（测试计量技术及仪器专业论文）地球物理勘探中新型地震检波器的研究.pdf

中文摘要 人类对石油、天然气、矿藏等需求的不断增长，促进了地球物理 蛰攘技术酶快速笈震。铸统地震捡波嚣在褒分辨率、小失真度等方匿， 已经越来越不能满足现代戳探技术的要求。近年来，许多餮家都在进 行新型地震检波器的开发与研制工作。我国的科研机构在新型检波器 的硪制方面，也墩得了许多有价值的戏祭。 本论文在墓家囊然秘学基金瑗嚣n o 。4 0 2 7 4 0 4 6 “激竞多普勒效应 在地球物理勘探中的方法和理论的研究”的资助下，完成的主臻工作 和创新有： l 、骚竞了逡震秘探中到达缝震检波嚣戆反射波性矮，分梃了途 震检波器国内外的使用现状、发展瑶状以及高分辨率地震勘探的要 求，分析了传统检波器如磁电、涡流、腻电检波器的检波器特性以及 现有的耨式检波器的检波原理，了解了这些检波器蛉使曩局限性； 2 、疆究了激巍多普羲效应在逮震勘探孛獒特点，分撬了衍射竞 栅的光强分布，究成了最佳光栅的选择，给出了产生多普勒效虚的多 种光路，推导了懋统输出的多普勒信号与输入振动信号的对应关系， 并对多普勒售弩遴行了对域、颁壤分薪，大量实验谖鹗，多謦勒售号 能够琵确反跃地面运动的信息，能有效的实现地震波的检测，i 7 i 且具 有其他检波器不飙备的很好的低频特性； 3 、研究了光橱莫尔条纹检波器鲶检波原理，推导了检波器的运 魂方程，反理论上导整了捻波器鹃输窭苍号与输入觜号豹关系，并通 过实验验证了这种对应关系，给出了这种检波器的频率使用范围，分 析了由光栅自身暇因、光路以及外界扰动弓 入的误滋； 碡、巍了设诗逶蘑予这两耪囊型检波器餐阻是系统，研究了器莉 永磁体的磁场强度特性，采粥了新型钕铁硼、圆柱彤永磁体，分析了 磁场强度的空间分布，提出了一种结构巧妙、形式灵活的涡流臌尼系 统，推导了疆懋篱的阻是力与篱酶形状参数戆关系戳及阻尼系数对蓑 塞蓿号的影嫡，逶过实验验证了这释辍豫系统有缀籍的疆趸效聚，该 阻尼系统具有“不改变检波器的原有结构、阻尼系数可调”等特点； 光栅具有耐腐蚀，抗高湿，抗电磁干扰等优点，憋光撩应用于地 震波检测，具有广阔夔藏最。 关键词：地震勘探地震检波器熬尔条纹多普勒效碰 a b s t a c t a so n ek i n d o f s e n s o r s ，g e o p h o n ei sw i d e s p r e a d u s e do n o i l ，g e o l o g y d e t e c t i o na n d e n g i n e e r i n gs u r v e y w i t h t h ed e m a n do f o i l ，g a sa n d o t h e r m i n e r a lm a t e r i a li n c r e a s i n g ，t r a d i t i o n a lg e o p h o n e sa r en o tc o n t e n tt ot h e r e q u i r e m e n t o ft h es e i s m i cd e t e c t i o n s o m ec o m p a n i e s ，s u c ha ss e n c e l o ff r a n c e ，o y oo fj a p a na n di 0o fa m e r j c a ，a r ed e v o t e dt o w o r ko v e ra n d d e v e l o pn e wt y p eg e o p h o n e s s o m ea c h i e v e m e n t sa t t a i n e d b y s c i e n t i f i cd e p a r t m e n t t h i sw o r kw a s s u p p o r t e db y t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n au n d e rg r a n tn o 4 0 2 7 4 0 4 6 t w on e w t y p eg e o p h o n e st h e o r yi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r b e c a u s e i ti sm a d eb yg l a s s ，g r a t i n gh a sm a n yv i r t u e s ，s u c ha se r o s i o nr e s i s t a n t ， e l e c t r o m a g n e t i s mr e s i s t a n ta n di t c a nw o r ki nav e r yh i 曲t e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n t o n ei sb a s e do nt h e t h e o r y o fm o i r 6 f r i n g e i n t h i sv i b r a t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e m ，s i m p l y o p t i c a l s t r u c t u r ei s a d o p t e d t h e m o i r 6 f r i n g eu s e di nt h es y s t e mi si m m u n et ot h et r a n s v e r s ew a v e m o v e m e n t e q u a t i o no f t h i sm e a s u r e m e n ts y s t e mi sp r e s e n t e di nc h a p t e r3 ，a n dt h e d a m p i n gs y s t e m i sd e s i g n e d t h eo t h e ri sb a s e do nt h et h e o r yo f f r e q u e n c ys h i f tw h i c h i sb r o u g h t b yd o p p l e re f r e c t i nt h i sm e a s u r e m e n ts y s t e m ，t w od i f f r a c t i o ng r a t i n g s a r eu s e d i nc h a p t e r5 ，t h em e a s u r i n gp r i n c i p l ei sa n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y t h e s y s t e mp r o v i d ep e r f e c ts i g n a l sw i t hh i g hs i g n a l - t o - n o i s e k e y w o r d s ：s e i s m i cd e t e c t i o nm o i r 6f r i n g e d o p p l e r e f f c c t 独创性声明 本人声绢所呈交的学佼论文怒本人在辞师指释下进行的研究工作和取褥的 研究成果，除了文中特别加以标注和融谢之处外，论文中不包含其他人已经黢表 或撰写过龅磷究成累，嘏不包含为获鼹蠡涟叁璺或萁媳教弯辍构翡孥经或涯 书掰键角避的材料。与我同工作的嗣志对本研究所做的任礴露献均已在论文中 俸了明确游说臻并表示了落意。 学位论文作者麓名：离华签字日期；印口牛年 1 月同 学位论文版权使用授权书 本学 立论文作者完全了解叁涟盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 姆援权蠢连叁望可戳将攀位论文缝全帮袋部分逡套绽入鸯关数摅瘁避行检 索，荠莱褥影印、缡露躐事j 稻等复制手段僳存、汇编以供查阏和僭阅。同意学校 向国家有关部l 蜊l u 构送交论文的复印件和磁盘。 ( 绦豢的学位论文在解密看适瑙本授权说硝) 学链论文捧卷签名： 篙擘 签字强麓；凇夸年f 胄6 爵 警瓣签名： 髯诹尝 q 签字阏期：a 牌厂月尹f i 第一葶帆述 第一章概述 在金属和非金属地质勘探工作中，物探方法是不可缺少的重要手段之一。物 探方法是根据不同岩石或矿石的物理性质：磁性、导电性、密度以及弹性等有差 异这个特点，来解决地质问题和寻找有用矿床的。地震勘探是地球物理勘探的一 种主要方法。它通过人工激发所产生的弹性波( 即地震波) 在地壳内传播( 包括反射 和折射) 情况，去探明地质构造形态特征，从而寻找与一定地质构造特征有关的 矿床，如石油、天然气、煤、水或金属矿等。 地震勘探学是一种遥感技术，其目的是把地下地质情况尽可能详尽的记录下 来。地震测量的成果是一个地质模型，此地质模型可描绘为有限的、一系列厚度、 物理性质( 密度和地震速度) 不同、以及构造不同的地层的总和。地层的输出信 号将被地震仪器的系统响应特性所改造。地层输出信号是由于在各层界面处的声 阻抗的变化所产生的。这些信号首先受到地层中的传播衰减调制和噪声干扰，然 后又受到地震检波器和记录器的响应特性的调制。其关系如下： 记录信号= 震源信号 反射率( 地层滤波器+ 噪声) 1 + 检波器响应+ 记录仪器响应 式中+ 表示褶积 假定已知震源的脉冲信号的特性和检波器、记录仪器的响应特性，就能把上 式中方括号中的函数求出来，这个函数就是地层的冲击响应。地层反射率是要测 量的参数。该参数包含了反射界面两边地层的密度和地震波速度等信息。地层滤 波器是吸收和衰减的可变函数，而吸收和衰减在数据处理时可以得到补偿。噪声 不能通过数据处理而去掉，要在数据采集过程中尽可能的加以补偿。实际应用时， 主要是通过野外排列的设计来补偿。 多年来的实践证明，地震勘探是探明地下构造、寻找油、气的一种行之有效 的地球物理勘探方法。随着现代信息传输理论、自动控制理论和模拟、数字电路 理论的发展，随着新工艺、新器件、新材料的不断出现和创新，在地震勘探仪器 方面也随着飞速发展起来。其中一个很大的刺激因素是人类对能源的需求不断的 增长，因而一些国家在石油和天然气勘探方面的仪器和设备上投入了很大的力量 来研制和生产。 地震勘探基本工作包括激发地震波、接收记录地震波和处理解释地震资料三 个方面。地震勘探仪就是为了接收和计量地震波而专门设计的一种精密的物理、 电子组合装置。地震检波器是把人为激发震源的直达波或各地层的反射波( 简称 筇章i | 5 述 为地震信号) 转换成电信号，然后输入到地震仪器的一种装置，它在地震勘探中 所起的作用是十分重要的，其性能的好坏直接影响地震记录质量和地震资料的解 释工作。因此地震检波器直接影响着地震仪的分辨率、频带宽度等性能。 地震检波器是应用于地质勘探及工程测量领域的专用传感器。它主要分为速 度型、加速度型和位移型。【i 副 1 1 国内地震检波器的发展状况 国内地震检波器的生产，到现在为止，已经有了五十多年的历史。在这些年 的发展过程中，大致经历了三个阶段：五、六十年代为仿制阶段，产品基本上是 仿制苏联和美国的检波器；七十年代为自行研制阶段，7 i ：始研制地震检波器：八 十年代以后，西安石油勘探仪器总厂等单位先后引进了具有国际先进水平的地震 检波器的技术和设备。 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、三分量检波器等。以自然频率分类，有低频、中频和高频检波器，频率范围 万4 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 0h z 等各种不同自然频率的检波器，并已实现系列化。 9 0 年代，为了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 了达到同类产品国际先进水平的“s n 7 c 系列超级检波器”，它具有以下特点： 1 ) 具有1 0 0 0 h z 的宽频带； 2 ) 失真度小于0 1 。 西安石油勘探仪器总厂研制了s q j 8 系列高频检波器r ( 6 0 、8 0 、1 0 0 h ：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 1 - 1 ：z 、 等品种，使国内地震检波器能适应各种勘探需要。 1 2 国外地震检波器的发展状况 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 s h ( s u p e r p h o n e ) ，失真系数由0 2 降低为o 1 以下。 1 9 9 4 年，s e n s o r 公司又推出了低失真s m 一2 4 超级地震检波器，失真小 于o 1 ，是国际物探市场最早推向市场的真讵的满足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 g e o p h y s i c a l l 推出的1 0 1 8 型检波器，失真降低为0 1 2 。日本的o y o 公司推出了g s 一3 0 c t 超级检波器， 奎f j 计概迷 失真小j 二0 。1 2 。随后，又推出了g s 一3 2 c t 怒级检波器。 荧国m a h k 公司为满足翻际物探市场需骚，也积极外发超级检波器，1 9 9 5 年在s e g 杂志上宣稚推出了一种低失真的m a r k 2 超级检波器，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、低滠度系数的钐钴磁钢，失真系数小于0 0 5 ，是 代表目漪国际党进水平酌最薪一代超级检波器。 1 3 地震检波器的发展前景 经过多年的勘探工1 乍之后，一些埋藏较浅、裘层地质条件简雄的构造油田大 多已被发现，现在等待人们去寻找的都怒一些墁激较深、地质条件较复杂的小构 遗油用，这就要求增大勘探深度和提高勘探的精度和分辨率。随赣高精艘浊气勘 搽技术要求戆提高帮涵气霸探复杂摇凌鹣增麴，物深技术要为漓气勘搽与油砸开 发提供更高精度以及更凇确的地下油藏信息，这就要求在地震数据采集过程中使 麓豹逮震检渡器楚备检渊燹徽弱缝下信惑静能力。 地震检波器正在朝着低失真、高假频、高有效输出( 低电阻离灵敏度) 的方向 发震。穗藩辩学铰寒懿逐速发袋，应强不丽薪技术、新章芎辩静吾静裣波器开始走 上舞台，如微机械检波器、压电陶瓷检波器、压阻检波器、光纤检波器锋，还有 些瑟技术瓷会滤瑷在寒寒检波器懿产燕串。 地层勘探技术的发展，导致对地质构造的描述向更深、更小、更薄的方向延 搴，莲之瓣来豹簌是怼恐震仪器戆要求越来越巍：售号溅量懿离分辨率、爱磐静 动态范围、强的抗干扰能力以及更多信邋和高采榉率。进而达到商分辨率地震勘 撵镶域，特裂是褒浅屡圭l 鏊震裁探鞠工程逡震孛，蕤羲耘一代逶器辫号源可控 震源的出现，给常规地震观测系统提出了难题：黼频信息的获取、微弱信号的检 溅穗扫攒傣号的长蛙阕辩录等。 1 4 传统地震检波器与新型地震检波器 传统陆用地震检波器按照工作原理分为磁电式检波器( 速度测) 和涡流检波 爨( a n 遮度型) 和匿电检波器。般嚣鼹耱适瘸予陆地懿搽，嚣秘逶瘸子海洋 勘探。 1 4 1 磁电式地震检波器 笫一章概述 电磁式检波器是地震勘探中技术最为成熟的一种陆用检波器。其原理图1 1 所示： 检波器的芯体由磁钢、极 靴、线圈架、线圈、弹簧片组 成。线圈由漆包铜线绕制。当 地面振动时，线圈与检波器外 壳将有相对运动产生，即线圈 在由磁钢、极靴和外壳之问的 空气隙内作切割磁力线的运 动，由于线圈内的通量发生了 变化，由此在线圈内产生了感 应电动势，该电动势即为检波 器的输出。该种检波器的特点 2 一弹簧片；2 一线框；3 一线圈；4 一外壳：5 一磁铁； 图1 - 1 磁电检波器简图 是：工作频率不高，输出信号大，性能稳定。 1 4 2 涡流地震检波器 涡流检波器是上世纪8 0 年 代发展起来的一种陆用检波器， 在本质上是一种加速度检波器。 其原理如图2 2 所示： 其中圆柱型永久磁体、磁靴、 检波器外壳组成一个闭合磁路， 非磁性惯性体一一铜套通过弹簧 片悬挂在环型空气隙内，可沿着 检波器的轴向运动，并与固定在 外壳的线圈构成了一对耦合线 1 、外壳；2 、弹簧：3 、铜套；4 、吲定线圈 5 、磁铁 图l - 2 涡流检波器原理图 圈。涡流检波器是依据电涡流原理进行工作的，即地层运动信号引起短路环在磁 场内切割磁力线，并在其上产生电涡流，通过耦合线圈的作用，该电涡流同时在 固定线圈中诱导出互感输出电压。 1 4 3 磁电、涡流检波器的缺陷 4 絷一寿概述 这添类检波嚣均女f 隶磁奉孝攀 援供工作磁场。捡波器懿镁经体( 线圈或满凌环) 在永磁材料提供的气隧磁场中切割磁力线产生磁感应信号输出。因此，磁体是这 两种检波器重要的缀成元件，磁体的磁性能是否稳定将直接影响到检波器的精度 和稳定性。通常可弓i 起磁体性& 变化的原因主器鸯：温度影碣避；夕 嬲磁场影嗽； 振动辩潼击；在正露条馋下擎鳃豹露秘影嫡f 磁螽效) 。 永磁体经磁化后，在常温和没有外界因索影响的条件下，永磁体磁感应强度 或气隙磁通随磁化蔚时间的增长丽缓慢下降。梭波器整体使用寿命厂家一般规定 为l 3 年。 强翁世界各国鞴地上勘探常用的检波器楚磁电式活动线圈检波器，它已有了 半个多世纪的历史。研究发现，磁电式检波器的线圈( 图1 1 ) 在非线性的磁 场中运动时，检波器的输出电臌不与线圈的蝴对速度成正魄，丽按其切割磁力线 浆瑟聪密度磊交毒毫。这样，使检波器静辕毒波形产生了鞠爨豹菲线往晴变，也就 使检波器产生了谐波失真。要减小这种失真，啦一的方法就是提高磁场的线性程 度，但窳际上要产生线性的磁场怒很难的。另外，磁电式地鼹检波器对气隙的装 配帮鸯鞑王王艺要求玻薅；在野多 勘探现场茨躅瓣，毫精瘦羧滚器要袁鬓鬟l 嫒建越 小越好。 缀然近年来研制的涡流地震检波器，有灵敏度随激励频率增高而增大的特 性，麓频灵敏度的增加有助于补偿信号e 垂予大地传播面急劂衮城的高频成分，这 黯提鬻韵搽分瓣率恶疑会有一定的帮韵，但怒这释检波器酌缺点就是输穗信号太 小，灵敏度太低，致使它的应用受到了极大地限制。 1 4 4 压电式地震检波器 愿电式检波器的工作原理是以某些物质的压电效应为熬础的，检波器中一般 需要与压电元件配套的检测电路。 鹰电式检波器瓣特点是： 蠢静态输出； 需臻低电容的低噪声电缆。 瓞电式的检波瓣常用于海洋嫩震勘探，擞2 0 0 2 年，瑗安某公司推班了一种 y d - 2 0 0 0 g 璧藏臻藤邀检波器，莛经裁窝特熹细下：灵敏发4 ( 4 0 h z ) 8 ( 8 0 h z ) v c m s ，使用频率范围5 5 0 0 h z ，最低可测搬级1 0 4g ，相俄一致性 霹鸯以下绪论： 1 ) 一_ = 成时，掌= 0 ，不会发生反射， 珐k 矿2 吒时，掌0 ，有可能发生反射， 矿矿黎羹波篷获，爱蹇季发垡三在渡辍撬有差异匏努赛瑟上； 2 ) 当反k p ：时，即下鼷分质的波阻抗小于上层介质的波阻抗，掌 1 ，c 0 , 8 。 3 1 4 光栅测餐中的辨向 光栅地震检波器是用来记录地 藏振动懿，两地褥的振动是一葶孛往 复运动，所以在光栅系统中必须增 加辫向系统，使褥输出傣号能够波 ，谯地面运动的方向。辨剐方向的方 法，通常跫由薅个媚位差为9 0 度的 信号个正s 鼓信号和一个余弦 债号，并使一个信号楣僚导前或滞 精另一信号来完成。 0 筇 3 图3 4 指示光栅示意图 ( 玎+ 扣 如+ 马蠢 ( ”+ 扣 本课题中的光概系统辨向的原始信号的获褥，是由搬示光掇的特殊续橡来完 成的。攒示光栅幽西组相互平行的、但剽线错歼1 4 节躐的子光栅构成，称为裂 桐光栅。 由潮中可以看到，在垂直刻线的方向上，籀示光栅分为1 ，2 ，3 ，4 四个区 域，相邻区域分别错开a 4 。四个区域与主光栅相作用，形成各巍的光婀葵尔条 纹，分窥由谣个疆光电滚接收，光电信弩为：s i n o , e o s o , 一c o s 积一s i n 0 。取这样 的四组信号，不仅是为了辨向，而且也是为了能在电路中有效的消除直流分量。 3 2 竞褥邋震检波器静模型及其运动方程 3 2 1 光援建麓检波黎麓基本结构 箱二前光栅莫尔条纹地震榆波器 1 、光源2 、聚光镜3 、光线4 、主光栅5 、指示光栅6 、光电器件 7 、上端盖8 、u 固定装置9 、1 2 弹簧1 0 、指示光栅及接收元件固定装置 1 3 、下端盖1 4 、外壳 图3 5 光栅地震检波器的结构示意图 该地震检波器的光学结构包括：光源， 光栅付( 主光栅和指示光栅) ，聚光镜，四 个硅光电池，采用直接接收系统。 1 、照明系统。包括光源和聚光镜，光源 放在聚光镜的焦点处，光线经过聚光镜后成 为平行光照射在光栅副上； 2 、光栅副。包括主光栅和指示光栅，两 者在平行光的照射下形成莫尔条纹。地震检 波器的精度主要取决于光栅副的精度： 硅光电池 光栅副 图3 6 莫尔条纹检波器光路简图 3 、硅光电池。它把光栅副形成的莫尔条纹光强度的强弱变化转换成电量输出。 所谓的直接接收就是光栅副形成的莫尔条纹不经过任何光学器件，如透镜， 而直接被光电元件接收。直接接收式光学系统的特点是结构简单、紧凑、调整方 便，性能稳定。 采用四个硅光电池，可以获得0 度，9 0 度，1 8 0 度，2 7 0 度四相输出信号， 该信号可作为四倍频信号。在此基础上，可以进一步进行细分，以获得更高的分 辨率。 由光电池产生的0 与万，以与3 以两组信号分别送到两个差分放大器的输 二厶 入端。这种差分电路可减少由光源波动、光电池暗电流的变化影响。两路放大器 蝌二章j 乜栅她尔条纹地震愉波措 输出相位差为职的信 号。这两路信号分别进入 电压比较器。由标准电源 提供2 5 v 的电压，加在 放大器上，以保证放大器 的静态工作点。由电压比 较器输出的信号是相位 差为似方波。 3 2 2 光栅地震检波 器的工作原理 + 5 v 由图3 8 可以看 图3 - - 7 光栅莫尔条纹检波器光电转换电路 出，该检波器的动结构是 将主光栅固定在弹簧片 上构成的。当地面振动时，固定于地面的检波器随之运动，检波器中的主光栅一 弹簧质量系统与检波器外壳产生相对运动，在光电接收器件的接收面上产生运动 的莫尔条纹，经处理后，以数字信号形式输出。 根据机械振动学理论，该检波器属 于单自由度系统，可简单的表示为 k ，k ：为两弹簧的刚度，c ，c ，为 系统的阻尼；质量块川为主光栅以及 其固定装置的总质量。 驮地面为原点坐标，设质量块m 的 绝对位移为z ，检波器壳体位移( 也就 是被测点的地面的位移1 为y ，则质量 与壳体间的相对位移为x = z y ，由此 可根据测得的相对位移，确定地面的位 移y 。 图3 8 光栅地震检波器的模型 通过受力分析可知，质量块的运动方程与重力无关，仅与系统本身的参数有 关。 根据牛顿第二：定律，用绝对位移z 描述质量块的运动，可得运动微分方程： 第二啦光栅 必力；祭纹地震榆浊器 2 ) f = 1 ，峨器阻慰 3 ) 1 时，鲁_ l ，即系统的输出振幅： ，0 x * 磊。为了使纹器频率霞磺藏戮扩大，应获褥较大静额搴跑万，掰蔽骚求仅 器本身固有频率应尽可能的低。 莫尔条纹信号的光强是随着主光栅和指示光栅相对的能移丽变化的，经光电 转换纛，其波形( 裁3 - - 2 ) 可表示为： y = 均+ 知。s i n ( 三+ 等x ) ( 3 9 ) 式中：v 一一硅光电池输出电腿，即检波器输出电压； 脚一一直流电压，也叫背景电压； 吃一。一一信号翁蜂峰僮： d 一一光撩常数； x 一一主光栅相对于指示光栅的位移 由式( 3 - - 9 ) 可知，硅光电池的输出出双光栅的相对位移决定：由式( 3 - - 7 ) 帮( 3 8 ) ，裰光撵戆疆瓣继移垂逡瑟叛溺戆叛耀帮频率决定，鬣j 麓：，该光 栅地震检波器可以反映地震波的振 幄、频率等特征。【2 4 】 3 3 党掇地震检波器的输溅僖 号测试 当商振动作用予光栅地震梭波 器上，光瓣餮产生撩对运动酵，产生 强3 9 检波瓣测试方摇謦 与之同步的莫尔条纹，由光电器件转换成周期憔的电信号。该电信号经后续电路 进行放大、整形、辨向和细分等处理后，刻获褥反映振动情况兹信号，遴j 芝对该 谙号静分帮亍，郄可褥饕原输入叛渤的参数，如振幅、周期。 始一- # 光栅艾尔条纹地震榆浊器 的捡波器的输出波形。 么 一一 ? 。? 。? 。 i 1 i1l，1j_l jli q “ 巾 毋拶 输入频拳( t z ) 鹫3 1 2 频率与襁蕊遨 3 4 光栅地震检波器的弹性元件 弹簧片是检波器里悬挂主光栅的弹1 生元件，也 愚壹接彩桷其疲劳寿翕豹关键。悫褪圭| 亟震检波器所 采用的弹簧如图3 一1 3 所示： 津簧片安装翡实嚣情况：约寒逮赛为羚甏霭 支，内圈只允许在面内沿加载方向移动。 实验中发瑗，弹簧片凝裂藏鬻是簧片在嚣淘变 形时，筋条根部产生应力集中和加工造成的边缘缺 酝。瓣决送一淘繇弱避发轰在予敬善弹簧泞蕊庭力 分布，消除边缘加工缺陷。 鹜3 一1 3 检波器弹簧 壤握对骜簧片浆理论诗葵秘实验疆究，在考虑到疆毫检波器蒗铡横蠢谐 振频率的前提下，重点要求降低筋条根部的成力水平，改善筋条的应力分布， 城小墩力集中。函姥，该弹繁片蟾特点为： ( 1 ) 筋条根部较宽； ( 2 ) 瘸蚀成影，边缘光污无搂，嬲工毛刺藜本瀵狳。 幽图中可知，该弹性元件只允许检波器的敏感元件一一主光栅在垂直方 向运动，对横向振动囊限制佟用。f 2 5 以6 l 3 5 光栅遗震检波器的特性： 3 5 1 网有频率( 自然频率) 5 4 3 2 ； o 基砻罂 第三章光棚焚尔条纹地震榆波器 自然频率是检波器记录带宽的下限，其数值的大小对于充分利用现代记录 系统带宽的特点，将地面质点振动的机械性能转换成具有足够优势信噪比带宽的 电信号是一个重要因素。 自然频率是检波器心体内弹簧一一主光栅系统的等效质量、等效刚度决定 的自由谐振频率，其值的大小是重要的技术指标，而且常常与线性度、灵敏度等 相互制约，同样还会受到材料性能、结构形式等客观条件的限制。由于该系统是 个具有分布参数的系统，因此，实际数值的确定既要有理论计算，还要与实验相 结合。 固有频率= 去辱 ( 3 1 0 ) 式中：k 为弹簧的等效刚度，这里，检波器的弹簧等效刚度等效为上下两弹簧的 刚度之和：m 为检波器悬体的总质量，包括主光栅的质量和固定主光栅的铝块的 质量。 m = 1 1 8 9 k = 4 2 n ，m 根据式( 3 - - 1 0 ) 经计算可得检波器的理论固有频率为9 5 h z 。 固有频率的实验确定一一半功率带宽法 半功率带宽法是一种基于受迫振动理论、通过振动实验来获得系统的固有频 率的方法。 对系统施加振幅为r 、频率为出的 激励，并保持振幅不变，逐渐改变输入频 率国，测得对应于不同的振幅x 。，然后 绘制幅频特性曲线。当激励接近与固有频 率时，幅频特性曲线大致如图3 一1 4 所示。 若共振峰值为置，由于功率与振幅平 方成正比，一半功率对应的振幅便为 t 殇“纵坐标高度为t 吆的水平线与 曲线交于两点相应频率为乱和甜，) ，此两 图3 1 4幅频响应曲线 点称为半功率点，而频率羞( m ：一甜) ，则称为半功率带宽。 帮三章光栅萸尔条纹地震榆波 一般丽言，珊。介于和珊：之问，并接近两者的平均值，即 。= 半 实验测定系统固有频率见4 3 节。 3 5 2 分辨力 ( 3 1 1 ) 分辨力是指检波器所能够输出的最小信号。对于光栅地震检波器而言，采用 1 0 0 线m m 的光栅副，即光栅节距d 为0 0 1 r n m ，后续信号处理中采用8 0 倍细分 技术，可使得该检波器的最高分辨力达到0 0 m m ，即：1 2 5 1 0 。4 m m 。 3 5 3 动态范围 地震检波器的动态范围是指仪器系统在给定允许的非线性畸变的数值范围 内，系统输出端的最大振幅值与系统内部噪声的最大振幅值的比值。通常用分贝 表示。 本课题中所设计的光栅地震检波器最大输出振幅为l m m ，由3 5 2 可知， 其最小输出振幅为1 2 5 1 0 _ 4 m m ，所以该检波器的动态范围为【2 扣3 2 】 9 d = 2 0 l o g 二_ = 8 4 d b 一1 2 5 x 1 0 “ 3 6 光栅地震检波器的特点 1 ) 由于该地震检波器的最大输出振幅的峰峰值很小，只有2 m m ，因此，检波 器中的惯性结构一主光栅及其固定装置，可以做的很小： 2 ) 该检波器的敏感元件为光栅副，是无源的光学元件，对外界的温度、湿度、 电磁场均无特殊的要求，使用范围更加广泛； 3 ) 按照光闸式莫尔条纹产生的原理，当光栅副有横向相对位移时，即光栅副在 平行与刻线的方向上有相对位移是，将不会引起莫尔条纹分布的变化，检波器输 出不会变化； 4 ) 在不使光栅副在运动引起摩擦的情况下，调整光栅副之间的距离，使得反差 为c 最大； 5 ) 为了避免细小的灰尘对光栅刻线的影响以及较大灰尘进入光栅副之间，引起 光栅副的摩擦，使光栅受到损伤，应该对检波器加密封装置。 3 7 误差分析 第二争光栅戈尔条纹地震椅波器 l 、温度误差 玻璃的线性膨胀系数平均为o r = 8 1 0 “。c ，检波器的光栅长为2 0 m m ，使用 温度范围为- - 4 0 。c 4 0 。c ；在这个温度范围内，光栅常数的变化为 a d = 口x t d 当光栅检波器在1 范围内振动时，振幅最大测量误差为 1 ：d 三一= 1 2 8 n m o 0 1 2 、光栅间隙的变化和入射光线不垂直于栅面引入的测量误差 a 2 = 6 t 0 0为入射光线与栅面法线的夹角； 国为光栅间隙的变化； 在莫尔条纹的光栅间隙的选择要遵循的原则：在保证不引起光栅面的摩擦前提 下，尽量选择小间隙，其次要保证有较好的信号质量以及电子细分的精度：对于 1 0 0 线m m 的光栅，推荐间隙为0 1 5 0 0 1m m ，因此取西= 0 0 2 r a m ，当0 角的 变化为1 时，a ，o 5 8 n m 3 、照明光束不平行引起的测量误差 照射在栅面上的光束不平行，将引起相位差，从而导致测量误差， 函：型 d 式中：妒为光束的夹角； t 为光栅副的间隙； d 为光栅常数； 4 、其他原因引起的误差 光源发出的光能量的不稳定将直接导致测量误差；直流稳压源的电压纹波将 引起放大器静态工作点的变化，造成测量误差；另外，灯丝的宽度、透镜的球差 和色差都会对测量有影响。 鹉旧带m 尼系统 第隧章阻尼系统 阻怒系统可以通俗的理解为一种耗能装置。自由振动的机械系统在无阻尼的 乍用下，将会作永远持续下去的麓谐振动。这在现实中是神不霹存在的装置。 实际上，任意一个自由振动的机械系统，熊振动都会随着时间的搬移而逐渐减弱， 这就是阻尼在起作用。 爆炸产生的地震波，到达观测地面时是非稳定的。为了使检测系统能记录这 种非稳定振动，就必须使系统的自由振动很快的褒减。 由予地震波麓一种连续的振韵，地j 鬣检波器在用于地震勘探时，系统一直处 于受激状态，也就是说，该系统的振动是一种受遗振动。如果不采用适当的阻尼， 商可能袋系统工作在共掀状态，从丽使撼震检波器的使羽寿命降低，甚至损坏检 波器，使勘探数据无效，丽阻尼系统可有效的压侉共振峰值。 勇鳋，在遣震勘探中，遗震稔波器的酶时闻豹持续自由震荡，会使朔邻薄层 的两个地震反射信号混叠在一起，不利于对薄地层的分辨。因此，要求地震检波 瓣王 睾予一个逶囊静阻掰狡态。 阻尼比是阻尼系统的重要参数，也是地震检波器的最基本的参数。阻尼比对 梭渡嚣输出豹辐额、耜簇特桎有燕著影桶，合理豹阻尼院不仅能扩大量稷，而营 能够减小相位畸变。 疆慰魄豹交纯，嗣辩会带来撼震检波器翡囊然频率莘嚣灵敏发的交纯。 4 1 阻尼系数的选择 羽 撵 磷 删 靛 爨 蒜 蟹 髂 群 辫 瓣 以传统磁电武检波器为例： 频率比为输 频率- i n 有频率之比值。 图4 1 不同阻尼系数对于检波器输出的影响 第p u 搴叭j 系统 由上图可以看出，阻尼程度对于检波器的幅频响应和相频响应都有着显著的 影响。 当阻尼增加时，幅频响应曲线中的共振峰值的幅值减小，直到消失。所以， 适当的阻尼可以抑止系统的共振。在阻尼增加时，灵敏度降低，而且在低频时要 比高频时灵敏度降低的更加明显。 对于相频响应，当阻尼系数增加时，相频响应曲线的陡度逐渐变得比较平缓。 如果要求地震信号无失真的通过该检波器，那么应该选择适当的阻尼系数， 使得幅频特性在地震波的通频带内为一条水平的直线，而相频特性为一条斜率不 为零的直线。 阻尼系数的选择应当在水平的幅频响应和最小相位畸变以及灵敏度之间作 最佳的折中。一般都将阻尼系数选为0 7 ，这时，共振峰值消失。虽然阻尼系数 选择为0 7 时，振动幅值有一定的反冲，也就是说，在检波器的输出端将出现一 个振动项，但在实际应用中，该振动项的影响是微不足道的。【1 】 4 2 阻尼对系统输出信号的影响 阻尼的大小对输出信号的幅值和相位等都是有影响的。由第三章的分析可 知，系统输出的信号与大地的输入信号的关系为： x = x s i n ( d