（通信与信息系统专业论文）基于mems的地震检波器研究与设计.pdf

il 基于m e m s 的地震检波器研究与设计 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 猢lo 。毕心 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得中国海洋大学或其他教育机 构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储签名：刘丽娲签字日期如o 年争月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： l 、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。 2 、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学“中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名刘丽嘲导师签字疡钉乏 签字日期：如卜年牛月陟日 签字日期：矽o 年9 月刈自 基于m e m s 的地震检波器研究与设计 摘要 由于地震勘探提出高分辨率、高保真度等要求，多年来国内外许多技术公司 和研究机构一直在探索和寻找新的地震信号检测技术的设备，并进行了许多试 验，推出了一些利用如压电陶瓷、涡流、激光等原理的试验产品，但在上述的关 键技术性能上始终没有重大突破。 ， 基于m e m s 加速度传感器的地震检波器在频带、动态范围和轴向抗干扰性 等性能指标上优于传统动圈式检波器。针对高分辨率、高保真、高精度地震勘探 这一应用需求，需要迸一步提高m e m s 加速度传感器的性能。因此，本论文选 择了m e m s 电容加速度型传感器。 本论文工作安排如下： 首先，介绍了m e m s 传感器和地震检波器的国内外研究现状和发展前景， 提出了本课题的研究内容和研究意义； 其次，简要说明了地震检波器的分类方式，主要介绍了常规检波器、超级检 波器、数字检波器的结构和性能特点以及地震检波器的选用原则； 然后，系统设计，其内容主要有：m e m s 加速度计的工作原理和结构模型， 推导出加速度计的输入与输出之间的比例关系，单片机的种类和选用原则，本论 文所选择的主要器件及其技术参数和特点。之后详细设计了系统的电路原理图， 对三路a d 采样与单片机之间的通信，利用了c p l d 芯片e p m 7 0 3 2 s ，扩展i o 口，通过对e p m 7 0 3 2 s 对其编程以达到8 分频器的作用，对三路a d 进行片选。 另外，利用m a x 4 8 5 转换芯片进行单片机和p c 机串口通信的电平转换。设计出 了三路a d 、e p m 7 0 3 2 s 和单片机三者的原理图、单片机和外部r a m 的原理图， 并给出了定时器中断框图、a d 中断框图、和串口发送接收框图，并对检波器的 动态范围进行了详细分析。 最后，进行全文总结和展望，指出了下一步的工作。 关键词：m e m s 加速度传感器地震检波器a d 转换器 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fm e m s b a s e de a r t h q u a k ed e t e c t o r a b s t r a c t a st h ep r o p o s e dh i g h r e s o l u t i o ns e i s m i ce x p l o r a t i o n ，h i g h f i d e l i t y , e t c o v e rt h e y e a r sm a n yd o m e s t i ca n df o r e i g nt e c h n o l o g yc o m p a n i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sh a v e b e e ne x p l o r i n ga n df i n d i n gn e ws e i s m i cs i g n a ld e t e c t i o nd e v i c e s ，a n dc o n d u c t e dm a n y t e s t s ，s u c ha st h ei n t r o d u c t i o no fs o m eu s ep r e s s u r ec e r a m i c s ，e d d yc u r r e n t ，l a s e ra n d o t h e rp r i n c i p l e so ft e s tp r o d u c t s ，b u tt h ek e yt e c h n o l o g yi nt h ep e r f o r m a n c en e v e ra m a j o rb r e a k t h r o u g h a c c e l e r a t i o ns e n s o rb a s e do nm e m s g e o p h o n e si nt h eb a n d ，d y n a m i cr a n g e a n da x i a li n t e r f e r e n c ea n do t h e rp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r si sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a l m o v i n gc o i ld e t e c t o r f o rh i g h - r e s o l u t i o n ，h i g hf i d e l i t y , h i g h p r e c i s i o n , s e i s m i c e x p l o r a t i o no ft h i sa p p l i c a t i o n , i tn e e d st of u r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm e m s a c c e l e r a t i o ns e n s o r t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rs e l e c t st h em e m s c a p a c i t i v ea c c e l e r a t i o n s e n s o t t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： f i r s t ，t h ep r e f a c ei n t r o d u c e st h em e m ss e n s o rr e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n t p r o s p e c t s ，a n db r i n g sf o r w a r dt h er e s e a r c hc o n t e n ta n dt h em e a n i n go ft h i si s s u e s e c o n d ，ab r i e fd e s c r i p t i o no ft h ec l a s s i f i c a t i o no fs e i s m i cd e t e c t o r s ，m a i n l y i n t r o d u c e s r e g u l a r , s u p e r , d i g i t a lg e o p h o n ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h es t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so ft h es e l e c t i o np r i n c i p l eo ft h ee a r t h q u a k ed e t e c t o r ； t h e n ，s y s t e md e s i g n , i t sc o n t e n t sa l em a i n l y ：t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fm e m s a c c e l e r o m e t e ra n dt h es t r u c t u r a l m o d e l ，d e r i v i n ga c c e l e r o m e t e rt h er a t i ob e t w e e n i n p u ta n do u t p u tr e l a t i o n s h i p ，t h et y p e sa n ds e l e c t i o no fs c m p r i n c i p l e s ，t h em a i n s e l e c t e dd e v i c e so ft h i sp a p e ra n dt h e i rt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r i s t i c s a f t e r t h e d e t a i l e dd e s i g no ft h es y s t e mc i r c u i t ，d i a g r a m st h r e e w a ya ds a m p l i n ga n d c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e m i c r o c o n t r o l l e r , u s i n ge p m 7 0 3 2 so fc p l dc h i p e x p a n d si op o r t s ，t h r o u g he p m 7 0 3 2 si t sp r o g r a m m i n gt om e e tt h e8 - c r o s s o v e r e f f e c to na dt of i l mt h r e e - w a ye l e c t i o n i na d d i t i o n ，t h eu s eo fm i c r o c o n t r o l l e ra n d m a x 4 8 5c o n v e r t e rc h i ps e r i a lc o m m u n i c a t i o np c l e v e lt r a n s l a t i o n i t d e s i g n sa h t h r e e w a ya d ，e p m 7 0 3 2 sa n dt h r e es c h e m a t i cm i c r o c o n t r o l l e r , m i c r o p r o c e s s o ra n d a ne x t e r n a lr a mi nt h es c h e m a t i cd i a g r a m ，b l o c kd i a g r a mi sg i v e nf o rt i m e ri n t e r r u p t ， a d i n t e r r u p tb l o c kd i a g r a m ，a n dt h es e r i a lp o r tr e c e i v e rb l o c kd i a g r a m a n dt h e d y n a m i cr a n g eo fd e t e c t o ri sa n a l y z e di nd e t a i l f i n a l l y , s u m m a r ya n do u t l o o kf o rt h ef u l lt e x t p r o p o s e st h en e x ts t e p k e yw o r d s ：m e m sg s e n s o r e a r t h q u a k ed e t e c t o r a dc o n v e r t e r - i i i 目录 0 前言1 1 绪言。：1 1 1 研究背景1 1 2m e m s 的国内外研究现状2 1 2 1 国内研究现状2 1 2 2 国外研究现状。一4 1 3 地震检波器的国内外研究现状6 1 3 1 国内检波器的发展现状6 1 3 2 国外地震检波器的发展现状7 1 4 本论文研究内容和意义9 2 地震检波器1 0 2 1 地震检波器分类l o 2 2 检波器的结构和性能比较。1 1 2 2 1 常规检波器。 2 2 2 超级检波器1 2 2 2 3 数字检波器1 3 2 3 地震检波器的选用原则1 6 2 4 本章小结1 8 3 系统设计1 9 3 1m e m s 电容加速度计1 9 3 1 1m e m s 传感器19 3 1 2 m e m s 加速度计的结构模型及其工作原理2 l 3 2a d 转换器2 4 3 2 1 采样原理概述2 4 3 2 2a d 转换器的选择。2 5 3 3 单片机2 6 3 4 主要器件2 8 3 5 硬件电路原理图及说明一3 2 3 6 软件设计3 9 3 7 动态范围分析4 3 4 总结和展望4 5 4 1 全文总结4 5 4 2 研究展望j 。4 5 参考文献4 7 致谢5 0 个人简历及发表论文情况5 1 一项具有无限应用前景的军民两用技术1 2 4 。 加速度传感器是一种重要的力学量传感器，广泛应用于工业自动控制、汽车 及其它车辆中，以及振动及地震测试、科学测量、军事和空间系统等方面。随着 以计算机为代表的现代科学技术的发展，传感器的需求量将会迅速增长，到9 0 年代中期，每年仅汽车用加速度传感器就可达n 2 5 0 0 万套【5 1 。当加速度传感器 的需求数量达到一定值之后，原有的传感器设计和生产工艺就不能满足要求。硅 是制造传感器的理想材料【6 】，采用硅材料，利用改进的半导体工艺加工的传感器 ，具有便于大批生产、性能优越、易于与信号处理电路集成和廉价等优点，所以近 年来出现了适用于不同需要的多种形式的硅微加速度传感器。可以预料在不久的 将来，硅微加速度传感器将在加速度传感器市场中起到主导作用。 1 绪言 1 1 研究背景 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，用于石油勘探的数字地震仪器、 计算机以及信号处理手段已经达到很先进的水平。但是地震信号传感器一检波器 却仍然沿用具有5 0 多年发展历史的动圈式机电感应传感器。经过5 0 多年不断的改 进与发展，传统检波器在体积、坚固性、灵敏度和失真度等技术性能上有了长足 的进步，但是这种老式的机械传感器的某些固有缺点却难以克服，例如：动态范 围小，一般最多达6 0 d b ；对于检测1 0 h z 以下的低频地震信号几乎无能为力；在 三分量检波器应用中各轴向之间干扰严重，灵敏度误差大。由于传感器得不到理 想的原始信号，后期处理效果大打折扣【7 1 。所以地震检波器事实上已经成为制约 基于m e m s 的地震检波器研究和设计 石油勘探技术继续发展和提高的主要瓶颈之一。 石油工业界虽然在理论上已经很清楚，利用地震波的横波分量( s 波) 数据 能识别和估计地下岩性和孑l 隙度等油藏特征，但是现在为提高回采率进行的油藏 描述工作采用的主要手段却仍然是基于纵波( p 波) 的传统地震方法，横波的利 用则进展不大。其主要原因是利用传统地震检波器进行的三分量地震勘探中获得 的横波数据质量不理想，特别是传统检波器难以达到轴间抗干扰指标( 即矢量保 真度指标) ，再加上野外施工中检波器的倾角和方位误差、各轴向间的灵敏度误 差等因素都使p 波和s 波信号相互混淆，降低了数据质量，使后期的数据处理能 力难以发挥作用【8 】。 由于地震勘探提出高分辨率、高保真度等要求，多年来国内外许多技术公司 和研究机构一直在探索和寻找新的地震信号检测技术的设备，并进行了许多试 验，推出了一些利用如压电陶瓷、涡流、激光等原理的试验产品【9 d 1 1 ，但在上述 的关键技术性能上始终没有重大突破。 1 2m e m s 的国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 国内外已有一些学者对m e m s 力学性能的尺寸效应开展了研究。国内，清华 大学丁建宁等利用静电驱动微磁力线圈装置和纳米硬度计，分别进行了多晶硅试 件的微拉伸测试、微梁的弯曲测试，测量了多晶硅的力学性能，并研究尺寸效应 问题；大连理工大学的唐祯安等，对细观力学、宏观物理及微尺寸理论作过详细 研究；中国科技大学的梅涛等对m e m s 材料力学性能尺寸效应的理论问题进行了 摄入的研究；中国科学院力学研究所的赵亚溥，对微尺寸下的部分力学问题作过 详细分析；香港科技大学的张统一等，利用微桥法测量研究了s i 3 n d s i 膜的部分 力学性能参数及其与几何尺寸的关系。我国的一些公司和研究机构，多年前便已 开始m e m s 技术研究并重视其巨大的市场【1 2 】。 m e m s 器件的制造基于两大技术：微电子技术和微机械技术。微机械技术又 可分为体面微机械技术和表面微机械技术。所谓体面微机械技术，处理的是体单 晶硅，而表面微机械技术则是在硅衬底的表面上做文章，淀积薄膜，然后对薄膜 进行加工，即从半导体加工工艺中发展起来的硅平面工艺和体型微工艺。本质上， 2 基于m e m s 的地震检波器研究和设计 这些技术都是利用硅的平面技术，其特点是高度精密可控、批量、集成生产。但 正是因为基于硅的平面技术，微机械技术难以制造出高的深宽度比的结构，其厚 度最大一般只能达到1 0um ，即微型机械技术原则上只能制造二维或准三维的 结构，而不能制造真正高的深宽度比的三维结构【l2 。 近年来发展起来的x 射线光刻、微细电火花加工( e d m ) 、超声波加工和电 铸以及注塑的l i g a ( 德文l i t h o g r a p h i cg a l v a n o f o r m u n ga n da b f o r m u n g 的简写) 技术、键合技术、三维光刻，形成了m e m s 加工的另一体系。 利用l i g a 技术制作的微机械机构，可获得很大的深宽比，对于宽度仅为数 l am 的图形，其深度可达1 0 0 0um 。l i g a 技术的基本过程是：采用同步辐射光源 曝光，通常可使p m m a 显影出数值大的深宽度比的微图形，然后电镀，去掉 p m m a 后就可获得数值大的深宽度比的机械构件。l i g a 技术在制作很厚的微机 械结构方面有其独特的优点，是其他方法所无法替代的。l i g a 使得原来难以实 现的微机械结构能够制作出来，极大地丰富了m e m s 的内容【1 2 1 。 键合技术有硅一硅键合技术和硅一玻璃静电键合技术两种，它们在m e m s 制造 中发挥着重要作用。硅一硅直接键合技术早期是为了获得高质量的s o i 硅片而出 现的，采用该技术可制作出具有体型硅性能的s o l 硅片，之后又利用该技术来制 造大功率器件，也获得了较好的结果。它的最大特点是可实现硅一体化微机械结 构，不存在界面失配问题，有利于提高器件的性能；由于它是采用两硅片直接来 制作器件，设计时具有很大的灵活性，便于实现复杂的微机械结构，而且工艺非 常简单，将硅片经过表面处理后贴合在一起，再进行高温处理即可实现键合。硅 一硅直接键合技术的研究目前正朝降低键合温度的方向努力，已可在1 2 0 下实现 健合。可以肯定，它在m e m s 中的地位越来越重要1 1 2 1 。 ， 硅一玻璃静电键合技术的工艺过程为：在3 5 0 - - 5 0 0 c 的温度条件下，硅和玻 璃之间施加几百伏的直流电压，几分钟之后硅和玻璃即可键合在一起，这一技术 最早被用在压力传感器的制造上，主要是为了减少由传感器的封装引起的界面失 配所带来的不稳定，但是硅一硅键合技术出现后，它的作用受到一定的影响，因 为从理论上讲硅一硅间键合技术的界面根本就不存在失配，但是硅一玻璃静电键合 技术为硅与其他材料的键合提供了手段，这样在m e m s 的设计时有更大的活动余 基于m e m s 的地震检波器研究和设计 地，不仅可考虑用硅来制作，而且还可与玻璃结合来实现更复杂的结构，因此它 在m e m s 领域将会继续发挥一定的作用l l 2 。 我国科技工作者在m e m s 技术的研究和推广上也取得了相当大的成就。据有 关资料介绍，“九五计划”期间，通过微齿轮、微泵、微电机、微马达、微型飞 机和微型陀螺仪等研究，我国科学家提出和发展了由于尺度效应而产生的微机械 学。他们发现：有的宏观脆性材料在纳米尺度时具有很强的塑性，而在塑性材料 随着结构特征尺寸的减小也会呈现脆性断裂；流体在微管流动中，液体的表面表 面张力和对管壁的附着力已不可忽略；在纳米加工及其表面质量分析中，必须考 虑原子间的结合力及量子效应。我国科学家还创造性地发挥在那了微细电火花加 工、三维半导体加工和深层刻蚀( l i g a ) 等微细加工工艺，以及扫描隧道、原 子力显微镜等纳米测量技术，部分成果已达到国际先进水平。此外，m e m s 技术 已开始在我国的科学研究中发挥作用，例如：微机器人已经开始用于生物工程中 的细胞分割、显微手术和生物芯片的制造工艺中；微传感器已经用于飞行器的加 速度、压力等参数的实时测量；纳米薄膜润滑技术己用于“长征三号”火箭和计 算机硬盘的制造工艺上【1 2 】。 1 2 2 国外研究现状 国外，t a k a h i r on u m a z u 等人用原子力显微镜对桥式单晶硅线进行弯曲测量， 研究了弹性模量和断裂强度的尺寸效应；s r i r a ms u n d a r a r a j a n 等人采用a f m 通过 微梁弯曲法得到了s i 、s i 0 2 微梁弹性模量、弯曲强度和断裂韧性及其尺寸效应； m a h a q u e 等人用s e m 和t e m 研究了纳米级a i 试件弹性模量和屈服强度的尺寸 效应；h d e s p i n o s a 等人用微梁弯曲法，测量出a u 模的应力并分析其尺寸效应； z y x u e 等人应用基于细观机制的应变梯度塑性理论( m e c h a n i s m b a s e ds t r e s s g r a d i e n t ，m s g ) ，分析了m e m s 中金属材料的尺寸效应；s s t a u s s 等人纳米硬度 法，测出了m e m s 微小器件的应力一应变属性，并研究从微米到纳米的尺寸应； j o n a t h a nw 等人研究了m e m s 中应变力应变可靠性测试和尺寸效应关系； h h g a t z e n 等人进行了硅一硅界面的摩擦力测试，得到了微尺度下原子键角大小 与摩擦力之间的关系；y u j u n gh s u 等人深入研究了微器件中7 5 f e 2 2 n i 3 c r ( f n c ) 和6 4 f e 一3 6 n i ( i n v a r ) 独立式膜的厚度尺寸对弹性模量所产生的影响【1 2 】。 4 基于m e m s 的地震检波器研究和设计 国内国外对m e m s 力学性能的研究，主要集中在对具体材料的力学性能的测 量与评定等领域。受试件加工工艺条件、实验过程中的微操作和不同的测量方法、 测量仪器等因素的影响，测量结果的一致性并不完全理想，仍然需要大量的实验 数据和新的测量系统。对迟钝效应的研究只是局限在某一力学参数并且只是定性 分析，没有建立m e m s 力学性能尺寸效应通用的数学模型；没有把宏观与微观力 学性能与尺寸关系统一起来；缺乏对力学性能尺寸效应系统性的理论研究。因此， 有必要从尺寸效应出发，对m e m s 力学性能进行系统的理论研究，建立可适合于 一般力学性能尺寸效应的数学模型，可以系统地、定量地分析力学性能的尺寸效 应【1 2 1 。 近年来美i n i n p u t o u t p u t 公司( 简称i o 公司) 已成功开发出以m e m s 器件为 基础的新型数字地震检波器。这种检波器采用了m e m s 加速度传感器，使地震检 波器的性能指标有了大幅度的提高。除了上述优点外，i o 公司已经把2 4 位模数 转换和m e m s 传感器集成到一起封装进检波器壳体，可以直接输出经数字化后的 地震信号【1 3 1 。现在i o 公司建立了m e m s 加速度传感器的生产、封装和测试车间， 已经批量生产并开始在美国和中国的石油勘探工业大力宣传和推广。国外除美国 的i o 公司，法国的c g g 公司也声称开发成功基于m e m s 加速度传感器的地震检 波器。 地震勘探仪器数字化是一大变革。数字仪器的特点如下： ( 1 )动态范围大一般可达1 2 0 分贝，最高可达1 7 0 分贝以上。而模拟仪 器只有4 0 , 、, 5 0 分贝。 ( 2 ) 频带宽一般从3 h z 到2 5 0 h z ，高达5 0 0 h z 。而模拟地震仪只有1 5 - 1 1 5 h z 。 ( 3 ) 记录的振幅精度高一般达0 1 ，最高可达0 0 1 ，而模拟仪器记录的振 幅精度只有1 0 。 由于它具有以上三个优点，对研究波的动力学特点提供了先决条件，并未利 用地震勘探方法直接找油气田开拓了良好的前景。 数字检波器具有动态范围大、信号畸变小、频带宽的特征，对高、低频信息 均具有较强的录制能力。从获取的剖面效果来看，数字检波器对层间弱反射的接 基于m e m s 的地震检波器研究和设计 收效果要优于模拟检波器，因此从勘探目的层埋深来考虑，数字检波器对中浅目 的层勘探具有更为明显的优势。另外数字检波器由于抗电磁干扰能力较强，因此 更适合于电磁干扰比较严重的地区。使用数字检波器时一般在野外采用不组合接 收，因此数字检波器适用于资料信噪比较高、随机和伴生干扰小的地区。对于信 噪比较低的区块，目前还不适合采用。由于数字检波器采用单个接收，需要小道 距，高覆盖次数，因此接收道数将会比常规模拟采集明显增加，投资也会相应提 高。数字检波器单点高密度采集、宽频接收，室内组合或三维去噪，是提高分辨 率和保真度的有效途径【1 4 1 。 从目前获取的资料来看，数字检波器对于地震属性的研究具有明显优势，应 成为未来地震勘探的发展方向。可以预见新型m e m s 数字检波器的应用和推广， 必将促进油气勘探和开发工作的技术进步，对降低勘探、开发风险和提高油藏采 收率有着重要意义【1 5 1 。 1 3 地震检波器的国内外研究现状 1 3 1 国内检波器的发展现状 9 0 年代为适应高分辨率勘探的要求，西安石油勘探仪器总厂成功研制达到同 类国际先进水平的“s n 7 c 系列超级检波器”，它具有以下特点：各项常规技术 指标允差均为2 5 ；具有i k h z 的宽频带；超过3 0 0 h z 的典型假频，适用于l m s 采样；失真系数小于0 。1 附1 6 1 。 石油天然气总公司物探局仪器厂推出了2 0 d x 系列的超级检波器，其和s n 7 c 系列检波器技术指标对比结果见表2 1 所示f 1 7 】。 1 9 9 5 年，西安石油勘探仪器总厂研制成功了s w j 2 系列检波器是高分辨率比 较理想的检波器，其主要技术指标为( 2 3 h z 为例) ： 自然频率：2 34 - 1 5 h z 加速度灵敏度：0 4 9 m v 删s 2 速度灵敏度：2 5 0 m v c m s + 10 阻尼系数：0 9 4 + 1 0 直流电阻：1 9 0 0 q4 - 5 0 失真系数： o 2 6 基于m e m s 的地震检波器研究和设计 表2 i2 0 d x 和s n 7 c 系列超级检波器技术指标( 2 0 ) 名称厂家自然频率线圈电阻并阻阻尼灵敏度失真假 ( h z )( k q )( v c m s )( )频 1 0 h z西安1 0 2 5 3 7 5 2 5 0 7 2 5 0 2 8 8 2 5 0 13 0 0 1 0 h z徐水l o 3 3 9 5 3 o 7 5 0 2 8 4 o 12 5 0 1 4 h z西安 1 4 2 5 3 7 5 2 5 o 6 0 2 5 0 2 8 8 2 5 0 13 0 0 1 4 h z徐水1 4 3 3 9 5 4 - 3 o 5 5 0 2 8 4 o 13 0 0 2 8 h z西安2 8 2 5 3 8 5 4 - 2 5 9 60 6 4 9 - 2 5 0 3 l 2 5 0 14 0 0 2 8 h z徐水 2 8 3 3 9 5 4 - 3 0 5 6 5 0 2 8 4 0 13 5 0 3 5 h z徐水3 5 3 4 8 0 4 - 3 0 6 5 0 2 8 4 o 13 5 0 4 0 h z西安4 0 2 5 5 4 0 2 5 0 6 5 2 50 3 2 5 - 2 5 o 13 5 0 1 3 2 国外地震检波器的发展现状 从8 0 年代以来，国外的生产检波器的专业厂家主要有：荷兰的s e n s o r 、美 国的g e o s p a c e 、g e o s o u r c e 、m a r k 、l i t t o n 、w e s t e r ng e o p h y s i c a l 、 日本的o y o 公司等。由现有资料来看，目前国外地震检波器生产的专业厂家经 过多年的市场兼并、改组，产品现被三家公司所垄断，即i o 公司下的原s e n s o r 、 m a r k 公司、日本o y o 公司下的原g e o s p a c e 公司。 s e n s o r 公司生产的s m 4 检波器和g e o s p a c e 公司生产的g s 一2 0 d x 检波器 从8 0 年代中后期到现在仍占据了一定的市场。1 9 9 3 年，荷兰s e n s o r 公司率先推 出了与2 4 位遥测地震仪相配套的超级检波器s m 4 h s ，参数允差从5 缩小为 4 - 2 5 ，失真系数由0 2 降低为0 1 以下，但其假频只有1 8 0 h z 。 1 9 9 4 年，s e n s o r 公司推出了低失真、高假频s m 2 4 超级检波器，假频指标 已由s n m p 一4 h s 的18 0 h z 提高至l j 2 4 0 h z ，参数允差2 5 ，失真小于o 1 ，是国际 物探界最早推向市场的真正的满足2 4 位数字地震仪的超级检波器。之后，美国西 方地球物理公司推出了1 0 1 8 型检波器，虽然假频已提高至3 0 0 h z ，失真降为 0 1 2 ，但是参数允差仍未4 - 5 。日本的o y o 公司推出了g s 一3 0 c t 超级检波器， 各项允差均为2 ，失真小于0 1 2 ，但是假频指标只有1 6 0 h z 。随后又推出了 7 基于m e m s 的地震检波器研究和设计 g s 一3 2 c t 超级检波【1 8 】。 美国m a r k 公司为满足国际市场需要，也开发了超级检波器，1 9 9 5 年在s e g 杂志上宣布推出了一种低失真的m a r k 2 超级检波器，各项指标允差2 5 ，开 路涡流阻尼为6 8 2 5 。为减少失真，采用了一种独特的线架结构，磁钢选用 航天航空工业常用的钐钴磁钢，失真系数达到典型值小于0 0 2 ，0 - - - 2 0 ( 2 最大失 真小于0 0 5 ，假频达到2 5 0 h z ，是代表目前国际先进水平的最新一代超级检波 器。国外超级检波器的技术指标见表2 2 【1 9 1 。 表2 2 国外超级检波器技术指标( 2 0 ) 公司 s e n s o rs e n s o rm a r ko y ow e s t e r n g 型号s m - h ss m 2 4m a r k 2g s 一3 0 c t1 0 1 8 自然频率 1 0 2 5 1 0 2 5 1 0 2 5 l o 2 l o 5 线圈电阻 3 7 5 2 5 3 7 5 2 5 3 9 5 2 5 3 9 5 2 3 9 2 5 开路阻尼 0 2 50 2 50 6 8 2 5 0 3 1 60 4 2 5 并阻阻尼 0 6 2 5 0 6 2 5 0 6 2 o 6 2 0 7 士5 灵敏度 2 8 8 2 5 2 8 8 2 5 2 7 5 2 5 2 7 5 2 5 2 8 7 5 失真( ) o 1 o 1 o 0 5 0 1 2 0 1 2 假频( h z ) 1 8 02 4 02 5 01 6 03 0 0 惯性质体( g ) l l1 l 8 4 1 1 2 9 8 l 当前，我国的油田都在进行高分辨率地震勘探。高分辨率地震勘探是一个系 统的大工程，对地震检波器的性能也提出了更高的要求。应该研制新型检波器， 使它具有更高的高频提升能力，并要求检波器的高截频和假频高于所要求的通频 带的最高频率。 为满足三维地震勘探的需要，应该去研制与地表耦合性能良好的三分量检波 器，具有较低失真系数和更高假频的高精度超级检波器，并提高检波器的抗干扰 能力。还有检波器的体积应向小型化方向发展。 8 基于m e m s 的地震检波器研究和设计 1 4 本论文研究内容和意义 本论文结构安排如下： 第一章，介绍了m e m s 传感器国内外研究现状和发展前景，提出了本课题 的研究内容和研究意义； 第二章，简要说明了地震检波器的分类方式，主要介绍了常规、超级、数字 地震检波器的结构和性能特点以及地震检波器的选用原则； 第三章，系统设计，其内容主要有：叙述了m e m s 加速度计的工作原理和 结构模型并推导出加速度计的输入与输出之间的比例关系，讲述了单片机的种类 和选用原则以及如何选择本文中需要的主要器件及其技术参数和特点，之后根据 需要详细画出了系统设计的电路原理图即各个组成部分的连接，包括a d 7 8 7 1 转 换器电路原理图、电源电路选择和原理图、a d 转换器通过c p l d 芯片e p m 7 0 3 2 s 扩展输入输出口和单片机a t 8 9 c 5 2 的连接电路原理图、单片机通过电平转换芯 片m a x 4 8 5 和上位p c 通信的串口原理图、以及单片机和外部r a m 相连接的原 理图以及简略介绍了两者的中间器件芯片7 4 l s 3 7 3 。软件部分主要是定时器的初 始化和控制字设置，写出了a d 中断服务程序、定时中断、串口中断发送接收流 程图，最后对检波器动态范围进行了详细分析。第四章，进行全文总结和展望， 并指出了下一步的工作。 本文的研究意义：目前我国的地震检波器水平基本上达到国际先进水平，但 是在产品的稳定性等方面有一定的差距，因此，我们应该积极努力，力争使我国 的地震检波器发展更上一个台阶，另外，可以加快并促进对我国油田煤矿开采事 业的发展。 9 基于m e m s 的地震检波器研究和设计 2 地震检波器 2 1 地震检波器分类 地震检波器是一种将机械振动转化为电信号的一种传感器，或者说检波器是 把机械振动转化为电信号的机电装置。它主要是用于接收由地震波引起的地面振 动，因此也成为“地耳”。也是应用在地质勘探及工程测量领域的专用传感器， 地震信息首先通过检波器再进入地震仪，也可称为地震仪的“咽喉 ，可见检波 器作为完整的地震勘探装置的一个重要部分，不可忽略。 地震检波器的分类方式有以下几种【1 6 】： ( 1 ) 根据机电转换原理，可把常用的检波器分为三类：即变磁通式( 动圈式) ； 变磁阻式( 或者动磁式) ，压电式。我国陆地上地震勘探工作中大多使用动圈式 检波器，在海上地震勘探大多采用压电式。 ( 2 ) 根据用途的不同，也可地震检波器分为地面检波器，沼泽检波器和井中 检波器、涡流检波器等。 ( 3 ) 根据勘探方法分为：纵波检波器和横波检波器。 ( 4 ) 根据自然频率分类，有低频、中频和高频检波器，频率范围有4 5 h z 、 8 h z 、1 0 h z 、1 4 h z 、2 8 h z 、3 5 h z 、3 8 h z 、4 0 h z 、6 0 h z 、8 0 h z 、1 0 0 h z 等各种不 同自然频率的检波器。 ( 5 ) 根据测量信号类型不同分为速度型，加速度型和位移型。 ( 6 ) 检波器输出的信号是模拟信号或者数字信号，可以把检波器分为模拟检 波器与数字检波器两类。 目前，勘探工程对数字检波器的要求如下：数字检波器除了具有普通检波器 性能而外，还有一些特殊要求，这些要求是：1 、固有频率比一般检波器低。目 前最低达8 h z 以下；2 、具有稳定的频率特性，地震检波器应该通过全部地震勘 探有效信号的频率，且长时间的频率漂移要小于5 h z ；3 、要有较小的非线性畸 变，且最低频处小于0 2 ；4 、要有尽可能高的灵敏度；5 、要具有足够的分辨力； 6 、使用环境的温度范围尽量宽，一般应在一4 0 c 以下至u + 1 0 0 * c 以上【2 们。 1 0 基于m e m s 的地震检波器研究和设计 2 2 检波器的结构和性能比较 目前地震勘探市场上使用的检波器多种多样，从使用环境分为陆地检波器、 沼泽检波器和海洋检波器，从工作原理分有电磁感应式检波器、压敏检波器和数 字传感器( 检波器) ，按输出信号所跟踪的物理量分又有速度检波器、加速度检波 器等。这其中还可分常规检波器和超级检波器等。 在这名目繁多的检波器中，到底哪些更有优势? 它们的性能指标又有什么差 异? 弄清这些问题对于正确地进行检波器选型、更有效地用好现有的检波器，都 是十分重要和必要的。为此，下面将按常规分类方法，对现在陆上地震勘探市场 广泛使用的检波器技术性能进行分析比较【2 1 1 。 2 2 1 常规检波器 常规检波器分为常规速度检波器和常规加速度检波器。 1 常规速度检波器的优势 常规速度检波器的制造和应用技术相当成熟，由于这种检波器经历了几十年 的发展和应用，所以具有设计制造标准规范、稳定性好、适应性强且成本较低等 特点。这类检波器的幅度频率特性、相位频率特性较适合石油地震勘探中地震信 号的接收，因此，它仍然是当今地震勘探市场上用量最多的检波器。 2 常规速度检波器存在的问题 相比其它检波器而言，这类检波器存在的问题主要有：1 ) 受工作原理、工 艺材料等的限制，波形失度真等技术指标总是达不到满意的效果，这也是磁感应 式检波器的瞬时动态范围长时间没有突破7 0 d b 的原因。2 ) 自然频率档位和串组 合方式过多。自然频率有：8 h z 、1 0 h z 、1 2 h z 、1 4 h z 、2 8 h z 、3 0 h z 、3 5 h z 、4 0 h z 、 6 0 h z 不等；组合结构有4 l 、3 3 、5x 2 、6x 2 不等，这就给检波器的互换 通用、备件材料供应以及应用选型等带来困难。3 ) 个体检波器之间的性能指标 一致性较差，这样会给地震信号带来组合失真。正因为常规速度检波器存在这些 不足，后来又发展了加速度检波器、超级检波器和数字传感器等。 3 常规加速度检波器： 对地震波而言