CN102004267A - 一种地震检波器精密测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种地震检波器精密测量系统及其使用方法，属于振动检测领域。本发明包括控制装置、振动台驱动装置、振动台、测振仪和信号处理装置，控制装置发出信号给振动台驱动装置，由振动台驱动装置驱动振动台，振动台的振动被测振仪测得并经过处理然后通过信号处理装置传送给控制装置，同时被测检波器测得的信号也通过信号处理装置传送给控制装置。利用本发明可以对地震检波器进行微振动和大动态范围测量，完成地震检波器的大动态范围和小信号精密振动特性测试。为野外用地震检波器的生产和维修提供合适的手段。
Description
技术领域
本发明属于振动检测领域，具体涉及一种地震检波器精密测量系统，在室内条件下利用激光多普勒测振仪精密检测地震检波器的性能指标。
背景技术
地球物理勘探是进行石油勘探、煤炭勘探、水文及工程勘探的一种最常用、最有效的勘探方法。它采用爆炸或其他方法产生声波，并在地面上，按一定间距埋置众多检波器，用它们来接收地震波，经过多重记录和后期数据处理可制作成地震剖面。在剖面上不仅能看出地层高低起伏不平，还能看到由于地壳运动形成的断层等。目前地震检波器是地球物理勘探进行振动波接收的主要工具，是地震勘探方法技术发展的关键因素。其质量好坏直接关系到勘探质量。
地震检波器是一种将机械能转换为电能的机电转换装置，它是应用于地震物理勘探及工程测量领域的专用传感器。随着浅层石油资源的逐步枯竭，当今地震勘探已经从浅层勘探向深层勘探发展。由于来自深层的振动信号非常微弱，浅层反射信号比深层反射信号要强得多，因此要求检波器既要有较大的动态范围，同时还应有相当的灵敏度和分辨率，以保证采集到来自深层的微弱回波信号。在实际工作中。为了保证施工质量，需要定期对检波器进行检测。
目前国内使用的检波器检测手段存在的主要问题是检测动态范围小(＜80db)，对于低于1mg的小信号无法检测。随着新型高灵敏度检波器的出现，检波器的检测尤其是小信号和大动态范围的检测无法满足检测需要。其主要原因是：
①振动台无法产生微弱信号振动并且其振动的动态范围不够。
其主要原因是驱动信号在小信号情况下，由于干扰或别的原因容易发生畸变。同时在小信号驱动下，振动台输出的振动信号也会发生畸变。而且一般的振动台输出的振动信号无法达到较大的动态范围(如80db以上)，尤其在兼顾微弱信号时更是如此。
②标准传感器无法检测微弱信号
在进行微弱振动信号测量时，作为测量尺度的标准传感器无法给出正确的读数，因此无法确定被测检波器的实际技术参数。因此需要选择精度更高的设备作为标准，这种设备应能准确地和精密地测量振动台(或被测检波器)实际振动情况。
③缺乏适用的采集流程和算法
在微弱振动情况下，由于振动台本身特性和周围环境干扰等多种因素的影响，采集到的振动信号可能比较复杂，有时噪音远远大于有效信号。要从这样的信号中提取出有用的信息，需要合适的采集流程和算法。。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种地震检波器精密测量系统和方法，完成地震检波器的大动态范围和小信号精密振动特性测试。为野外用地震检波器的生产和维修提供合适的手段。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种地震检波器精密测量系统，所述地震检波器精密测量系统包括控制装置、振动台驱动装置、振动台、测振及处理装置和信号处理装置；
被测检波器安装在所述振动台上；
所述控制装置通过电路与振动台驱动装置连接，振动台驱动装置通过电路再与振动台连接，被测检波器通过信号处理装置与控制装置连接；
所述测振仪的测振头安装在云台上，测振头测得的振动信号经过测振仪的处理后通过信号处理装置输入控制装置；
控制装置发出信号给振动台驱动装置，由振动台驱动装置驱动振动台，振动台的振动被测振仪测得并经过处理然后通过信号处理装置传送给控制装置，同时被测检波器测得的信号也通过信号处理装置传送给控制装置。
对于振动信号小于10mg的测量，使用：
所述控制装置为计算机及输入输出接口；
所述测振仪为激光测振仪；
所述振动台驱动装置为高精度数模转换器；
所述振动台为弱信号振动台，测量范围为10ug-100mg；
所述信号处理装置为高精度模数转换器。
对于振动信号大于10mg的测量，使用：
所述控制装置为计算机及输入输出接口；
所述振动台驱动装置包括高精度数模转换器和与之连接的功率放大器，功率放大器再与振动台连接；
所述测振仪为激光测振仪；
所述振动台为强信号振动台，测量范围为10mg-10g；
所述信号处理装置为高精度模数转换器。
无论是弱信号测量还是强信号测量，所述高精度数模转换器均采用24位数模转换器；所述高精度模数转换器均采用24位模数转换器。
所述激光测振仪采用激光多普勒测振仪，所述激光测振仪包括测振仪激光头和测振仪控制器、译码器等，测振仪激光头安装在云台上，而其他部分装在电器柜中，通过电缆与激光头进行连接；所述计算机采用无风扇静音计算机。
当进行精确测量时，在被测检波器和高精度模数转换器之间装有激光干涉仪系统。
使用所述地震检波器精密测量系统来测量微弱振动信号的步骤包括：
步骤(一)，测量振动台的固有频率fn；
步骤(二)，测量微弱振动信号，其具体步骤如下：
①.将被测检波器安装在弱信号振动台上，安装好激光测振仪；
②.设置高精度数模转换器发送正弦信号频率fn，该频率为步骤(一)得到的固有频率fn；
③.设置高精度数模转换器输出电平，使得在该输出电平时，振动台振动加速度不大于0.01mg；
④.设置采样频率fs，fs＝m·fn，这里m为大于2的整数，取m＝32，获得频域最高的幅值分析精度；
⑤.设置高精度模数转换器的量程为最小的档位量程；
⑥.同时采集激光测振仪输出信号和检波器输出信号；
⑦.对上述两路信号作FFT分析，并做平均处理以进一步提高信噪比，得到频率fn处测振仪测量的幅值和检波器测量的幅值。
使用所述地震检波器精密测量系统来测量强振动信号的步骤包括：
步骤(一)，测量振动台的固有频率fn；
步骤(二)，测量强振动信号，其具体步骤如下：
①.将被测检波器安装在强信号振动台上，安装好激光测振仪；
②.设置高精度数模转换器发送正弦信号频率为fn，该频率为步骤(一)得到的固有频率fn；
③.设置高精度数模转换器输出电平，使得在该输出电平时，振动台以较大振动加速度振动，比如振动加速度为10g；
④.设置采样频率fs，fs＝m·fn，这里m为大于2的整数，可取m＝32。这样满足整周期采集，可以获得频域最高的幅值分析精度；
⑤.设置高精度模数转换器的量程为最大的档位量程；
⑥.同时采集激光测振仪输出信号和被测检波器输出信号；
⑦.对上述两路信号作FFT(离散傅里叶变换)分析，并做平均处理以进一步提高信噪比，得到频率fn处激光测振仪测量的幅值和检波器测量的幅值。
其中，所述步骤(一)测量振动台的固有频率fn包括以下步骤：
(1)将被测检波器安装在振动台上，安装好激光测振仪；
(2)设置扫频参数，包括起始频率、终止频率和扫频间隔；设置扫频延迟系数、信号输出电平和扫频控制方式；
(3)发送频率，F＝起始频率；
(4)延时；
(5)同时采集振动台信号与高精度数模转换器的输出信号；
(6)数字相关滤波计算得到频响函数；
(7)判断是否满足扫频控制方式，如果满足，则转入步骤(8)，如果不满足，转入步骤(10)；
(8)判断频率是否小于终止频率，如果小于终止频率，则转入步骤(9)，如果不小于终止频率，则转入步骤(12)；
(9)参数计算；计算出振动台固有频率fn；
(10)计算合适输出电平；转入步骤(11)；
(11)重新发送信号；转入步骤(4)；
(12)设置频率＝当前频率+频率间隔；转入步骤(13)；
(13)重新发送信号；转入步骤(4)。
本发明的工作过程如下：24位数模转换器根据计算机命令输出振动波形，由24位数模转换器直接驱动(针对弱信号)或通过功率放大器(针对强信号)驱动振动台振动，激光多普勒测振仪的激光头测得的信号经过测振仪的控制器、译码器处理后和被测检波器检测到的信号通过24位模数转换器及通讯接口送给计算机进行比较分析和处理。当进行精确测量时，在被测检波器与高精度A/D转换器之间安装有激光干涉仪系统，对被测检波器的实际振动速度进行检测，激光干涉仪系统通过其各部分将被测检波器的机械振动信号变为模拟电信号，结果输送给高精度A/D转换器，然后输送给计算机进行比较分析和处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本系统能检测小于10ūg的微弱振动信号；(2)本系统检测的振动范围可达到120dB(10ūg到10g)；(3)本系统测量为非接触式测量，检测设备对测量过程没有干扰，不存在接触式测量由于接触不好和外加负载引起的问题；(4)主要用于地震检波器分辨率和动态范围检测，也可用于小信号速度、加速度传感器的振动检测。使用该系统对传感器质量监控有比较精密的检测方法。对于提高检波器质量有明显作用。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
图1是本发明地震检波器精密测量系统的工作原理框图。
图2是使用本发明地震检波器精密测量系统的测量中步骤(一)测量振动台固有频率fn的步骤框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明地震检波器精密测量系统包括计算机及输入输出接口、高精度数模(D/A)转换器、弱信号振动台和被测检波器、激光测振仪、强信号振动台和被测检波器和高精度模数(A/D)转换器。高精度数模转换器根据计算机命令输出振动波形，由高精度数模转换器直接驱动(针对弱信号)或通过功率放大器(针对强信号)驱动振动台振动，激光测振仪的激光头测得的信号经过测振仪的控制器、译码器处理后和被测检波器检测到的信号通过高精度模数转换器及通讯接口送给计算机进行比较分析和处理。
为了提高测量灵敏度，本发明采取了以下措施：
①为了避免功率放大器产生的小信号波形畸变，减少功率放大器电源干扰及散热电风扇噪音干扰，采用24位D/A转换器产生高精度的小信号输出直接驱动弱信号振动台；
②采用高灵敏度激光多普勒测振仪检测振动台的实际振动。
目前激光多普勒测振仪可检测的振动加速度范围是10-8g-107g，速度检测范围50nm/s-30m/s。其测试灵敏度很高，同时具有非常宽的动态范围；
③采用24位A/D转换器将激光测振仪模拟输出转换为高精度数据；
④采用无风扇静音计算机以减少机器噪音和振动对测量的影响。
为了提高测量范围，本发明采取了下面的措施：
①振动台采用两个，强信号振动台和弱信号振动台。其测量范围分别为10mg-10g和10ug-100mg。弱信号振动台采用美国I/O公司的检波器振动台MODELID-1，强信号振动台则采用国内的10g通用振动台JZK-10。当振动信号小于10mg时，使用弱信号振动台进行测试，当振动信号大于于10mg时，用强信号振动台进行测试。使用激光多普勒测振仪可以满足大动态范围检测的需要。
②驱动信号采用两路。弱信号振动台用24位D/A转换器输出直接驱动；强信号振动台则由另一路24位D/A转换器输出通过功率放大器放大后驱动。
③采用24位A/D转换器采集数据，使采集数据有很大的动态范围。
正常工作时，先找出振动台的谐振频率。高精度数模转换器根据计算机命令在一定频率范围内进行频率扫描，当检测到振动台的谐振频率时，固定输出该频率的振动波形。该输出直接驱动弱信号振动台或通过功率放大器驱动强信号振动台。激光多普勒测振仪和被测检波器检测到的模拟信号通过高精度模数转换器转换成数字信号后送给计算机进行比较分析和处理。当进行精确测量时，激光干涉仪系统对被测检波器的实际振动速度进行检测，结果同样送给计算机进行比较分析和处理。
具体来说，本发明地震检波器精密测量系统的测量流程分为三个部分：
(一).测量用于弱信号测量的振动台的固有频率fn。工作在该固有频率下的振动台可以提供最大的动态范围，振动台固有频率fn的测量流程图如图2所示；
(二).测量微弱振动信号，通过该部分测量可测出被测检波器的最小分辨率，测量微弱振动信号的测量流程如下：
①.将被测检波器安装在振动台上，安装好激光测振仪；
②.设置高精度数模转换器发送正弦信号频率fn，该频率为第一部分得到的固有频率fn；
③.设置高精度数模转换器输出电平，使得在该输出电平时，振动台振动加速度不大于0.01mg；
④.设置采样频率fs，fs＝m·fn，这里m为大于2的整数，可取m＝32，这样能满足整周期采集，可以获得频域最高的幅值分析精度；
⑤.设置高精度模数转换器的量程为最小的档位量程；
⑥.同时采集激光测振仪输出信号和检波器输出信号；
⑦.对上述两路信号作FFT分析，并做平均处理以进一步提高信噪比，得到频率fn处激光测振仪测量的幅值和检波器测量的幅值。
(三).测量强振动信号，通过计算可算出被测检波器的最小分辨率和动态范围，测量强振动信号测量流程如下：
①.将被测检波器安装在振动台上，安装好激光测振仪；
②.设置高精度数模转换器发送正弦信号频率为fn，为便于研究在同一频率出的动态特性，此频率与第二部分信号源发送的频率相同；
③.设置高精度数模转换器输出电平，使得在该输出电平时，振动台以较大振动加速度振动，比如振动加速度为10g；
④.设置采样频率fs，fs＝m·fn，这里m为大于2的整数，可取m＝32。这样满足整周期采集，可以获得频域最高的幅值分析精度；
⑤.设置高精度模数转换器的量程为最大的档位量程；
⑥.同时采集激光测振仪输出信号和被测检波器输出信号；
⑦.对上述两路信号作FFT(离散傅里叶变换)分析，并做平均处理以进一步提高信噪比，得到频率fn处激光测振仪测量的幅值和检波器测量的幅值。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。
Claims (9)
1.一种地震检波器精密测量系统，其特征在于：
所述地震检波器精密测量系统包括控制装置、振动台驱动装置、振动台、测振仪和信号处理装置；
被测检波器安装在所述振动台上；
所述控制装置通过电路与振动台驱动装置连接，振动台驱动装置通过电路再与振动台连接，被测检波器通过信号处理装置与控制装置连接；
所述测振仪的测振头安装在云台上，测振头测得的振动信号经过测振仪的处理后通过信号处理装置输入控制装置；
控制装置发出信号给振动台驱动装置，由振动台驱动装置驱动振动台，振动台的振动被测振仪测得并经过处理然后通过信号处理装置传送给控制装置，同时被测检波器测得的信号也通过信号处理装置传送给控制装置。
2.根据权利要求1所述的地震检波器精密测量系统，其特征在于：
所述控制装置为计算机及输入输出接口；
所述测振仪为激光测振仪；
所述振动台驱动装置为高精度数模转换器；
所述振动台为弱信号振动台，测量范围为10ug-100mg；
所述信号处理装置为高精度模数转换器。
3.根据权利要求1所述的地震检波器精密测量系统，其特征在于：
所述控制装置为计算机及输入输出接口；
所述振动台驱动装置包括高精度数模转换器和与之连接的功率放大器，功率放大器再与振动台连接；
所述测振仪为激光测振仪；
所述振动台为强信号振动台，测量范围为10mg-10g；
所述信号处理装置为高精度模数转换器。
4.根据权利要求2或3所述的地震检波器精密测量系统，其特征在于：所述高精度数模转换器采用24位数模转换器；所述高精度模数转换器采用24位模数转换器。
5.根据权利要求2或3所述的地震检波器精密测量系统，其特征在于：所述激光测振仪采用激光多普勒测振仪；所述计算机采用无风扇静音计算机。
6.根据权利要求2或3所述的地震检波器精密测量系统，其特征在于：当进行精确测量时，在被测检波器和高精度模数转换器之间装有激光干涉仪系统。
7.使用权利要求2所述的地震检波器精密测量系统的测量方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤(一)，测量振动台的固有频率fn；
步骤(二)，测量微弱振动信号，其具体步骤如下：
①.将被测检波器安装在弱信号振动台上，安装好激光测振仪；
②.设置高精度数模转换器发送正弦信号频率fn，该频率为步骤(一)得到的固有频率fn；
③.设置高精度数模转换器输出电平，使得在该输出电平时，振动台振动加速度不大于0.01mg；
④.设置采样频率fs，fs＝m·fn，这里m为大于2的整数，取m＝32，获得频域最高的幅值分析精度；
⑤.设置高精度模数转换器的量程为最小的档位量程；
⑥.同时采集激光测振仪输出信号和检波器输出信号；
⑦.对上述两路信号作FFT分析，并做平均处理以进一步提高信噪比，得到频率fn处测振仪测量的幅值和检波器测量的幅值。
8.使用权利要求3所述的地震检波器精密测量系统的测量方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤(一)，测量振动台的固有频率fn；
步骤(二)，测量强振动信号，其具体步骤如下：
①.将被测检波器安装在强信号振动台上，安装好激光测振仪；
②.设置高精度数模转换器发送正弦信号频率为fn，该频率为步骤(一)得到的固有频率fn；
③.设置高精度数模转换器输出电平，使得在该输出电平时，振动台以较大振动加速度振动，比如振动加速度为10g；
④.设置采样频率fs，fs＝m·fn，这里m为大于2的整数，可取m＝32。这样满足整周期采集，可以获得频域最高的幅值分析精度；
⑤.设置高精度模数转换器的量程为最大的档位量程；
⑥.同时采集激光测振仪输出信号和被测检波器输出信号；
⑦.对上述两路信号作FFT(离散傅里叶变换)分析，并做平均处理以进一步提高信噪比，得到频率fn处激光测振仪测量的幅值和检波器测量的幅值。
9.根据权利要求7或8所述的测量方法，其特征在于：所述步骤(一)测量振动台的固有频率fn包括以下步骤：
(1)将被测检波器安装在振动台上，安装好激光测振仪；
(2)设置扫频参数，包括起始频率、终止频率和扫频间隔；设置扫频延迟系数、信号输出电平和扫频控制方式；
(3)发送频率，F＝起始频率；
(4)延时；
(5)同时采集振动台信号与高精度数模转换器的输出信号；
(6)数字相关滤波计算得到频响函数；
(7)判断是否满足扫频控制方式，如果满足，则转入步骤(8)，如果不满足，转入步骤(10)；
(8)判断频率是否小于终止频率，如果小于终止频率，则转入步骤(9)，如果不小于终止频率，则转入步骤(12)；
(9)参数计算；计算出振动台固有频率fn；
(10)计算合适输出电平；转入步骤(11)；
(11)重新发送信号；转入步骤(4)；
(12)设置频率＝当前频率+频率间隔；转入步骤(13)；
(13)重新发送信号；转入步骤(4)。
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