CN106019361B - 动圈式双参数地震检波器以及检波系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种动圈式双参数地震检波器以及检波系统。所述动圈式双参数地震检波器包括传感器以及反馈电路；所述传感器采集地震信号，所述传感器的工作模式包括第一模式和第二模式，在所述第一模式下，所述传感器采集中高频地震信号，在所述第二模式下，所述传感器采集中低频地震信号；所述反馈电路切换所述传感器的模式。本发明的动圈式双参数地震检波器能够同时具备检测与速度相对应的信号的能力和检测与加速度相对应的信号的能力。
Description
技术领域
本发明涉及地震勘探领域，具体涉及一种动圈式双参数地震检波器以及检波系统。
背景技术
地震检波器是用来检测地面运动的传感器，根据地震检波器输出信号的不同，地震检波器可以分为速度型检波器和加速度型检波器。在速度型检波器中，输出电压与地面质点速度成正比，频率响应在速度域平坦。在加速度型检波器中，输出电压与地面质点加速度成正比，频率响应在加速度域平坦。
动圈式地震检波器为目前使用最为广泛的地震检波器，传统的动圈式地震检波器为速度型检波器。因固有的机械系统限制，这种速度型检波器存在灵敏度低、频带窄(>10Hz)等缺陷。
通过设计增加不同的反馈电路，可以改变传统的速度型检波器的系统传递函数，使其对中低频的、与加速度相对应的信号更为敏感，并在中低频(3～100Hz)呈现带通特性，大大改善系统幅频响应，但其缺点是在高频(>100Hz)呈带阻特性，不能同时具备检测与速度相对应的信号的能力和检测与加速度相对应的信号的能力。
目前，在地震勘探领域中，深部高质量的油气资源勘探对地震检波器的频带响应范围和弱信号采集能力都提出了较为严苛的要求，这需要地震检波器具有更宽的频率响应范围。
发明内容
鉴于现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种能够同时具备检测与速度相对应的信号的能力和检测与加速度相对应的信号的能力的动圈式双参数地震检波器以及检波系统。
为实现以上目的，本发明提供一种动圈式双参数地震检波器，所述动圈式双参数地震检波器包括传感器以及反馈电路；所述传感器采集地震信号，所述传感器的工作模式包括第一模式和第二模式，在所述第一模式下，所述传感器采集中高频地震信号，在所述第二模式下，所述传感器采集中低频地震信号；所述反馈电路切换所述传感器的工作模式。
进一步地，在所述第一模式下，所述传感器采集的中高频地震信号为与速度相对应的信号；在所述第二模式下，所述传感器采集的中低频地震信号为与加速度相对应的信号。
进一步地，所述反馈电路包括第一切换开关、第一电阻、第二电阻以及放大器；所述传感器的输出信号线中的一者连接到所述第一切换开关；所述第一切换开关经由所述第一电阻或所述第二电阻连接到所述放大器的正向输入端；所述传感器的输出信号线中的另一者连接到所述放大器的反向输入端，所述放大器的输出端作为所述反馈电路的输出端。
进一步地，所述第一电阻的阻值大于所述第二电阻的阻值；当所述第一切换开关连接到所述第一电阻时，所述传感器处于所述第一模式；当所述第一切换开关连接到所述第二电阻时，所述传感器处于所述第二模式。
进一步地，所述反馈电路还包括第二切换开关、第三切换开关、第三电阻、第四电阻、第五电阻以及第六电阻；其中，所述放大器的正向输入端还与所述第二切换开关连接，所述第二切换开关经由所述第三电阻或所述第四电阻接地；连接到所述放大器的反向输入端的所述传感器的输出信号线还连接到所述第三切换开关，所述第三切换开关经由所述第五电阻或所述第六电阻连接到所述放大器的输出端，作为所述反馈电路的输出端。
进一步地，当所述第一切换开关连接到所述第一电阻和所述第二电阻中的阻值较大的一者，所述第二切换开关连接到所述第三电阻和所述第四电阻中的阻值较大的一者，并且所述第三切换开关连接到所述第五电阻和所述第六电阻中的阻值较大的一者时，所述传感器处于所述第一模式；当所述第一切换开关连接到所述第一电阻和所述第二电阻中的阻值较小的一者，所述第二切换开关连接到所述第三电阻和所述第四电阻中的阻值较小的一者，并且所述第三切换开关连接到所述第五电阻和所述第六电阻中的阻值较小的一者时，所述传感器处于所述第二模式。
进一步地，所述传感器为通用动圈式地震检波器。
本发明还提供一种检波系统，所述检波系统包括：动圈式双参数地震检波器、模拟数字转换模块、存储单元以及微控制单元；其中，所述动圈式双参数地震检波器包括传感器以及反馈电路；所述传感器采集地震信号，所述传感器的工作模式包括第一模式和第二模式，在所述第一模式下，所述传感器采集中高频地震信号，在所述第二模式下，所述传感器采集中低频地震信号；所述反馈电路切换所述传感器的工作模式，所述反馈电路由所述微控制单元控制；所述传感器连接到所述反馈电路的输入端，所述反馈电路的输出端连接到所述模拟数字转换模块，从所述反馈电路的输出端输出的数据被存储在所述存储单元中。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的动圈式双参数地震检波器具有两种工作模式，能够采集与速度相对应的以及与加速度相对应的两种信号；根据不同现场情况可发出指令进行切换，在一次施工中，无需更换检波器就可以同时采集到同一质点的速度和加速度信息，扩宽了普通地震检波器的带宽，提高了其灵敏度。
2.本发明只需在传统的地震检波器信号输出端附加反馈电路，方便简洁，经济成本低，同时通过此电路可以控制对线圈的电磁反馈力，改善不同模式下检波器的频率响应。
3.通过MCU控制切换开关进行模式切换，针对不同的模式对数字转换模块适时配置不同的采样率，可实现对地震信号的数字化采样。
通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他方面将变得清楚。
附图说明
图1为本发明的检波系统的框图。
图2为根据本发明的动圈式双参数地震检波器的反馈电路的电路图。
图3为本发明的动圈式双参数地震检波器在第一模式下的频率特性曲线。
图4为本发明的动圈式双参数地震检波器在第二模式下的频率特性曲线。
具体实施方式
本发明提供一种能够同时具备检测与速度相对应的信号的能力和检测与加速度相对应的信号的能力的动圈式双参数地震检波器。
图1为本发明的检波系统的框图。如图1所示，所述检波系统包括：动圈式双参数地震检波器、模拟数字转换模块(A/D)、存储单元(MU)以及微控制单元(MCU)。其中，动圈式双参数地震检波器包括传感器以及由微控制单元控制的反馈电路。所述传感器用于采集地震信号。
在本发明的检波系统中，传感器连接到反馈电路的输入端Vin，反馈电路的输出端Vout连接到模拟数字转换模块，从模拟数字转换模块输出的数据被存储在存储单元中，微控制单元控制反馈电路、模拟数字转换模块以及存储单元。
其中，传感器可以是例如通用动圈式检波器，一般包括线圈、弹簧片、磁钢以及外壳。外壳与大地耦合；磁钢一般为实心圆柱状，同轴置于空心圆柱型的外壳中心，构成磁回路；线圈通过弹簧片悬挂于磁钢与外壳的间隙中间。当震源激发时，地面与外壳一起产生相同的振动，由于惯性，线圈与磁钢产生相对运动，线圈切割磁力线产生感应电动势。
本发明的动圈式双参数地震检波器的原理是：在传感器的输出端附加反馈电路，来控制电磁力反馈；根据二阶惯性系统特性设计反馈电路的各电子器件的参数，来控制反馈给传感器(具体为通用动圈式检波器中的线圈)的电磁力，从而改变检波系统的频率响应，使得传感器具有第一模式和第二模式两种工作模式，能够分别测量与速度相对应的信号和与加速度相对应的信号，改善频率响应特性。其中，当在反馈电路中配置较大阻值的反馈电阻时，传感器处于第一模式，相同电压产生的阻碍线圈相对运动的电磁力较小，这样系统对与速度相对应的信号更为敏感，采集中高频地震信号；当配置较小阻值的反馈电阻时，传感器处于第二模式，相同电压产生的阻碍线圈相对运动的电磁力较大，这样系统对与加速度相对应的信号更为敏感，采集中低频地震信号。
图2为本发明的动圈式双参数地震检波器的反馈电路的电路图。如图2所示，传感器的输出信号线连接到反馈电路的输入端Vin，反馈电路的输出端Vout连接到模拟数字转换模块，作为动圈式双参数地震检波器的信号输出。
反馈电路包括第一切换开关S1、第一电阻r1、第二电阻r2以及放大器(AMP)。传感器的输出信号线中的一者连接到第一切换开关S1。第一切换开关S1进行切换以经由第一电阻r1或第二电阻r2连接到放大器的正向输入端。传感器的输出信号线中的另一者连接到放大器的反向输入端，放大器的输出端连接到模拟数字转换模块。
其中，放大器可以为通用运算放大器，可以选用功耗较低的OPA4342(型号)。第一电阻r1和第二电阻r2的阻值不同，第一电阻r1的阻值远大于第二电阻r2，例如，第一电阻r1的电阻阻值可以是8000欧，第二电阻r2的电阻阻值可以是200欧。
当第一切换开关S1进行切换以置于阻值较大的第一电阻r1时，即当第一切换开关S1连接到第一电阻r1时，传感器处于第一模式，相同电压产生的阻碍线圈相对运动的电磁力较小，传感器对与速度相对应的信号更为敏感，采集中高频地震信号。
当第一切换开关S1进行切换以置于阻值较小的第二电阻r2时，即当第一切换开关S1连接到第二电阻r2时，传感器处于第二模式，相同电压产生的阻碍线圈相对运动的电磁力较大，传感器对与加速度相对应的信号更为敏感，采集中低频地震信号。
优选地，对上述反馈电路进一步进行优化。反馈电路还可以包括第二切换开关S2、第三切换开关S3、第三电阻R1、第四电阻R2、第五电阻R3以及第六电阻R4。放大器的正向输入端还与第二切换开关S2连接，第二切换开关S2进行切换以经由第三电阻R1或第四电阻R2接地。连接到放大器的反向输入端的传感器的输出信号线还连接到第三切换开关S3，第三切换开关S3进行切换以经由第五电阻R3或第六电阻R4连接到放大器的输出端，然后，作为反馈电路的输出端Vout。由此，形成反馈电路的深度负反馈设计。由微控制单元控制各个切换开关，进而在第一模式与第二模式之间切换。
其中，第三电阻R1、第四电阻R2、第五电阻R3以及第六电阻R4均可以为高阻值电阻，第三电阻R1的阻值略大于第四电阻R2的阻值，例如，第三电阻R1的阻值为8000欧，第四电阻R2的阻值为6000欧；第五电阻R3的阻值略大于第六电阻R4的阻值，例如第五电阻R3的阻值为8000欧，第六电阻R4的阻值为6000欧。
当第一切换开关S1连接到第一电阻r1，第二切换开关S2连接到第三电阻R1，并且第三切换开关S3连接到第五电阻R3时，传感器处于第一模式，传感器对与速度相对应的信号更为敏感，可高质量地采集中高频地震信号。
当第一切换开关S1连接到第二电阻r2，第二切换开关S2连接到第四电阻R2，并且第三切换开关S3连接到第六电阻R4时，传感器处于第二模式，传感器对与加速度相对应的信号更为敏感，可高质量地采集中低频地震信号。
通过利用微控制单元控制反馈电路的第一切换开关S1、第二切换开关S2和第三切换开关S3的接通状态，利用运算放大器和第一电阻r1、第二电阻r2来控制传感器的电磁反馈力，根据不同的反馈力实现传感器的不同工作模式，进而实现高质量地采集速度信息和加速度信息。
由此，本发明的动圈式双参数地震检波器能够高质量地采集与速度相对应的以及与加速度相对应的两种信号，大大改善了通用动圈式检波器的低频响应能力，扩宽了勘探频带范围，同时增加了通用动圈式检波器的灵敏度。
在本发明的反馈电路中，根据不同型号的传感器，第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻R1、第四电阻R2、第五电阻R3以及第六电阻R4的阻值有所不同，可以根据需要设定。本发明包括但不限于上述的具体数值。
本发明的动圈式双参数地震检波器在使用时：将传感器(即通用动圈式检波器)的两根输出信号线连接到反馈电路的输入端Vin，将反馈电路的输出端Vout连接到模拟数字转换模块，利用微控制单元控制第一切换开关S1、第二切换开关S2和第三切换开关S3进行模式切换，反馈电路的输出端Vout输出的数据经由模拟数字转换模块的数字化之后，存储到MU中，以方便后续处理。
在使用过程中，通过微控制单元控制各个切换开关进行模式切换，针对不同的模式对模拟数字转换模块适时配置不同的采样率，可以对地震信号进行数字化采样；当信号频率较高时，可配置第一模式，同时提高采样率以获取更丰富的高频信息；当信号频率较低时，可配置第二模式，同时降低采样率以节省存储空间。
图3和图4依次为本发明的具体实施例中的动圈式双参数地震检波器在第一模式下以及在第二模式下的频率特性曲线。其中，纵轴为相对灵敏度，横轴为频率。
从图3可见，在第一模式下，本发明的动圈式双参数地震检波器有效响应频带大于20Hz，即，可高质量地采集大于20Hz的地震信号。从图4可见，在第二模式下，本发明的动圈式双参数地震检波器有效响应频带为1Hz-100Hz，即，可高质量地采集1Hz-100Hz的地震信号。与此相比，传统的速度型检波器响应频带在10Hz以上，无法采集到低频信号，传统的加速度型检波器频率响应在100Hz以上，衰减加快无法有效采集高频信号。
本发明通过反馈电路将传统的速度型检波器转变为对加速度敏感的检波器，使其同时具备检测与速度相对应的信号的能力和检测与加速度相对应的信号的能力，这样，在一次施工中，无需更换检波器就可以同时采集到同一质点的速度和加速度信息，以便在后续地震数据处理阶段可以通过数据融合来综合两种信号优势，实现精细地震勘探。
另外，传统的检波器是依靠增大磁钢和线圈的体积来扩宽检波器的低频响应，这样做不仅仅增加了成本和施工难度，而且检波器中的线圈的质量增加会使得检波器中的弹簧片偏离平衡位置(自然状态)较大，从而放大弹簧片的非线性，降低系统性能。本发明通过利用电子学反馈方法来控制线圈的电磁力，无需增加线圈质量，就改善了传统检波器的低频频率响应。另外，反馈电路可以集成在地震勘探仪器数据采集电路的前端。
虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。应当对所附权利要求的范围给予最宽的解释，以使其涵盖所有这些变型例以及等同的结构和功能。
Claims (10)
1.一种动圈式双参数地震检波器，其特征在于：
所述动圈式双参数地震检波器包括传感器以及由微控制单元控制的反馈电路；
所述传感器采集地震信号，所述传感器的工作模式包括第一模式和第二模式，在所述第一模式下，所述传感器采集速度信息，在所述第二模式下，所述传感器采集加速度信息；
所述微控制单元如下地控制所述反馈电路，所述微控制单元发出指令使所述传感器的工作模式在第一模式与第二模式之间进行切换，以在一次施工中无需更换检波器而同时采集到同一质点的速度和加速度信息。
2.根据权利要求1所述的动圈式双参数地震检波器，其特征在于：
在所述第一模式下，所述传感器采集的速度信息为与速度相对应的信号；
在所述第二模式下，所述传感器采集的加速度信息为与加速度相对应的信号。
3.根据权利要求1所述的动圈式双参数地震检波器，其特征在于：
所述反馈电路包括第一切换开关(S1)、第一电阻(r1)、第二电阻(r2)以及放大器；
所述传感器的输出信号线中的一者连接到所述第一切换开关(S1)；所述第一切换开关(S1)经由所述第一电阻(r1)或所述第二电阻(r2)连接到所述放大器的正向输入端；所述传感器的输出信号线中的另一者连接到所述放大器的反向输入端，所述放大器的输出端作为所述反馈电路的输出端(Vout)。
4.根据权利要求3所述的动圈式双参数地震检波器，其特征在于：
所述第一电阻(r1)的阻值大于所述第二电阻(r2)的阻值；
当所述第一切换开关(S1)连接到所述第一电阻(r1)时，所述传感器处于所述第一模式；
当所述第一切换开关(S1)连接到所述第二电阻(r2)时，所述传感器处于所述第二模式。
5.根据权利要求3所述的动圈式双参数地震检波器，其特征在于：
所述反馈电路还包括第二切换开关(S2)、第三切换开关(S3)、第三电阻(R1)、第四电阻(R2)、第五电阻(R3)以及第六电阻(R4)；
其中，所述放大器的正向输入端还与所述第二切换开关(S2)连接，所述第二切换开关(S2)经由所述第三电阻(R1)或所述第四电阻(R2)接地；
连接到所述放大器的反向输入端的所述传感器的输出信号线还连接到所述第三切换开关(S3)，所述第三切换开关(S3)经由所述第五电阻(R3)或所述第六电阻(R4)连接到所述放大器的输出端，作为所述反馈电路的输出端(Vout)。
6.根据权利要求5所述的动圈式双参数地震检波器，其特征在于：
当所述第一切换开关(S1)连接到所述第一电阻(r1)和所述第二电阻(r2)中的阻值较大的一者，所述第二切换开关(S2)连接到所述第三电阻(R1)和所述第四电阻(R2)中的阻值较大的一者，并且所述第三切换开关(S3)连接到所述第五电阻(R3)和所述第六电阻(R4)中的阻值较大的一者时，所述传感器处于所述第一模式；
当所述第一切换开关(S1)连接到所述第一电阻(r1)和所述第二电阻(r2)中的阻值较小的一者，所述第二切换开关(S2)连接到所述第三电阻(R1)和所述第四电阻(R2)中的阻值较小的一者，并且所述第三切换开关(S3)连接到所述第五电阻(R3)和所述第六电阻(R4)中的阻值较小的一者时，所述传感器处于所述第二模式。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的动圈式双参数地震检波器，其特征在于：
所述传感器为通用动圈式地震检波器。
8.一种检波系统，其特征在于：所述检波系统包括：
动圈式双参数地震检波器、模拟数字转换模块、存储单元以及微控制单元；其中，
所述动圈式双参数地震检波器包括传感器以及反馈电路；
所述传感器采集地震信号，所述传感器的工作模式包括第一模式和第二模式，在所述第一模式下，所述传感器采集速度信息，在所述第二模式下，所述传感器采集加速度信息；
所述反馈电路由所述微控制单元控制，所述微控制单元发出指令使所述传感器的工作模式在第一模式与第二模式之间进行切换，以在一次施工中无需更换检波器而同时采集到同一质点的速度和加速度信息；
所述传感器连接到所述反馈电路的输入端，所述反馈电路的输出端连接到所述模拟数字转换模块，从所述反馈电路的输出端输出的数据被存储在所述存储单元中。
9.根据权利要求8所述的检波系统，其特征在于：
在所述第一模式下，所述传感器采集的速度信息为与速度相对应的信号；
在所述第二模式下，所述传感器采集的加速度信息为与加速度相对应的信号。
10.根据权利要求8或9所述的检波系统，其特征在于：
所述传感器为通用动圈式地震检波器。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 利用电子学方法改进地震检波器性能的研究;董磊;《中国博士学位论文全文数据库 基础科学辑》;20141015(第10期);摘要，第21-23、31-38、97页，图3.5、3.6、3.20、3.22 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106019361A (zh) | 2016-10-12 |
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