上，不同阻尼 的电动式检波器的相移是 不相同的。
一、涡流检波器的传递函数 涡流检波器的运动方程为：
2 d 2x dx d z 2 2h ω 0 x 2 dt dt dt 2
2 EБайду номын сангаас( j ) 传递函数为： H ( j ) G 2 Z ( j ) 0 2 j 2h
振幅特性为：H ( ) H ( j )
三、频率响应
电动式检波器的幅频特性为：
G ( ) H ( j )
G0 02 2 0 2 (1 2 ) (2 D )
1 2
可见电动式检波器在以地面振动速度作为输入量时，输 出电压呈现二阶高通滤波器的频率特性，因此对低频面波干 扰可以有一定的压制作用。
(1)电动式检波器的幅频特性如图式： ①当阻尼系数 D=h/ω0 1/ 2 时，G(ω)将出现尖峰。 ②当 D=h/ω0 1/ 2 时，没有尖峰出现。
D=h/ω0 1/ 2
③当 D=h/ω0 1/ 2
时，刚好不出现尖峰，或 者说尖峰出现在无穷远处， 这种状态称为最佳阻尼。
（2）电动式检波器 的相位特性为：
•
压电检波器在水中的使用
压电检波器用于海上勘探
超级检波器
• 超级检波器的原理和结构与电磁感应式 检波器完全一致，区别主要在于检波器 的制造工艺和器件材料，实质上，超级 检波器就是传统检波器的改进型。
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。