第二章地震检波器.doc

第二章 地震检波器地震检波器是把传输到地面或水中的地震波转换成电信号的机电转换装置，它是野外地震数据采集的关键部件。第一节 电动式地震检波器工作原理：当地震波到达地面引起机械振动时，线圈对磁铁作相对运动而切割磁力线，根据电磁感应原理，线圈中产生感生电动势，且感生电动势的大小与线圈和磁铁的相对运动速度成正比。图2-1（a）电动式检波器基本结构 图2-1（b）电动式检波器外形 图2-2 检波器内各部分的运动关系图2-2 检波器内各部分的运动关系一、运动方程的建立运动方程反应的是检波器线圈运动与地面运动的关系。 规定：地面产生的向上位移线圈框架（惯性体）的向上位移线圈相对磁铁的向下位移（0），并且： 1弹簧克服惯性体重力后的拉力 （2-1）2 线圈受到的电磁阻尼力根据法拉第电磁感应定律，线圈两端输出的电动势为 称为机电转换系数，也叫空载灵敏度。线圈中的感应电流为： 式中是线圈内阻，是线圈负载电阻。感应电流受到的电磁力： （2-2）3铝制线圈框架受到的电磁阻尼力当圆筒形铝制线圈框架在磁场中运动时，线圈框架内将产生涡电流。涡电流产生涡旋磁场，此涡旋磁场与永久磁场相互作用的结果也是阻止线圈框架的运动，这种电磁阻尼力与线圈框架相对磁铁的运动速度成正比： (2-3)根据牛顿第二定律，将式（2-1）、（2-2）和（2-3）相加： 即 （2-4）一般式 （2-5）衰减系数，自然频率 。二、输出电压方程和固有振动输出电压方程：检波器输出电压与地面运动的关系称为输出电压方程。输出电压为 对上式两边取一阶导数和二阶导数得 ， 将式（2-5）再取一次导数，然后将上两式代入得 （2-6）固有振动：当地面振动已经停止时，检波器输出电压也将按一定规律随时间变化，此电压称为固有振动。固有振动满足齐次微分方程： （2-7）欠阻尼状态：阻尼，两个共轭复根为： 固有振动电压为衰减正弦： （2-8）(a) (b) (c)图2-3 电动式检波器的固有振动 过阻尼状态：，两个不相等的实根为： 固有振动电压具有非周期性，且迅速衰减： （2-9）临界阻尼状态：，两个相等的实根为： 固有振动电压处于周期振动向非周期振动过渡的状态： （2-10）地震勘探的垂向分辨率：垂向分辨率的严格定义是：用地震的方法可以分辨地层的最小厚度。电动式地震检波器通常工作的欠阻尼状态，即固有振动为衰减正弦，固有振动的延迟时间为，则地震垂向分辨率： （2-11）式中V是波速。很明显，为了提高分辨率，检波器固有振动延续时间应缩短，提高检波器的固有频率有利于提高垂向分辨率。三、频率响应将地面振动的速度代入输出电压方程：对上式两端进行付氏变换，其传递函数表示为： （2-12） 振幅特性为： （2-13）图2-4 电动式检波器振幅特性 图2-5 电动式检波器相位特性 振幅特性曲线具有二阶高通滤波特性，因此电动式检波器对低频面波干扰有一定的压制作用。当时，振幅曲线出现峰值，峰值点频率和峰值分别为 ， 由此可见，当阻尼增大时，尖峰减小，且向高频一边移动。当时， 单调上升趋并近于，没有尖峰出现。当曲线介于和两种情况的中间状态，称这种状态称为最佳阻尼，将代入（2-18）式得： （2-14）最佳阻尼时振幅特性曲线具有最大平直特性。由于，所以最佳阻尼处于欠阻尼状态。第二节 压电式地震检波器一、压电陶瓷的压电效应电畴：压电陶瓷是铁电体的一种，属多晶压电材料，具有电畴结构。电畴是分子自发形成的具有一定极化方向的区域，从而存在一定的电场。极化处理：在外电场的作用下，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场的方向排列，从而使材料得到极化。（a）极化处理前 （b）极化处理过程中 （c）极化处理后图2-7 压电陶瓷中的电畴变化示意图 图2-8 束缚电荷与自由电电荷 图2-9 正压电效应 图2-10逆压电效应束缚电荷与自由电荷：极化处理后陶瓷内部仍存在有很强的剩余极化强度，在陶瓷片的一端出现正的束缚电荷，另一端出现负的束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的与束缚电荷量相等的自由电荷。(a) (b)图2-11 压电传感器等效电路压电陶瓷的压电效应：在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变，片内的正、负束缚电荷之间距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷恢复原状（这是一个膨胀过程），片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。该现象称为压电效应。 设压电检波器附近的水压为，则压电检波器的开路输出电压为 ，为与材料性质及陶瓷片结构尺寸有关的常数，称为压电检波器的开路灵敏度。二、变压器耦合式海上检波器压电陶瓷元件具有很高的输出阻抗，而地震仪的输入阻抗却相对较低，因此，长期以来广泛使用变压器耦合进行阻抗匹配。(a) (b)图3-12 变压器耦合海上检波器及其等效电路等效电阻：变压器耦合式海上检波器的传输函数为 （2-15）式中自然频率 阻尼系数 传输系数 其中： 令 可得最佳阻尼电阻为 变压器耦合式海上检波器具有二阶高通特性，其低截止频率f0 。三、带电荷放大器的海上检波器电荷放大器可提供低输出阻抗，并对检波器输出的信号起一定的放大作用。图2-13 带电荷放大器的海上检波器电荷放大器的输出为 传输函数为： （2-16） 其中 带电荷放大器的海上检波器的传输函数则具有二阶带通滤波器的特性，低截频为，高截频为，并具有倍的增益。 第三节 涡流式地震检波器一、工作原理：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，它使固定的线圈感产生感生电动势和电流。二、特点：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。图2-14 涡流地震检波器原理示意图三、传递函数规定：地面产生的向上位移紫铜环的向上位移铜环相对外壳有一个向下的位移（0），并且： 参考电动式地震检波器运动方程的建立原理，可能推出涡流式地震检波器的运动方程为： （2-17）在上式中：阻尼常数，自然频率电磁阻尼常数，惯性体（铜环）的质量涡流所产生的磁通量为： 线圈产生的感生电动势： 涡流电流与惯性体相对永久磁场的位移速度成正比： 所以感生电动势为： 将上述关系代入涡流检波器的运动方程得到电压方程： （2-18）将（地面振动的加速度）代入（2-18）式： （2-19）四、频率特性传递函数为： （2-20）振幅特性为： （2-21）地面振动的加速度作为转换对象时，涡流式地震检波器具有二阶高通特性，因此它是加速度检波器的一种。对