CN101825720A - 力反馈地震检波器 - Google Patents

Abstract

公开一种力反馈地震检波器。宽带弱运动地震检波器包括：框架、质量块、将质量块可移动地连接至框架的悬挂装置、测量质量块相对于框架的位移并生成作为测得位移的函数的传感变送器输出信号的传感变送器、以预定方向将反馈力施加到质量块的加压变送器以及控制电路。控制电路接收传感变送器输出信号并生成包括自噪声分量的加压变送器输入信号。加压变送器输入信号由加压变送器处理以施加反馈力，从而使质量块相对于框架维持静止。反馈力足以平衡框架的沿该反馈力的预定方向的至少0.2m/s²的恒定加速度。加压变送器输入信号的自噪声分量在被加压变送器处理后产生针对0.01Hz下的1m²/s³具有小于-150dB的频谱密度的质量块的可变加速度。

Description

力反馈地震检波器

技术领域

本发明涉及地震检波器领域，更具体地说，涉及用于地震检波器中力反馈控制的系统和方法。

背景技术

存在被已知为短周期地震检波器和宽带地震检波器的两大类地震检波器。宽带地震检波器能在下测量低频的微弱地动，而短周期地震检波器则不能。地震地面运动的幅度在低于1Hz的频率下趋于快速下降，而地震检波器的自噪声水平趋于上升，因此在高于1Hz的频率(短周期)下比在更低频率下更容易实现良好的信噪比。

大多数宽带和部分短周期地震检波器是力反馈型的。所有的力反馈地震检波器均包括电子装置，该电子装置用于施加力以将可移动惯性质量块(mass)相对于在地面上静止的框架保持在预定零位置。在具有电子力反馈的短周期地震检波器中，反馈足够强烈以平衡地震检波器力学上的倾斜和温度的影响以及由于地震地面运动所引起的惯性力，不过，这种强烈的电子反馈带来使得地震检波器在低频下无法测量微弱地面运动的噪声。在宽带地震检波器中，电子力反馈(通过设计)被变得较弱以改进噪声性能，但是调节地震检波器的内部力学需要附加的质量定心(mass centering)调节机制，从而平衡倾斜和温度的影响。这种质量定心调节机制增加了地震检波器的尺寸和成本并且削弱了可靠性。而且，每次在地震检波器被安装在新场所时都调节内部力学是不方便的，并且随着安装的倾斜或温度的变化不时重新调节也是不方便的。

因此，需要一种无需调节内部力学就能够适应在现场服务中的有用的倾斜和温度运行范围的宽带力反馈地震检波器。而且，能够减小宽带地震检波器的尺寸和成本的任何设计改进也是被期望的。

发明内容

特定示例性实施例可提供一种宽带弱运动地震检波器，该地震检波器包括：框架、质量块、用于将所述质量块可移动地连接至所述框架的悬挂装置、用于测量所述质量块相对于所述框架的位移以及用于生成作为所述位移的函数的传感变送器输出信号的传感变送器、用于在预定的方向上将反馈力施加到所述质量块的加压变送器，以及用于接收所述传感变送器输出信号并且用于生成包括自噪声分量的加压变送器输入信号的控制电路，所述加压变送器输入信号由所述加压变送器处理以施加所述反馈力，从而使所述质量块相对于所述框架维持静止；所述反馈力足以平衡所述框架的沿该反馈力的预定方向的至少0.2m/s²的恒定加速度，其中所述加压变送器输入信号的自噪声分量在被所述加压变送器处理后，产生针对0.01Hz下的1m²/s³具有小于-150dB的频谱密度的所述质量块的可变加速度。

特定示例性实施例可提供一种用于宽带弱运动地震检波器的力反馈方法，该地震检波器具有框架、质量块、用于将所述质量块可移动地连接至所述框架的悬挂装置、可操作地连接至所述质量块的质量块电容器板、可操作地连接至所述框架的框架电容器板，所述框架电容器板被定位成平行于所述质量块电容器板并且与所述质量块电容器板隔开一垂直距离，所述方法包括：通过测量所述质量块电容器板与所述框架电容器板之间的垂直距离，感应所述质量块相对于所述框架的位移，并且基于所测得的垂直距离，产生传感变送器输出信号；根据所述传感变送器输出信号生成加压变送器输入信号；根据所述加压变送器输入信号生成反馈力，所述反馈力包括自噪声分量；在预定方向上将所述反馈力施加到所述质量块，从而使所述质量块相对于所述框架维持静止，所述反馈力足以平衡所述框架的沿所述预定方向的至少0.2m/s²的恒定加速度，并且其中所述反馈力的自噪声分量产生针对0.01Hz下的1m²/s³具有小于-150dB的频谱密度的所述质量块的可变加速度。

附图说明

图1A和图1B示出根据实施例的力反馈地震检波器的部件的示意图；

图2A和图2B是示出在图1A和图1B中的地震检波器的装配时刻所设置的力平衡的示意图；

图3A和图3B是示出在图1A和图1B中的地震检波器的框架以倾斜的角度被定位时的力平衡的示意图；以及

图4是根据本发明实施例的地震检波器的力反馈控制方法的示意流程图。

具体实施方式

根据本发明的具有力反馈控制的宽带弱运动地震检波器的一个实施例被示意性地表示在图1A和图1B中。图1A是示出机械部件的简化示意图。图1B是示出电部件的简化示意图。图1A和图1B一起示出用于感应一个灵敏度方向15上的地面运动的组件。已知这种定向传感组件为地震检波器轴。为了测量所有方向上的运动，力反馈地震检波器通常包括被定位成彼此垂直的三个分立轴。

参照图1A，悬臂1通过悬挂装置连接至框架3。该悬挂装置包括枢轴2和弹簧9。枢轴2允许悬臂1以单自由度围绕枢轴线13基本自由地旋转通过指定的运动范围。在框架3处于水平时，弹簧9施加在装配时刻确定和设置的力，以平衡重力并且将悬臂1支撑在相对于框架3的指定悬臂角22。

在框架3可倾斜的通常情况下，悬臂角23被限定如下。悬臂1、被固定至悬臂1的部件以及跟着悬臂1移动的部件一起包括可移动悬臂组件。该可移动悬臂组件具有质心12。经过质心12和枢轴线13的平面被已知为悬臂14的平面。悬臂角23是悬臂14的平面与垂直于重力方向的真水平面11之间的角。框架3包括水平基准面27。在框架的水平面11平行于真水平面11时，地震检波器被认为是水平的。地震检波器应该在水平方位下被使用，不过在现场服务中框架3可以被定位在倾斜角10，这将使得悬臂角23不同于指定的悬臂角22。

框架3在垂直于悬臂14的平面的运动将使得悬臂1围绕枢轴2旋转，并且将使质心12相对于框架3移动。不过，框架3在悬臂14的平面中的运动不会使悬臂1旋转，也不会使质心12相对于框架3移动。因此，地震检波器轴的灵敏度方向15是与悬臂14的平面垂直的方向。

传感变送器按照如下方式感应悬臂1相对于框架3的位置。传感变送器包括被固定至悬臂1的顶板4和底板5以及被固定至框架3的内板6。示例电子反馈控制电路在图1B中被示出。电子反馈控制电路包括振荡器28，振荡器28将具有相同振幅和频率但相位相反的振荡电压施加至顶板4和底板5。这些振荡电压电容性地连接至中心板6。

传感变送器的三个板4、5和6基本平行，并且被定位成使得悬臂1围绕枢轴2的旋转促使顶板4和底板5在基本垂直于中心板6的平面的方向上移动，从而改变中心板6与其它两个板4、5之间的距离。悬臂1的零位置是顶板4和底板5处于距中心板6相同距离处的位置，以使这些板之间的电容相同，并且因此施加至顶板4和底板5的相反电压抵消以在中心板6上产生零电压。

如果悬臂1远离零位置运动，则中心板6上出现非零信号，并且该信号由前端放大器29放大并由检测器电路30解释。检测器电路30生成作为地面运动的函数的地震检波器输出电压31。地震检波器输出电压31被反馈以通过具有三个分支的反馈网络来控制悬臂的运动，其中一个分支包括差分反馈电容器32，第二个分支包括比例反馈电阻器33，并且被已知为积分器的第三分支包括积分放大器35和积分器输出电阻器34。

来自反馈网络的三个分支中的每个分支的输出电流组合产生被输入至加压变送器的反馈电流。该加压变送器包括被固定至悬臂1的线圈7以及被固定至框架3的磁铁8。经过线圈7的反馈电流产生反馈力26，该反馈力26用于反抗悬臂1远离零位置的任何运动，并从而使得该悬臂相对于框架3保持静止。

在环路增益高时，在任何给定频率下地震检波器输出电压31对地面运动输入的灵敏度由该频率下的反馈网络的增益来确定。积分器在DC下具有非常高的增益，使得地震检波器输出电压31对框架3的恒定加速度或倾斜基本不敏感，或者等同地施加至悬臂1的恒定力基本不敏感。该积分器用于补偿如图3B中所示的悬挂力19与重力16之间的任何不平衡，从而将悬臂1维持在相对于框架成指定悬臂角22，并将传感变送器维持在以零位置为中心的指定运行范围内。积分器的增益随着频率衰减，使得地震检波器输出电压31对时变地震地面运动的灵敏度由差分反馈电容器32和比例反馈电阻器33来设置。

图2A和图2B示出在框架3处于水平时在装配时刻被设置的力的平衡。竖直向下作用的重力16被竖直向上作用的悬挂力19平衡。重力16具有被弹力21平衡的在灵敏度方向15上作用的轴上分量17，以及被枢轴力18平衡的在悬臂14的平面中作用的轴外分量18。

图3A和图3B示出在框架3被定位在倾斜角10时力的平衡。重力16和弹力21不发生改变。不过，由于悬臂角23发生变化，因此重力17的轴上分量发生改变，使得该轴上分量无法再平衡弹力21，并且反馈力26由积分器供应以使悬臂相对于框架保持静止。重力18的轴外分量也发生改变，因此枢轴力18发生变化以使其平衡，由于悬臂14的平面中的运动受到枢轴2的刚性约束，因此这仅引起可忽略量的轴外运动。反馈力26是由于加压变送器所引起的作用于质量块12的中心上的力，该力可以不被加于(attached)质心12但却施加转矩至悬臂，并且因此将总反馈力26施加至质心12。

类似地，如果框架3处于水平但是弹力21由于刚度随温度的变化而改变，那么反馈力26再次由积分器供应，以使悬臂1相对于框架3保持静止。

而且，在框架3由于地震地面运动而加速时，惯性力作用于悬臂1上，并且惯性力也被反馈力26和枢轴力18平衡。力的总平衡由等式1描述。

等式1： $\stackrel{\→}{a}=\frac{\stackrel{\→}{F}}{m}=\stackrel{\→}{g}+\frac{{\stackrel{\→}{F}}_s}{m}+\frac{{\stackrel{\→}{F}}_f}{m},$

其中是框架3由于地面运动引起的加速度，

是将悬臂1相对于框架保持在固定位置所需的总力，m是悬臂1的质量，

是重力加速度，

是悬挂力19，而

是反馈力26。

等式1可被重写为用于描述灵敏度方向上的力平衡的标量等式2。

等式2：

其中g是重力加速度的幅值，

是悬臂角23，而其它力和加速度是等式1中的力和加速度在灵敏度方向15上的分量。

因此，反馈力F_f 26具有每次数小时或数日基本维持恒定的分量

以及作为地震地面运动的比例测量值的更快速时变分量ma。积分器抵消力的固定分量

使得只有时变地震信号出现在地震检波器输出31中。力的这些固定分量的幅值如下：

1、悬臂角

23随地震检波器的方位发生改变。在现场使用状况下，由于精确的水平瞄准费力，因此可以是明显不水平的，并且在一些情况下可能是不可能水平的。利用气泡水平的典型安装会将地震检波器设置在水平的0.1度之内，因此23会在指定值22的0.1度之内。不过，地震检波器可能会由于土壤的沉积物或霜冻隆起而随着时间变得倾斜1度或更大。而且，在地震检波器被部署在人们无法接近的位置中，例如钻孔中或者海洋底部时，地震检波器有可能倾斜至少1度。倾斜10(

23的变化)的影响取决于

23的初始值。由于对于

1度的倾斜会引起重力

变化1.7％，因此水平轴对倾斜最敏感。由于对于

1度的倾斜会引起重力

变化仅0.015％，因此竖直轴对倾斜最不敏感。对称三轴地震检波器中的倾斜轴通常具有并且因此对倾斜具有中级灵敏度。

2、悬挂力F_s21由于弹簧9的温度灵敏度而随着时间变化。地震检波器在所有气候下都暴露于室外温度。对于普通弹簧材料来说，F_s21在±50摄氏度运行温度范围内的变化近似为±2％。

3、重力加速度g随着纬度和海拔而变化。重力加速度g在北极的海平面处比高赤道区域中高大约0.5％，因此相对于中纬度的重力变化±0.25％。

为了无需调节内部力学就适应现场服务中的倾斜和温度的有用运行范围，施加到线圈9(即，加压变送器)的积分器的输出能够产生至少±2％mg的固定力(等同于±0.2m/s²的加速度或大约±1度的水平轴倾斜)。

力反馈26能够平衡的最大加速度由等式3给出：

等式3： $a_{\max }=k_M{I}_{\max }=\frac{k_F}{m}\·\frac{V_{\max }}{R},$

其中V_max是积分放大器35的最大输出电压，R是积分器输出电阻34，

是积分器的最大输出电流，k_F是线圈7中每安培电流施加到质心12的、以牛顿表示的加压变送器的灵敏度，而是线圈7中每安培电流的质心12的组合加速度。

积分放大器35不可避免地具有一定级别的输出电压噪声。该噪声电压根据等式4产生噪声加速度。

等式4： $a_n=k_M{I}_n=\frac{k_F}{m}\·\frac{V_n}{R},$

其中V_n是积分器的输出电压噪声，a_n是由于积分器所引起的噪声加速度，而其它变量与等式3中的变量相同。

由于V_n随着频率而变化，因此最好被表示成频率的电压频谱密度函数，使得a_n成为频率的加速度频谱密度函数。

具有宽带低噪声性能的力反馈地震检波器应当具有足够低的值的a_n，并且不进行机械质量定心就制造力反馈地震检波器需要足够大的值的a_max。应该考虑两个因素：

1、具有足够大的动态范围

的积分器，以及

2、适当的反馈加速灵敏度

如果积分器的动态范围V_max/V_n足够高，那么k_F/mR存在一定范围的值，该范围的值同时实现足够高的a_max以适应现场服务中倾斜和温度的有用运行范围和足够低的a_n以允许宽带低噪声性能。

在一实施例中，以下参数值被使用：

V_max＝40V，在0.01Hz下

m＝14克，而R＝150kΩ。

这些参数值除了质量m以外，都是宽带低噪声地震检波器的的典型值。14克的惯性质量是短周期地震检波器的典型值，而宽带低噪声地震检波器通常使用大约10倍的质量。

减小质量是增加

并且从而增加a_max的一种方式。减小质量有助于减小地震检波器的总体尺寸并且从而还降低成本。如下那样，减小质量还具有减小积分器的功率输出并且从而减小地震检波器的总功耗的优点。

等式5： $P_{\max }=V_{\max }\·I_{\max }=V_{\max }\·a_{\max }\·\frac{m}{k_F}$

因此，质量的减小导致给定值a_max所需的功率的比例减小。

以上列出的参数值的新组合提供结果：

$a_{\max }=0.36\frac{m}{s^2}=g$ 的3.7％，

这足够大以适应现场服务中倾斜和温度的有用运行范围，并且

在0.01Hz下 $a_n=8.1\×{10}^{-9}\frac{{m/s}^2}{\sqrt{\mathrm{Hz}}}=-162\mathrm{dB}\frac{m^2}{s^3},$

这对于可能需要低噪声宽带地震检波器的大多数远震和本底地震研究来说是足够低的。积分放大器35的输出噪声电压V_n在低频下具有斜度为1/f的功率频谱，因此a_n随着频率在0.01Hz以上以10dB每十倍频的速率降低。

图4示出在具有先前所述的结构和参数值的宽带弱运动地震检波器中使用的力反馈方法。

传感变送器36如下那样感应质量块42(即，先前描述的枢轴式悬臂组件)相对于框架的位移43。来自振荡器28的振荡电压被施加到顶板4和底板5并且被电容性地连接至中心板6。在中心板6上得到的电压是传感变送器输出信号37，它的幅值是悬臂1距零位置的距离的测量值，并且它的相位是悬臂1的相对于零位置的正或负的位移方向的测量值。

反馈控制器38如下那样根据传感变送器输出信号37产生加压变送器输入信号39。传感变送器输出信号37由检测器30处理以产生地震检波器输出电压31。地震检波器输出电压31被输入至先前描述的具有三个分支的反馈网络。来自反馈网络的三个分支中的每个分支的输出电流相组合以产生加压变送器输入信号39。

加压变送器40如下那样根据加压变送器输入信号39产生反馈力41。加压变送器输入信号39被施加到固定于悬臂1的线圈7。穿过被固定至框架3的磁铁8的磁场的线圈7中得到的电流在线圈7上产生力。线圈7上的力被传送至悬臂1以产生转矩，该转矩又产生作用于质心12的反馈力41。

作用于障肋块42上的反馈力41根据牛顿第二定律对它加速。框架3的加速度产生惯性力44，惯性力44还作用于质量块42上。质量块相对于框架的位移43是由作用于质量块上的所有力产生的净加速度的结果。反馈控制器38如先前所述的那样生成加压变送器输入信号39以平衡作用于质量块42上的力，并且因此使位移43最小化，从而使质量块42相对于框架3维持静止。

反馈控制器38具有有限的动态范围，该范围对加压变送器输入信号39的幅值指定最大极限并且还对加压变送器输入信号39的时变自噪声分量的频谱密度指定最小极限。对加压变送器输入信号39的这些限制如先前所述的那样对反馈力41以及得到的最大加速度a_max和噪声加速度a_n施加限制。

先前所述的参数值的组合产生

以及在0.01Hz下的

足够大以适应现场服务中的倾斜和温度的有用运行范围，而

对于使用低噪声宽带地震检波器的大多数远震或本底地震来说是足够低的。

尽管已经针对特定实施例和应用场合对本发明进行了描述，但是本领域的任何普通技术人员根据该教导均能够得出另外的实施例和改进，而不会偏离本发明的权利要求的精神或超出其范围。因此，应该理解的是，此处的附图和说明适于作为示例的方式来便于本发明的理解，并且不应该被解释成限制本发明的范围。

Claims (13)

1.一种宽带弱运动地震检波器，包括：

框架；

质量块；

悬挂装置，用于将所述质量块可移动地连接至所述框架；

传感变送器，用于测量所述质量块相对于所述框架的位移，并生成作为所述位移的函数的传感变送器输出信号；

加压变送器，用于沿预定方向将反馈力施加到所述质量块；以及

控制电路，用于接收所述传感变送器输出信号，并生成包括自噪声分量的加压变送器输入信号；所述加压变送器输入信号被所述加压变送器处理以施加所述反馈力，从而使所述质量块相对于所述框架维持静止；所述反馈力足以平衡所述框架的沿该反馈力的预定方向的至少0.2m/s²的恒定加速度，

其中，所述加压变送器输入信号的自噪声分量在被所述加压变送器处理后，产生针对0.01Hz下的1m²/s³具有小于-150dB的频谱密度的所述质量块的可变加速度。

2.如权利要求1所述的地震检波器，

其中所述传感变送器包括可操作地连接至所述质量块的质量块电容器板，以及可操作地连接至所述框架的框架电容器板，所述框架电容器板被定位成平行于所述质量块电容器板，并且与所述质量块电容器板隔开一垂直距离，并且

其中所述传感变送器测量所述质量块电容器板与所述框架电容器板之间的垂直距离，并且基于所测得的垂直距离产生所述传感变送器输出信号。

3.如权利要求1所述的地震检波器，

其中所述加压变送器输入信号的自噪声分量在被所述加压变送器处理后，产生针对0.01Hz下的1m²/s³具有小于-160dB的频谱密度的所述质量块的可变加速度。

4.如权利要求2所述的地震检波器，

其中所述加压变送器输入信号的自噪声分量在被所述加压变送器处理后，产生针对0.01Hz下的1m²/s³具有小于-160dB的频谱密度的所述质量块的可变加速度。

5.如权利要求1、2、3或4所述的地震检波器，

其中所述质量块小于50克。

6.一种用在宽带弱运动地震检波器中的力反馈方法，该宽带弱运动地震检波器具有框架、质量块、用于将所述质量块可移动地连接至所述框架的悬挂装置、可操作地连接至所述质量块的质量块电容器板、可操作地连接至所述框架的框架电容器板，所述框架电容器板被定位成平行于所述质量块电容器板并且与所述质量块电容器板隔开一垂直距离，所述方法包括：

通过测量所述质量块电容器板与所述框架电容器板之间的垂直距离，感应所述质量块相对于所述框架的位移，并且基于所测得的垂直距离，产生传感变送器输出信号；

根据所述传感变送器输出信号生成加压变送器输入信号；

根据所述加压变送器输入信号生成反馈力，所述反馈力包括自噪声分量；

沿预定方向将所述反馈力施加到所述质量块，从而使所述质量块相对于所述框架维持静止，所述反馈力足以平衡所述框架的沿所述预定方向的至少0.2m/s²的恒定加速度，并且其中所述反馈力的自噪声分量产生针对0.01Hz下的1m²/s³具有小于-150dB的频谱密度的所述质量块的可变加速度。

7.如权利要求6所述的力反馈方法，

其中所述反馈力的自噪声分量产生针对0.01Hz下的1m²/s³具有小于-160dB的频谱密度的所述质量块的可变加速度。

8.如权利要求6或7所述的力反馈方法，

其中所述质量块小于50克。

9.如权利要求1、2、3或5所述的地震检波器，

其中所述控制电路包括能够产生大于60V的输出电压的放大器。

10.如权利要求1所述的地震检波器，

其中所述框架、所述质量块、所述悬挂装置、所述传感变送器、所述控制电路以及所述加压变送器一起包括具有灵敏度方向的地震检波器轴，并且

其中所述地震检波器包括三个地震检波器轴，这三个地震检波器轴被定位成使得它们的灵敏度方向彼此垂直。

11.如权利要求10所述的地震检波器，

其中所述三个地震检波器轴的灵敏度方向在所述地震检波器处于水平方位时，与竖直方向成完全相等的角度。

12.如权利要求10所述的地震检波器，

其中在所述地震检波器处于水平方位时，一个地震检波器轴的灵敏度方向是大致竖直的，并且其它两个地震检波器轴的灵敏度方向是大致水平的。

13.如权利要求11所述的地震检波器，其中所述加压变送器输入信号的自噪声分量在被所述加压变送器处理后，产生针对0.01Hz下的1m²/s³具有小于-160dB的频谱密度的所述质量块的可变加速度。

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