BR112018008393B1

BR112018008393B1 - Sensor de aceleração de múltiplos eixos, aparelho sensor de aceleração de múltiplos eixos, método de montar um sensor de aceleração de múltiplos eixos, e acelerômetro de múltiplos eixos

Info

Publication number: BR112018008393B1
Application number: BR112018008393-3A
Authority: BR
Inventors: Cornelis A. M. Faber
Original assignee: Ion Geophysical Corporation
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2023-03-07
Also published as: US10274627B2; RU2018119485A3; AU2016344002A1; RU2733974C2; WO2017075591A1; US20200166666A1; RU2018119488A3; CN108474864A; AU2016344004A2; EP3368922A1; CN108431637B; BR112018008393A2; WO2017075593A1; RU2018119485A; CA3003592A1; CA3003466A1; US11561314B2; MX2018005422A; US20170123088A1; EP3368923B1

Abstract

ACELERÔMETRO DE MASSA ÚNICA E MÚLTIPLOS EIXOS. A presente invenção refere-se a um sensor sísmico que compreende uma massa central tendo três eixos principais e disposta dentro de uma estrutura. Uma pluralidade de transdutores é mecanicamente acoplada entre a estrutura e a massa central. Os transdutores são arranjados em pares, com os transdutores em cada par sendo acoplados a lados opostos da massa central, como definida ao longo de cada um dos três eixos principais. Eletrônicos podem ser proporcionados para combinar os sinais dos transdutores em cada par para gerar uma saída que caracteriza a aceleração e a rotação da estrutura.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA AOS PEDIDOS RELACIONADOS

[001] O presente pedido reivindica prioridade ao Pedido Provi sório U.S. No. 62/249,095, depositado em 30 de outubro de 2015, intitulado OCEAN BOTTOM SYSTEM, o qual se encontra aqui incorporado por referência, em sua totalidade e para todos os fins. O referido pedido é relacionado ao Pedido também pendente U.S. No. 15/339,332, depositado na data 31 de outubro de 2016 e intitulado OCEAN BOTTOM SEISMIC SYSTEMS, o qual se encontra aqui incorporado por referência, em sua totalidade e para todos os fins.

ANTECEDENTES

[002] O presente pedido refere-se em geral a exploração geo física, e mais especificamente a tecnologias de aquisição de dados sísmicos e de sensor. Em particular, o pedido refere-se a sistemas sensores for pesquisas sísmicas marinhas, incluindo, mas não limitado a cabos de fundo de oceano e aplicações de nodo sísmico autônomo.

[003] Tecnologias de pesquisa sísmica são comumente usadas para explorar e desenvolver recursos para a indústria petroquímica. Produtos petroquímicos são ubíquos na economia moderna, e pode ser encontrado em tudo a partir de petróleo e gasolina a dispositivos médicos, brinquedos de crianças, e uma grande variedade de outros itens domésticos de todos os dias. Para ir de encontro a uma contínua demanda por esses produtos, as reservas de petróleo e gás devem ser localizadas e pesquisadas com precisão, de modo que esses importantes recursos possam ser efetivamente gerenciados. Como resultado, há uma necessidade contínua para novos sistemas de sensor sís- mico e tecnologias de exploração mais avançadas.

[004] Cientistas e engenheiros tipicamente utilizam técnicas de exploração com base em ondas sísmicas para localizar novos reservatórios de petróleo e gás, e para pesquisar e gerenciar as reservas existentes com o tempo. As pesquisas sísmicas são realizadas por posicionar uma estrutura de sensores sísmicos ou receptores sobre a região de interesse, e monitorar a resposta a emissão controlada de energia sísmica por meio de fontes sísmicas tal como vibradores e estruturas de pistola de ar, ou detonações explosivas. A resposta depende da energia sísmica refletida a partir das estruturas de subsuperfície, que permite que as características geológicas correspondentes a serem registradas em imagem, incluindo reservas minerais e outras estruturas subterrâneas de interesse.

[005] Pesquisas sísmicas marinhas podem prosseguir por rebo car uma estrutura de sensores sísmicos ou receptores atrás de um navio de pesquisa, com os receptores distribuídos ao longo de um ou mais cabos sismográficos flutuantes. Um conjunto de pistolas de ar ou outras fontes sísmicas é usado para gerar energia sísmica que se propaga para baixo através da coluna de água para o fundo do oceano (ou outra superfície de fundo). Uma porção da energia sísmica penetra o fundo do oceano e é refletida a partir de estruturas de subsuperfície, então reflui de volta através da coluna de água para ser detectada na estrutura de cabo sismográfico flutuante. Receptores sísmicos podem também ser dispostos ao longo dos cabos de fundo do oceano, ou proporcionados na forma de nodos sísmicos individuais, autônomos distribuídos no leito do oceano.

[006] Típicos receptores sísmicos incluem sensores de pressão e detectores de movimento de partícula, que podem ser proporcionados como componentes de sensor individual, ou combinados juntos com ambos os tipos de sensores localizados em proximidade dentro de um módulo receptor ou nodo sísmico. Por exemplo, um conjunto de sensores de pressão pode ser configurado em uma estrutura de hidrofone, e adaptado para registrar medições de pressão em escala do campo de onda sísmica que se propaga através da coluna de água ou outro meio sísmico. Sensores de movimento de partícula incluem acelerômetros e geofones, que podem ser configurados para proporcionar medições de vetor de velocidade de um único eixo ou tridimensionais que caracterizam o movimento do meio em resposta a ondas sísmicas que se propagam.

[007] Dados geofísicos que pertencem às estruturas de subsu- perfície são adquiridos por observar a energia sísmica refletida com uma estrutura dos referidos componentes receptores. Os sinais sísmicos observados são usados para gerar uma imagem sísmica que descreveu a geologia e a composição da subsuperfície em e em torno da área de pesquisa. A qualidade da imagem no geral depende não só da sensibilidade do sinal, mas também dos efeitos de ruído, que contribuem para a constante demanda por tecnologias de receptores e sensores mais avançados.

SUMÁRIO

[008] O presente pedido é direcionado a um acelerômetro ou sensor de movimento partícula de massa única de múltiplos eixos , adequado para uso em pesquisas sísmicas. Por exemplo, uma pluralidade de componentes sensores pode ser acoplada a uma única massa central, que proporciona sensibilidade a movimento linear ou trans- lacional em três direções independentes, e sensibilidade a aceleração rotacional sobre três eixos ortogonais. Os componentes de sensor individual podem ser configurados para fazer a leitura dos movimentos linear ou translacional e rotacional correspondentes com base em acoplamento dinâmico a massa, incluindo, mas não limitado a acoplamentos lineares ou translacionais sensíveis a força e acoplamentos rotaci- onais. Os acoplamentos lineares ou translacional e rotacionais podem ser preferivelmente sensíveis ou a ondas acústicas ou efeitos de cisa- lhamento, de modo a proporcionar um sinal sensor combinado com aprimorada fidelidade de vetor, como descrito aqui.

[009] Em algumas modalidades, um sensor sísmico compreende um alojamento ou estrutura e uma massa central disposta. A massa central é disposta dentro da estrutura, e pode definir três eixos principais. Uma pluralidade de transdutores pode ser mecanicamente acoplada entre a estrutura e a massa central, e arranjada em pares acoplados a lados opostos da massa central, ao longo de cada um dos três eixos principais.

[0010] Dependendo da aplicação, transdutores de cristal piezoelé trico podem ser usados como o elemento de sensoriamento, com os cristais alinhados para proporcionar sensibilidade do sinal a tensão de cisalhamento. Dispositivos eletrônicos podem ser proporcionados para combinar sinais a partir dos transdutores em cada par, de modo a gerar uma saída que caracteriza uma aceleração translacional e rotacio- nal da estrutura.

[0011] Esse sumário é proporcionado para introduzir uma seleção de conceitos em uma forma simplificada que são adicionalmente descritos abaixo na Descrição Detalhada. O presente sumário não pretende identificar as características chave ou as características essenciais do assunto reivindicado, nem se pretende que seja usado para limitar o âmbito do assunto reivindicado. Uma apresentação mais extensa das características, detalhes, utilidades e vantagens da presente invenção como definida nas reivindicações é proporcionada na descrição escrita a seguir, incluindo as várias modalidades representativas da presente invenção, e como ilustrado nos desenhos em anexo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0012] A figura 1A é uma vista isométrica de uma massa de teste adequado para uso em um acelerômetro de múltiplos eixos.

[0013] A figura1B é uma vista em seção de um sensor sísmico de massa única e múltiplos eixos que utiliza uma massa de teste central.

[0014] A figura 1C é um diagrama de bloco que ilustra uma esta ção de sensor sísmico modular representativo ou nodo configurado para um sensor sísmico de massa única e múltiplos eixos.

[0015] A figura 2 é uma ilustração esquemática de um exemplo de pesquisa sísmica que utiliza uma pluralidade de estações de sensor sísmico modular ou nodos.

[0016] A figura 3 é uma ilustração esquemática de um exemplo de configuração de sensor para um sensor sísmico de massa única e múltiplos eixos.

[0017] A figura 4 é uma vista isométrica representativa de um sen sor sísmico de massa única e múltiplos eixos.

[0018] A figura 5 é um gráfico de tensão de cisalhamento para a configuração representativa de sensor sísmico, como uma função de frequência.

[0019] A figura 6 é uma vista isométrica de uma configuração al ternativa de um sensor sísmico de massa única e múltiplos eixos.

[0020] A figura 7 é um gráfico de tensão de cisalhamento para a configuração alternativa do sensor sísmico.

[0021] A figura 8 é uma vista isométrica de uma configuração al ternativa adicional de um sensor sísmico de massa única e múltiplos eixos.

[0022] A figura 9A é uma vista isométrica de uma ferramenta de alinhamento ou gabarito para montar os componentes sensores de um sensor sísmico de massa única e múltiplos eixos.

[0023] A figura 9B é uma vista isométrica de uma ferramenta de alinhamento ou gabarito para montar um sensor sísmico de massa única e múltiplos eixos.

[0024] A figura 10 é um diagrama esquemático que ilustra um es tímulo externo aplicado a um sensor de força.

[0025] A figura 11A é um diagrama esquemático que ilustra a res posta de orientação e translacional de um conjunto de transdutores posicionados sobre uma massa de teste no plano X-Z.

[0026] A figura 11B é um diagrama esquemático que ilustra a res posta de orientação e translacional de um conjunto de transdutores posicionados sobre uma massa de teste no plano X-Y.

[0027] A figura 11C é um diagrama esquemático que ilustra a res posta de orientação e translacional de um conjunto de transdutores posicionados sobre uma massa de teste no plano Y-Z.

[0028] A figura 11D é um diagrama esquemático que ilustra a res posta e convenção de polaridade do eletrodo para um transdutor re-presentativo.

[0029] A figura 12 é um diagrama de fiação esquemática represen tativa para um conjunto de transdutores em um sensor sísmico de massa única e múltiplos eixos.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0030] Na presente descrição, referência é feita a exemplos e mo dalidades da presente invenção. Entretanto, deve ser entendido que a presente invenção não é limitada às referidas ou quaisquer outras modalidades especificamente descritas. Qualquer combinação das características e elementos descritos, seja relacionada a diferentes modalidades ou não, é contemplada para implementar e praticar a presente invenção. Ademais, em vários exemplos e modalidades a presente invenção proporciona numerosas vantagens em relação a técnica anterior. Embora determinadas modalidades possam alcançar as referidas e outras vantagens sobre outras soluções potenciais, e sobre a técnica anterior, seja ou não a vantagem particular alcançada por qualquer determinada modalidade é não limitante da presente invenção como reivindicada. Os exemplos, aspectos, características, modalidades e vantagens a seguir da descrição são meramente ilustrativos, e não devem ser considerados elementos ou limitações das reivindicações, exceto onde explicitamente especificado na linguagem da reivindicação. Da mesma forma, referências a "a presente invenção" não devem ser construídas como uma generalização de qualquer assunto inventivo que é descrito, e não devem ser construídas de modo a representar um elemento ou limitação de qualquer reivindicação exceto onde expressamente recitado no mesmo.

[0031] Algumas modalidades da presente invenção podem ser im plementadas como um produto de programa ou método executável para uso com um sistema computadorizado. Programas adequados podem definir funções de várias modalidades e métodos descritos aqui, e podem ser proporcionados por meio de uma variedade de meios que podem ser lidos por computador. Meios que podem ser lidos por computador ilustrativos incluem, mas não são limitados a: (i) informação permanentemente armazenada em meio de armazenamento que não pode ser escrito (por exemplo, memória de apenas leitura dentro de um computador tal como dispositivos ROM ou discos de CD- ROM); (ii) informação armazenada que pode ser alterada em meio de armazenamento que pode ser escrito (por exemplo, dispositivos de acesso aleatório ou dispositivos RAM, memória flash e outros dispositivos de estado sólido, e discos magnéticos ou discos rígidos); e (iii) informação transportadas para um computador por um meio de comunicações, tal como através de uma rede sem fio, incluindo aplicações, código de programa e outra informação baixada a partir da Internet ou outra rede. Meios não transitórios que podem ser lidos por computador adequados podem incluir instruções que são executáveis em um processador de computador para direcionar as várias funções e etapas do método da presente invenção, como descrito aqui, e também repre- senta modalidades adequadas da presente invenção.

[0032] Em geral, as rotinas executadas para implementar os mé todos e as modalidades da presente invenção podem ser parte de um sistema operacional ou proporcionadas como uma aplicação específica, componente, programa, módulo, objeto, ou sequência de instruções. Aplicações de programa de computador da presente invenção tipicamente compreendem uma multiplicidade de instruções que podem ser traduzidas por um computador em um formato que pode ser lido por máquina, por exemplo, na forma de um programa executável. Programas adequados podem também englobar parâmetros, variáveis e estruturas de dados que ou residem localmente com relação aos dados do programa, ou são encontrados em outra memória ou dispositivos de armazenamento. Ademais, os vários programas e métodos que podem ser executados por computador descritos aqui podem ser identificados com base na aplicação para a qual os mesmos são implementados, de acordo com qualquer modalidade específica da presente invenção. Deve também ser observado que qualquer nomenclatura particular que segue é usada meramente por conveniência, e a presente invenção não deve ser construídas como sendo limitada a aplicações específicas identificadas com ou implicadas por tal nomenclatura.

SENSORES DE MASSA ÚNICA E MÚLTIPLOS EIXOS

[0033] A figura 1A é uma vista isométrica de uma massa de teste ou corpo 102 para um acelerômetro de múltiplos eixos ou aparelho de sensor sísmico 100. A figura 1B é uma vista seccionada de um sensor sísmico de múltiplos eixos 100 incluindo a massa 102, por exemplo, como obtida ao longo do plano X-Z da figura 1A.

[0034] As figuras 1A e 1B ilustram acelerômetro de massa única e múltiplos eixos ou sensores de aceleração 100 representativos, com uma única (unitária) massa de teste central ou corpo de teste 102. Nas referidas modalidades, a massa 102 pode ser representada como uma esfera oca com um número de elementos sensores individuais ou transdutores 106a - 106f distribuídos sobre o perímetro. Por exemplo, pares de transdutores 106a, 106b; 106c, 106d; e 106e, 106f podem ser dispostos ao longo dos eixos principais X, Y e Z da massa, respectivamente, como mostrado na figura 1A e na figura 1B.

[0035] Outras configurações da massa 102 são também possíveis, por exemplo, uma esfera sólida ou formato multifacetado tendo simetria sobre os eixos X, Y e Z. Em geral, os formatos que são simétricos sobre um ou mais eixos de translação ou rotação são adequados para alcançar os resultados sensórios desejados em um acelerômetro, como descrito aqui. Alternativamente, a massa 102 pode ser assimétrica sobre um ou mais eixos X, Y, Z. Ademais, a massa 102 pode ser sólida em vez do que oca, e formada seja de um único material substancialmente uniforme ou a partir de um ou mais diferentes tipos de materiais de núcleo e camadas ou componentes adicionais que são construídos na camada externa ou superfície externa 103 da massa 102. As determinações de se o corpo da massa 102 deve ser oco ou sólido, e homogêneo ou produzido de múltiplos materiais e camadas, são escolhas de desenho produzidas para ir de encontro às necessidades di-nâmicas de medições de aceleração não só lineares, mas também angulares para um ambiente particular ou aplicação.

[0036] Dependendo da modalidade, uma ou ambas da massa 102 e da superfície externa 103 da mesma pode ser formada de um material eletricamente condutor de modo a proporcionar um trajeto condutor para conexão com um eletrodo de um sensor ou transdutor como descrito aqui. Por exemplo, a massa 102 pode ser formada como um sólido ou esfera oca de alumínio, latão, cobre, berílio cobre ou outro material condutor, ou a massa 102 pode ser formada de um material cerâmico ou outro material isolante com um revestimento condutor na su- perfície externa 103 (por exemplo, em uma configuração laminada de ouro, alumínio ou outro metal condutor).

[0037] Alternativamente, uma ou ambas da massa 102 e da super fície externa 103 da massa 102 pode ser produzida de um material não condutor ou eletricamente isolante, por exemplo, para reduzir o efeito de perda de capacitância na relação de sinal-para-ruído (S/N) do sensor 100, por exemplo, causada pela área de condução da massa 102. Se os referidos efeitos de capacitância não são adequados a uma aplicação particular, a massa 102 pode ser fabricada a partir de materiais não condutores. Por exemplo, a massa 102 pode ser formada como um sólido ou esfera oca de um cerâmico que pode ser usinado (por exemplo, um material MACOR), ou a partir de um plástico moldado a injeção.

[0038] Como mostrado nas figuras 1A e 1B, a massa 102 pode ser formada com um número de sensores ou transdutores 106a - 106f dispostos em diferentes superfícies de fixação 104. Se a determinação de aceleração translacional ou rotacional for desejada com relação a mais do que uma direção independente, os transdutores podem ser dispostos ao longo de eixos X, Y, Z independentes (por exemplo, transversal ou ortogonal). Na modalidade mostrada nas figuras 1A e 1B, por exemplo, três pares de seis transdutores individuais 106a, 106b; 106c, 106d; e 106e, 106f são arranjados em pares opostamente acoplados entre si nas respectivas superfícies de fixação planas 104, que são posicionados nas interseções de eixos X, Y e Z perpendiculares, e a superfície externa 103 da massa 102.

[0039] As superfícies de fixação 104 podem ser adaptadas para ajudar no acoplamento dos sensores de aceleração individuais ou transdutores de força 106a - 106f ao corpo da massa de teste 102. Como mostrado nas figuras 1A e 1B, por exemplo, seis sensores de aceleração 106a, 106b; 106c, 106d e 106e, 106f são fixados a pares de superfícies opostas entre si 104, de modo a detectar movimentos translacionais e rotacionais da massa 102 nas três direções ortogonais definidas pelos eixos X, Y e Z perpendiculares. Em particular implementações, transdutores de cristal piezoelétrico 106a - 106f podem ser usadas para medir a resposta de força localmente definida em virtude da translação e rotação da massa 102, por exemplo, em resposta a torques e forças externas em virtude de energia sísmica incidente. No contexto de um nodo no fundo do oceano (OBN) ou outro receptor sísmico, as referidas forças podem ser causadas por ondas sísmicas ou acústicas que se propagam através de uma coluna de água circundante ou outro meio sísmico. Os transdutores de força ou sensores de aceleração 106a - 106f podem ser escolhidas ser altamente sensível aos referidos efeitos, de modo a caracterizar de modo adequado a resposta da massa de teste ou corpo 102 para a energia sísmica incidente.

[0040] De modo a proporcionar uma estrutura de referência para medir o movimento da massa 102 pelos sensores de aceleração 106a - 106f, a massa 102 pode ser suspender dentro de e restrito por uma estrutura ou alojamento 108. Na modalidade mostrada na figura 1B, a estrutura 108 pode ser na forma de uma caixa simétrica ou outra estrutura em geral de paredes paralelas ou prismáticas direitas.

[0041] Em algumas modalidades, a estrutura 108 pode ser produ zida de um material eletricamente condutor. Em tais configurações, pode ser desejável que cada componente da estrutura ou parede lateral 110 da estrutura 108 seja eletricamente isolado a partir do outro componente das estruturas 110 ou paredes laterais, por exemplo, usando isolantes mecânicos ou acoplamentos isolantes 122 dispostos entre os membros laterais 110 em cada respectivo canto da estrutura 108. Em outras modalidades, os membros laterais 110 da estrutura 108 podem ser produzidos de um material eletricamente isolante, por exemplo, se houver uma preocupação de que a perda de capacitância causada pela área de condução da estrutura 108 pode impactar a relação de sinal-para-ruído (S/N) do aparelho sensor 100. Se os referidos efeitos capacitivos não são adequados a uma aplicação particular, a estrutura 108 pode ser fabricada a partir de materiais não condutores.

[0042] Os lados radialmente externos dos sensores de aceleração individuais 106a - 106f (dispostos opostos às superfícies de acoplamento 104) podem ser fixados aos componentes da estrutura lateral correspondente 110 da estrutura ou alojamento 108. Assim, a massa 102 irá agir nos pares de sensores ou transdutores 106a, 106b; 106c, 106d; 106e, 106f quando se movem com relação a e dentro da estrutura 108, por exemplo, com a estrutura 108 firmemente fixada à plataforma estacionária ou de outro modo restrita à estrutura exposta a ondas sísmicas. Na medida em que a massa 102 é fixada à estrutura 108 por meio dos sensores de aceleração 106a - 106f, o movimento trans- lacional e rotacional da massa 102 com relação à estrutura 108 pode ser medido pelos sensores 106a - 106f, com relação às três direções espaciais ortogonais.

[0043] Em tal configuração, pode ser vantajoso se selecionar um transdutor piezoelétrico tal como um sensor de aceleração 106a - 106f que é configurado para reagir à tensão de cisalhamento em lados opostos do dispositivo de cristal piezoelétrico. O referido transdutor registrando ou respondendo à tensão de cisalhamento pode proporcionar maior sensibilidade em virtude da configuração da massa 102 dentro da estrutura 108 e o objetivo de medir a força relativa entre os dois. Em alguns exemplos de implementações, o transdutor pode ser um único cristal piezoelétrico, por exemplo, um cristal de niobato de magnésio de chumbo/titanato de chumbo (PMN-PT), ou outro transdutor adequado.

[0044] Elementos piezoelétricos fabricados a partir de cristais úni cos podem exibir propriedades superiores de sensoriamento sísmica, com relação a elementos policristalinos. Transdutores de cristal único podem também ser relativamente insensíveis a efeitos de temperatura, e podem ter fatores de conversão altos de energia mecânica em energia elétrica. Se um único cristal é seccionado transversal à orientação do alinhamento do cristal, em um ângulo adequado, um transdutor que altamente responde às forças e cargas de cisalhamento (em oposição às cargas e forças de tensão ou de compressão) pode ser formado.

[0045] A figura 1C é um diagrama de bloco que ilustra um exemplo de componentes de uma estação de sensor sísmico de fundo do oceano ou nodo sísmico 150, de acordo com várias modalidades da presente invenção. Como mostrado na figura 1C, o receptor sísmico ou nodo 150 pode incluir um ou mais sensores sísmicos 160 e um dispositivo de memória 162 dispostos dentro de um ou mais componentes do alojamento modular 155. Os sensores sísmicos 160 podem incluir qualquer número e combinação de sensores de acelerômetro sísmico de massa única e múltiplos eixos, como descrito aqui, e outros sensores tais como hidrofones, geofones, acelerômetros e semelhante.

[0046] Em algumas modalidades, os sensores 160 podem incluir um sensor de três componentes (3C) configurados para medir os três componentes espaciais de ondas sísmicas. Em algumas modalidades, os sensores podem medir o movimento linear (translacional), a rotação, ou ambos. Os sensores sísmicos 160 podem também incluir sensores digitais, por exemplo, um acelerômetro de sistema micro eletro- mecânico (MEMS). O uso de sensores digitais pode ter vantagens incluindo a capacidade de realizar uma calibração automatizada, reduzida variação de fabricação entre os sensores, aprimorada resposta de frequência, desempenho uniforme em qualquer orientação, e embalagem pequena e compacta, entre outros.

[0047] Exemplos dos referidos e de outros dispositivos sensores adequados são descritos na Patente US No. 6,883,638 por Peter Maxwell et al., intitulada ACCELEROMETER TRANSDUCER USED FOR SEISMIC PROSPECTING e depositada com prioridade em 16 de Março de 2009, a qual se encontra aqui incorporada por referência, em sua totalidade e para todos os fins. Em algumas modalidades, os sensores sísmicos 160 podem incluir sensores piezoelétricos. Exemplos de sensores piezoelétricos adequados são descritos na Patente US No. 9.294.011 e no Pedido de Patente US No. 13/984.266 (Publicação US No. 2013/0319118) por Ken Kan Deng, ambas intituladas METHOD AND APPARATUS FOR SENSING UNDERWATER SIGNALS e depositadas com prioridade em 7 de fevereiro de 2012, cada uma das quais se encontra aqui incorporada por referência, em sua totalidade e para todos os fins.

[0048] A memória 162 é preferivelmente uma memória de acesso aleatório ou meio de armazenamento ou outro componente de memória com suficiente capacidade de reter a quantidade desejada de dados sísmicos. Embora a memória 162 seja mostrada como uma entidade única, deve ser entendido que a memória 162 pode de fato compreender uma pluralidade de componentes de memória ou módulos, e a memória 162 pode ser proporcionada em múltiplos níveis operacionais, a partir de registros de alta velocidade e dispositivos de cache para reduzir a velocidade de chips DRAM e outros componentes de memória.

[0049] Em algumas modalidades, o nodo 150 pode incluir um ou ambos de um dispositivo de tempo ou circuito temporizador 164 e uma fonte de força ou fonte de energia 166. Em algumas modalidades, o dispositivo de tempo 164 pode incluir um ressonador, cristal, ou oscila- dor configurados para gerar um sinal de tempo para o registro de dados sísmicos. Em algumas modalidades, o dispositivo de tempo 164 pode ser configurado para gerar de modo independente um sinal de relógio para a estação de sensor sísmico ou nodo 150. Em modalidades alternativas, o dispositivo de tempo 164 pode ser configurado para receber um sinal de relógio externo a partir de um relógio principal, e para gerar um sinal de relógio local para o nodo 150 com base no sinal de relógio externo recebido.

[0050] A fonte de energia 166 pode ser configurada para propor cionar energia a um ou mais dos sensores 160, memória 162, e outro circuitos eletrônicos no nodo 150. Em algumas modalidades a fonte de energia 166 pode incluir uma bateria com suficiente capacidade para proporcionar energia ao nodo sísmico 150 pela duração desejada de uma pesquisa sísmica. Dependendo da modalidade, a energia pode também ser externamente proporcionada ao nodo 150 por meio de um cabo ou fonte de energia de acoplamento indutivo, ou de outro modo como descrito aqui.

[0051] Em algumas modalidades, o nodo 150 pode incluir um ou mais sensores de profundidade e/ou de pressão 168. Os sensores de profundidade ou de pressão 168 podem ser configurados para determinar a profundidade da estação de sensor sísmico durante o posicionamento e/ou retirada. Nas referidas modalidades, um limiar de profundidade pode ser definido para ligar ou desligar a estação de sensor sísmico. Por exemplo, durante o posicionamento, os sensores, memória e outros circuitos do nodo 150 podem não ser energizados até que um limiar de profundidade seja alcançado, de acordo com o medido pelos sensores de profundidade/pressão 168. De modo similar, quando um referido limiar de profundidade é alcançado durante a retirada, um ou mais circuitos da estação de sensor sísmico podem ser desligados. Por energizar de modo seletivo um ou mais circuitos do nodo 150, as referidas modalidades podem conservar energia e estender a vida útil da estação de sensor sísmico durante as operações para registrar dados sísmicos.

[0052] A figura 2 ilustra um exemplo de aparelho e método de pesquisa sísmica 270 de acordo com várias modalidades da presente invenção. Como mostrado na figura 2, uma pluralidade de estações de sensores autônomos ou nodos 250 pode ser posicionada no leito do oceano 271, ou de modo similar abaixo da superfície 272 de um corpo de água ou coluna de água 274.

[0053] Como ilustrado na figura 2, dois ou mais nodos 250 podem ser posicionados no chão do oceano ou leito do oceano por meio de um respectivo cabo ou fio 280. Em algumas modalidades, o cabo 280 pode ser produzido a partir de um material sintético com uma densidade predefinida específica com relação a da água na qual o mesmo é imerso. Em algumas modalidades, o cabo 280 pode ser um cabo passivo, por exemplo, o cabo 280 pode não incluir quaisquer condutores elétricos. Em modalidades alternativas, o cabo ou fio 280 pode incluir condutores embutidos para comunicar um ou mais de um sinal de relógio, sinais de dados, sinais de controle e energia entre os nodos sísmicos individuais 250. Assim, o cabo ou fio 280 pode ter uma configuração passiva, ausente de comunicações de sinal ou energia, ou uma configuração ativa, na qual as conexões de sinal e/ou energia são proporcionadas.

[0054] Embora referências sejam feitas ao chão do oceano ou leito do oceano nesse exemplo particular, as modalidades da presente invenção não são limitadas a qualquer tipo particular de corpo de água ou coluna de água. Em vez disso, diferentes modalidades podem ser adaptadas ao uso em qualquer água, marinha ou ambiente com base na terra, incluindo oceanos, lagos, rios e outras áreas geológicas. Desse modo, o uso do termo mar, leito do oceano, chão do oceano, e semelhante aqui devem ser amplamente entendidos para englobar a todos os corpos de água e outros meios sísmicos 274, e quaisquer su- perfícies correspondentes 271 adequados para observação da energia sísmica propagada por um nodo sísmico ou receptor 250.

[0055] Em modalidades particulares, um ou mais nodos sísmicos 250 podem ser posicionados ao chão do oceano ou outra superfície 271 por meio de tecnologia adequada incluindo, mas não limitado a um veículo operado remoto ou autônomo (ROV ou AUV), ou por nodos que descem 250 a partir de um navio de posicionamento ou navio sísmico 275. Em outras modalidades, nodos autônomos 250 podem ser equipados com um sistema de propulsão e programado para navegar através da coluna de água 274 para e a partir de predeterminados locais no chão do oceano 271. Como pode ser visto na figura 2, o posicionamento de nodos sísmicos individuais 250 sem um cabo 280 pode ser vantajoso em áreas próximas a obstruções, por exemplo, em uma área de trabalho 295 de chão do oceano 271 associada com uma plataforma de perfuração de petróleo 290 ou outra operação, de modo a evitar que o cabo 280 entre em contato com e potencialmente danificando ou sendo danificado por outros componentes submarinos e outras obstruções durante o posicionamento e/ou a retirada dos nodos 250.

[0056] Em algumas modalidades, estações de sensores sísmicos posicionados por cabo podem ser acopladas a cubo ou boia 292. Por exemplo, os segmentos de cabo 281 e 282 são mostrados acoplados aos respectivos cubos 292. Embora os cubos 292 sejam mostrados como proporcionados em boias flutuantes, isso é meramente representativo e em modalidades alternativas um ou mais dos cubos 292 podem ser colocados no chão do oceano 271. Os cubos 292 podem também ser configurados para flutuar ou ser suspensos em uma pre- definida profundidade abaixo da superfície 272 ou acima do chão do oceano 271, dentro da coluna de água 274.

[0057] Em algumas modalidades, os cubos 292 podem incluir uma alta precisão ou relógio "principal" e componentes de comunicações configurados para as comunicações de dados e/ou energia com os nodos 250. Por exemplo, um sinal de relógio principal a partir de um relógio de alta precisão pode ser transferido para os nodos 250 por meio de condutores nos cabos 280, para facilitar a correção do relógio ou para gerar um sinal de relógio local nos nodos 250.

[0058] Em algumas modalidades, os cubos 292 podem também ser configurados para transferir energia, dados, e/ou sinais de controle para os nodos 250. Desse modo, os cubos 292 podem ser equipados com geração de energia e ou dispositivos de armazenamento de energia, e/ou lógica de controle para realizar checagens de qualidade e implementar protocolos de operação predefinidos, e semelhante. Em algumas modalidades, os sinais enviados a partir dos cubos podem ser usados, por exemplo, para recarregar as baterias da estação de sensores, para realizar testes de qualidade/estação de saúde, para ligar/desligar as estações, etc. Em algumas modalidades, os dispositivos de cubo 292 podem ser equipados com um dispositivo de satélite de posicionamento global (GPS) ou outro sistema de posicionamento ou de navegação, e/ou um dispositivo de rádio transmissor/receptor de modo a facilitar determinar um local do cubo 292 e/ou para facilitar a comunicação com o dispositivo de cubo 292 e os nodos 250.

[0059] Em modalidades onde um ou mais dos cabos 280 são con figurados para transferir energia e/ou sinais de dados, um dispositivo de término de prolongamento 285 pode ser proporcionado em uma extremidade de cada cabo 280. Um dispositivo de término de cabeça separado pode também ser proporcionado no dispositivo de cubo 292, e a água do mar pode ser usada para acoplar a cabeça e dispositivos de término de prolongamento.

[0060] Em algumas modalidades, um ou ambos os dispositivos de término 285 e os dispositivos de cubo 292 podem ser omitidos. Por exemplo, o segmento de cabo representativo 283 é mostrado sem uma conexão a um dispositivo de cubo associado 292, e sem um dispositivo de término de prolongamento 285.

[0061] Com referência mais uma vez à figura 2, um barco ou navio fonte 275 pode ser configurado para rebocar uma fonte sísmica 276 ao mesmo tempo em que conduzem a pesquisa sísmica em uma região de nodos sísmicos 250. Em algumas modalidades, a fonte sísmica 276 pode ser uma estrutura de pistola de ar (ou um número de pistolas de ar individuais) configurados para liberar um estouro de ar comprimido em uma coluna de água 274, emitindo energia acústica em direção ao leito do oceano 271. Como mostrado na figura 2, o estouro de ar comprimido gera ondas sísmicas 277 que trafegam para baixo através da coluna de água 274 para o leito do oceano 271, e que pode penetrar no leito do oceano 271 para refletir a partir da subsuperfície ou estruturas do subleito do oceano. As reflexões a partir das estruturas de sub- superfície podem ser registradas como dados sísmicos pelos nodos 250, e pode posteriormente ser processados para desenvolver uma imagem das camadas relevantes de subsuperfície e outras estruturas. As referidas imagens podem ser analisadas por geólogos para identificar as áreas prováveis de incluir hidrocarbonetos e outros recursos, e para identificar outras características geofísicas de interesse.

[0062] Em algumas modalidades, uma pluralidade de barcos fonte ou navios sísmicos 275 pode ser simultaneamente operado ao mesmo tempo em que se adquire dados sísmicos com nodos 250. Em modalidades onde múltiplos navios 275 são usados, um barco fonte pode ser configurado para operar a sua respectiva fonte ou fontes sísmicas 276 de acordo com um regime de fonte simultânea. Por exemplo, as fontes 276 de dois ou mais barcos fontes 275 podem ser configuradas para emitir energia sísmica substancialmente simultaneamente, ou com um retardo predefinido de modo que há pelo menos alguma sobreposição em duração de emissão de energia sísmica a partir de duas ou mais fontes 276.

[0063] Em algumas modalidades, um relógio de alta precisão pode ser incluído em cada receptor ou nodo sísmico 250, ou em receptores ou nodos sísmicos selecionados 250. Em modalidades alternativas, um sinal de relógio de alta precisão pode ser proporcionado por meio de um relógio externo principal configurado para coordenar com dispositivos de tempo escravos implementados nos nodos sísmicos 250. O relógio principal pode ser localizado no dispositivo de cubo 292, ou em dispositivos 288 colocados em predefinidos intervalos ao longo de um ou mais cabos ou fios individuais 280.

[0064] Em algumas modalidades, os dispositivos 288 podem inclu ir um relógio de alta precisão e uma interface ou outros componentes de comunicações. Em modalidades alternativas, os dispositivos 288 podem também incluir outros componentes tais como a fonte de energia. Em ainda outras modalidades, um ou mais dos referidos dispositivos 288 pode ser configurado como uma "superestação" ou nodo sísmico similar, por exemplo, um dispositivo sensor sísmico com todos os componentes de um nodo sísmico 250, assim como um relógio de alta precisão usada para proporcionar um sinal de relógio principal para outros nodos sísmicos próximos 250.

[0065] A figura 3 é uma ilustração esquemática de um exemplo de configuração de sensor para um aparelho sensor sísmico de massa única e múltiplos eixos 300. Como mostrado na figura 3, os referidos exemplos podem empregar uma configuração de sensor que corresponde ao sensor de acelerômetro de massa única 100 das figuras 1A e 1B.

[0066] Um número de conjuntos de transdutores piezoelétricos ou elementos sensores de aceleração 306a, 306b; 306c, 306d; e 306e, 306f podem ser montados (por exemplo, usando um adesivo condutor) sobre uma massa de teste central esférica ou corpo 302 (por exemplo, produzido de latão ou outro metal, ou com um revestimento condutor), o que atua como um fundo comum para os transdutores 306a - 306f.

[0067] Em uma tal configuração, a massa 302 pode ter um diâme tro de pelo menos cerca de sete vezes o comprimento máximo do componente cristal dos transdutores (isto é, 7 x 3,5 mm ou > 25 mm). Em algumas modalidades particulares, transdutores piezoelétricos de modo de cisalhamento 306a - 306f pode ser usada, por exemplo, retangular oblongado ou transdutores de cristal formado de modo similar 306a - 306f com dimensões de cerca de 3,5 mm x 2 mm x 1 mm. De modo mais geral, o formato e dimensões dos transdutores 306a - 306f pode variar, seja individualmente ou como um conjunto, dependendo da aplicação.

[0068] A massa de teste 302 pode ter superfícies de acoplamento plano paralelo 304 disposta em extremidades opostas dos eixos ortogonais X, Y, Z, e adicionalmente formada com reentrâncias rasas ou bolsos dimensionados para receber os transdutores 306a - 306f para ajudar a garantir que os transdutores estarão em posição, além de usar um adesivo ou outra fixação mecânica. Uma primeira etapa dos transdutores de cristal piezoelétrico 306a, 306b pode ser montada, em lados opostos da massa 302 ao longo do eixo-X horizontal para conjuntamente criar uma aceleração translacional ao longo do eixo-Y horizontal e um acelerômetro rotacional com sensibilidade a rotação sobre o eixo-Z. O eixo longo ou dimensão longitudinal dos elementos de cristal formando os transdutores 306a, 306b pode ser orientado paralela-mente ao eixo-Y como mostrado.

[0069] Um segundo conjunto ou par de dois transdutores 306c, 306d pode ser de modo similar montado ao longo do eixo-Y vertical, com a dimensão longa ou eixo dos elementos de cristal que formam os transdutores 306c, 306d girados perpendicularmente ao eixo longo do primeiro par de transdutores 306a, 306b, por exemplo, orientados pa-ralelamente ao eixo Z como mostrado. O segundo conjunto de transdutores 306c, 306d, portanto, possui sensibilidade translacional ao longo do eixo-Z e sensibilidade a rotação em torno do eixo-X. Um terceiro conjunto de transdutores 306e, 306f (o par 306f de transdutor 306e é posicionado atrás de massa 302) pode ser montado em extremidades opostas do eixo Z, com os eixos longos dos elementos de cristal que formam os transdutores 306e, 306f girados perpendicularmente à orientação dos eixos longos dos primeiro e segundo pares de transdutores 306a, 306b e 306c, 306d, por exemplo, orientados paralelamente ao eixo X como mostrado. O terceiro conjunto de transdutores 306e, 306f, portanto, possui sensibilidade translacional ao longo do eixo-X e sensibilidade a rotação em torno do eixo-Y.

[0070] Assim, a orientação de cada conjunto ou par de transdu tores 306a, 306b; 306c, 306d; e 306e, 306f pode ser ortogonal àquele dos outros conjuntos, por exemplo, onde os pares de respectivos cristais são montados com a sua dimensão mais longa orientada paralelamente aos eixos X,Y,Z, respectivamente, como mostrado em vista esquemática da figura 3. Observar que os símbolos "+" e "-" adjacentes a (ou sobrepostos polegadas) cada um dos transdutores 306a - 306f na figura 3 são indicativos do alinhamento da sensibilidade ao estresse de cisalhamento dos transdutores 306, e não são necessariamente indicativos do local ou da polaridade dos eletrodos conectados para os transdutores 306a - 306f. De modo mais geral, o alinhamento da sensibilidade ao estresse de cisalhamento e polaridade de eletrodo correspondente pode variar, como descrito aqui.

[0071] O alojamento externo ou estrutura do aparelho sensor 300 (vide, por exemplo, a figura 1B) pode ser produzido de um material não condutor adequadamente rígido (por exemplo, um material cerâmico), e configurado para manter a relativa orientação e posição da massa central 302 por conectar cada um dos transdutores 306a - 306f a um lado correspondente da estrutura. A estrutura em si pode ser construída em peças e conectada de modo rígido junto e em torno da massa 302. Alternativamente, uma abertura pode ser proporcionada dentro da estrutura ou alojamento, dimensionada para acomodar a inserção da massa 302 com os transdutores 306a - 306f fixados em uma primeira orientação selecionada (por exemplo, com os transdutores orientados diagonalmente em direção dos cantos), e então girados a uma segunda orientação selecionada para conexão da massa 302 em uma posição fixa com relação à estrutura (por exemplo, com os transdutores adjacentes aos membros de estrutura perpendicular).

[0072] Em qualquer um dos referidos exemplos, um eletrodo sele cionado (por exemplo, negativo) de cada um dos transdutores 306a - 306f pode ser orientado em direção de e em contato elétrico com a superfície externa 303 da massa adjacente 302, com o outro eletrodo (por exemplo, positivo) disposto na superfície oposta, acessível para contato por um cabo ou outro contato elétrico com a estrutura ou alojamento. Por exemplo, os eletrodos positivos dos transdutores 306a - 306f podem ser conectados a portas de saída de sinal por meio de um fio (por exemplo, soldado ou vedado). Cada membro de estrutura do alojamento pode também ser eletricamente isolado a partir de outros membros de estrutura, de modo a evitar interferência a partir dos sinais gerados por transdutores individuais separados 306a - 306f.

CONFIGURAÇÃO DOS SENSORES

[0073] A figura 4 é uma vista isométrica representativa de um sen sor sísmico de múltiplos eixos 400 com uma única massa central 402. Nesse exemplo de implementação, características estruturais são adaptadas para as considerações de faixa dinâmica observadas acima, assim como para proporcionar maior condutividade elétrica e isolamento específico para cada um dos seis circuitos transdutores inde- pendentes. A massa de teste ou corpo 402 na presente modalidade é uma esfera condutora com uma superfície externa 403 adequada para formar uma ligação física de resistência suficiente e condutividade adequada com cada elemento sensor ou transdutor 406 (por exemplo, tendo uma perda elétrica tan (δ) < 0,004). Por exemplo, a massa central 402 pode ser produzida de um material de núcleo de alumínio anodizado revestido com uma superfície ou camada externa 403 de ouro ou outro condutor. A massa 402 pode também ser escalada com base na gravidade específica do alumínio ou outro material de núcleo. Superfícies de acoplamento planas 404 podem ser formadas na super-fície 403 da massa 402, e acopladas a transdutores de cristal piezoelétrico 406 alinhados ao longo de três eixos ortogonais tendo uma origem no centro da massa 402, como descrito acima.

[0074] As superfícies 404 proporcionam uma superfície de ligação e alinhamento para a fixação de cada um dos transdutores 406. Em algumas modalidades, uma reentrância rasa retangular ou oblongada pode ser formada em cada uma das superfícies 404, adaptada para alinhar de modo adequado os transdutores 406 e ajudar na ligação dos transdutores 406 a uma massa 402. Os transdutores 406 são tipicamente formados como estruturas retangulares em geral planas e alongadas, e podem ser alinhados de modo que os pares de transdutores 406 nas extremidades opostas de cada eixo são alinhados em paralelo um com o outro, e com relação à direção de sensibilidade de cisalhamento no cristal. Cada um dos outros dois pares de transdutores 406 podem ser de modo similar alinhado, de modo que os transdutores 406 em cada par são em geral paralelos em sensibilidade de ci- salhamento, mas ortogonal aos alinhamentos de pares dos transdutores para cada um dos outros dois eixos.

[0075] Em alguns exemplos de implementações, os transdutores 406 podem compreender ou ser formados a partir de um único cristal piezoelétrico, por exemplo, um cristal PMN-PT ou outro material adequado, como descrito aqui. Os transdutores 406 podem ser aderidos às superfícies 404 com um adesivo condutor, de modo que os contatos comuns (negativo) dos transdutores 406 são cada um dos quais em contato elétrico com a massa 402.

[0076] A massa 402 do acelerômetro de massa única 400 pode ser encerrada por um alojamento ou estrutura 408 com seis membros laterais ou componentes da estrutura 410 montados em pares opostos entre si. Cada par dos lados 410 pode ser disposto ao longo de um dos eixos principais da massa central 402, cada par tendo uma orientação ortogonal ou transversal com relação aos outros. Cada lado 410 da estrutura 408 pode adicionalmente ser compreendido de dois pilares laterais ou membros de viga 412 arranjados em paralelo um com relação ao outro, e juntos formando substancialmente metade do perímetro de cada lado 410. Os membros laterais 412 podem ser substancialmente uniformes em largura e profundidade (por exemplo, em geral de seção transversal quadrada, tomado transversalmente ao comprimento ou direção longitudinal), e proporcionam uma estrutura substancialmente rígida em três dimensões.

[0077] As extremidades dos pilares laterais ou membros de viga 412 podem ser conectados por um par de vigas transversais 414, que formam o perímetro restante de cada lado 410. As vigas transversais 414 podem ser formadas com seções de tira plana 424 que se estendem a partir de cada um dos membros laterais 412, e unidas juntas no centro do vão por um suporte central ou membro de acoplamento 416. As tiras planas 424 podem se encontrar dentro do plano de cada lado 410 da estrutura 408, e o membro de suporte 416 pode ser formado substancialmente como um cubo ou prisma retangular direito, por exemplo, com comprimento, altura e largura similar à largura transversal das seções de tira plana 424 do membro lateral 412.

[0078] Uma viga de sensor central 420 pode se estender entre os membros de suporte 416 das vigas transversais 414, orientados em geral paralelos a e entre os membros laterais 412, de modo a completar cada membro de estrutura lateral 410. Cada viga de sensor 420 pode ser formada com duas seções de tira plana transversal 426 unidas juntas no centro do vão, por exemplo, por uma coluna de suporte de sensor ou suporte 418. As seções de tira plana 426 de cada viga de sensor 420 podem ser orientadas perpendiculares ao plano do lado correspondente 410, e perpendicular às seções de tira plana 424 nas vigas transversais 414. O suporte de sensor 418 pode ser formado substancialmente como um cubo ou prisma retangular direito, por exemplo, com comprimento, altura e largura similar à dimensão de largura transversal das seções de tira plana 426 da viga de sensor 420.

[0079] Como mostrado na figura 4, os lados individuais 410 da es trutura 408 pode ser em geral plana ou planar, e podem ser construídos com alta tolerância estrutural e capacidade de reprodução. Em uma modalidade ilustrativa, os lados 410 da estrutura 408 podem ser formados a partir de cerâmicas usináveis para maximizar tolerâncias ortogonais e rigidez nas estruturas laterais 410. Em outras modalidades, as estruturas laterais 410 podem ser produzidas de alumínio ou outro material de metal condutor, ou de um material compósito. Assim, os membros laterais 410 da estrutura 408 podem ser ou condutor ou isolante.

[0080] Os seis membros individuais de estrutura lateral 410 podem ser fixados juntos para criar um alojamento ou estrutura rígida em forma de cubo 408, que é disposto em torno da massa de teste ou central corpo 402. Pode ser desejável se conectar os lados 410 da estrutura 408 juntos usando membros de isolamento 422 para reduzir o acoplamento mecânico entre os membros laterais adjacentes 412 e membros de viga transversais 414 em cada componente de estrutura individual 410, por exemplo, com membros de isolamento 422 dispostos nas interseções de canto das estruturas laterais 410. Os isoladores 422 (oito no total) podem operar para minimizar a transferência de energia mecânica e vibracional a partir de um lado 410 da estrutura 408 para outro na medida em que a massa 402 se move com relação à estrutura 408, por exemplo, em resposta a energia sísmica como descrito aqui.

[0081] Em modalidades nas quais os componentes da estrutura 410 são produzidos a partir de um material condutor (por exemplo, alumínio ou outro metal), os isoladores 422 podem adicionalmente ser isoladores elétricos. Em um exemplo de modalidade, cada extremidade dos componentes laterais 412 pode também ser formada com uma reentrância côncava para aceitar um isolador substancialmente esférico 422 como mostrado; entretanto, outros formatos e formas de isoladores 422 podem ser usadas. Em algumas implementações, os isoladores podem ser formados de vidro, cerâmico, ou fibra de vidro G10/epóxi. Os membros laterais 412 e os isoladores 422 podem ser fixados um ao outro usando um adesivo de epóxi ou outra forma de adesivo.

[0082] As superfícies externas de cada um dos transdutores 406 podem ser fixadas a uma superfície interna de um suporte de sensor 418 componente da estrutura no lado correspondente 410, por exemplo, com um adesivo. Na medida em que a viga rígida de sensor 420 é conectada através da porção central de cada lado 410, a frequência ressonante pode ser relativamente alta.

[0083] A capacidade de minimizar as influências do eixo transver sal nos pares de transdutores paralelos 406 no sistema sensor 400 pode ser afetada pela precisão do alinhamento ortogonal dos eixos de cristal relevantes dos transdutores 406, e a precisão da polarização dos cristais. Para uma maior economia, a sensibilidade e a confiabilidade, cada lado 410 da estrutura 408 pode incorporar uma viga de sensor 420 conectada através do componente lateral 410, que inclui uma ou mais seções de tira 426 designadas para ser relativamente rígidas ao longo do eixo de sensoriamento e relativamente mais macias ou menos rígidas ao longo do eixo de não sensoriamento. Essa construção é similar em efeito àquele dos membros de viga transversal 414, que têm uma seção de tira plana 424 que corresponde às seções de tira plana 426 das vigas de sensor 420. Essa configuração pode aumentar ou maximizar a sensibilidade dos transdutores fixados 406 no eixo de sensoriamento (por exemplo, para um par transdutor axialmente paralelo). Ademais, na presente modalidade, as vigas transversais 414 em cada lado 410 da estrutura 408 são configurados para reduzir os efeitos de forças ao longo dos eixos ortogonais que operam nos respectivos componentes da estrutura lateral 410 da estrutura 408.

[0084] Uma vantagem dessa configuração é a geração de tensão de cisalhamento mecânica relativamente alta nos transdutores 406 na direção de sensoriamento primária ou principal, por exemplo, ao longo da dimensão longitudinal da viga de sensor correspondente 420, indicada pelas setas riscadas em negrito em cada lado 410 da estrutura 408. De modo oposto, pode haver tensão de cisalhamento relativamente mais baixa nas direções de eixo transversal; por exemplo, reduzido por cerca de -40 dB com relação à direção de sensoriamento principal.

[0085] Modalidades do conjunto sensor 400 podem realizar os re feridos resultados por configurar as vigas de sensor 420 para ser rela-tivamente mais rígido na direção de sensoriamento; que é, longitudinalmente ao longo do plano das seções de tira transversais 426, como mostrado pelas setas na figura 4, e relativamente menos rígidas (mais flexível ou "mais macia") na direção de eixo transversal, normal ao plano das seções de tira transversais 426. De modo similar, as vigas transversais 414 em cada lado 410 de estrutura 408 pode da mesma forma ser configuradas para uma rigidez relativamente maior na direção de sensoriamento (transversalmente ao longo do plano das seções de tira plana 424), e for relativamente menos rigidez e mais flexibilidade na direção de eixo transversal, normal ao plano das seções de tira plana 424.

[0086] Uma vez que a viga de sensor 420 e os membros de viga transversais 414 em cada seção lateral 410 da estrutura 408 pode ser relativamente mais rígida na direção de sensoriamento do que nas direções de eixo transversal, a tensão de cisalhamento no elemento cristal do transdutor correspondente 406 pode ser aumentada ou maximizada ao longo dos eixos de sensoriamento principais. Ao mesmo tempo, "linha cruzada" a partir do eixo sensor principal para outros eixos independentes pode ser reduzida. A construção do sensor 400 assim aumenta a sensibilidade por aumentar os efeitos das propriedades de orientação de cristal dos transdutores individuais 406 de modo a produzir relativamente mais voltagem quando tensionado em sua preferida direção de sensoriamento, e para reduzir os efeitos de descentralização de modo a alcançar um nível desejado de fidelidade de vetor.

[0087] Mais especificamente, o sensor 400 é configurado para ge rar uma representação consistente do movimento ou impulso ao longo de cada eixo de medição independente, independente da orientação do sensor. O sensor 400 é também configurado para substancialmente reduzir a resposta a um impulso ao longo de um eixo sensor particular, como observado pelos outros dois eixos independentes (ortogonal). Isso aprimora a fidelidade de vetor por proporcionar uma representação mais precisa do campo de onda do vetor (físico) atual observado no sensor 400, ao mesmo tempo em que reduz os efeitos não físicos de resposta do sensor.

[0088] Dependendo da aplicação, um sensor de acordo com a configuração na figura 4 pode ser configurado com sensibilidade e fai- xa dinâmica selecionados por um valor de aceleração de sinal máximo de OBN (chegada direta) de cerca de ±335 mg e um sinal mínimo de OBN de cerca de 20 ng2/Hz (em cerca de 2Hz a cerca de 200 Hz). Configurações adequadas de transdutor incluem, mas não são limitadas a cristais de modo de cisalhamento PMN-PT e elementos de sensor de acelerômetro piezoelétrico, por exemplo, com um coeficiente de dielétrica piezoelétrico de d15 da ordem de cerca de 4.500 pC/N.

[0089] Em exemplos particulares, dimensões de cristal piezoelétri co retilíneo adequadas podem ser da ordem de cerca de 3,5 mm x 2 mm x 1 mm. Parâmetros mecânicos adequados podem incluir, mas não são limitadas a uma tensão de cisalhamento média com base em área de cisalhamento dupla de aproximadamente 16 MPa (2,500 psi), usando um valor de tensão média de 50 libra força (cerca de 220 N). Um corpo de massa adequada pode ser proporcionado na forma de uma esfera de alumínio, como descrito acima, por exemplo, com um diâmetro da ordem de cerca de 2,35 cm (0,925 polegadas) e uma massa da ordem de cerca de 18,3 g. Uma estrutura ou componentes de painel lateral podem ser proporcionados na forma de suportes de alumínio ou componentes de pilar de 3,124 cm (1,23 polegadas) espessura (quadrado), com viga transversal de alumínio e membros de viga sensores tendo seções de tira de 0,508 mm (20 mil) de espessura. Os referidos valores são meramente representativos, e variam a partir de modalidade para modalidade.

[0090] Em exemplos particulares, esferas de vidro e outros materi ais adequados podem ser usados para os isoladores 422. A partir de uma perspectiva de durabilidade, as referidas construções podem ser capazes de resistir a impacto em uma superfície rígida a partir de uma queda de 30,5 cm (12 polegadas), o que resulta em uma aceleração ascendente de aproximadamente 784 g por um impulso de onda de seno de ^-período com uma largura de pulso de 1/2 milissegundo. Is- so é um contraste com relação às configurações da técnica anterior, que pode tipicamente ser sujeita a danos a partir de choques aplicados substancialmente mais baixos.

[0091] Procedimentos de teste adequados incluem mover o apare lho sensor 400 verticalmente a uma aceleração de 300 mg ao longo do eixo Z (ou ao longo de qualquer outro eixo selecionado), em uma distribuição de frequências distinta. Para os referidos testes, as condições limites de aceleração correspondentes podem ser aplicadas ou definidas nos isoladores 422, ou de outro modo localizadas nos cantos do aparelho sensor 400 como mostrado na figura 4. A tensão que resulta nos cristais transdutores 422 induzida pelo referido movimento é traçada na figura 5.

[0092] A figura 5 é um gráfico de tensão de cisalhamento 500 para a configuração representativa de sensor sísmico 400 da figura 4, como uma função de frequência. São ilustradas as tensões de cisalhamento relevantes nos cristais, para os três eixos sensores principais X, Y e Z (linhas 502, 504 e 506, respectivamente).

[0093] Para o par de cristal designado como o acelerômetro de eixo Y, por exemplo, Txy é traçada (linha 504), uma vez que essa é a tensão de cisalhamento que produz uma voltagem não insignificante e pode ser orientada de modo a corresponder às acelerações de eixo Y. A tensão de cisalhamento no transdutor de eixo X (linha 502) e no transdutor de eixo Z (linha 506) são também traçadas para cada frequência. O ponto de dados em cada frequência é a tensão máxima em qualquer uma das faces de cristal correspondentes em contato com a massa central. Há dois cristais por eixo, e uma face de contato por cristal (que é, onde o transdutor é fixado à superfície externa da massa).

[0094] Duas características são indicadas pelo gráfico de tensão de cisalhamento 500. A primeira é que as respostas do cristal são substancialmente planas com relação à frequência. Isso ocorre pelo fato de que a ressonância do sensor está significantemente fora da faixa de frequência. A segunda é que a resposta do eixo Y pode ser relativamente forte; por exemplo, apenas cerca de 23 dB abaixo daquela do eixo Z. Observar também que para acelerações na direção do eixo Z (vibração do eixo Z), o eixo Y é o eixo no qual a viga única de sensor em contato com o cristal transdutor é a conexão mais macia ou menos rígida, potencialmente resultando em maior tensão nos cristais de eixo Y. De modo diferente, o par de vigas transversais na estrutura de eixo Y pode ser relativamente mais rígido em resposta ao movimento ao longo do eixo Z. A resposta dessa configuração pode aprimorar quando a espessura da viga é reduzida a cerca de 0,254 mm (0,01 polegadas), mas configurações mais espessas podem também ser fa-vorecidas, por exemplo, com base em considerações de fabricação.

[0095] Consistente com a tensão de cisalhamento do cristal trans dutor sendo substancialmente constante como uma função de frequência, e com os cristais transdutores agindo como molas entre a massa e as estruturas, o deslocamento relativo entre a massa e os isoladores (considerado as condições de controle ou de limite para a aceleração aplicada) é também substancialmente constante com a frequência. Em exemplos particulares, a amplitude do deslocamento relativo correspondente é cerca de 7,33 nm. O deslocamento relativo geral com relação aos isoladores (ou outras referências) pode ser encontrado de acordo com A / (2πf)2, onde f é a frequência e A é a aceleração (por exemplo, 300 mg).

[0096] A figura 6 é uma vista isométrica de uma alternativa de apa relho sensor de acelerômetro sísmico de massa única e múltiplos eixos 600. O sensor 600 pode ser configurado de modo relativamente diferente a partir da modalidade da figura 4, e proporciona vantagens estruturais adicionais e de fabricação. Em relação a outras coisas o ace- lerômetro 600 da figura 6 pode ser similar àquele da figura 4.

[0097] Como ilustrado na figura 6, o sensor 600 é construído com a massa de teste central ou corpo 602 encerrada dentro de um alojamento ou estrutura 608. A massa central 602 pode ser esférica (seja sólida ou oca), ou configurado de acordo com outras modalidades. Seis superfícies planas ou fendidas 604 podem ser formadas na superfície externa 603 da massa 602, por exemplo, alinhadas com as extremidades opostas dos três eixos ortogonais tendo uma origem no centro da massa 602.

[0098] As superfícies 604 proporcionam estruturas de ligação e alinhamento para a fixação de cada elemento sensor ou transdutor 606. Em algumas modalidades, um elemento de bolso ou fenda retangular rasa pode ser formada em cada uma das superfícies 604, de modo a adequadamente alinhar os transdutores 606 e ajudar a ligar os transdutores 606 à superfície externa 603 da massa 602.

[0099] A estrutura 608 pode ser formada pela conexão de seis se ções de placa plana ou membros de placa lateral 612 configurados para formar um invólucro em geral cúbico em torno da massa 602. Por exemplo, cada uma das placas 612 pode formar um componente lateral da estrutura ou seção 610 de tamanho, espessuras e construção similares ou substancialmente idênticos. As placas individuais 612 podem ser usinadas a partir de alumínio ou cerâmico, ou formadas a partir de outros materiais com rigidez e durabilidade adequados.

[00100] A abertura central 614 pode ser formada em cada uma das placas 612, por exemplo, substancialmente centralmente localizada em cada lado 610 da estrutura 608. Um número de orifícios perfurados 616 pode também ser formado dentro das placas 612, por exemplo, nos cantos da seção de estrutura 610, espaçados a partir da abertura central 614 como mostrado na figura 6. As seções de abertura individual 610 podem ser conectadas nos cantos por isoladores 622, de modo a proporcionar isolamento elétrico e reduzir a força de acoplamento entre as seções de estrutura adjacentes 610 como na modalidade da figura 4.

[00101] No exemplo de modalidade do aparelho sensor 600 ilustrado na figura 6, a abertura central 614 pode ser de formato octogonal e ligada por conjuntos de paredes internas paralelas e opostas entre si 624, 626 e 628, por exemplo, com paredes 624 substancialmente normais às paredes 626 e às paredes 628 diagonalmente dispostas entre as paredes 624 e 626, cada uma das quais pode ter aproximadamente o mesmo comprimento ou comprimentos diferentes. Alternativamente, a abertura 614 pode ter uma geometria circular, triangular, oblongada, quadrada, hexagonal ou outra geometria, e a configuração da parede interior pode variar desse modo.

[00102] De modo diferente à configuração viga de sensor configuração mostrada na modalidade da figura 4, um, dois ou mais elementos de haste 620 podem ser usados para conectar cada um dos transdutores 606 à seção de estrutura lateral 610. Cada transdutor 606 pode ser mantido dentro de um suporte ou estrutura de suporte 618, que é suportada dentro da abertura central 614 pelas hastes 620.

[00103] Elementos de bastão 620 são fixados a e se estendem entre as paredes interiores opostas entre si 624 de abertura central 614. As hastes 620 podem ser dispostas em geral paralelas e espaçadas uma a partir da outra, que se estendem através das extremidades laterais do suporte de sensor 618. Em um exemplo de implementações, as hastes 620 são produzidas de berílio cobre, por exemplo, tendo uma seção transversal circular de cerca de 0,508 mm (0,02 polegadas) de diâmetro. Berílio cobre e outros materiais adequados proporcionam elementos de haste 620 com elevada resistência à deformação e con- dutividade, e a seção transversal circular resulta em uma resposta de tensão de cisalhamento substancialmente similar em ambas as dire- ções de eixo transversal, perpendicular ao eixo de cisalhamento de translação principal orientado ao longo da direção longitudinal (indicada por setas duplas tracejadas). Alternativamente os materiais e a geometria de seção transversal podem variar, dependendo da aplicação.

[00104] Em modalidades ilustrativas, os suportes ou suportes 618 podem ser produzidos de latão ou de outro material de metal adequado, e projetado para se prender às hastes 620 nos lados longitudinais dos transdutores de cristal piezoelétrico 606. A estrutura 608 pode ser dimensionada com as hastes 620 posicionadas próximas às faces internas de cada uma da seção de estrutura 610, de modo a reduzir momentos de "descascamento". Por exemplo, força de cisalhamento no cristal transdutor 606 transversal ao eixo de cisalhamento de translação principal (setas duplas tracejadas) pode criar um componente de tensão que pode agir para descamar ou de outro modo desalojar o transdutor 606 a partir da massa 602, e gerar uma força suficiente para romper a ligação de cola ou outro acoplamento mecânico que retém o transdutor 606 à superfície externa 603 da massa 602. Em geral, quanto mais próximas as hastes 620 estão da massa 602, menor o momento correspondente, o que reduz esse efeito potencial.

[00105] Em uma operação similar como discutido acima com relação à figura 5, o aparelho sensor 600 da figura 6 pode ser movido verticalmente (por exemplo, ao longo do eixo Z) com uma aceleração de cerca de 300 mg, a uma distribuição distinta de frequências. Para o referido teste, a condição de limite de aceleração vertical correspondente pode ser aplicada nos isoladores 622, para os quais o valor e a fase da aceleração são definidos. A tensão nos cristais transdutores 606 induzida por esse movimento é traçada na figura 7.

[00106] A figura 7 é um gráfico de tensão de cisalhamento 700 para o sensor sísmico alternativo 600 da figura 6, como uma função de frequência. São ilustradas as tensões de cisalhamento relevantes nos cristais, para os três eixos sensores principais X, Y e Z (linhas 702, 704 e 706, respectivamente).

[00107] Para o par de cristal designado como o acelerômetro de eixo Y, Txy é traçada (linha 704), uma vez que essa é a tensão de cisa- lhamento que produz voltagem não insignificante e pode ser orientado de modo a corresponder a acelerações de eixo Y. As tensões de cisa- lhamento correspondentes nos transdutores de eixo X (linha 702) e transdutores de eixo Z (linha 706) são também traçadas, para cada frequência. O ponto de dados em cada frequência é a tensão máxima em qualquer uma das faces de cristal em contato com a massa central. Mais uma vez, há dois cristais por eixo, e um face de contato por cristal, onde o transdutor é fixado à superfície externa da massa.

[00108] As respostas do cristal permanecem substancialmente planas com relação a frequência, em virtude de a ressonância do sensor ser significantemente fora da faixa. De modo diferente da modalidade da figura 5, entretanto, as respostas do eixo transversal (para os pares de transdutor de eixo-X e de eixo Y) são mais similares, e ambas estão mais do que 40 dB abaixo daquela do eixo acionado (para o par de transdutor de eixo Z). As necessidades de fidelidade de vetor são adicionalmente satisfeitas por essa configuração, onde a resposta a um ímpeto ao longo de um eixo particular é consistentemente e precisamente medida, e a resposta fora de eixo é substancialmente menor do que a resposta em eixo.

[00109] Consistente com a tensão de cisalhamento do cristal transdutor sendo substancialmente constante como uma função de frequência, e com os cristais transdutores agindo como molas ou acoplamentos orientados de modo similar entre a massa e as estruturas, o deslocamento relativo entre a massa e a estrutura de topo (considerada o controle) é também substancialmente constante com frequência. Nos referidos exemplos particulares, a amplitude do deslocamento re- lativo é cerca de 0,91 nm. O deslocamento relativo geral dos sensores pode ser observado de acordo com A / (2πf)2, onde f é a frequência e A é a aceleração (por exemplo, 300 mg).

[00110] A figura 8 é uma vista isométrica de um outro aparelho sensor sísmico alternativo de massa única e múltiplos eixos 800. Como ilustrado na figura 8, o aparelho sensor ou acelerômetro 800 pode ser similar em alguns aspectos ao sensor 400 da figura 4 e ao sensor 600 da figura 6. O alojamento ou a estrutura 808 do aparelho sensor 800 pode também ser fabricada a partir de um material cerâmico de uma única peça usinável, metal ou outro material adequado, que proporciona ortogonalidade e rigidez adicionais.

[00111] A massa de teste central ou corpo 802 é encerrada dentro do alojamento ou estrutura 808. A massa central 802 pode ser esférica (seja sólida ou oca), ou formada como poliedros simétricos ou outro formato (por exemplo, com seis superfícies de acoplamento planas 804 formadas na superfície externa 803 da massa 802, alinhadas com as extremidades opostas dos três eixos ortogonais tendo uma origem no centro da massa 802). As superfícies de acoplamento 804 proporcionam a superfície de ligação e alinhamento para a fixação dos elementos sensores ou transdutores 806, como descrito acima. Em algumas modalidades, um bolso ou reentrância rasa pode ser formado em cada uma das superfícies 804, de modo a acomodar e alinhar os transdutores individuais de cristal piezoelétrico 806, e para ajudar na ligação dos transdutores 806 à superfície externa 803 da massa 802.

[00112] Como mostrado na figura 8, a estrutura 808 pode incluir seis faces planas ou lados 810 que formam um cubo em torno da massa 802. A referida estrutura 808 pode ser formada como um mo- nocoque ou componente de invólucro estrutural similar, usinado a partir de um material cerâmico (por exemplo, um material MACOR), ou a partir de um metal adequado ou outro material com rigidez adequada e outras propriedades mecânicas.

[00113] A abertura central 814 pode ser formada em cada uma das faces laterais 810 da estrutura 808, circundada por uma pluralidade de pilares laterais ou membros de viga 812 proporcionando um quadro de perímetro para uma estrutura cúbica 808. Em modalidades simétricas, os membros laterais 812 podem ser de modo similar construído, ou substancialmente idênticos em tamanho, espessura e construção.

[00114] Como ilustrado na figura 8, as aberturas centrais 814 podem ser de formato em geral quadradas ou octogonais, e ligada por dois pares de paredes interiores paralelas e em geral opostas entre si 824 e 826. As paredes 824 e 826 podem ser de comprimento similar, com pares alternados de paredes 824 e 826 orientados em geral perpendicular um ao outro. As paredes interiores restantes 828 podem ser em geral mais curtas do que e orientadas diagonalmente com relação a outras interior paredes 824, 826, e com relação aos componentes de perímetro lateral 812 ao longo dos lados 810 da estrutura 808. As paredes diagonais 828 podem adicionalmente se inclinar para dentro em direção da massa 802, e pode sofrer uma transição sem problemas para dentro dos membros laterais 812 que se estendem ao longo de cada lado 810 da estrutura 808. As aberturas centrais 814 podem também ser suficientemente grandes para acomodar a massa 802 para inserção e fixação dentro da estrutura 808.

[00115] Como na modalidade da figura 6, um par de hastes cilíndricas 820 pode ser usado para conectar cada um dos transdutores 806 à estrutura 808 do aparelho sensor 800, como mostrado na figura 8. Em configurações particulares, cada transdutor 806 pode ser mantido dentro de um suporte ou membro de suporte 818 que é adicionalmente mantido dentro da abertura central 814 pelas hastes 820, que são fixadas a e se estendem entre um par de paredes interiores opostas entre si 824. Em um exemplo de configuração, as extremidades das hastes 820 podem ser inseridas em orifícios 816 perfurados dentro de pilares laterais ou componentes de viga 812 das faces laterais 810, e fixadas no mesmo, por exemplo, com um adesivo. Os pares de hastes 820 podem ser dispostos paralelos a e espaçados um a partir do outro, que se estendem através de extremidades laterais do suporte correspondente 818. Em um exemplo de implementações, as hastes 820 podem ser produzidas de berílio cobre tendo uma seção transversal circular de cerca de 0,508 mm (0,02 polegadas) de diâmetro. Alternativamente, as dimensões e a composição do material variam.

[00116] Em modalidades ilustrativas, os suportes 818 podem ser produzidos de latão ou de outro material de metal adequado e projetado para se prender às hastes 820 sobre os lados de transdutores de cristal piezoelétrico 806. A estrutura 808 pode ser dimensionada desse modo, e as hastes 820 podem ser posicionadas próximas da superfície interna de cada lado 810 da estrutura 808 de modo a reduzir os momentos de "descascamento", como descrito acima. Ademais, os canais 830 podem ser perfurados ou de outro modo formados nos componentes laterais 812, por exemplo, a partir de uma borda interna dos membros de pilar, transversais a e em comunicação de fluido com os orifícios perfurados 816 que recebem as hastes 820, de modo a injetar adesivo (por exemplo, um epóxi condutor ou outro agente de ligação) para reter as hastes 820 no lugar.

[00117] A figura 9A é uma vista isométrica de uma ferramenta de alinhamento ou gabarito 940 para fabricar um sensor sísmico de massa única 900 com a massa de teste central ou corpo 902. A figura 9A ilustra a ferramenta ou gabarito 940 adaptado para alinhar os elementos sensores ou transdutores 906 e braçadeiras de suporte 918 com relação à massa central 902.

[00118] A massa 902 pode ser inserida na porta principal 944 definida na base 942 da ferramenta de alinhamento 940, dimensionada e configurada para receber a massa 902 no formato ou forma particular na qual a massa 902 é usinada ou de outro modo produzida, e para manter a massa 902 em uma orientação particular. Um número de fendas 946, 948, etc. podem ser formadas na base 942 adjacente à porta principal 944, e alinhadas com os eixos de massa transversal 902, adjacentes às superfícies de fixação correspondentes 904. As fendas 946, 948 podem ser dimensionadas e configuradas para receber uma combinação de um transdutor 906 e uma braçadeira ou suporte correspondente 918 em uma orientação adequada para alinhar os cristais dos transdutores 906 ao longo do desejado eixo de cisa- lhamento.

[00119] Os cristais transdutores 906 podem assim ser fixados a uma massa 902 em um alinhamento desejado, e mantidos no lugar por um período estendido enquanto o adesivo aplicado cura. Múltiplos transdutores piezoelétricos ou outros elementos sensores 906 podem assim ser ligados à massa 902 em operações concomitantes.

[00120] A figura 9B é uma vista isométrica de um gabarito de montagem 950 para um acelerômetro de massa única e múltiplos eixos ou aparelho de sensor sísmico 900. A segunda etapa no processo de fabricação pode ser auxiliada pelo gabarito de montagem ou ferramenta 950 ilustrada na figura 9B.

[00121] A massa 902 com os transdutores 906 e os suportes 918 anteriormente ligados à mesma podem ser temporariamente mantidos no lugar na base 952 da ferramenta 950. Um número de colunas verticais 954 pode ser colocada de modo removível dentro de orifícios na base 952 da ferramenta de montagem 950 para reter a massa 902 no lugar. A porção central 958 da base 952 pode ser escalonada adequadamente de modo a elevar a massa 902 acima da superfície e para posicionar a massa 902 dentro do alojamento ou estrutura 908 quando colocada sobre a massa 902, que se encontra na base 952.

[00122] A estrutura 908 pode adicionalmente ser mantida no lugar por um conjunto de colunas verticais adicionais 956 que podem ser colocadas de modo removível dentro de orifícios adicionais na base 952 de modo a manter a estrutura 908 no lugar com relação à massa 902. Embora a massa 902 e a estrutura 908 sejam mantidas no lugar uma com relação a outra na ferramenta de montagem 950, as hastes podem ser inseridas através de orifícios nos pilares da estrutura 908 a partir de um primeiro lado, através das aberturas nos suportes 918, e então através de orifícios em pilares opostos entre si que definem a face da estrutura 908, como mostrado, por exemplo, na figura 6 e na figura 8. O adesivo pode então ser injetado através dos canais de adesivo e curado para fixar as hastes à estrutura 908 e aos suportes 918. A ferramenta de montagem 950 desse modo proporciona uma operação simultânea, de cura de todo eixo para a ligação das hastes, desse modo minimizando e normalizando qualquer tensão que possa de outro modo ser colocada nas hastes e nos transdutores durante o processo de montagem.

RESPOSTA DO SENSOR

[00123] A figura 10 é um diagrama esquemático que ilustra um estímulo externo aplicado a um aparelho sensor de força 1000. Como mostrado na figura 10, um estímulo externo linear (translacional) 1001 aplica força nas braçadeiras ou suportes 1018 por meio do alojamento ou estrutura do sensor. As braçadeiras ou suportes 1018 são mecanicamente acoplados aos elementos sensores individuais 1006, por exemplo, transdutores de cristal piezoelétrico.

[00124] A resistência inercial da massa de teste 1002 resiste à força ou estímulo externo 1001, e uma tensão de cisalhamento se desenvolve através de cada par de transdutores 1006 posicionados para responder à força externa 1001. Quando a resposta do cristal (saída de voltagem do piezoelétrico) é somada aos transdutores 1006 em ca- da lado da massa 1002, as convenções selecionadas de orientação de cristal e de polaridade resultam em um sinal proporcional à amplitude da aceleração, em virtude do estímulo externo sendo aplicado ao longo do eixo de sensoriamento selecionado. Os sensores fora de eixo têm resposta mínima, em virtude da configuração mecânica do aparelho sensor 1000 que proporciona adequada conformidade dentro da montagem do cristal com relação à estrutura, como descrito aqui.

[00125] Como mostrado na figura 10, cada transdutor 1006 é disposto entre a massa de teste ou corpo 1002 (mostrado como elíptico por uma questão de conveniência) e o suporte ou membro de suporte adjacente 1018. Uma marca mecânica positiva (ou resposta positiva) 1034 é mostrada para cada um dos dois transdutores 1006, e os referidos podem ser alinhados na mesma extremidade de cada cristal. Os transdutores 1006 podem também ser montados na massa 1002 com os eletrodos negativo ou comum colocados contra e/ou em contato elétrico com a superfície externa da massa 1002, e com os eletrodos positivos orientados contra e/ou em contato elétrico com as braçadeiras de suporte 1018.

[00126] Em alguns exemplos, a massa 1002 pode compreender um condutor metal ou incluir uma superfície laminada de metal que define um equipotencial, que é eletricamente conectado aos eletrodos comuns (negativos) de cada transdutor 1006 no sensor 1000, e que pode ser eletricamente amarrado a uma conexão terra comum como mostrado na figura 10. O diagrama elétrico representativo 1050 ilustra um circuito equivalente, que mostra a polaridade elétrica dos transdutores 1006 e a conexão terra. As convenções de polaridade e mecânica positiva são meramente representativas, entretanto, e podem ser inter- cambiadas por qualquer ou todos os transdutores 1006, sem perda de generalidade.

[00127] Para um sensor translacional 1000, quando uma onda pla na acústica ou outro impulso externo adequado 1001 trafega ao longo de um eixo de sensoriamento positivo designado, o sensor 1000 gera um sinal positivo que responde à tensão de cisalhamento resultante nos transdutores 1006. A tensão de cisalhamento é induzida pela resistência inercial da massa 1002, que é fixada a uma face de cada transdutor 1006, com relação ao estímulo externo 1001 transmitido sobre as braçadeiras de suporte 1018, que são fixadas às superfícies opostas entre si dos transdutores 1006. O corpo da massa 1002 e as braçadeiras de suporte 1018 empurram e puxam nas faces opostas do transdutor 1006, o que gera tensão de cisalhamento.

[00128] Quando a onda acústica trafega na direção oposta ao eixo de sensoriamento positivo do sensor, uma saída negativa é produzida. A direção de propagação da onda assim define a polaridade do sinal para cada eixo sensor translacional. Em resposta ao estímulo mecânico translacional, os cristais são submetidos a forças de cisalhamento que geram um sinal similar a polaridade. O circuito equivalente 1050 na figura 10 indica que nessa configuração particular a resposta elétrica, VR, é igual a soma das saídas de voltagem XTAL1 e XTAL2 dos dois cristais transdutores 1006.

RESPOSTA ROTACIONAL

[00129] Os três eixos sensores X, Y, Z podem ser ortogonalmente arranjados, por exemplo, com a orientação de polaridade positiva do eixo cada uma satisfazendo uma regra da mão direita (vida a figura 3). Para um sensor de aceleração rotacional, o movimento que atua no par acoplado de transdutores de cristal piezoelétrico terá uma polaridade positiva, como definido em um sentido horário em torno de um eixo comum, visto através do plano de movimento e ao longo do eixo positivo normal ao plano. Descrito de outro modo, olhando para baixo a partir da extremidade positiva do eixo normal ao plano de rotação, o movimento que atua no par acoplado de sensores terá uma polaridade positiva e prossegue em um sentido anti-horário em torno do eixo. Al-ternativamente, a convenção de sinal pode ser revertida, sem perda de generalidade.

[00130] A figura 11A é um diagrama esquemático que ilustra a resposta de orientação e translacional de um sensor 1100 com um conjunto de transdutores 1106 fixados a braçadeiras de suporte 1118 posicionadas sobre uma massa de teste 1102 no plano X-Z (ou Z-X). As figuras 11B e 11C são diagramas esquemáticos que ilustram a resposta de orientação e translacional para os transdutores 1106 posicionados nos planos X-Y e Y-Z, respectivamente. A figura 11D é um diagrama esquemático que ilustra a resposta e convenção de polaridade do eletrodo para um transdutor representativo 1106.

[00131] A figura 11A ilustram a orientação de um primeiro par de transdutores 1106 posicionado sobre a massa 1102 no plano X-Z ou Z- X, e a direção de resposta positiva translacional a uma força externa. A conexão de eletrodo e polaridade correspondente da saída de voltagem são indicadas por marcações de paridade de tensão e eletrodo (pontos), usando a convenção de marcação de resposta positiva e eletrodo da figura 11D.

[00132] As figuras 11B e 11C usam a mesma convenção de marcação. A figura 11B ilustra a orientação de um segundo par de transdutores 1106 posicionados sobre a massa 1102 no plano X-Y, e a figura 11C ilustra a orientação de um terceiro par de transdutores 1106 posicionados sobre a massa 1102 no plano Y-Z.

[00133] A figura 12 é um diagrama de fiação representativa para um conjunto de transdutores piezoelétricos ou elemento sensores 1206 em um aparelho sensor sísmico de massa única e múltiplos eixos 1200. A figura 12 é um desenho esquemático simplificado que denota a fiação das placas de pré-amplificação 1210 e canais X1-X6 para os transdutores 1206, como proporcionado em várias modalidades de um sensor de aceleração de massa única e múltiplos eixos 1200. Em algumas modalidades, um pré-amplificador/digitalizador integrado pode ser colocados atrás do pré-amplificador de amplificação. Em modalidades adicionais, um processador de pós-digitalização para ajuste de ganho e remoção de deslocamento pode ser usado antes de formar os sinais de saída de movimento linear (translacional) final e rotacional, por exemplo, por meio de soma e diferenciação digital.

[00134] Em algumas configurações, o sensor de aceleração de massa única e múltiplos eixos 1200 pode ter seis respostas de sensor de movimento: três respostas de aceleração translacional ortogonal, e três respostas de aceleração rotacional. As respostas translacionais e de aceleração rotacional para cada eixo (designado Xl, Xr; Yl, Yr; e Zl, Zr, respectivamente) são formadas a partir dos sinais de soma e de diferença obtidos pelos pares correspondentes de transdutores de cristal único 1206, como mostrado na figura 12. Cada um dos três pares de transdutores 1206 pode ser posicionado ao longo de um diferente dos três eixos ortogonais de detecções X, Y, Z, que se estendem através do centro de massa do corpo de teste (único), como descrito acima.

[00135] As respostas dos pares opostos entre si dos transdutores individuais 1206, após ampliação e digitalização, podem ser somadas ou diminuídas para gerar as respostas linear ou de aceleração rotacio- nal. A convenção de sinal determina se as saídas linear e rotacional são derivadas por soma ou diminuição dos pares de cristal opostos entre si. Para fins de configuração particulares, o sinal de resposta linear ou translacional pode ser gerado pela soma das respostas opostas do cristal, por exemplo, por determinar a orientação mecânica de cada cristal como mostrado acima nas figuras 11A-11C. Como uma consequência, a diferença das respostas opostas do cristal pode ser usada para gerar a resposta de aceleração rotacional. A convenção de sinal, entretanto é arbitraria, e pode ser revertida sem perda de generalidade.

GERAÇÃO DE SINAL

[00136] Essa seção define as formulas e algoritmos selecionados para calcular e gerar saídas linear ou translacional e rotacional simples representativas para um exemplo de sensor de aceleração de massa única e múltiplos eixos. Os referidos exemplos relativamente diretos não necessariamente incluem ermos de ajuste de orientação tridimensional total, por exemplo, como pode ser derivado a partir de um processo de calibração formal, mas as referidas correções são contempladas dentro do âmbito da descrição.

[00137] Nas expressões matemáticas de primeira ordem abaixo, os sinais amplificados do transdutor são representados por v1 - v6. Os ajustes de deslocamento são representados por o1 - o6. Os valores particulares dos ajustes de ganho proporcionados variam de modalidade em modalidade. Em particular, os referidos valores específicos indicam a faixa de variabilidade para os sinais linear ou translacional e rotacio- nal, em configurações particulares de um sensor sísmico de massa única e múltiplos eixos. De modo mais geral, os referidos valores variam com base na resposta do transdutor, na configuração dos eletrônicos e de outros fatores. Tabela 1: Resposta Linear Eixo Resposta linear Equação No.

Tabela 2: Resposta rotacional Eixo Resposta rotacional Equação No

Tabela 3: Parâmetros Símbolo Descrição

EXEMPLOS

[00138] Um sistema de aquisição de dados sísmicos pode utilizar uma estação de sensoriamento com um ou mais sensores sísmicos, onde os sensores sísmicos incluem qualquer número e combinação de hidrofones, geofones, acelerômetros ou semelhante. O referido sistema pode incluir um acelerômetro de massa única e múltiplos eixos, por exemplo, implementado como um sensor sísmico de seis componentes configurado para medir três graus de liberdade em movimento linear ou translacional ao longo de três direções independentes e três graus de liberdade em rotação sobre três eixos independentes. Em algumas das referidas modalidades, o sensor é proporcionado com três pares de acelerômetros ou sensores piezoelétrico similares acoplados a uma única massa de teste, e arranjados ao longo de eixos independentes ou ortogonais.

[00139] A ressonância de um tal acelerômetro de massa única e múltiplos eixos pode ser de uma ou mais ordens de magnitude maior do que outros sensores (por exemplo, um típico sensor de aceleração de partícula), o que permite uma implementação razoável de um sistema de choque mecânico de alto corte ao mesmo tempo em que mantém uma resposta plana dentro de uma selecionada faixa de frequência sísmica de interesse. O acelerômetro pode incorporar senso- riamento de direção por configurar os cristais e vigas em orientações únicas, e/ou por fixação aos cristais com suportes que são "rígidos" ao longo do eixo principal de sensoriamento e "macios" ao longo de eixos transversais. Um objetivo que pode ser alcançado pela referida confi-guração é se reduzir ou minimizar a distorção na estrutura, ao mesmo tempo em que se aumenta ou maximiza a tensão de cisalhamento no cristal ao longo da direção de sensoriamento principal.

[00140] Em qualquer um dos exemplos e modalidades descritas aqui, um sensor sísmico pode compreender uma estrutura e uma massa central disposta dentro da estrutura, a massa central tendo três eixos principais. Uma pluralidade de transdutores pode ser mecanicamente acoplada entre a estrutura e a massa central. Os transdutores podem ser arranjados em três pares, com os transdutores em cada par acoplado aos lados opostos da massa central, como definido ao longo dos três diferentes eixos principais.

[00141] Cada um dos transdutores pode ter uma orientação de cristal que define uma sensibilidade ao cisalhamento, com a sensibilidade ao cisalhamento dos transdutores em cada par sendo orientada em geral paralela uma a outra, e substancialmente paralela ao respectivo eixo principal. Por exemplo, as sensibilidades ao cisalhamento dos três pares de transdutores podem ser orientadas em direções mutuamente perpendiculares. As direções mutuamente perpendiculares podem corresponder aos eixos principais, mas a sensibilidade ao cisalhamento de cada par é paralela ao eixo principal ao longo do qual aquele par é disposto, e assim perpendicular ao outro dos três eixos principais, ao longo do qual um diferente par dos transdutores é disposto.

[00142] A estrutura ou alojamento pode compreender uma pluralidade de membros de estrutura lateral arranjados em pares nos lados opostos da massa central, como definido ao longo dos três eixos principais, com os transdutores sendo acoplados aos membros de estrutura lateral em cada um do respectivo par. Uma pluralidade de membros de isolamento pode ser disposta entre os membros de estrutura lateral nos cantos dos mesmos, onde os membros de isolamento são configurados para suprimir a transferência de carga de cisalhamento entre os respectivos membros de estrutura lateral.

[00143] Uma viga pode ser disposta ao longo da porção central de cada membro de estrutura lateral, com a viga configurada para acoplar ao respectivo transdutor, oposto à massa central. A referida viga pode ter uma seção transversal não uniforme que define uma rigidez relativamente maior ao longo da direção de sensoriamento principal do respectivo transdutor (por exemplo, como definido pela orientação de cristal, com sensibilidade de cisalhamento paralela ao respectivo eixo principal), e uma rigidez relativamente menor perpendicular à direção de sensoriamento principal (por exemplo, perpendicular ao respectivo eixo principal).

[00144] Alternativamente, uma ou mais hastes podem ser acopladas a cada membro de estrutura lateral, e dispostas através de uma abertura formada em uma região central do membro de estrutura late ral. As uma ou mais hastes podem ser configuradas para acoplar o respectivo transdutor ao lado correspondente da estrutura, por exemplo, com as hastes que se estendem ao longo de a direção de senso- riamento principal. As hastes podem também ser configuradas para reduzir a transferência de carga de cisalhamento perpendicular à direção de sensoriamento principal.

[00145] Em qualquer um dos referidos exemplos e modalidades, a massa central pode ser condutiva ou ter uma superfície externa condu- tiva. Cada um dos transdutores pode ser eletricamente acoplado à superfície externa condutiva, de modo a definir um potencial terminal comum. Por exemplo, cada um dos transdutores pode ser orientado com um lado de eletrodo negativo disposto em direção da superfície condutiva da massa central, e todos os eletrodos negativos podem ser conectados à esfera condutiva para definir uma conexão terra comum.

[00146] Dispositivos eletrônicos de sensoriamento podem ser configurados para combinar sinais dos transdutores em cada par, de modo a gerar uma saída que caracteriza uma aceleração da massa na dire-ção paralela aos eixos principais correspondentes. De modo similar, os dispositivos eletrônicos de sensoriamento podem ser configurados para combinar os sinais dos transdutores em cada par para gerar uma saída que caracteriza uma rotação da massa da estrutura sobre os respectivos eixos principais. Dependendo do eletrodo e convenção de resposta para a orientação de cristal transdutor selecionado, os sinais podem ser combinados por soma para gerar a saída de aceleração linear ou translacional, e combinados por subtração para gerar uma saída de aceleração rotacional, que utiliza dispositivo eletrônicos adequados de pré-amplificação, fatores de ganho e outros parâmetros.

[00147] Um aparelho sensor de acordo com qualquer uma das modalidades acima e exemplos pode compreender um conjunto de alojamento modular tendo um ou mais componentes configurados para a implantação em uma coluna de água. Um sensor sísmico pode ser proporcionado no alojamento modular, com o sensor sísmico compreendendo uma massa central disposta dentro de uma estrutura e uma pluralidade de transdutores mecanicamente acoplados entre a estrutura e a massa central. Os transdutores podem ser arranjados em pares acoplados a lados opostos da massa central, com os lados opostos definidos ao longo dos três eixos principais da massa central.

[00148] Os dispositivos eletrônicos de sensoriamento podem ser configurados para gerar uma saída por combinar os sinais dos transdutores em cada par, com a saída caracterizando um campo de onda sísmica que se propaga através da coluna de água. Por exemplo, uma primeira (por exemplo, aditiva) combinação dos sinais pode estar respondendo à aceleração na direção de sensoriamento paralela ao eixo principal ao longo do qual o par de transdutores é acoplado à massa. De modo oposto, uma segunda (por exemplo, subtrativa) combinação dos sinais pode estar respondendo à rotação sobre o eixo perpendicular principal ao longo do qual o par de transdutores é acoplado à massa.

[00149] Alternativamente a convenção de sinal pode ser revertida, por exemplo, com base na orientação do cristal transdutor, a convenção de acoplamento do eletrodo, e outros componentes de processamento de sinal eletrônico. Por exemplo, cada par dos transdutores pode ter uma orientação de cristal que define uma sensibilidade ao cisalhamento ao longo da direção de sensoriamento, com as sensibilidades ao cisalhamento dos transdutores individuais dentro de um par orientado em uma direção em geral paralela, e as sensibilidades ao cisalhamento de diferentes pares dos transdutores sendo orientadas em direções mutuamente perpendiculares.

[00150] A estrutura pode compreender uma pluralidade de membros de estrutura lateral arranjados nos lados opostos da massa cen tral. Uma pluralidade de membros de isolamento pode ser disposta entre os membros de estrutura lateral, e configurados para reduzir a transferência de carga de cisalhamento entre os lados da estrutura. A estrutura pode também compreender uma pluralidade de lados dispostos sobre a massa central ao longo dos eixos principais, com cada um dos lados acoplados a um respectivo dentre os transdutores, oposto à massa central. Os lados (ou membros de estrutura lateral) podem ser configurados para proporcionar uma rigidez relativamente maior ao longo da direção de sensoriamento dos respectivos transdutores, e uma rigidez relativamente menor perpendicular à respectiva direção de sensoriamento (por exemplo, perpendicular ao eixo principal corres-pondente da massa).

[00151] A massa central pode ser formada de um material condutor, ou a superfície externa condutiva pode ser proporcionada na massa central. Cada um dos transdutores pode ser eletricamente acoplado à superfície externa condutiva, de modo a definir um potencial terminal comum.

[00152] Um circuito temporizador pode ser configurado para proporcionar um sinal de tempo que corresponde à saída dos sensores eletrônicos, e a memória pode ser configurada para armazenar a saída e o sinal de tempo correspondente. Nas modalidades de estação de sensoriamento e nodo sísmico, o temporizador e a memória podem ser dispostos dentro do alojamento modular, junto com o sensor sísmico e os sensores eletrônicos. O aparelho sensor pode adicionalmente compreender uma fonte de energia configurada para proporcionar energia aos eletrônicos, ao circuito temporizador, à memória e aos sensores eletrônicos. Um sensor de profundidade pode ser configurado para controlar a fonte de energia, com base na profundidade do aparelho sensor na coluna de água. O alojamento modular pode ser substancialmente unitário, ou formado de componentes modulares separados unidos juntos, com o sensor sísmico, sensores eletrônicos, circuito temporizador, memória, fonte de energia, sensor de profundidade e outros componentes internos dispostos no mesmo componente ou em diferentes componentes modulares do alojamento.

[00153] Métodos adequados de formar ou montar o referido sensor sísmico ou aparelho sensor incluem proporcionar um gabarito de alinhamento e dispor a massa na base do gabarito de alinhamento, onde a massa define três eixos ortogonais. Uma pluralidade de transdutores pode ser disposta no gabarito adjacente à massa, os transdutores arranjados em pares em lados opostos da massa, ao longo de pelo menos dois dos eixos ortogonais. Os transdutores podem ser alinhados com o gabarito, onde cada par de transdutores define a direção de sensoriamento principal orientada perpendicularmente ao respectivo eixo. Os transdutores podem também ser ligados à massa, onde o gabarito retém cada um dos transdutores em alinhamento ao longo da respectiva direção de sensoriamento principal.

[00154] Alternativamente, cada uma das etapas pode ser realizada independentemente, sem o gabarito de alinhamento, por exemplo, usando outras ferramentas de alinhamento. Dependendo do sensor e da configuração do gabarito, dispor a massa na base do gabarito de alinhamento podem incluir inserir a massa em uma porta definida na base, com a porta configurada para alinhar a massa com relação aos eixos ortogonais. Dispor a pluralidade de transdutores adjacentes à massa pode compreender inserir os transdutores em fendas definidas adjacentes à porta na base do gabarito, com as fendas configuradas para alinhar os transdutores para definir as respectivas direções de sensoriamento principais perpendicularmente aos eixos ortogonais cor-respondentes.

[00155] Uma estrutura pode também ser disposta no gabarito, onde os lados da estrutura são alinhados com relação aos três eixos ortogo- nais. A pluralidade de transdutores pode ser ligada à estrutura, onde os transdutores são ligados entre a massa e os respectivos lados. Métodos de montagem selecionados podem também incluir inserir pinos dentro da base, onde os pinos são configurados para reter uma ou ambas de massa e de estrutura em posição durante uma simultânea operação de cura, para ligar a pluralidade de transdutores a uma ou ambas de massa e de estrutura substancialmente ao mesmo tempo.

[00156] Combinações adicionais são também englobadas. Por exemplo, a estação de sensoriamento pode incluir um ou mais de um sensor de pressão escalar e um sensor de três componentes (3C) configurados para medir três componentes espaciais de ondas sísmicas, por exemplo, um ou mais acelerômetros ou sensores piezoelétricos de sistema micro eletromecânico (MEMS). Um ou mais componentes adicionais podem também ser incluídos na estação de sensoriamento, por exemplo, um dispositivo de tempo ou circuito configurados para gerar um sinal de relógio, memória configurada para armazenar dados sísmicos a partir dos sensores, uma fonte de energia configurada para proporcionar energia aos sensores, e outros componentes eletrônicos.

[00157] O sistema pode incluir um ou mais sensores de profun didade ou de pressão configurados para determinar a profundidade da estação de sensor sísmico durante o posicionamento e/ou retirada. Durante o posicionamento, um ou mais sensores, memória e outro circuitos ou componentes eletrônicos da estação de sensor sísmico podem não ser energizados até que um limiar de profundidade seja alcançado, por exemplo, de acordo com o medido pelos sensores de profundidade ou de pressão. Quando o limiar de profundidade é alcançado, um ou mais dos circuitos ou componentes eletrônicos da estação de sensor sísmico podem também ser desligados.

[00158] Por energizar de modo seletivo um ou mais dos referidos circuitos ou componentes eletrônicos da estação de sensor sísmico durante o posicionamento e/ou retirada, a estação de sensoriamento pode conservar energia e estender vida útil de operação. Em particular, a vida útil de operação dos sensores sísmicos e/ou da estação pode ser estendida durante as operações para registrar os dados sísmicos, em comparação ao referido sistema sem a capacidade de ligar e desligar de modo seletivo um ou mais circuitos ou componentes eletrônicos, seja com base em profundidade, tempo ou outro parâmetro operacional.

[00159] Em alguns exemplos a estação de sensor sísmico é formada com um único alojamento integrado, e todos os circuitos ou componentes eletrônicos da estação de sensoriamento são contidos dentro do alojamento. A estação de sensor sísmico pode também ser configurada para ser posicionada por meio de um cabo, por exemplo, com o alojamento tendo uma passagem definida através do mesmo e configurada para receber o cabo, ou usando um elemento de fixação ou outro mecanismo de acoplamento configurado para facilitar a conexão ao cabo.

[00160] Um aparelho de pesquisa sísmica pode incluir duas ou mais das referidas estações de sensoriamento ou nodos, como descrito aqui. Um método para posicionar as estações de sensoriamento em um aparelho de pesquisa sísmica pode ser implementado por dispor as estações ao longo de um cabo ou fio, ou por meio de um veículo operado remoto ou autônomo, ou usando sistemas autônomos de propulsão. Métodos adicionais são englobados para rebocar o referido aparelho de pesquisa sísmica atrás de um navio.

[00161] Métodos para a aquisição de dados sísmicos incluem operar o referido sistema de aquisição de dados sísmicos, como descrito aqui. Um meio de armazenamento de dados não transitório que pode ser lido por computador pode também ser proporcionado com um código de programa incorporado no mesmo, onde o código de programa é executável em um processador de computador para executar o referido método para aquisição de dados sísmicos por operar um sistema de aquisição de dados sísmicos como descrito aqui.

SUPRESSÃO E INTENSIFCAÇÃO DE CISALHAMENTO

[00162] Um sistema sensor autônomo pode ser configurado de acordo com qualquer um dos exemplos acima, com o sistema tendo um ou mais de um primeiro sensor, um segundo sensor, e/ou um terceiro sensor que compreende um ou mais de um hidrofone, um geofo- ne de três componentes e um sensor livre de cisalhamento capaz de registrar sinais sísmicos substancialmente ausentes de distorção a partir de ondas de cisalhamento. Por exemplo, um referido sistema sensor autônomo pode incluir um ou mais dos sensores encerrados em uma região ou alojamento com uma impedância acústica similar àquela da água circundante, de modo que os sinais acústicos que tra-fegam através da água são transferidos para os sensores no mesmo com mínima reflexão.

[00163] O exterior do alojamento pode incluir ou ser formado como um alojamento rígido perfurado coberto com uma película flexível, acusticamente transparente. O interior do alojamento pode ser preenchido com um fluido, onde a película e o fluido ambos tenham impe- dâncias acústicas substancialmente iguais àquela da água circundante ou água do mar. Pelo menos um dos sensores pode ser suspenso no fluido, de modo que o sensor suspenso seja parcialmente ou substancialmente isolado a partir do movimento do alojamento do sistema sensor autônomo, desse modo protegendo o sensor a partir de ruído de cisalhamento transferido por meio do alojamento.

[00164] Um sistema sensor autônomo pode ser proporcionado de acordo com qualquer um dos exemplos acima, onde as saídas de um ou mais dos sensores são combinadas para gerar um sinal sísmico combinado. O referido sinal combinado pode substancialmente rejeitar efeito fantasma e múltiplos efeitos, e o sinal combinado pode ou ser registrado separadamente ou adicionalmente combinado com a saída de um ou mais outros dos sensores. A saída de um único sensor de componente vertical pode ser utilizada para remover ou reduzir ou diminuir o impacto do ruído de cisalhamento nos componentes vertical ou horizontal do outro dos sensores, seja por si ou em combinação com a saída de um ou mais sensores adicionais tal como um hidro- fone.

[00165] A energia de cisalhamento registrada pode ser isolada para determinar as propriedades da estrutura de subsuperfície com base na energia de cisalhamento. A energia de cisalhamento pode preferivelmente ser isolada por combinar as saídas dos sensores, e ainda preferivelmente por um dos sensores registrar ambas as ondas de cisalha- mento e as ondas de pressão e o outro dos sensores registrar apenas as ondas de pressão, ainda mais preferivelmente com uma ou mais das referidas saídas sendo subtraídas par isolar a energia de cisalha- mento.

[00166] O referido aparelho sensor pode também proporcionar medições não só lineares, mas também rotacionais. As medições rotacio- nais podem proporcionar dados de cisalhamento substancialmente puros, e ter não só os dados rotacionais, mas também os translacionais, permite a computação de derivadas do campo de onda. Os referidos cálculos podem proporcionar a remoção de contaminação de cisalha- mento a partir dos dados do nodo do fundo do oceano (OBN), assim como a aprimorada interpolação dos dados de onda de pressão primária (onda-P) e onda de cisalhamento secundária (onda-S ou onda-PS), desse modo tornando viável a pesquisa do nodo de águas profundas de onda-C (onda-PS ou onda convertida).

[00167] Um sistema sensor autônomo de cisalhamento reduzido ou livre de cisalhamento pode ser configurado por qualquer um dos exemplos acima, o sensor incluindo um alojamento exterior ou externo e um alojamento interno suspenso em um fluido ou meio de absorção de cisalhamento dentro do alojamento externo, a gravidade específica do alojamento interno e o meio de absorção de cisalhamento preferivelmente selecionado para ser substancialmente similar para facilitar a suspensão do alojamento interno no fluido ou gel dentro do alojamento externo. O alojamento externo pode ser projetado de modo que a energia de cisalhamento seja dispersada ou dissipada no alojamento, enquanto que as ondas de pressão são transmitidas através do alojamento com substancialmente mínima atenuação. O alojamento externo pode também compreender um componente de alojamento rígido e perfurado coberto com uma película flexível e acusticamente transparente, as ondas de pressão podem trafegar através não só do alojamento externo, mas também do meio de absorção de cisalhamento, o meio pode compreender água do mar ou gel, e/ou as ondas podem ser registradas por um geofone formado dentro do alojamento interno.

[00168] Um sistema sensor pode ser configurado por qualquer um dos exemplos acima, com qualquer um ou mais dos sensores implementados na forma de um acelerômetro de massa única como descrito aqui. De modo similar, qualquer um ou mais dos sensores pode ser configurado como um sensor de seis componentes, como descrito aqui. Adicionalmente, qualquer um ou mais dos sensores pode ser configurado como um sensor de massa única para de modo independente medir a energia de compressão assim como a energia de cisa- lhamento, por exemplo, em um, dois ou três diferentes direções ortogonais.

[00169] A não ser que especificamente indicado, todas as referências aos geofones utilizados na presente invenção incluem geofones convencionais assim como outros dispositivos conhecidos para detectar a atividade de onda sísmica ou sensores direcionais, incluindo sem limitação, acelerômetros, e referências a acelerômetros da mêsma forma incluem outros sensores de direção, incluindo, sem limitação, geofones. Embora o dito acima seja direcionado a modalidades da presente invenção, outras modalidades adicionais da presente invenção podem ser desenvolvidas sem se desviar a partir do âmbito básico da mesma, e o âmbito da mesma é determinado pelas reivindicações a seguir.

[00170] Embora a presente invenção tenha sido descrita com relação a exemplos de modalidades particulares, é entendido que mudanças podem ser produzidas e equivalentes podem ser substituídas para se adaptar a descrição aos diferentes problemas e aplicações, e ainda permanecerem dentro do espírito e âmbito da presente invenção como reivindicada. A presente invenção não é limitada aos exemplos que são descritos, mas engloba todas as modalidades que se insiram dentro do âmbito das reivindicações em anexo.

Claims

1. Sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200), que compreende: uma estrutura tridimensional (108, 408, 608, 808, 908); uma massa central (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) disposta dentro da estrutura; e uma pluralidade de conjuntos de transdutores mecanicamente acoplados entre a estrutura e a massa central; em que cada um dos conjuntos de transdutores é disposto entre a estrutura e a massa central de uma maneira configurada para medir um movimento rotacional em relação a um primeiro eixo do sensor e para medir um movimento translacional em relação a um segundo eixo do sensor; caracterizado pelo fato de que: cada um dos transdutores é um transdutor de cristal piezoelétrico tendo uma orientação cristalina que define uma direção de sensibilidade ao cisalhamento; e a direção de sensibilidade ao cisalhamento um transdutor de cristal piezoelétrico, em cada conjunto é orientada em geral paralela uma à outra e substancialmente perpendicular ao primeiro eixo.

2. Sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as sensibilidades ao cisalhamento de cada conjunto de transdutores são orientadas em direções mutuamente perpendiculares.

3. Sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a estrutura (108, 408, 608, 808, 908) é rígida ao longo da direção de sensibilidade ao cisalhamento em cada local de acoplamento mecânico com cada um dos transdutores de cristal piezoelétricos.

4. Sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: a estrutura (108, 408, 608, 808, 908) adicionalmente compreende uma respectiva viga (420) disposta ao longo da porção central (958) de cada lado da estrutura; cada viga é acoplada a um respectivo transdutor de cristal piezoelétrico em um lado oposto à massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) central; e a viga tem uma seção transversal não uniforme que define uma rigidez relativamente maior ao longo de uma direção de sensibilidade ao cisalhamento do respectivo transdutor de cristal piezoelétrico e uma rigidez relativamente menor perpendicular à direção de sensibilidade ao cisalhamento do respectivo transdutor de cristal piezoelétrico.

5. Sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a estrutura (108, 408, 608, 808, 908) adicionalmente compreende uma ou mais hastes (620, 820) rígidas acopladas a cada lado da estrutura (108, 408, 608, 808, 908) e acopladas a um respectivo transdutor de cristal piezoelétrico oposto à massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) central ao longo da direção de sensibilidade ao cisalhamento e configurada para reduzir a transferência de carga perpendicular à direção de sensibilidade ao cisalhamento.

6. Sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: a massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) central compreende uma superfície externa (103, 303, 403, 603, 803) conduti- va; e cada um dos transdutores de cristal piezoelétricos é eletricamente acoplado à superfície externa condutiva para definir um potencial terminal comum da mesma.

7. Sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende sensores eletrônicos configurados para combinar sinais dos transdutores em cada conjunto para gerar uma saída que caracteriza uma ou ambas aceleração da estrutura em uma direção perpendicular ao primeiro eixo e rotação da estrutura em relação à massa central (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) e desse modo, em torno do primeiro eixo.

8. Sensor de aceleração de múltiplos eixos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um primeiro conjunto de transdutores é configurado para medir a rotação em torno do primeiro eixo.

9. Sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende um segundo conjunto dos transdutores dispostos entre a estrutura (108, 408, 608, 808, 908) e a massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) central de uma maneira configurada para medir a rotação em torno de um segundo eixo.

10. Sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende um terceiro conjunto dos transdutores dispostos entre a estrutura (108, 408, 608, 808, 908) e a massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) central de uma maneira configurada para medir a rotação em torno de um terceiro eixo.

11. Sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o primeiro eixo, o segundo eixo e o terceiro eixo são perpendiculares entre si.

12. Sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 8, 9, 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que cada um da pluralidade de transdutores é configurado para medir um movimento transla- cional.

13. Sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que: pelo menos um primeiro dos transdutores é configurado para medir o movimento de translação em uma primeira direção paralela a ou ao longo do primeiro eixo; pelo menos um segundo dos transdutores é configurado para medir o movimento de translação em uma segunda direção paralela a ou ao longo do segundo eixo; e pelo menos um terceiro dos transdutores é configurado para medir a translação em uma terceira direção paralela a ou ao longo de um terceiro eixo.

14. Sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a primeira direção, a segunda direção e a terceira direção são perpendiculares entre si.

15. Aparelho sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200), que compreende: uma massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) central disposta dentro de uma estrutura (108, 408, 608, 808, 908) e uma pluralidade de transdutores mecanicamente acoplados entre a estrutu- ra e a massa central, em que os transdutores são arranjados em pares acoplados a lados opostos da massa central, e os lados opostos são definidos ao longo dos respectivos eixos da mesma; e sensores eletrônicos configurados para combinar os sinais dos transdutores em cada par e gerar saída de informações de movimento de translação e de movimento de rotação da estrutura em relação à massa central; caracterizado pelo fato de que: cada um dos transdutores é um transdutor de cristal piezoelétrico tendo uma orientação de cristal que define uma sensibilidade ao cisalhamento ao longo da direção de sensoriamento; e as sensibilidades ao cisalhamento de diferentes pares dos transdutores sendo orientadas em direções mutuamente perpendiculares.

16. Aparelho sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200), de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que uma primeira combinação dos sinais é responsiva à aceleração translacional em uma direção de sensoria- mento perpendicular a cada eixo respectivo ao longo do qual cada par de transdutores é acoplado à massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) central, e uma segunda combinação dos sinais é respon- siva à aceleração rotação sobre cada eixo respectivo.

17. Aparelho sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200), de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que membros da estrutura (108, 408, 608, 808, 908) acoplada aos transdutores são configurados para pro porcionar uma rigidez relativamente maior ao longo da respectiva direção de sensoriamento de cada par respectivo de transdutores e uma rigidez relativamente menor perpendicular à respectiva direção de sensoriamento.

18. Aparelho sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200), de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) central compreende uma superfície externa (103, 303, 403, 603, 803) conduti- va; e cada um dos transdutores é eletricamente acoplado à superfície externa condutiva para definir o potencial terminal comum do aparelho sensor.

19. Aparelho sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200), de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende um circuito temporizador (164) configurado para proporcionar um sinal de tempo que corresponde a saída dos sensores eletrônicos; e uma memória (162) configurada para armazenar a saída e o sinal de tempo correspondente; e opcionalmente uma fonte de energia (166) configurada para fornecer energia aos sensores eletrônicos, ao circuito temporizador e à memória.

20. Método de montar um sensor de aceleração de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200), como definido na reivindicação 1, o método caracterizado pelo fato de que compreende: proporcionar a massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) central; dispor a pluralidade de conjuntos de transdutores adjacentes à massa central, em que os transdutores estão arranjados em pares em lados opostos da massa central ao longo dos respectivos eixos; alinhar os transdutores, em que cada um do par de transdutores define uma direção de sensoriamento principal orientada per- pendicularmente ao respectivo eixo; dispor a estrutura (108, 408, 608, 808, 908) em torno da massa central, em que os lados da estrutura estão alinhados em relação aos respectivos eixos; e ligar os transdutores à massa central e à estrutura, em que os transdutores são ligados entre a massa central e os respectivos lados da estrutura; e cada um dos transdutores é mantido em alinhamento ao longo da respectiva direção de sensoriamento principal.

21. Acelerômetro de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200), que compreende um alojamento (108, 408, 608, 808, 908) definindo um invólucro tridimensional; um corpo de massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) único suspenso dentro do invólucro definido pelo alojamento; e uma pluralidade de sensores de força (1000) fisicamente ligados ao corpo de massa único em uma pluralidade de localizações e ainda fisicamente ligados ao alojamento, suspendendo desse modo o corpo de massa simples dentro do invólucro, em que os sensores de força (1000) são configurados para medir o movimento de rotação do acelerómetro em torno de cada eixo da pluralidade de eixos do acelerómetro e para medir o movimento de translação ao longo de cada eixo da pluralidade de eixos; caracterizado pelo fato de que: os sensores de força (1000) são feitos de um único cristal de cisalhamento; cada par de sensores de força tem uma orientação de cristal de cada cristal de cisalhamento único que define uma sensibilidade ao cisalhamento ao longo da respectiva direção de sensoriamento; e as sensibilidades ao cisalhamento de diferentes pares de sensores de força são orientadas em direções mutualmente perpendiculares.

22. Acelerômetro de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o corpo de massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) único é centrado dentro do invólucro; ou o corpo de massa única é esférico; ou o corpo de massa única é oco; ou o corpo de massa única é eletricamente condutor; ou qualquer combinação dos itens acima.

23. Acelerômetro de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que os sensores de força (1000) estão dispostos em pares acoplados a lados opostos da massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) central e os lados opostos são definidos ao longo dos respectivos eixos.

24. Acelerômetro de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o alojamento (108, 408, 608, 808, 908) é uma estrutura monobloco.

25. Acelerômetro de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o alojamento (108, 408, 608, 808, 908) define uma pluralidade de aberturas (614, 814) dentro da estrutura monobloco com cada abertura posicionada adjacente a um respectivo dos sensores de força (1000); e o acelerômetro compreende ainda uma pluralidade de hastes (620, 820) fixas ao alojamento, em que uma ou mais das hastes são dispostas através de cada abertura respectiva formada dentro da estrutura (108, 408, 608, 808, 908) monobloco; e a uma ou mais hastes acopla o respectivo transdutor ao alojamento ao longo de uma direção de sensoriamento principal e reduz a transferência de carga entre o corpo de massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) único e o alojamento perpendicular à direção de sensoriamento principal.

26. Acelerômetro de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o alojamento (108, 408, 608, 808, 908) é formado por uma pluralidade de estruturas ligadas em conjunto em torno do corpo de massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) único.

27. Acelerômetro de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma ou mais hastes (620, 820) acopladas a cada estrutura (108, 408, 608, 808, 908) e dispostas através de uma abertura (614, 814) formada no mesmo, em que a uma ou mais hastes são configuradas para acoplar um sensor de força (1000) respectivo a uma estrutura correspondente ao longo de uma direção de sensoriamento principal e para reduzir a transferência de carga perpendicular à direção de sensoriamento principal.

28. Acelerômetro de múltiplos eixos de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que as estruturas que formam o alojamento (108, 408, 608, 808, 908) são isoladas eletricamente umas das outras, isoladas mecanicamente umas das outras, ou ambas.

29. Acelerômetro de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que cada um dos sensores de força (1000) é feito de um único cristal de cisalhamento.

30. Acelerômetro de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que compreende ainda sensores eletrônicos configurados para combinar sinais dos sensores de força (1000) para gerar uma saída caracterizando um ou ambos de aceleração do corpo de massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) único em uma direção perpendicular a um eixo respectivo dentre uma pluralidade de eixos e rotação do corpo de massa única dentro da estrutura (108, 408, 608, 808, 908) em torno do respectivo eixo dentre uma pluralidade de eixos.

31. Acelerômetro de múltiplos eixos (100, 300, 400, 600, 800, 900, 1200) de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que o alojamento (108, 408, 608, 808, 908) é configurado de tal modo que a suspensão do corpo de massa (102, 302, 402, 602, 802, 902, 1002, 1102) simples dentro do invólucro é rígido ao longo de um eixo de sensibilidade translacional e é relativamente menos rígido ao longo de um eixo perpendicular não sensível.