检波器技术探讨PPT课件

1 地震检波器技术探讨 东方公司装备事业部 2005年7月20日 2 长期以来地球物理界都公认 主要包括地震检波器在内的地震数据采集系统 是影响地震数据接收质量和野外施工成效的决定因素之一 目前市场上有各式各样的检波器 如电磁感应式检波器 压敏检波器和数字检波器等 在品种繁多的检波器中 关键技术是什么 应该如何更有效地应用它们 带着这些问题我们来尝试性探讨地震检波器技术 目的是想从另一个侧面为地震勘探主体提供我们应有服务 引言 3 主要内容 一般说明模拟地震检波器数字地震检波器认识与建议 4 地震检波器属性 地震检波器是将振动信号转换为电信号的一种传感装置 其核心作用就是采集地震数据 考虑到地震信号具有 动态范围大 频率范围宽 速度变化快 背景噪声多等特点 因此就要求地震检波器具有 分辨视角广 频率响应好 线性度高 抗干扰能力强等属性 这也就是地震检波器一直追求低失真 宽频率响应 灵敏度高 噪声小等的内在原因 一般说明 5 地震检波器现状 一般说明 目前勘探市场应用的检波器千姿百态 从原理上分有 电磁感应式 压力感应式 重力感应式 从自然频率分有 8 10 12 14 28 40 60Hz不等 从串内的组合方式分有 4 1 3 3 5 2 6 2不等 从传感的物理量分有 速度型 加速度型 从输出信号特征来分有 模拟和数字检波器等等 这种纷繁复杂的状况对地球物理勘探并不见得是件好事 6 一般说明 地震检波器面临的问题 作为地震数据接收环节的第一道门槛 地震检波器一直是获取高质量地震数据的焦点 为此人们不断在追求更加完善的地震检波器 就目前地震检波器技术现状言 模拟地震检波器主要还存在如下几方面的问题 一是瞬时动态范围与地震信号不匹配 二是频率响应范围小 三是体积和重量仍是施工困难因素 四是自然频率和组合方式过多 五是抗电磁感应能力差等 这也正是数字传感器的技术突破 7 模拟检波器 模拟检波器概述 模拟检波器就是输出为模拟信号的地震波传感装置 陆地主要以常规或超级速度型检波器为代表 深水域主要以压敏检波器为代表 目前用量最大的是10Hz速度型检波器 几十年来 设计制造者们一直在努力通过改进工艺 材料 磁场等方式 提高模拟检波器的技术性能 但终因其结构原理以及磁场的非线性等 总达不到所期望的效果 其中最为典型的就是失真度指标的突破 现阶段模拟检波器的失真度指标做到万分之一就是极限 8 模拟检波器 电磁感应检波器原理 电磁感应式检波器可看作是质量体m 弹簧k和阻尼c构成的单自由度振动系统 其结构如右图所示 当检波器壳体产生振动时 由于惯性使线圈与磁钢产生相对运动 线圈切割磁力线产生感应电动势 9 模拟检波器 检波器技术指标 衡量地震检波器性能指标的参数有许多 主要参数包括自然频率 阻尼系数 灵敏度 谐波失真 容差等 相关参数包括直流电阻 阻抗 假频 噪声 漏电 极性以及悬体质量 线圈最大位移 允许倾斜角度 体积和重量等 下面着重介绍地震检波器主要技术参数的物理意义及其对地震数据采集效果的影响 10 一是自然频率 也称固有频率或共振频率 它由检波器弹性系统的结构和材料决定 自然频率的高低主要决定地震信号的有效起始频率 二是灵敏度 它是检波器对激励 振动 响应的敏感程度 大小取决于线圈总长度和磁场强度 该指标主要反映响应弱小信号能力 三是失真度 畸变 它是输出信号谐波分量总和有效值与基波分量有效值之比的百分比 该指标决定地震信号的瞬时动态范围 模拟检波器 检波器技术指标 11 检波器技术指标 模拟检波器 四是阻尼系数 阻尼系数是指检波器并联衰减电阻后惯性体振动衰减快慢的相对比值 它主要影响分辨相邻反射地震波的能力 五是容差 容差表示同种型号的个体检波器互相之间技术指标的相对差异 一般用百分比表示 虽然它不是检波器本身的技术参数 却直接影响地震数据的采集效果 如果检波器的一致性差 不同检波器接收同一信号的结果就会有不同的输出 结果将降低地震数据采集质量和保真度 12 模拟检波器 检波器的串内组合 不管如何组合 组合后检波器的动态范围并没有提高 但内阻和阻尼系数却发生了变化 由于受个体检波器之间技术指标允许一定误差的影响 组合后的检波器串整体性能与单只检波器的性能就存在差别 例如引起噪声和失真加大 相位相似性和幅度一致性降低 中心频率摆幅变宽等 因此为了平衡组合误差 检波器串的组合应该尽量以一串等效于单只检波器为佳 即串联的个数应尽量与并联的次数一样 13 数字传感器 数字检波器概述 数字检波器和传统检波器在原理和功能上完全不同 传统意义上的地震检波器是以电磁感应方式将地震 振动 信号转换为模拟电信号输出 而数字检波器是以重力平衡方式将地震信号的直接转换为高精度的数字信号 数字检波器的核心是MEMS 微电子机械系统 技术 这种技术就是以硅材料为基底 采用微机械加工工艺和IC工艺加工出差动电容式微机械加速度计 14 数字传感器 数字检波器原理 数字检波器原理如图所示 工作时质量体被迫随着大地作同向运动 为强迫质量体恢复平衡 控制电路持续采样测量C1与C2的值 反馈电路据此跟踪调节加到上端盖和下端盖上的电压V1和V2 最终经由 电路得到对应检波器振动的数字信号输出 15 数字传感器 数字检波器技术指标 由于数字检波器与模拟检波器相比 在原理结构上有质的突破 技术指标的描述方式也各不相同 数字检波器传感的物理量是重力的变化 加之直接输出数字信号 即有采集站功能 因此数字检波器的特性指标主要是 动态范围 频率响应 最大输入信号 采样率 噪声 失真度 功率等 其中的最大输入信号和噪声用重力加速度 g 表示 16 数字传感器 数字检波器技术指标 目前国际上只有美国的I O公司和法国的SERCEL公司有生产实用数字检波器的能力 其相关技术指标大体一致 具体量值为 动态范围一般大于105dB失真度一般小于负90dB频率响应一般大于500Hz等效输入噪声一般小于862ng RMS 最大输入信号一般大于0 2g 17 数字传感器 数字检波器的特点 相对传统的模拟检波器言 数字传感器在技术特性上主要有以下几点实质性的进步 1 直接以电信号平衡重力变化来感应地震波信号 2 传感器直接输出24位一个样点的数字信号 3 幅度与相位频率特性在500Hz内是平坦的直线 4 失真度低于0 003 即瞬时动态在90dB之上 5 能自动识别和校正垂直地心方向的倾斜角度 18 数字传感器 数字检波器的特点 数字检波器不再有模拟检波器的机电结构和电磁感应机理 所以不怕任何工业频率和雷电干扰 数字检波器是高度集成的独立单元 在野外一般不作组合采集 因此相比模拟检波器言 它还具有故障率低 总重量和总体积小 排列布放方便 不漏电 排查故障和建立排列容易等优点 这就减化了野外施工的劳动强度并提高了生产效率 降低了生产成本 19 1 幅频特性 2 相频特性 数字传感器 数字与模拟特性对比 20 认识与建议 一 在众多的检波器中 传统的检波器总体处在同一技术水准 相比之下超级检波器和新型的加速度检波器的接收能力更强 真正具有划时代意义的是数字检波器 只有数字检波器的技术性能接近地震仪器水平 二 应选用失真度低 灵敏度高 容差范围小的超级速度或加速度型检波器 当然最好的选择还是数字检波器 因为只有数字的性能是最优的且基本与地震勘探仪器性能相匹配 21 认识与建议 三 不同原理检波器的技术和性能指标也各不相同 有些指标甚至相差上百倍 但受反射地震波固有属性影响 它们的勘探效果并不象技术指标那样差异悬殊 相反所采集的地震资料总是大同小异 四 石油地震勘探行业只保留10Hz和35Hz两种自然频率且串内组合方式采用3 3或5 2的检波器就可以满足各种勘探目的的需要 因为3 3的组合方式是一种平衡对称的结构 此时能获得最佳的综合性能 22 五 模拟地震检波器最难突破的技术指标是失真度 其关键原因就在于电磁感应式检波器的原理结构 这也是模拟检波器将走向末日的根源 数字传感器 检波器 采用了全新的传感机理即MEMS技术 各项技术指标都有质的突破 尤其是失真度能控制在0 003 之内 选择数字传感器做地震勘探应是今后的发展方向 它不仅可以提高勘探精度并防范工频干扰 也可以减化劳动强度提高生产效率 认识与建议 23 六 地震检波器的主要技术指标有自然频率 阻尼系数 灵敏度 谐波失真 容差等 各项指标之间既互相关联又互相影响 实际应用时不能单注重某一项指标而应综合考虑才能获得满意的勘探效果 七 选择检波器的接收特性时 也应该考虑检波器和大地的耦合特性 即考虑检波器的质量和检波器外壳直径 因为检波器与地表所构成的谐振系统的特性主要与检波器质量 检波器外壳直径 以及地表速度和密度有关 认识与建议 24 认识与建议 八 地震检波器也是一个相当复杂的地震波接收工具 并不能认定哪种有绝对的优势或不足 实际应用时也不能认定哪种组合方式更为合理和有效 要想得出一个完全适合所有条件的普遍结论是十分困难的 也可以认为是不可能的 一切的一切都必须从实际出发来选用检波器 数字检波器在技术上有一定优势 但最终的使用效果还取决多种因素 只有其它相关因素条件都具备时 数字检波器的优势才能得到