（测试计量技术及仪器专业论文）光栅地震检波技术的研究.pdf

摘要 随着地震勘探技术的迅速发展，其对频率、动态范围、精度及分辨率 的要求日益提高，必须通过对地震波进行高质量的测试来解决，以确保勘 探质量。本文提出了新型光栅地震检波技术进行地震勘探，开展光栅动态 测试技术的研究，对光栅振动传感器进行了研究与开发。 论文主要分为四个部分：地震检波器的发展背景、光栅地震检波器的 基本构成、莫尔条纹的辨向与2 0 细分技术、测试数据及结论。 本文分析了光栅莫尔条纹技术中存在的主要误差来源，通过对传感器结 构的设计和电路的设计，来弥补莫尔条纹技术的不足，确定了光栅地震检 波器的工作频率在5 0 0 h z 以下，振幅i m m ，通过电路的细分，可探测u m 级的振动振幅，建立了莫尔条纹测振技术的数学模型。提出了硬件细分辨 向，计算机采集还原的测振途径，成功的实现了探测光栅莫尔条纹位移量 和移动方向。通过对光栅传感器的设计及莫尔条纹产生原理，本文通过理 论分析、推导及大量的实验研究，确定了光栅测振传感器的设计要素，创 新的提出了光栅传感器的一般设计方法，分析和解决了影响振动传感器性 能的因素，设计了具有较高灵敏度系数，较小横向效应，有效克服温度漂 移的新型光栅振动传感器。基于新型光栅传感器的设计思想，通过对结构 参数的优化设计，实验研究了光栅地震检波器实际振动状态的性能，显示 出良好的应用前途。 关键词：光栅、莫尔条纹、测振、地震检波器 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f s e i s m i ce x p l o r a t i o n , t h ed e m a n do ff r e q u e n c y 、 d y n a m i cr a n g e 、p r e c i s i o na n dr e s o l u t i o nr a t i oi si n c r e a s e dq u i c k l y s oh i g h e s t - q u a l i t y s e i s m i cs u r v e ym u s tb yt h ew a yo fh i g hd e f i n i t i o nt e s t i n gt oe n s u r ee x p l o r a t i o n q u a l i t y an e wt y p eo fg a t i n gs e i s m i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d i nt h i sp a p e r r e s e a r c ho fg r a t i n gd y n a m i ct e s t , r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt h eg r a t i n g s e i s m i cs e n s o ri si n v o l v e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e ri n c l u d ef o u rp a r t ：d e v e l o p i n gb a c k g r o u n do fs e i s m i cg e o p h o n e 、 p r i n c i p l eo f g r a t i n gs e i s m i cg e o p h o n e 、h a r d w a r ea n ds o f t - w a r eo f g r m i n gg e o p h o n e m o s te l l o rs o u r c e so fm o r if r i n g e sh a v eb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r t h r o u g h d e s i g nt h es t r u c t u r ea n dc i r c u i t r yo ft h es e n s o rt om a k eu pt h ed e f i c i e n c yo fm o r i f r i n g e st e c h n o l o g y w o r k i n gf r e q u e n c yo ft h eg r a t i n gg e o p h o n eh a sb e e nc o n f i r m e d u n d e r5 0 0 h z a m p l i t u d ea m o n g l m m ，b yc i r c u i ts u b d i v i d e ，t h es e n s o rc a nd e t e c t a m p l i t u d er e a c hu n lg r a d e ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eg r a t i n gg e o p h o n eh a sb e e n e s t a b l i s h e di n t h i s p a p e r p u tf o r w a r dam e t i l o dt h a th a r d w a r es u b d i v i d ea n d d i f f e r e n t i a t ed i r e c t i o n ，c o m p u t e rg a t h e ra n dr e d u c t i v e t h er e s u l to fd e t e c t i n gt h e d i s p l a c e m e n ta n dm o v i n gd i r e c t i o no fm o r i ef r i n g e si ss u c c e s s f u l b yt h ew a yo f t h e o r e t i c a la n a l y s i s 、d e r i v e da n dm a s s i v ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，s c h e m i n ge l e m e n to f t h eg r a t i n gg e o p h o n eh a sb e e nc o n f i r m e d c o m m o n l yd e s i g nt e c h n i q u eo fg r a t i n g s e n s o rb e e nb r o u g h tf o r w a r d ，a n a l y z ea n dr e s o l v ef a c t o r st h a ti n f l u e n c ef u n c t i o no f v i b r a t i o np i c k u p d e s i g nan e wt y p eo f 铲a t i n gg e o p h o n ew i t hh i g hs e n s i t i v e c o e f f i c i e n t 、l i t t l eh o r i z o n t a le f f e c t 、o v e r c o m et e m p e r a t u r ed r i f t i n ge f f e c t i v e l y b a s e d o nt h ed e s i g ni d e ao ft h en e wt y p eo f 孕a t i n gs e n s o r , v i ao p t i m i z i n gd e s i g no ft h e c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r , e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hf u n c t i o no ft h eg r a t i n gg e o p h o n e u n d e ra c t u a lv i b r a t i o n n 圮g r a t i n gg e o p h o n er e v e a l sag o o da p p l i e df u t u r e k e y w o r d s ：g r a t i n g 、m o r if r i n g e s 、v i b r a t i o n 、g e o p h o n e 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。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了谢意。 学位论文作者签名玺建良 签字日期：口手年j 月，口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：杰逭南 导师签名： 1 和讪 签字日期：口缉明o h 签字日期：口啦年，月阳日 第一章绪论 第一章绪论 任务来源：国家自然科学基会瓷助项目批准号：4 0 1 7 4 0 3 1 1 1 地震检波器的研究背景 地震勘探是二战以后迅速发展起来的历史最长、技术最成熟且最有效 的地球物理勘探方法。地球物理勘探方法包括地震勘探、重力勘探、磁力 勘探、电法勘探等。其中地震勘探是以人工地震反射波为被测信号的一种 应用较广的勘探方法，它主要用于石油、金属矿藏、煤炭、工程地质、水 文地质和地热等的勘探。 野外资料的采集是整个油气勘探、开发过程的第一步。油气勘探技术 要求地震检波器能够检测具有位移、速度或加速度特征的地震反射、折射 信号，地震检波器应具有一定的灵敏度和尽可能大的动态范围。采集资料 质量的好坏，决定着我们是否能得到良好的地质剖面和正确的地质解释， 而检波器作为野外采集工作的第一环节。其重要性是不言而喻的。 地震检波器是一种将机械振动转换为电信号的机电转换装置，是应用 于地质勘探及工程测量领域的专用振动传感器。它主要分为速度型、加速 度型和压电型三种。压电型检波器主要用于水域及海洋的地层勘探；速度 型和加速度型检波器主要用于陆地上的地震勘探。近年来人们通过不断的 实践，已逐步认识到地震检波器的性能已成为制约高分辨率地震数据采集 发展的瓶颈。0 3 在8 0 年代后期，为了补偿大地对激发的地震信号的衰减，国内也引进 了日本o y o 公司生产的加速度型的涡流( 电磁) 检波器，但是，由于涡流检 波器的灵敏度与常规动圈检波器相比相差太大，对接收的地震信号的信噪 比影响较大，而逐渐退出市场。 为了满足高分辨率地震勘探的要求，国外检波器生产厂家曾推出“超 级”( 电磁) 检波器。如：荷兰的s e n s o r 公司在9 3 年推出了超级检波器s m 一2 4 ， 随后美国的m a r k 公司推出t u m - 2 。1 、日本的o y o 公司推出了g s - 3 2 c t 。与常规 检波器相比，超级检波器的参数综合技术指标提高了几乎一倍，特别是美 第一章绪论 国m a r k 公司标称其u m - 2 检波器的畸变达到了0 0 5 ，这一阶段的检波器动态 范围可以达至u 7 1 d a 。 目前地震数据采集系统的动态范围已经达到1 2 0 d b ，因此无论常规还是 超级检波器都远远落后于高分辨率或高精度地震勘探的要求。 从9 0 年代后期，为了满足未来高精度油气勘探的要求，各生产厂家先 后投入巨资研究开发新一代数字型地震检波器。目前美国i o 公司新研发的 数字检波器v e c t o r s e i s 的动态范围已经达到了9 0 d b ，由于存在一些技术问 题，至今未能实现工程化。近几年，我国石油物探局和天津大学合作开发 的全光纤加速度地震检波器，同样存在着难以解决的技术问题，在短时间 内也无法投入生产。嘲8 1 综观现有地震检波器，发现存在着以下一些问题：( 1 ) 频带窄；( 2 ) 动态范围小；( 3 ) 精度和分辨率较低等。因此，研究与探索高精度地震勘 探的新型地震检波器技术理论迫在眉睫。 1 2 国内地震检波器的进展圆圈删 1 2 1 地震检波器的类型 国内生产的地震检波器，从勘探方法上可以分为：纵波检波器和横波检波 器。就品种而言，不仅有用于接收纵波、横波的检波器，还有沼泽检波器、涡 流检波器、三分量检波器和压电晶体检波器。以自然频率分类，有低频、中频 和高频检波器，并已实现系列化，基本上满足了国内地震勘探的需要。 1 2 2 速度型检波器的进展 8 0 年代后期，西安石油勘探仪器总厂和石油天然气总公司物探局仪器总厂 先后引进荷兰s e n s o r 公司的s 卅- 4 系列和美国g e o s p a c e 的g s 一2 0 d x 系列数字 地震检波器的技术和设备，经过消化吸收及改进，推进了我国地震检波器的发 展，把国内地震检波器的生产提高到一个新的台阶。到目前为止，两家分别生 产的s n 4 和j f _ - d x 系列检波器在国内占据了大部分的市场，并出口到国外。其 主要技术指标见表1 1 所示 第一章绪论 表1 is n 4 和主要技术指标( 2 0 c ) 型号 名称 s n 4 一1 0 j f 一2 0 d x 自然频率( h z ) 1 0 5 1 0 5 线圈电阻( o )3 7 5 5 3 9 5 5 开路阻尼 0 2 7 10 3 0 0 并阻阻尼0 6 5 ( 并1 。4 k q )0 7 1 0 ( 并i k 0 ) 灵敏度( v c m s )0 2 8 8 5 0 2 8 7 5 失真 o 2 ( 0 2 假频( 1 t z ) 1 8 02 0 0 惯性体质量( g ) 1 1 31 1 o 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研制成功了达 到同类产品国严先进水平的“s n c 系列超级检波器”，它具有以下特点： 1 ) 各项常规技术指标允差均为- i - 2 5 ； 2 ) 具有1 0 0 0 h z 的宽频带； 3 ) 超过3 0 0 h z 的典型假频，适用于l m s 采样； 4 ) 失真系数小于0 1 。 石油天然气总公司物探局仪器总厂推出了2 0 d x 系列的超级检波器，其和 s n 7 c 系列超级检波器技术指标对比见表1 1 所示。 为适应地震勘探的不同要求，西安石油勘探仪器总厂研制了s q j 8 系列高频 检波器( 6 0 、8 0 、l o o t t z ) 、三分量检波器、沼泽检波器等；物探局仪器总厂推出 了c s g 系列地震检波器( 4 0 、6 0 h z ) 等品种，使国内地震检波器能适应各种勘探 需要。 1 2 3 加速度型检波器的进展 由于加速度检波器的输出信号与振动激励信号的加速度成正比，因而 具有随着振动频率的升高检波器的输出也随着增高的特点。速度型与加速 度型检波器的输出特性如图1 1 所示。 第一章绪论 ： 3 誊 青 以 图l1 速受嘶昀瞄瘦型盏船鼬输僦 1 3 国外地震检波器的进展啪m 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，现 仅为三个公司所垄断，即i o 公司下的原s e n s o r 公司、m a r k 公司、日本o y o 公司下的原g e o s p e a c e 公司。 s e n s o r 公司生产的s m 一4 检波器和g e o s p e a c e 公司生产的g s - - 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别s m r - - 4 h s ( s u p e r p h o n e ) ，参数允差从 士5 缩小为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 公司又推出了低失真、高假频s m 一2 4 超级地震检波器， 假频指标已由s m 一4 h s 的1 8 0 h z 提高到2 4 0 h z ，参数允差2 5 ，失真 0 1 ， 是国际物探市场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。 1 9 9 3 年后，美国西方地球物理公司( w e s t e r ng e o p h y s i c a l ) 推出的1 0 1 8 型检波器，虽然假频己提高3 0 0 h z ，失真已降低为0 1 2 ，但参数允差仍为 5 。 日本的o y o 公司推出了g s - - 3 0 c t 超级检波器，各项允差均为2 ，失真 0 1 2 ，但假频指标仅为1 6 0 h z 。随后，又推出了g s 一3 2 c t 超级检波器。 美国m a h k 公司为满足国际物探市场需要，也积极开发超级检波器，1 9 9 5 第一章绪论 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，采用了一种独特线 架结构，磁钢选用航天航空工业常用的高矫顽力、高剩磁、低温度系数的 衫钻磁钢，失真系数达到典型值 0 0 2 ，o 2 0 c 最大失真 0 0 5 ，假频达 至i 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。该检波器现已 在美国欧洲专利局，澳大利亚的国际知识产权( p c t ) 组织申报了专利并得到 了批准，在p c t 组织中申报的专利中涉及5 5 个国家( 其中包括中国) 和3 5 个地 区。国外超级检波器的技术指标见表1 2 。 表1 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 r砒r k0 y o 型号s m 4 一h ss m 一2 4m a r k2g s 一3 0 c t 自然频率( h z )l o 2 5 1 0 2 5 1 0 2 5 1 0 2 线圈电阻( q )3 7 5 2 5 3 7 5 2 5 3 9 5 2 5 3 9 5 2 开路电阻0 2 5o 2 50 6 8 2 5 0 3 1 6 并阻阻尼 0 6 2 5 0 6 2 5 o 6 2 灵敏度( v c m s )2 8 8 2 5 2 8 8 2 5 2 7 5 2 5 2 7 5 2 5 失真( ) o 1 0 1 0 0 5 o 1 2 假频( h z ) 1 8 0 2 4 02 5 0 1 6 0 惯性体质鼋( g ) 1 11 18 ，41 1 2 1 4 几种新型地震检波器的特点分析嘲 1 、磁电式 传统地震检波器绝大多数是机械动圈式。根据法拉第定律，长度为l 的 线圈相对磁场运动时，在线圈上的感生电动势的大小为 u = b l v( 卜1 ) 式中：u 一线圈两端的感生电动势： b 一磁感应强度； v 一线圈运动速度。 第一章绪论 动圈式检波器的工作磁场分布在磁靴与外壳间的环形空间的气隙磁场 中，要求其时效变化小、必须有足够大的磁通产生、在线圈的行程内磁场 分布要均匀。为此，许多检波器生产厂家先后研究了新的永磁材料，如选 用矫顽力大、剩磁高的磁性材料，并采用新的结构设计，以期获得更宽的 线性磁场范围，以降低检波器的失真度。 传统的永磁材料多为铝镍钴( a l n i c o ) 合金，而在近期投入市场的超级 检波器研制上，为了降低检波器输出的畸变，已经广泛应用了钕铁硼、钐 钴和铁钴合金等新一代稀土材料。 动圈式检波器的主要技术缺陷有： ( 1 ) 磁场的非均匀性对检波器的输出影响太大； ( 2 ) 对气隙装配与a n t 保证要求较高； ( 3 ) 灵敏度的非线性问题； ( 4 ) 高精度检波器要求埋置倾角越小越好，最佳状态为零。 正是因为有这些先天性技术缺陷，尽管许多厂家尽了最大的努力，仍 与未来油气勘探技术对地震检波器动态范围的要求有一定的差距，并且随 着勘探技术要求的提高，这种差距成为难以逾越的障碍。图1 2 是其结构图。 图i 2 磁电式传感器结构图 2 、压电式传感器 压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的，它是一 第一章绪论 种发电式传感器，一般需要与其配套的检测电路。与压电元件配套的检测 电路放大器有两个主要作用：一是放大压电元件的微弱信号；二是阻抗变 换，把高输入阻抗变为低输出阻抗。 通常前放有电压放大器和电荷放大器两种形式。 ( 1 ) 对于电压放大器，压电元件的输出特性为 ( w ) 2 而菰d 亓3 3 f m w 丽r 亍 ( 1 2 ) 此时传感器的灵敏度可以表述为 和u 嘞惕2 焘( 1 - 3 ) 其中：氏一压电系数； 吒一压电材料受到的作用力； w 一角频率； r 一电压元件的等效阻抗( r = r ai r , ) ； r i 一压电元件的绝缘阻抗； r 。一前放的输入阻抗； c b 一压电元件的等效电容； c 。一连接电缆电容； c ；一等效输入电容； 若增大放大器的输入电阻r i 值，可提高检波器的灵敏度。但要把r i 提 高到1 0 9 q 以上是非常困难的；另外一种办法是提高压电元件的绝缘电阻r a 也是难于解决的，r a 仅取决于压电材料。输入阻抗越高，则非常容易通过 分布电容拾取外界干扰信号。 从振幅特性可以看出，压电传感器的高频响应是比较理想的，但是地 震信号的检测多集中于l o o h z 以内，因此，这对于检测地震信号没有特殊意 义，反而会带来低频失真问题。压电式地震检波器信号的灵敏度，在采用 电压前放时还受测量电缆电容c ，的影响。 ( 2 ) 对于电荷放大器其输出特性为 u 。2 瓦i 再而丽玎再- j w 碡a o 了玎百而丽 1 4 ) 。 g 。+ g + ( 1 + 4 ) 6 ，】+ m c 口+ e + e + ( 1 + 爿) c f 】 第一章绪论 其中：入电荷； g 广反馈电路电导； g _ 一压电元件等效电导； g 广一前放等效输入电导； o 一反馈回路电容。 低频截止频率为 1 f = l 一 ( 卜5 ) 2 7 t c f r f 式中，r 广反馈回路阻抗。 与电压放大器相比，电荷放大器由于不受测量电缆分布电容的影响， 加上具有较低的低频截止频率( 是电压放大器的1 a 倍) ，因此，比电压放 大器更具有优势。 压电式地震检波器的主要技术缺陷： ( 1 ) 无静态输出； ( 2 ) 阻抗高，需要低电容的低噪声电缆； ( 3 ) 电荷放大器尽管比电压放大器有技术优势，但是价格较高，加上电路复 杂，通过调整来满足大动态响应状态是非常困难的。 3 、压阻式地震检波器 利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是用半导体材 料的体电阻做成的粘贴式应变片；另外一种是在半导体材料的基础上，用 集成电路工艺制成的扩散电阻，称扩散型压阻传感器。 压阻传感器的优缺点有： ( 1 ) 灵敏系数大，可测微小应变； ( 2 ) 尺寸小，横向效应与机械滞后也小； ( 3 ) 温度稳定性差； ( 4 ) 测量较大应变时，非线性严重； ( 5 ) 灵敏系数随拉伸或压缩而变，离散性较大。 因为压阻传感器是半导体技术制做而成，所以，对温度过于敏感，设 计时必须采用温度补偿结构。虽然高掺杂的方法可降低温度系数，提高压 第一章绪论 阻系数，但是，由于压阻系数与温度系数成正比，所以一般不采用这种方 法。为了补偿温度变化，压阻式传感器一般利用扩散技术制做4 个电阻，并 接入电桥。当4 个扩散电阻的阻值相等或相差不大，温度系数也一样时，则 电桥的零漂和灵敏度漂移就会很小，但在工艺上较难实现。 4 、光纤式地震检波器埘埘“”1 叼川 与传统检波器相比，光纤检波器具有： ( 1 ) 灵敏度高； ( 2 ) 是无源器件，对被测对象不产生影响； ( 3 ) 光纤是电介质，耐高压、耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠； ( 4 ) 频带宽、动态大； ( 5 ) 因几何形状而具有多方面的适应性； ( 6 ) 与光纤遥测技术配合，可以实现远距离测量，与控制。 1 ) 迈克尔逊型全光纤加速度地震检波器“” 图1 3 为加速度检波器的工作原理图。该检波器采用全光纤迈克尔逊干 涉系统，包括光源、谐振子、光探测器及信号检测与处理系统。在信号处 理中，采用交流相位跟踪零差检测技术，具有检测灵敏度高、抗干扰能力 强等特点。激光器l d 发出的激光注入到分束器后分为两路：下一路为信号 臂，工作时，谐振子( 图1 3 中的相位传感系统) 与大地产生相对运动，震动 的加速度使干涉光的光程发生变化；上一路为参考臂。信号光与参考光经 直接镀在光纤端头上的全反射膜反射后，按原路返回，在分束器中重新会 合产生干涉。经光电探测器将含有被测信息的光信号转换为电信号进行分 析与处理。 图1 3 光纤检波器原理图 9 第一章绪论 与马赫一曾特尔光纤干涉仪相比，迈克尔逊干涉仪组成加速度计是单 光纤相移的倍，即 中：。1 6 l m a n( 1 6 ) 删2 而加速度检测值 口：a c d 2 e d 2 ( 卜7 ) 口= 一 、1 一， 1 6 l m n 2 ) 多普勒光纤速度传感器( l d v ) “” 多普勒效应的数学表达式为 频差为 ( 卜8 ) a f = z f _ - f _ v = 孚 ( 1 9 ) c “ 其中：v 一波源运动的速度； 一入射光的频率； a 一介质中的波长； n 一介质的折射率。 波源与接收器固定不动，运动物体与波接触而引起反射波时，反射波 中也存在多普勒效应。此时，频率的变化量是波源或接收器单独运动时的2 倍，即 a t ：2 n ，v ( 1 1 0 ) 通过对频差的检测，计算波源或反射波的运动速度。 光纤检波器的缺点是工艺难度大，近期内形成产业化几乎是不可能的。 但从目前光纤传感器技术的发展来看，也是未来地震检波器有可能采用的 主要技术之一。 v c + o， 上一 = 石 第一章绪论 5 、混合集成式 混合集成型加速度检波器，是以迈克尔逊型全光纤加速度地震检波器 为基础，用芯片代替光纤分柬器而制作的一种检波器。其芯片采用y 切x 传 的t i ：l i n b 0 3 晶体作基片。工作原理如图l 。4 。光从波导l 耦合进入芯片， 经y 分支波导后分成两路在波导3 、4 中传播。然后进入参考光纤和信号光纤， 并在各自的端面处被反射，被y 分支波导收集后产生干涉现象，干涉光由波 导2 输出。波导4 中传播的光的相位被外界加速度信号调制，故对芯片输出 光强进行处理可以得到加速度信号。 6 、顺变柱体式“” l 一偏振片，2 一相位调制器，3 一反射膜 图1 4 混合集成型加速度检波器芯片 图1 5 为顺变柱体型全光纤加速度检波器，敏感元件的结构简图。该检波器 包含两个顺变柱体和一个质量块。顺变柱体为硫化硅橡胶材料，质量为 l ，每一 块上都缠有单模光纤，光纤端头上的全反射膜，其复合刚度系数为，作为迈克 尔逊干涉仪的一个臂。其信号处理与迈克尔逊型光纤加速度检波器相同。这个 1 系统相当于一个共振频率为五= ( 2 k 。m ) ：2 z 的阻尼简谐振荡器，顺变柱体 的作用是把外壳与质量块间的相对径向运动转变为光纤张力。当敏感元件受到 外界加速度作用时，就有相同的加速度作用在质量块上，迫使其中一个顺变柱 体缩短，另一顺变柱体拉长，形成了推挽式结构。推挽式结构是检波器灵敏度 第一章绪论 高的因素之一，采用迈克尔逊于涉仪结构可使该检波器的灵敏度得到进一步提 高，因为光线通过每一个传感器线圈两次。推挽式结构还可以用来消除温度和 压力变化对传感器的影响。 该检波器的主要缺点是体积太大，不便于野外施工。 图1 5 顺变杵体犁榆波器敏感元件结构简图 7 、半导体材料嘲 美国i o 公司研发的v e c t o r s e i s 数字检波器就是基于半导体材料的检 波器。在原有集成工艺如氧化、光刻扩散、外延和蒸铝的基础上，更采用 了微电子机械系统( m e m s ) 加工技术，其中质量悬挂系统则直接采用在单晶 片上通过m e m s 自h 工形成微米级弹性膜。图l6 为v e c t o r s e i s 数字检波器核心 部分的结构图。图中的上、下部分为端盖，左右为框架，中间部分为质量 体。 藿型 图i 6v e c t o r s e i s 榆波器核心部分结构 从i 0 公司公开的技术演示中推断该检波器采用电容式，工作中通过 检测两边电容量的变化调整加电的大小，使质量体平衡，而加电的大小则 反映了振动的大小，因此，这是一个具有负反馈特征的计策过程。 根据i 0 公司2 0 0 2 年发布的最新资料表明：采用v e c t o r s e i ss v s m 数字 检波器已经进行了1 8 块商业性数据采集，并取得了一系列令人瞩目的成果。 第一章绪论 在试验对比中，单只v e c t o r s e i ss v s m 三分量数字检波器采集的数据质量与 6 只组合使用的传统地震检波器的效果相当，更重要的是，通过三分量数据 采集，可以明确判定干扰信号的极化方向，在叠前对干扰信号进行剔除或 弱化，提高叠后成像质量。 1 5 课题研究的意义 在油气资源的勘探活动中，为了查清地下沉积环境和构造形态，地球 物理勘探过程中激发的信号都包括了较大的相对频宽，而大地作为一个低 通滤波器对高频信号的衰减比较强，使得非常重要的高频反射折射信息非 常的弱。因此，地球物理勘探工作者对地震数据采集的动态范围与信号保 真性的要求是无止境的，同时也促进石油物探装备技术的不断进步。 随着数据记录系统动态范围的突破，地震检波器在整个数据的采集环 节中的作用与对数据采集品质的影响而受到各方面的极大关注，地震采集 数据的品质基本上取决于检波器本身的品质、埋雹环境与记录数据系统的 性能，通常埋置条件是共性因素和可控因素，因为目前采用一数据流模数 转换技术的2 4 位遥测数字地震仪的数据采集动态范围已经达到了1 2 0 分贝 以上，所以检波器本身的动态范围也基本上决定了整个数据采集过程中最 大的有效动态范围。因此，提高未来地震检波器的动态范围成为未来地球 物理勘探技术对地震检波器的首要技术要求。 先进的光栅传感技术为振动传感的高分辨能力、高信噪比、高保真度、 高清晰度、高精确度和高可信度提供了理想的技术手段。 光栅一经问世，即以其高精度频繁应用于直径、缝隙、位移的测量协1 ， 应用技术已相当成熟，光栅器件经过几十年的发展，制作工艺技术有了很 大的进步，而对地震波的检测要求精度高、动态范围大、频带宽、分辨率 高，因此，利用光栅作为敏感元件检测地震波可以达到高分辨率地震勘探 的目的。 利用本课题的研究成果制造的传感器，具有动态范围宽、抗电磁干扰、 信号频带宽等的优点，以满足高精度、高分辨率地震勘探的需要。 第二章光栅数字式地震检波器原理 第二章光栅数字式地震检波器原理 本章通过对光栅莫尔条纹技术的系统研究。建立光栅振动模型，在对莫尔 条纹技术研究的基础上，论证了光栅技术应用于振动测量的可行性和优越性。 2 1 光栅莫尔条绞技术的原理 形成莫尔条纹必须有两块光栅组成： ( 1 ) 主光栅一作标准器( 光栅谐振子) ； ( 2 ) 指示光栅一作为取信号用。 将两块光栅( 主、指) 相叠合，并且使两者栅线有很小的夹角目，这样就可 以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹，如图2 1 所示。 图2 1 莫尔条纹的构成 2 2 莫尔条纹方程的建立泓3 光栅2 栅1 因为莫尔条纹是主光栅和指示光栅两刻线的交点连线而成，如图2 ，2 所示， 所以组成莫尔条纹的各点应满足两个光栅方程： ( 1 ) 莫尔条纹1 一由同各刻线诸点( f ，j ) ，等的构成： y l ：x t g 口：w lc o s l 9 - w 2 石( 2 - - 1 )y i = 口 w s i n 口 石 1 4 第二章光栅数字式地震检波器原理 w l 一光栅a 的栅距 w 2 一光栅c 的栅距 ( 2 ) 莫尔条纹2 一由( f ，j + 1 ) 等交点的连线构成； ：x t g a , = - - w lc o s 8 - w 2 y 工一旦 (22)2 x t g 2 磊忑厂卜茹 皑- ” 同理莫尔条纹3 的方程为： v ，；x t g a ：w 1cosif-w2-1”1一(2-3)xtgx - i y ：2 a 2 _ i 忑矿s i n 万 - 1 ，o y 。 型， 夕 吣 一 1 7 1 一_ 十3 7 xf 沙 i b , o l p 一 一一1 口1 ， a ， d ，三： 一 ： 一 二7 2 e 2 3 莫尔条纹分类嘲 图2 2 莫尔条纹简图 ( 1 ) 横向莫尔条纹 当两光栅的栅距相等时，即= w 2 = w ，则 t g a = w 1s i n 口 s i n 曰 魄昙 ( 2 4 ) y l ：一c o s o - 1 x ：一础g 旦 ( 2 5 ) ) ，k 百x 一搬j 2 5 式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 即为横向莫尔条纹方程，因为护很小，因此可以 认为莫尔条纹几乎是与y 轴垂直，其方向由角口决定。而莫尔条纹间隔b 由式( 2 - - 6 ) 决定： 肚壶 川) 2 ( 2 ) 光闸莫尔条纹 当6 b - - 0 ，则由式( 2 - - 6 ) 有曰寸o o ，此时，两光栅刻线平行，且随主光栅 的移动而成为明暗交替变化，这时指示光栅相当于一个闸门的作用，因此，此 种条纹称为光闸莫尔条纹。本课题中主光栅与指示光栅相对移动产生的莫尔条 纹即为光闸莫尔条纹。如图2 3 所示。 图2 3 光闸荚尔条纹示意图 2 4 光闸莫尔条纹测量位移原理嘲汹1 2 4 1 光闸莫尔条纹与亮的关系 工作时将主光栅和指示光栅的刻线面相对放置，两者之间留有很小的间隙 相叠合便组成了光栅付，并将其置于光源与透镜所形成的平行光束的光路中如 图2 4 所示， 1 6 第二章光栅数字式地震检波器原理 图2 4 传感器光路示意图 条纹 当主光栅移动时，透过光栅付的光作明暗变化，如图2 5 所示。 副 图图图蕊亮 图目目图半亮 莳m 暗 图圉民民半亮 ，c 、 r d l 图图图图亮 f e 、 图2 5 光栅几何干涉原理 设光源光强为，且光栅昌r jr 3 隙t = o ，主光栅移动到图示各位置时，其光强分别 为：( a ) 位置透光量为；( b ) 位置透光量为去，：( c ) 位置透光量为0 ；( d ) 上 位置透光量为去，；( e ) 位置透光量为。这说明光闸作用与位置成线性关系， 亮度变化曲线呈三角形分布，如图2 6 ( a ) 所示。 实际上两光栅之间存在一定间隙，则必有光的衍射作用，刻线边缘有一定 的毛刺和不直等因素的存在，造成亮度不均，由于这些原因造成三角形被削顶、 削底而形成近似正弦波曲线，如图2 。6 ( b ) 所示。 第二章光栅数字式地震检波器原理 ( a ) 光栅位置 图2 6 理想光栅亮度变化图 2 4 2 莫尔条纹与光电器件输出电压的关系 w ( b ) 光栅位移 图2 7 光栅输出信号波形 由于莫尔条纹信号的光强将随光栅副的运动而作周期性的变化，光强度受 光栅位移调制，光电器件输出的电信号为： = + 扛s m ( 争等善) p 乃 式中： 玲一光电元件输出电压，也就是检波器输出电压； 瞻一直流电平，也叫背景电压； k ，信号波形的峰间电压( 峰峰值) ： 1 8 誊孕米 第二章光栅数字式地震检波器原理 r 一光栅常数； x 一大地震动位移，即检波器输入量。 吼n ，* 三； w 坼一莫尔条纹数目( 周期数) 。 通过对莫尔条纹计数可以直接得出光栅位移值。 由此可见，采用这种机理实现的地震检波器根据反射地震信号波动的状态， 可以反映地质构造的形态。经信号处理并计数后，直接以数字信号形式输出， 易于实现检测过程自动化和数据处理自动化。另矫，通过数字采样，可以方便 地计算反射地层信号的瞬时速度，这也是目前已有检波器所不具备的双重特点。 2 5 误差分析嘲 2 5 1 刻制误差 刻制误差包括单线刻制误差和累积误差。由于莫尔条纹的平均误差作用， 大大减小了单线刻制误差对测量精度的影响。设光电接收元件覆盖条栅线， 单线刻制误差为占，则平均误差为： = 喜 3 n 2 5 2 累积误差 ( 2 8 ) 光栅的累积误差一般与测量长度成线性关系，我们采用余弦定律修正，即调 整光栅轴线与测量直线的夹角，使实际测量值通过夹角的余弦值得以修正。在 本课题中设计了光栅调节器，以校正光栅的累积误差。 笙三兰堂塑墼主茎些壁垒堕矍堕堡 2 5 3 照明光束与光栅平面不垂直带来的误差 光栅相对移动时、如果光栅间隙发生变 化，如图3 7 且照明光束与光栅平面不垂直， 将引起测量误差： d = d 口 ( 2 - 9 ) 指示光橱 主光橱 0 0 t 、 o 7 0 7 ) 时，随w 的增加幅频特性曲线下降很快，而阻 第三章光栅振动传感器设计 尼比过小( 善( o 7 0 7 ) 时，随w 的增加幅频特性曲线将上升，且在二= 1 附近出现 w 0 谐振峰，且阻尼比越小谐振峰越高，当频率比大于l 以后幅值很快下降。在上 述两种阻尼情况下，幅频特性平坦区都狭窄，而当阻尼比为临界阻尼或欠阻尼 掌= 0 6 0 7 之间时，传感器具有较宽的工作频率范围。因此振动传感器的阻尼 系统决定了传感器的工作范围。当善= 0 6 o 7 时将具有较宽的工作频率范围： 当输入为正弦信号时，输出的相位偏移对测量结果无影响，当输入为非正 弦周期信号时，为保证输出波形不畸变，则希望传感器具有线性相频特性，而 在孝= 0 7 的附近具有近似的线性相移特性。 对于测量加速度的振动传感器来说，它的动态特性除了其输出信号大小与 振幅和频率的关系外，还存在着一个相位和频率之间的关系问题，如图3 2 ( b ) 所示。式( 3 5 ) 表明了传感器的输出信号与输入加速度相位差之间的关系，而且矿 是频率比与阻尼比的函数，对一个具体的传感器来说固有频率和阻尼比是确定 的，因此矿只是被测频率的函数。但是在实际工程中，的特性直接影响到传感 器测得的结果，也同时反映传感器特性的好坏。如果传感器用来测量一个定的 无畸变的单一频率的正弦振动，那么它的相位是无关紧要的，没有涉及到频率 合成的问题，但是对于一个非正弦的周期振动来说，它包含有多次谐波分量， 传感器的输出对各次谐波的相位差各不相同，使输入信号中的各项谐波间的相 位关系不能在输出信号中保持不变，致使波形发生畸变，从而产生测量误差， 使传感器输出的波形与被测波形之间产生较大的失真。 综上所述，加速度传感器的频率特性可用两个特征参数善和来评估，在 相同的善下，越大则输出特性平坦区越宽，动态特性也越好；在确定固有频 率下，当孝= o 7 0 7 时，具有最宽的幅频特性平坦区，同时因有较好的线性相移 特性，而使输出波形失真也小。 在实际应用中，大多数情况下的输入信号为非正弦周期信号，在设计和分 析传感器可以工作的最高信号频率时，同时也必须考虑信号中的高次谐波的影 响，这时候可工作的最高信号的基频要降低。但是在一般情况下由于高次谐波 的幅值比基波小得多，因此它对频率误差要比对基波的频率误差要求低一些。 第三章光栅振动传感器设计 3 2 光栅振动传感器的理论设计 3 2 1 光栅传感器结构 依据光栅传感特性方程和上述的加速度计的测量方法，初步提出了图3 3 所 示的结构。 l 一光源2 一准直透镜3 一光源架4 一弹簧片 5 一振子6 - - - 指示光栅7 一光电元件8 一外壳卜光栅副调节器 图3 4 光栅测振传感器结构示意图 光栅测振传感器包括一个由对横向限振片( 4 ) 和振子( 5 ) 组成的弹簧一 质量系统；振子( 5 ) 和指示光栅( 6 ) 组成光栅副。该系统置于光源( 1 ) 和准 直镜( 2 ) 后，光电器件( 7 ) 之前，封装于密封的外壳中。当地面振动时，固 定于地面的传感器随之运动，其中的弹簧一质量系统与外壳产生相对运动，在 光电器件的接收面上产生运动的光栅莫尔条纹，经光电转换、信号处理并计数 后，以数字信号输出。 3 2 2 传感特性分析 传感器的特性一般是指静态特性和动态特性，通过实验观察得光栅传感器 的静态特性较好，在此不再介绍，将重点分析传感器的动态特性。为了便于分 析和处理光栅传感器的动态特性，文中通过建立相应的数学模型，把传感器看 作一个独立的线性系统，对于它的动态响应特性，采用常系数线性微分方程的 数学模型进行研究。又因为传感器的输出量与输入量之间的关系是一个时间的 第三章光栅振动传感器设计 函数，随输入信号的变化而变化，则引用“传递函数”这一概念来描述其输入 与输出之间的关系。 对比一般加速度传感器的力学模型，光栅振动传感器是由惯性质量m 、弹