地震检波器及其发展趋势

地震检波器及其发展趋势

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地震检波器及其发展趋势

一、概念

地震检波器(Seｉsmometｅｒ）是用于地质勘探和工程测量的专用传感器,是一种将地面振动转变为电信号的传感器,或者说是将机械能转化为电能的能量转换装置,核心作用是采集地震数据。

二、分类

常规地震检波器有磁电、涡流、压电、压阻式；

新型的有:MEＭＳ（微电子机械系统）式得数字检波器、FBG检波器。

后者与常规的相比具有高频响应好、动态范围宽、抗电磁干扰，灵敏度高的特点，因此是未来检波器发展的主流。

三、特性参数

阻尼;失真度;灵敏度；自然频率；线圈电阻；带宽。

考虑到地震信号具有:动态范围大,频率范围宽，速度变化快,背景噪音多等特点。因此就要求地震检波器具有：分辨视角广，频率响应好,线性度高,抗干扰能力强等属性。ﻭ

四、常规检波器

1．磁电检波器：目前陆上地震勘探普遍使用电动式检波器。

（1）原理:电磁感应原理

利用上、下两个线圈绕制在铝制线圈架上，组成一个惯性体,由弹簧片悬挂在永久磁铁产生的磁场中,永久磁铁与检波器外壳固定在一起。当检

波器外壳随地面震动时，引起线圈相对于永久磁铁运动,两线圈产生感应

电动势，随着检波器外壳振动的大小变化,感应电动势也随之变化,速度越

大,感应电势也大，检波器震动时,在检波器的输出端输出相应的电信号，传输给地震仪器。

（2）两个线圈的接法应满足：在绕制线圈时,一个线圈正绕另一线圈反绕，并把上线圈的终端与下线圈的起端联在一起(反向连接）,把上下线圈的另外两个端头做为输出端。当线圈相对磁钢运动时,由于两线圈的磁场方向相反，所以连接的两线圈的感应电势是同向相加的。对于外界磁场干扰,反向连接的两线圈的感应电势是反向抵消的,这样就提高了抗干扰能力。

(3）优缺点：永磁体由于受温度、地磁影响大、易氧化且磁场不稳定,地震检波器的灵敏度低、稳定性及重复性差。现场工作量大，自然频率选择较多、需要大量的检波器组合，排列复杂，强度大。实际的探测工作中,地质勘探人员需要携带大量的测量器材，特别是布设探测器阵列时,沉重的电缆和众多的探测器令人不堪负荷。而探测地点又常在深山大林之中，工作量大，同时,检波器电缆易受外界电磁场的干扰,影响数据的可靠性。

2.涡流检波器

（1）原理:涡流检波器内部结构与普通电动式检波器不同,是一种加速度检波器,当地震反射波到达地面时，检波器外壳被机械振动所驱动，活动铜环相对永久磁铁便产生相对运动,在活动铜环内产生涡流，涡流又产生次生的涡旋磁场,它使固定的线圈产生感生电动势和电流。

(2)优缺点：活动的惯性体与输出端没有电连接，可以大大提高检波器的可靠性,并且感应电动势随频率的增加按６dB／ocｔ斜率上升，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,有利于高频信号。涡流检波器虽然能提升高频信号,但它的灵敏度与常规检波器的灵敏度相比较太低,且成本较高，在实际工作中不常使用。

３.压电式检波器ﻭ

(1) 原理:压电式检波器在海洋地震勘探中广泛使用，这种检波器是根据某些

物质的压电效应制成的。当沿着一定方向对某些电介质施力使其变形时,介质内部就产生极化现象。压电检波器正是利用这种压电效应,将地震波引起的水压变效应转变为电信号的一种机电转换装置。ﻭ（２）实例： HＹD－1型压电检波器ﻭ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。ﻭ

4.压阻式地震检波器

原理及优缺点:压阻式的地震检波器是利用特定半导体的导电性质来工作的,该类型的地震检波器灵敏度高,可以测量微小的地震波变化。其测量灵敏度受到测量原件的收缩性能的影响较大,压阻式地震检波器体积小，携带操作方便，但是该类型的地震检波器性能受到温度的影响较大。

五、新型检波器

背景：目前，地震勘探中大量使用的地震检波器仍然是模拟检波器,随着数字检波器的广泛使用，人们发现数字检波器能最大程度地弥补模拟检波器的缺陷,大大地提高地震采集资料的品质。

在国外的勘探市场上，国外数字检波器的实验阶段已经结束，正在逐渐大规模的推广应用，数字检波器将在未来世界石油勘探中起重要作用。目前,国内数字检波器的应用还限制在很小的范围之内。ﻭ

1.MＥMS（微电子机械系统）式得数字检波器ﻭ

(1)ＭＥＭS工作原理

ＭEＭＳ本质上是由两对固定电极和一块可移动的质量块电极构成的。实际上,可移动的质量块电极和固定电极之间形成了一个电容器。当可移动

的质量块电极传输重力加速度时，质量块电极就会沿轴的方向上下运动。这种运动使得两个电极之间的间隙发生了变化,从而产生了不同的电容量。

这个电容量变化的信息反馈到AＳＩC电路中，从而使ASＩC电路产生一个配平力来阻止质量块电极运动,使质量块电极返回到零位置。因惯性的作用,质量块电极会产生振动，配平力在AＳＩＣ电路中被转换成一个电压来阻止质量块电极的运动。同时这个电压在AＳＩC电路中被编码成Δ－∑格式，并产生Δ-∑２4位的数字输出。

（2)三分量数字地震检波器ﻭ三分量数字传感器是用三个MEＭS加速度

传感器正交直角安装成的三分量数字传感器。

MEMS加速度传感器主要有两部分:微电子技术加工的电容性机械振

动系统和信号转换闭环反馈控制 JBKL（专用大规模集成电路芯片）。

MEMS机械震动系统由质量体、弹簧、端盖、框架构成，质量体的两面镀有金属导电物,在端盖与质量体相对的面上即顶盖和底盖上也镀有金属，这样就形成了一个差动电容器,加上相应的电路就可以成为电容式加速度传感器。该系统由四片独立的光刻单晶硅晶片组合而成,为了排除气体阻尼和气体布朗运动引

起的热噪声,采用了高真空封装。

(3）三分量数字检波器的主要性能指标：

数字检波器内部经过MＥMS传感器和ADC电路,直接输出24位数字信号; ﻭ动态范围可达到1２0ｄＢ，比传统检波器的动态范围至少高出50dB－60dB；ﻭ谐波畸变指标小于0.0０3%，比传统检波器的谐波畸变至少低一个数量级；ﻭ数字检波器输出的幅频特性十分平坦,在１Hz－８00Ｈz范围内，始终保持平直,而输出相位为零相位; ﻭ超低噪音特性、极高的向量保真度、不受外界电磁信号干扰的影响,如天电、工业高压线或地下电缆等干扰。ﻭ

２.FBG光纤光栅地震检波器ﻭ