CN103792568A - Mems地震检波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS地震检波器，其包括设有上盖的保护壳、设置在保护壳内的MEMS机芯和设置在保护壳外的尾锥，其中，MEMS机芯包括固定在保护壳内的机芯壳、设置在机芯壳内的支撑架和设置在支撑架上的多个MEMS加速度计；上述支撑架为长方体状；上述MEMS加速度计为电容式加速度计，包括X加速度计、Y加速度计和Z加速度计，三者分别立设于支撑架上相邻的三个侧面上，且Z加速度计所处的侧面为支撑架上朝向上盖的顶面；上述尾锥设置在螺杆上，螺杆穿过保护壳的底板并与机芯壳相抵。该MEMS地震检波器中避免了使用具有固有频率的线圈，可记录的动态范围大，响应频带宽、分辨率高，利于探测由人工震源产生的全部宽频带弹性波。

Description

MEMS地震检波器

技术领域

本发明涉及地震勘探设备技术领域，更具体地说，涉及一种MEMS地震检波器。

背景技术

地震勘探是利用仪器检测、记录人工激发地震的反射波、折射波的传播时间、振幅、波形等，从而分析判断地层界面、地层性质、地质构造的一种地球物理勘探方法，其是目前勘探陆地和海洋中石油和天然气等资源的主要手段。

目前，石油和天然气勘探领域中常用的地震勘探设备为活动线圈速度检波器，其使将活动的线圈固定在与磁铁同轴的弹簧上，通过外部震动使弹簧和线圈相对于磁铁产生移动而由线圈产生感应电动势。但是，上述活动线圈速度检波器中，由于弹簧具有固有频率，导致整个活动线圈速度型检波器可记录的最大动态范围约为60dB，接收信号的畸变大，响应频带窄、分辨率差，不足以探测由人工震源产生的全部宽频带弹性波。

另外，上述活动线圈速度检波器还具有灵敏度低，难以采集到深层微弱信号的缺陷，严重影响地震勘探的有效性。再者，上述活动线圈速度检波器中，线圈亦受噪音影响而产生振动，抗干扰能力弱，勘测时需要几个至几十个检波器组合才能降低噪音干扰对测试结果的影响，造成勘测成本高。

综上所述，如何提供一种动态记录范围大、接收信号畸变小和响应频带宽、分辨率高的地震检波器，以使其能够探测由人工震源产生的全部宽频弹性波，满足石油或天然气勘探要求是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种MEMS地震检波器，其采用MEMS加速度计检测地震波的震动，避免了使用固有频率的线圈，可记录的动态响应范围大，响应频带宽、分辨率高，利于探测由人工震源产生的全部宽频带弹性波。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种MEMS地震检波器，包括：设有上盖的保护壳、设置在保护壳内的MEMS机芯和设置在保护壳外的尾锥；

其中，所述MEMS机芯包括固定在所述保护壳内的机芯壳、设置在所述机芯壳内的支撑架和设置在支撑架上的MEMS加速度计；所述支撑架为长方体；所述MEMS加速度计为电容式加速度计，包括X加速度计、Y加速度计和Z加速度计，三者分别立设于所述支撑架上相邻的三个侧面上，且所述Z加速度计所处的侧面为所述支撑架上朝向所述上盖的侧面；所述尾锥设置在螺杆上；所述螺杆穿过所述保护壳的底板，并与所述机芯壳相抵。

优选的，上述MEMS地震检波器中，所述上盖通过固定件固定在所述保护壳上，且两者之间设有密封件。

优选的，上述MEMS地震检波器中，所述上盖和所述保护壳上分别设有密封槽，所述密封件插在所述上盖和所述保护壳的密封槽内。

优选的，上述MEMS地震检波器中，所述保护壳的底板上固定有贴紧所述机芯壳的导电垫，所述导电垫圈在所述螺杆外周；所述机芯壳为铁机芯壳或坡莫合金机芯壳；所述导电垫为铁导电垫、铝导电垫、铁合金导电垫或铝合金导电垫，所述尾锥为铁尾锥、铝尾锥、铁合金尾椎或铝合金尾椎，所述螺杆为铁螺杆、铝螺杆、铁合金螺杆或铝合金螺杆。

优选的，上述MEMS地震检波器中，所述导电垫、所述保护壳和所述螺杆一次塑化成整体。

优选的，上述MEMS地震检波器中，所述上盖上嵌装有水平仪和指南针，且所述上盖上固定有贴覆在所述水平仪和所述指南针外的透明玻璃板。

优选的，上述MEMS地震检波器中，所述尾锥的为四棱锥状，且侧面为凹向所述尾锥的中心轴的弧形面。

优选的，上述MEMS地震检波器中，所述保护壳和所述上盖上分别设有反光涂料层。

优选的，上述MEMS地震检波器中，所述保护壳上设有提拉孔；所述保护壳外部设有周向凹槽，所述周向凹槽位于所述保护壳下部，且所述周向凹槽内设有橡胶圈。

本发明提供一种MEMS地震检波器，其包括设有上盖的保护壳、设置在保护壳内的MEMS机芯和设置在保护壳外的尾锥，其中，MEMS机芯包括固定在保护壳内的机芯壳、设置在机芯壳内的支撑架和设置在支撑架上的多个MEMS加速度计；上述支撑架为长方体状；上述MEMS加速度计为电容式加速度计，包括X加速度计、Y加速度计和Z加速度计，三者分别立设于支撑架上相邻的三个侧面上，且Z加速度计所处的侧面为支撑架上朝向上盖的顶面；上述尾锥设置在螺杆上，螺杆穿过保护壳的底板并与机芯壳相抵。

应用上述MEMS地震检波器时，尾锥插入地面，地震波通过尾锥以及与尾锥相连的螺杆到达MEMS机芯处，MEMS加速度计内的微小质量块在地震波的带动下发生微移动，从而使得MEMS加速度计的电容变化，电容变化信号依次经过积分器、差分电容检测、一位量化，一方面，量化信号经过静电力负反馈，使质量块保持平衡位置，另一方面，量化信号经数字滤波、DAC转换后以直流电压方式输出，从而完成对地震波的检测。

本发明提供的MEMS地震检波器中，地震波传导至MEMS机芯处带动MEMS加速度计的微小质量块移动即可完成地震波的检测，相比于现有的地震检波器，其采用了MEMS技术和闭环负反馈技术，提高了动态记录范围，确保接收信号的线性度高、响应频带宽、分辨率高，能够用于探测由人工震源产生的全部频带弹性波。具体的，本发明的MEMS地震检波器中，其动态记录范围可达120dB以上，±3g全量程，频率响应范围是0Hz-1500Hz，分辨率达到30ng/

-50ng/

另外，本发明提供的MEMS地震检波器中，MEMS加速度计的本底噪声低，感受微小地震波即可发生位移，灵敏度高、利于有效采集深层微弱地震波信号，提高地震勘探结果的有效性，具体的本发明提供的MEMS地震检波器对低频信号（特别是小于6Hz的信号）具有良好的接收能力。

再者，本发明提供的MEMS地震检波器中，使用了减震圈，减弱了风吹草动等环境噪声对尾椎接收信号的影响；同时，本发明提供的MEMS地震检波器中，尾椎、螺杆、导电垫和机芯壳构成电磁屏蔽系统，减小甚至屏蔽了电磁干扰的影响。综上，本发明提供的地震检波器的抗干扰能力强，避免了使用过多的检波器组合，节省了施工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的MEMS地震检波器的主视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的MEMS地震检波器的侧视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的支撑架与MEMS加速度计的装配图；

图4为本发明实施例提供的上盖与线路转接板14的装配图；

图5为本发明实施例提供的上盖的俯视结构示意图；

图6为本发明实施例提供的尾椎的截面图；

图7a为本发明实施例提供的MEMS机芯的第一部分电源电路图；

图7b为本发明实施例提供的MEMS机芯的第二部分电源电路图；

图7c为本发明实施例提供的MEMS机芯的第三部分电源电路图；

图7d为本发明实施例提供的MEMS机芯的第四部分电源电路图；

图8为本发明实施例提供的X加速度计的电路图；

图9为本发明实施例提供的Y加速度计的电路图；

图10为本发明实施例提供的Z加速度计的电路图；

其中，上图1-10中：

上盖10，水平仪11，透明玻璃板12，指南针13，线路转接板14，电源线插头15，信号线插头16，装配孔17，螺丝18，密封件20，导线21，接线插头22，MEMS机芯30，机芯壳31，电源线插座32，信号线插座33，支撑架301，X加速度计302，Y加速度计303，Z加速度计304，保护壳40，塑料圈41，减震圈42，导电垫43，螺杆44，提手45孔，尾锥50，六方柱型螺母51。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种MEMS地震检波器，其采用MEMS加速度计检测地震波的震动，避免了使用固有频率的线圈，可记录的信号动态范围大，响应频带宽、分辨率高，能够探测由人工震源产生的全部宽频带弹性波。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图10，本发明实施例提供的MEMS（MEMS,Micro-Electro-Mechanic System，微电机系统）地震检波器包括设有上盖10的保护壳40、设置在保护壳40内的MEMS机芯30和设置在保护壳40外的尾锥50；其中，MEMS机芯30包括固定在保护壳40内的机芯壳31、设置在机芯壳31内的支撑架301和设置在支撑架301上的MEMS加速度计；上述支撑架301为长方体状，MEMS加速度计为电容式加速度计，且MEMS加速度计个数为多个，具体包括X加速度计302、Y加速度计303和Z加速度计304，三者分别立设于支撑架301上相邻的三个侧面上，且Z加速度计304位于支撑架301上朝向上盖10的侧面处；上述三个相邻的侧面是指围成长方体形支撑架301的一个角的三个侧面；上述尾锥50设置在螺杆44，螺杆44穿过保护壳40的底板，并与机芯壳31相抵。上述保护壳40包括矩形筒状的侧壁和封堵在侧壁一端的底板，侧壁的另一端由上盖10封堵。

应用上述MEMS地震检波器时，尾锥50插在大地上，地震波通过尾锥50以及与尾锥50相连的螺杆44到达MEMS机芯30处，随后，MEMS加速度计内的微小质量块在地震波的带动下因惯性力发生微移动，从而使得MEMS加速度计的电容变化，电容变化信号经C/V(电容/电压)转换后获得电压信号，电压信号经采样保持、一位量化形成量化信号，一方面，量化信号反馈到电容极板，形成负反馈，使质量块保持平衡位置，另一方面，量化后的信号经DAC（Digitalto analog converter，数字模拟转化）和滤波等信号调理后以直流电压方式输出，进而完成对地震波的检测。

相比于现有的地震检波器，本发明提供的MEMS地震检波器避免了使用具有固有频率的弹簧，提高了动态记录范围，能够确保接收信号的畸变小、响应频带宽、分辨率高，利于探测由人工震源产生的全部频带弹性波。具体的，本发明实施例提供的MEMS地震检波器的动态记录范围可达120dB以上，±3g全量程，频率响应范围是0Hz-1500Hz，同时，本实施例提供的MEMS地震检波器的分辨率达到30ng/

-50ng/

另外，本发明实施例提供的MEMS地震检波器中，MEMS加速度计内的质量块小，感受微小地震波即可发生位移，灵敏度高、利于有效采集深层微弱地震波信号，提高地震勘探结果的有效性，具体的本发明实施例提供的MEMS地震检波器对低频信号（特别是小于6Hz的信号）具有良好的接受能力。

由于MEMS地震检波器多应用于环境条件恶劣的野外，故为了避免MEMS机芯30因受潮或漏水而发生损坏，上述实施例提供的MEMS地震检波器中，上盖10和保护壳40之间密封件20，相应的，上盖10通过与其上装配孔17配合的固定件可拆卸地固定在保护壳40上。

具体的，上述实施例提供的MEMS地震检波器中，上盖10和保护壳40上分别设有密封槽，上述密封件20同时插入上盖10和保护壳40的密封槽内。

上述实施例提供的MEMS地震检波器中，保护壳40的底板上固定有紧贴机芯壳31的导电垫43，导电垫43在螺杆44外周。具体的，机芯壳31为铁机芯壳或坡莫合金机芯壳，导电垫43为铁导电垫、铝导电垫、铁合金导电垫或铝合金导电垫，螺杆44为铁螺杆、铝螺杆、铁合金螺杆或铝合金螺杆，尾锥50为铁尾锥、铝尾锥、铁合金尾椎或铝合金尾椎。本实施例提供的地震检波器中，机芯壳31、导电垫43、螺杆44和尾锥50共同构成一个电磁屏蔽系统，能够减弱甚至完全屏蔽电磁干扰对MEMS加速度计的检测结果的影响。

具体的，上述实施例提供的MEMS地震检波器中，导电垫43、保护壳40和螺杆44一次塑化成整体。保护壳40的底板上设有与导电垫43对应的凹槽，导电垫43与底板上朝向MEMS机芯30的侧面平齐，同时，螺杆44的端面与导电垫43上紧贴机芯壳31的侧面平齐。

另外，上述实施例提供的MEMS地震检波器中，上盖10上朝向保护壳40内部的一侧固定有线路转接板14，线路转接板14上固定有插头，相应的机芯壳31上亦设有与各个MEMS加速度计相连的插座，装配后机芯壳31的上下两端分别由导电垫43和线路转接板14顶紧。同时，为了防止机芯壳31晃动，上述保护壳40的侧壁上设有用于顶紧机芯壳31的塑料圈41。

具体的，上述MEMS地震检波器中，线路转接板14的插头为2个，分别为凸型的电源线插头15和凸型的信号线插头16，机芯壳31上的插座亦为2个，分别是与上述电源线插头15配合的凹型电源线插座32和与上述信号线插头16配合的凹型信号线插座33。上述线路转接板14通过螺丝18固定在上盖10上，且其上端部处设有接线插头22的导线21由上盖10与保护壳40之间的缝隙伸出保护壳40外，导线21上与密封件20接触的部分与该密封件20塑化为一体。

上述塑料圈41沿保护壳40上侧壁的周向设置，且其个数可设置为1个或多个。上述实施例提供的MEMS地震检波器中，保护壳40为塑料保护壳。

优选的，上述实施例提供的MEMS地震检波器中，上盖10上装有水平仪11和指南针13，以便于检测整个MEMS地震检波器的方位和平直度。相应的，为了避免水平仪11和指南针13受潮，并保护两者免遭撞击，上述上盖10上还固定有贴覆在指南针13和水平仪11外的透明玻璃板12。

上述实施例提供的MEMS地震检波器中，尾锥50为四棱锥状，且其底面端靠近保护壳40的底板、顶端远离保护壳40，便于使用时使尾锥50由其顶端插入大地内。

为了便于尾锥50更好地接收地震波，上述MEMS地震检波器中，尾锥50中各个侧面设置为凹向其中心轴的弧形面，或者设置为凸向远离其中心轴的方向的弧形面。尾锥50的各个侧面设置为弧形面利于增大尾锥50与土地的耦合面积，利于尾锥50更好地接收地震波。另外，上述尾锥50的底面固定有六方柱型螺母51，便于工人实施安装或拆卸尾锥50的操作，上述六方柱型螺母51的端面与尾锥50的底面紧贴。

具体的，上述实施例提供的MEMS地震检波器中，保护壳40和上盖10上设有反光涂料层，夜间使用时反光涂料层能够在灯光的照耀下反射亮光，便于查找、不易遗失。

上述MEMS地震检波器中，保护壳40外设有两个对称设置的提手孔45，应用时可采用绳索系在两个提手孔45处，收起检波器时提拉绳索至尾锥50拉出地面即可。本实施例提供的MEMS地震检波器具有便于收起的效果。

优选的，上述MEMS检波器中，保护壳40的侧壁上设有靠近底板端部处的外凹槽，且该外凹槽内设有减震圈42，用于减弱风、沙移动等微震对检波器的干扰。具体的，上述减震圈42为橡胶圈。

本发明实施例提供的MEMS地震检波器使用了减震圈，减弱了风吹草动等环境噪声对尾椎接收信号的影响；同时，该MEMS地震检波器中，尾椎、螺杆、导电垫和机芯壳构成电磁屏蔽系统，减小甚至屏蔽了电磁干扰的影响。综上，本发明提供的地震检波器的抗干扰能力强，避免了使用过多的检波器组合，节省了施工成本。

具体的，本发明提供的地震检波器中，三个MEMS加速度计（即X加速度计302、Y加速度计303和Z加速度计304）分别为Σ?Δ（求和-微分）闭环力平衡MEMS加速度计。该MEMS机芯30的电源部分的线路图如图7，（图7a、图7b、图7c和图7d，四幅图拼成完整的电源电路原理图，其中，图7b、图7c和图7d中的V5v均是指图7a中的V5v）。电源电路中，电源power1和电源power2中，一个输入6V-40V直流电压，另一个输入地线，6V-40V的电源经电路桥输入到DC-DC转换器U1（即直流-直流转换器）的脚5，U1的7脚输出经不同滤波器后输出5V的两个电压Vcc和Vdd，由U1的7脚输出的V5v再经反向转换器U2反相后输出-5V电压Vss。具体的，DC-DC转换器U1的型号为LM2574N，反向转换器U2的型号为MAX764。

另外，三个MEMS加速度结构完全相同，相应的，三者内部的电路原理图均相同，下面以X加速度计302的电路原理图为例介绍：请参阅图8，MEMS传感器U3的1脚、2脚、3脚分别与ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）芯片U4的8脚、12脚、14脚连接，有源晶振U5的8脚输出接到ASIC芯片U4的40脚，提供电路时钟。ASIC芯片U4的13脚接电容C26的负极，ASIC芯片U4的15脚接电容C27的正极，ASIC芯片U4的3脚、5脚、17脚、20脚和25脚接5V电源Vdd，ASIC芯片U4的1脚、4脚、16脚、19脚、26脚、27脚和43脚接-5V电源Vss。ASIC芯片U4的43脚输出模拟信号经电阻R1连接到放大器U6的6脚，放大器U6的7脚经电阻R8连到放大器U6的9脚，放大器U6的8脚连接到ASIC芯片U4的42脚。同时，放大器U6的8脚输出经电阻R3和电阻R4连到放大器U6的13脚、电阻R5和电容C22，经缓冲后U6的14脚输出X加速度计302的测量结果信号，即输出地震波的X方向的信号。ASIC芯片U4的29脚～34脚用于操作ASIC芯片内的EEPROM（Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，电可擦可编程只读存储器）和寄存器，实现MEMS加速度计的配置和校正。具体的，U6的型号为LT1353，图8中，U6B、U6C和U6D为该放大器芯片U6的三个放大器。

本发明实施例提供的MEMS地震检波器中MEMS机芯的传感器主要由硅材料经微纳米技术制成，且该MEMS地震检波器中电路大部分集成在ASIC芯片上，所以，其具有良好的抗冲击力，轴间串扰低于1%。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种MEMS地震检波器，其特征在于，包括：设有上盖的保护壳、设置在保护壳内的MEMS机芯和设置在保护壳外的尾锥；

其中，所述MEMS机芯包括固定在所述保护壳内的机芯壳、设置在所述机芯壳内的支撑架和设置在支撑架上的MEMS加速度计；所述支撑架为长方体；所述MEMS加速度计为电容式加速度计，包括X加速度计、Y加速度计和Z加速度计，三者分别立设于所述支撑架上相邻的三个侧面上，且所述Z加速度计所处的侧面为所述支撑架上朝向所述上盖的侧面；所述尾锥设置在螺杆上；所述螺杆穿过所述保护壳的底板，并与所述机芯壳相抵。

2.根据权利要求1所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述上盖通过固定件固定在所述保护壳上，且两者之间设有密封件。

3.根据权利要求2所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述上盖和所述保护壳上分别设有密封槽，所述密封件插在所述上盖和所述保护壳的密封槽内。

4.根据权利要求1所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述保护壳的底板上固定有贴紧所述机芯壳的导电垫，所述导电垫圈在所述螺杆外周；所述机芯壳为铁机芯壳或坡莫合金机芯壳；所述导电垫为铁导电垫、铝导电垫、铁合金导电垫或铝合金导电垫，所述尾锥为铁尾锥、铝尾锥、铁合金尾椎或铝合金尾椎，所述螺杆为铁螺杆、铝螺杆、铁合金螺杆或铝合金螺杆。

5.根据权利要求4所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述导电垫、所述保护壳和所述螺杆一次塑化成整体。

6.根据权利要求1所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述上盖上嵌装有水平仪和指南针，且所述上盖上固定有贴覆在所述水平仪和所述指南针外的透明玻璃板。

7.根据权利要求1所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述尾锥的为四棱锥状，且侧面为凹向所述尾锥的中心轴的弧形面。

8.根据权利要求1所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述保护壳和所述上盖上分别设有反光涂料层。

9.根据权利要求8所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述保护壳上设有提拉孔；所述保护壳外部设有周向凹槽，所述周向凹槽位于所述保护壳下部，且所述周向凹槽内设有橡胶圈。

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