陸用壓電地震數字檢波器的製作方法

2023-05-23 04:06:31 1

專利名稱：陸用壓電地震數字檢波器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種地震檢波器，特別是涉及一種陸用壓電地震數字檢波器。
背景技術：
地震勘探法目前仍然是在陸地和海洋勘探石油和天然氣的主要手段，同時也是其 他礦產資源的重要勘探方法，並廣泛應用於研究地球內部結構、工程勘探和檢測、地質災害 預測等等方面。地震勘探中用來直接拾取地震振動，並將振動轉換為符合儀器記錄系統需 要的能量形式的儀器，稱為地震檢波器。地震檢波器按使用環境可以分為陸上檢波器、沼 澤檢波器、海上檢波器和井下檢波器等；按工作原理可以分為電磁感應式檢波器、壓電檢波 器、光纖檢波器和MEMS檢波器等；按輸出信號的物理量可以分為速度檢波器、加速度檢波 器等；按輸出信號的類型可以分為模擬檢波器和數字檢波器。地震檢波器的指標決定了地 震勘探儀器的主要技術指標。 目前國內外使用最多的是動圈式地震檢波器，這種檢波器已經有50年的發展歷 史，重量從最初的幾千克級發展到目前的幾十克級，在地震勘探中得到了廣泛使用。但由於 其固有的機械特徵，這種檢波器靈敏度低、動態範圍小(60dB左右)、頻帶窄(10 200Hz)、 抗幹擾能力差、質量和體積都較大，而目前的地震儀器已經達到了 120dB的動態範圍，所以 不能充分發揮地震儀器的作用。 為了提高檢測地震信號的靈敏度和信噪比，一般都要把許多常規檢波器(通常是 12個至72個左右)檢波器串並聯在一起組合使用，這不僅給施工增加了勞動強度，降低了 生產效率，還降低了勘探解析度。而且在野外使用中其連接電纜傳送的是模擬信號，抗幹擾 能力差。 常規地震檢波器對彈簧材料的要求很高，製造彈簧的工藝複雜、壽命短，同時彈簧 的非線性畸變也是信號失真的主要原因。常規地震檢波器裡的磁鐵在撞擊和高溫狀態下容 易退磁，這也是它壽命短和性能不穩定的重要原因。 壓電檢波器大量用於水上地震勘探，袁保鼎等人與1993年研製了慣性壓電水陸 通用檢波器中國專利93232320. 0 ;杜克相等研製了陸用壓電陶瓷地震檢波器中國專利 00226749. 7 ;西安石油大學劉兆琦教授研製了 YD2000型陸用壓電地震加速度檢波器中國 專利200420042025. X等。YD2000型陸用壓電地震加速度檢波器進行了大量野外試驗，取得 了非常不錯的效果，但存在下列幾點有待於改進之處(l)體積大；(2)重量重；(3)靈敏度 低；(4)由於阻抗較高，需要有適配器才能與地震儀器連接，這就需要配置專用電源；(5)在 野外使用中其連接電纜傳送的是模擬信號，抗幹擾能力差。

發明內容
本發明目的在於克服現有技術的上述缺陷，提供一種體積小、質量輕、靈敏度高、 阻抗小、抗幹擾能力強的陸用壓電地震數字檢波器。 為實現上述目的，本發明由依次相連的壓電地震檢波器、數位化單元和數據通信單元組成其中壓電地震檢波器和數位化單元直接連接併集成為一體，壓電地震檢波器的 壓電材料由多層壓電器件組成，所述數據通信單元提供與地震儀器主機系統的數據通信功 能。 所述多層壓電器件是多層組合一體化壓電器件，能使壓電檢波器靈敏度比原來型 號有明顯提高，並且大大減少了體積和重量，使陸用壓電地震數字檢波器達到了實用化要 求。壓電地震檢波器和數位化單元直接連接併集成為一體能避免了模擬信號在電纜上的傳 送，保留了弱信號的有效成分，有利於數位化電路檢測弱信號成分，提高了檢波器的動態範 圍，並提高了抗幹擾能力。 作為優化，所述壓電地震檢波器芯體包括圓桶型外殼、基座、多層壓電器件、質量 塊體和引出電極；基座配置在外殼底部並與外殼剛性相連，基座上安裝有壓電材料，壓電材 料上安裝有感知地震波運動的質量塊體，引出電極分別安裝在壓電材料的上下兩側面，質 量體在地震波振動時產生的慣性振動力作用於壓電材料後，壓電材料上下兩個表面上產生 交變的電壓。 作為優化，所述壓電地震檢波器在整體結構上由包括上蓋、弓|出電纜、數位化單元
構成的數位化板、檢波器芯體、外殼和尾錐組成；數位化板和檢波器芯體由上蓋封裝在塑料
外殼內，檢波器芯體引出電極連接到數位化板上，數位化板由引出電纜引出二對電纜，其中
一對為數位化板供電，另一對作為數據線，尾錐安裝在外殼的下端。數位化板和檢波器芯體
由上蓋封裝在塑料外殼內，檢波器芯體引出電極連接到數位化板上即在陸用壓電地震檢
波器信號接口處直接引入了A/D轉換器件(數位化板)進行了數位化改造，成為陸用壓電
地震數字檢波器，這種緊密連接避免了模擬信號在電纜上的傳送，保留了弱信號的有效成
分，有利於數位化電路檢測弱信號成分，提高了檢波器的動態範圍，並提高了抗幹擾能力。 作為優化，所述數位化單元由多路開關、前置放大器、A- E調製器、數字濾波器
和測試信號發生器組成，提供單通道的模擬檢波器信號輸入，可以程序設置0dB、6dB、 12dB、
18dB、2德、30dB或36dB的前放增益，並實現4、2、1、0. 5、或0. 25的採樣率。 作為優化，連接檢波器的多路開關依次連接前置放大器、A- E調製器、連接通信
單元的數字濾波器；數字濾波器再通過測試信號發生器連接多路開關。 作為優化，所述前置放大器為CS3302A型，所述A- E調製器為CS5373A型，所述
數字濾波器為CS5378型，所述測試信號發生器為CS5378型；測試信號發生器集成於A - E
調製器CS5373A晶片中。 作為優化，三個壓電地震檢波器組合成相互正交的三分量數字檢波器，並且配用 A/D轉換器型數位化單元進行數位化。由於本發明陸用壓電地震數字檢波器沒有方向性和 軸向幹擾，非常容易組合成相互正交的三分量數字檢波器，原理與單分量的原理完全一樣， 同樣可以選標準的A/D轉換器件進行數位化。 作為優化，所述三分量數字檢波器配用的A/D轉換器型數位化單元包括三路依次 相連的多路開關、前置放大器和調製器，調製器進一步連接數字濾波器，數字濾波器通過測 試信號發生器連接多路開關；多路開關連接三分量數字檢波器，數字濾波器連接通信單元。
在地震勘探領域，傳統的野外檢波器組合技術由於能有效地壓制幹擾波和提高信 噪比而得到廣泛的應用，其優點主要有可以調節組合形式以壓制特定波長的波；可防止 空間假頻；可以衰減隨機噪音，N個檢波器組合的信噪比提高^倍。但是，正是由於檢波器
4的組合也帶來了高頻信號損失、解析度下降等缺陷組合表現為一個低通濾波器，高頻信號 嚴重損失；組內各檢波器之間的靜校正問題也影響高頻成分；往往難以設計合適的組合形 式滿足勘探的要求；存在不合適的陷波響應和方位角響應。 隨著對勘探解析度要求的進一步提高，常規組合技術包括共深度(CDP)疊加已經 成為制約提高解析度的瓶頸，為實現既提高信噪比，又提高解析度，只有應用單檢波器接收 才是下一步提高解析度的關鍵技術措施。單檢波器接收在所有方位有同樣的響應，適用於 所有的空間採樣間隔甚至是不規則採樣間隔，適用於多種波長的波，不會對數據造成任何 損害，能快速埋置和收放，工效高。為提高地震勘探技術的解析度，地震勘探的下一步技術 發展是單檢波器高密度接收技術，即在野外採用2 10m的小道距進行高密度採集，然後在 處理中心進行組合處理，實現高解析度和高信噪比的地震勘探技術。這相當於把常規地震 技術中每道組合中的每個檢波器的信號單獨記錄下來。 單檢波器接收技術對檢波器提出了較高要求，要求檢波器具有振幅和頻率響應 好、動態範圍寬、體積和重量小、全數字傳送等優點。陸用壓電地震數字檢波器恰好符合這 個要求，採集的地震信號因其有效頻帶寬度的增大進而提高了地震解析度。並具有下列明 顯優點1)更精確地對近表層進行成像、改善靜校正質量；2)消除了空間假頻噪音、改善了 信噪比和橫向解析度；3)空間採樣的各向同性基本消除了採集"腳印"的影響；4)大大增強 的垂直解析度改善了對地層的描述精度；5)更寬的頻帶寬度改善了地震反演的質量，與井 資料的對比更加準確；6)有利於提高對巖性的描述精度、大大增加直接找礦能力。


圖1 :本發明陸用壓電地震數字檢波器的電路原理框圖；
圖2 :本發明陸用壓電地震數字檢波器中壓電檢波器芯體的結構示意圖；
圖3 :本發明陸用壓電地震數字檢波器中壓電檢波器的結構示意圖；
圖4 :本發明陸用壓電地震數字檢波器三分量型的電路原理框圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明的陸用壓電地震數字檢波器是由改進型陸用壓電地震檢波器 1、高精度的模數轉換器型數位化單元2和通訊單元3三部分組成。使得陸用壓電地震檢波 器的特性發生了非常大的變化，體積和重量大大減小，靈敏度有了明顯提高，並避免了模擬 信號在電纜上的傳送，提高了抗幹擾能力。使陸用壓電地震檢波器的動態範圍提高到100dB 左右，成為單檢波器接收技術的最佳檢波器之一。大大提高了陸用壓電地震檢波器的應用 範圍。數位化單元2由多路開關D1、 CS3302A型前置放大器D2、 CS5373A型A-E調製器 D3、CS5378型數字濾波器D4和CS5378型測試信號發生器D5組成。前置放大器採用專用於 高阻輸入水聽器由Cirrus Logic公司生產的CS3302A，可以程序設置0dB、6dB、12dB、18dB、 24dB、30dB或36dB的前放增益。通訊單元3提供了與地震儀器主機系統的數據通信功能， 具體通信協議與主機相匹配。 如圖2所示，所述陸用壓電地震檢波器1由外殼Rl、基座R2、壓電材料R3、質量塊 體R4和引出電極R5組成，其中外殼R1為圓桶型結構，封閉端上與基座R2剛性相連，基座 R2上安裝有壓電材料R3，壓電材料R3採用專門研製的多層組合一體化壓電器件，可以明顯
5提高靈敏度，並且大大減少了整體體積和重量；壓電材料R3上安裝有感知地震波運動的質 量塊體R4，質量塊體R4的大小和質量與檢波器的靈敏度等指標密切相關；引出電極R5分 別安裝在壓電材料R3的上下兩側面，質量體R4在地震波振動時產生的慣性振動力作用於 壓電材料R3後，壓電材料上下兩個表面上產生交變的電壓。 實際工作過程中，當檢波器基座受到外來地震作用時，由質量塊體R4產生的慣性 力作用於壓電材料R3上，致使其兩個表面上產生符號相反、數量相等的電荷，即產生了電 動勢，電動勢的大小與慣性力的大小成正比，而質量塊體R4產生的慣性力與基座R2振動的 加速度成正比，即壓電材料R3產生的電動勢正比於基座R2振動的加速度，電動勢產生後， 繼而由檢波器輸出相應電信號，這種電信號反映了地面地震振動的特性。
A-E調製器採用Cirrus Logic公司的CS5373A，數字濾波器則選用CS5378。 CS5373A和CS5378是Cirrus Logic公司專為地球物理勘探而設計的單通道A/D轉換套片， 二者組合可以實現24位模數轉換，並提供4、2、1、0. 5、或0. 25的採樣率。測試信號發生器 集成於CS5373A晶片中。 數字檢波器的整體結構見圖3，由上蓋Sl、引出電纜S2、數位化單元組成的數位化 板S3、檢波器芯體R、外殼S4和尾錐S5組成。數位化板S3和檢波器芯體R由上蓋Sl封裝 在塑料外殼S4內，並進行固定；檢波器芯體R引出電極連接到數位化板S3上；數位化板S3 由引出電纜S2引出二對電纜，其中一對負責為數位化板S3供電，另一對作為數據線；尾錐 S5安裝在外殼S4的下端。 由於陸用壓電地震數字檢波器沒有方向性和軸向幹擾，非常容易組合成相互正 交的三分量數字檢波器(見圖4)，原理與單分量的原理完全一樣，同樣可以選用Cirrus Logic公司的產品進行數位化。 如圖4所示，本發明還可以是三個壓電地震檢波器組合成相互正交的三分量數 字檢波器1，並且配用A/D轉換器型數位化單元2進行數位化。所述三分量數字檢波器配用 的A/D轉換器型數位化單元2包括三路依次相連的多路開關Dl、前置放大器D2和調製器 D3，調製器D3進一步連接數字濾波器D4，數字濾波器D4通過測試信號發生器D5連接多路 開關D1 ;多路開關D1連接三分量數字檢波器1，數字濾波器D4連接通信單元3。
權利要求
一種陸用壓電地震數字檢波器，其特徵在於由依次相連的壓電地震檢波器、數位化單元和數據通信單元組成其中壓電地震檢波器和數位化單元直接連接併集成為一體，壓電地震檢波器的壓電材料由多層壓電器件組成，所述數據通信單元提供與地震儀器主機系統的數據通信功能。
2. 根據權利要求1所述陸用壓電地震數字檢波器，其特徵在於所述壓電地震檢波器芯 體包括圓桶型外殼、基座、多層壓電器件、質量塊體和引出電極；基座配置在外殼底部並與 外殼剛性相連，基座上安裝有壓電材料，壓電材料上安裝有感知地震波運動的質量塊體，引 出電極分別安裝在壓電材料的上下兩側面。
3. 根據權利要求1所述陸用壓電地震數字檢波器，其特徵在於所述壓電地震檢波器 在整體結構上由包括上蓋、引出電纜、數位化單元構成的數位化板、檢波器芯體、外殼和尾 錐組成；數位化板和檢波器芯體由上蓋封裝在塑料外殼內，檢波器芯體引出電極連接到數 字化板上，數位化板由引出電纜引出二對電纜，其中一對為數位化板供電，另一對作為數據 線，尾錐安裝在外殼的下端。
4. 根據權利要求1所述陸用壓電地震數字檢波器，其特徵在於所述數位化單元由多路 開關、前置放大器、A- E調製器、數字濾波器和測試信號發生器組成，提供單通道的模擬檢 波器信號輸入，可以程序設置0dB、6dB、12dB、18dB、24dB、30dB或36dB的前放增益，並實現 4、2、1、0. 5、或0. 25的採樣率。
5. 根據權利要求4所述陸用壓電地震數字檢波器，其特徵在於連接檢波器的多路開關 依次連接前置放大器、A- E調製器、連接通信單元的數字濾波器；數字濾波器再通過測試 信號發生器連接多路開關。
6. 根據權利要求5所述陸用壓電地震數字檢波器，其特徵在於所述前置放大器為 CS3302A型，所述A- E調製器為CS5373A型，所述數字濾波器為CS5378型，所述測試信號 發生器為CS5378型；測試信號發生器集成於A- E調製器CS5373A晶片中。
7. 根據權利要求1或2或3或4或5或6所述陸用壓電地震數字檢波器，其特徵在於 三個壓電地震檢波器組合成相互正交的三分量數字檢波器，並且配用A/D轉換器型數位化 單元進行數位化。
8. 根據權利要求7所述陸用壓電地震數字檢波器，其特徵在於所述三分量數字檢波器 配用的A/D轉換器型數位化單元包括三路依次相連的多路開關、前置放大器和A- E調製 器，調製器進一步連接數字濾波器，數字濾波器通過測試信號發生器連接多路開關；多路開 關連接三分量數字檢波器，數字濾波器連接通信單元。
9. 根據權利要求8所述陸用壓電地震數字檢波器，其特徵在於所述前置放大器為 CS3302A型，所述A - E調製器為CS5372A和CS5371A型，所述數字濾波器為CS5376A型， 所述測試信號發生器為CS4373A型；其中CS5372A型A- E調製器連接兩路前置放大器， CS5371A型A-E調製器連接一路前置放大器。
全文摘要
本發明涉及一種陸用壓電地震數字檢波器，為解決現有地震檢波器抗幹擾能力差的問題，其由依次相連的壓電地震檢波器、數位化單元和數據通信單元組成其中壓電地震檢波器和數位化單元直接連接併集成為一體，壓電地震檢波器的壓電材料由多層壓電器件組成，所述數據通信單元提供與地震儀器主機系統的數據通信功能。所述壓電地震檢波器芯體包括圓桶型外殼、基座、多層壓電器件、質量塊體和引出電極；基座配置在外殼底部並與外殼剛性相連，基座上安裝有壓電材料，壓電材料上安裝有感知地震波運動的質量塊體，引出電極分別安裝在壓電材料的上下兩側面。其具有體積小、質量輕、靈敏度高、阻抗小、抗幹擾能力強的優點。
文檔編號G01V1/18GK101788684SQ20101014266
公開日2010年7月28日 申請日期2010年4月9日 優先權日2010年4月9日
發明者劉兆琦, 劉光鼎, 羅維炳, 郭建 申請人:中國科學院地質與地球物理研究所;北京吉奧菲斯科技有限責任公司;西安海豐傳感技術發展有限責任公司