CN106019362A - 一种动圈式低频扩展地震检波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地震探测技术领域，提供了一种动圈式低频扩展地震检波器，包括外壳、顶盖、底盖、磁钢、弹簧悬挂系统；弹簧悬挂系统包括弹簧、线圈架、线圈；弹簧悬挂系统固定于顶盖与底盖之间的密闭空间内，线圈架径向连接有差动电容检测系统；差动电容检测系统包括传感器、测控电路、模数转换模块、存储模块；传感器与线圈架连接，还与测控电路连接，测控电路与模数转换模块连接，模数转换模块还与存储模块连接；差动电容为8组，均匀分布于内径和外径中间。本发明的有益效果为：通过增加差动电容来检测位移信号，在不影响原有频率响应的前提下，可以获得更为平坦的低频响应，结构简单、合理，适于推广应用。

Description

一种动圈式低频扩展地震检波器

技术领域

本发明涉及地震探测技术领域，特别涉及一种动圈式低频扩展地震检波器。

背景技术

地震检波器是用来检测地面运动的传感器。在地震勘探领域，随着勘探目的层深度加大，高频信号衰减严重，低频信号保留完整，地震低频信息的成像能够大大改善深部地层刻画精度，从而增强深部资源勘探能力。

动圈式地震检波器为目前使用最为广泛的地震检波器。传统动圈检波器为速度型检波器，因固有的机械系统限制，这种检波器存在灵敏度低、频带窄(>10Hz)等缺陷，其低频响应衰减严重，成为制约地震勘探发展的瓶颈。可以通过电子反馈等技术改善其低频响应，使其响应带宽低至3Hz，但是这种方法对高频信号有一定程度损伤。

CN201210422586公开了一种高灵敏度地震检波器，采用高矫顽力磁体，且合理使用了磁体长度与上下线架之间调重空间的长度比例关系，同时用极靴有效增加上下线架之间调重空间的长度，以实现地震检波器灵敏度的提高；CN201510002339公开了一种磁阻式地震检波器，将磁阻元件的几何中心处于磁体产生的磁场的线性分布区域内；CN201410216312公开了一种新型地震检波器，通过多组上下磁钢、多个相互并联的线圈架、磁钢上磁路装配采用顺磁装配及逆磁装配等技术手段提高检测灵敏度，但以上技术均不能解决低频响应缺失的问题。

目前，还没有见到对地震检波器低频响应衰减可以进行有效补偿，同时又不损伤对高频信号的测量精度的现有技术。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种动圈式低频扩展地震检波器，在传统检波器的基础上，通过增加差动电容来检测位移信号，从而在不影响原来频率响应的前提下，可以获得更为平坦的低频响应，得到更为丰富的低频信息(低至0Hz)。

本发明一种动圈式低频扩展地震检波器，包括外壳、顶盖、底盖、磁钢、弹簧悬挂系统；外壳为空心圆柱形，与底盖、顶盖共同构成密闭空间；弹簧悬挂系统包括弹簧、线圈架、线圈；上下2组线圈反向绕制在线圈架上，弹簧悬挂系统固定于顶盖与底盖之间的密闭空间内，线圈架径向连接有差动电容检测系统。

进一步的，所述差动电容检测系统包括传感器、测控电路、模数转换模块、存储模块；传感器与线圈架连接，还与测控电路连接，测控电路与模数转换模块连接，模数转换模块还与存储模块连接；测控电路用于参数控制和测量电压信号，信号经过模数转换模块转换后存入存储模块。

进一步的，所述传感器为成组的差动电容，每组两对，分布于外壳内。

进一步的，所述差动电容为变面积式差动电容。

进一步的，所述差动电容为8组，呈放射状均匀环布检波器侧面一周，每组差动电容的极板均竖直布置。

进一步的，所述成组的差动电容包括定极板和动极板，定极板与外壳连接，动极板与线圈架连接。

进一步的，所述外壳轴向中部外凸，所形成的内部空间内设置差动电容。

进一步的，所述弹簧为三臂式弹簧，顶部和底部的2个三臂式弹簧连接磁钢和线圈架，外壳、磁钢、三臂式弹簧、线圈架均轴向同心。

本发明的有益效果为：

1、可以实现频率低至直流(0Hz)的信号记录，从而满足深部地震勘探需要；

2、设计增加变面积差动电容检测机构，可输出线性度更好的位移信号，同时该信号可以反馈作用于原系统，改善系统频率响应曲线，增加设计自由度；

3、通过增加极板对数来提高灵敏度，其相对运动方向平行于电容极板方向，空气阻力极小；

4、电容输出信号可以用来标记线圈与壳体的相对位置，可以用来搜索更为合适的位置保证检波器的性能和一致性比如可以通过搜索磁场更为均匀的位置从而较少系统非线性失真。

附图说明

图1所示为本发明实施例一种动圈式低频扩展地震检波器结构示意图。

图2所示为差动电容检测系统结构示意图。

图3所示为开关电容测量电路。

图4所示为差动电容检测系统电容输出的频率响应图。

图5所示为差动电容检测系统线圈输出的对应频率响应图。

其中：1-外壳、2-顶盖、3-底盖、4-线圈架、5-线圈、6-磁钢、7-三臂式弹簧、8-差动电容、9-传感器、10-测控电路、11-模数转换模块、12-存储模块。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

如图1、2所示，本发明实施例一种动圈式低频扩展地震检波器，包括外壳1、顶盖2、底盖3、弹簧悬挂系统；外壳1为空心圆柱形，与底盖2、顶盖3共同构成密闭空间；弹簧悬挂系统包括弹簧、线圈架4、线圈5、磁钢6；上下2组线圈5反向绕制在线圈架4上，弹簧悬挂系统固定于顶盖2与底盖3之间的密闭空间内，线圈架4径向连接有差动电容检测系统。

优选的，所述差动电容检测系统包括传感器9、测控电路10、模数转换模块11、存储模块12；传感器9与线圈架4连接，还与测控电路10连接，测控电路10与模数转换模块11连接，模数转换模块11还与存储模块12连接；测控电路10用于参数控制和测量电压信号，信号经过模数转换模块11转换后存入存储模块12。

优选的，所述传感器9为成组的差动电容8，每组两对，分布于外壳1内。

优选的，所述差动电容8为变面积式差动电容。

优选的，所述差动电容8数量为8组，呈放射状均匀环布检波器侧面一周，每组差动电容的极板均竖直布置。

优选的，所述成组的差动电容8包括定极板和动极板；如图1所示，差动电容8包括两侧的定极板和处于2个定极板中间的动极板，定极板与外壳连接，动极板与线圈架连接。

优选的，所述外壳1轴向中部外凸，所形成的内部空间内设置差动电容8。

优选的，所述弹簧为三臂式弹簧7，顶部和底部的2个三臂式弹簧7连接磁钢6和线圈架4；外壳1、磁钢6、三臂式弹簧7、线圈架4均轴向同心。

本发明的工作原理是：

检波器整体为一个阻尼振动体系，由磁钢6与壳体构成磁路，线圈5通过弹簧悬挂置于磁钢6和壳体间隙中间，线圈5和磁钢6之间可以进行相对运动。当地面振动时，固定于检波器外壳上的磁钢6会随之运动，线圈5通过弹簧悬挂与磁钢6相接，因为惯性影响会发生运动滞后，这样线圈5和磁钢6发生相对运动，阻尼振动系统方程为：

$\frac{x_r}{\stackrel{\·\·}{x}}=\frac{-1}{(k/m-{\mathrm{\ω}}^2)+j\mathrm{\ω}(D/m+K/m)}$

其中，x_r为线圈相对于壳体的位移；x为壳体的绝对位移，，即需要测量的地面震动信号，为x对时间的二阶导数；k为弹簧的劲度系数，D为表征空气阻力大小的系数，m为质量块(线圈和线圈架)的质量。

系统在外界振动信号的作用下做受驱振动，线圈5切割磁力线产生电压信号，同时差动电容8中的动极板(与线圈架相连)与定极板(与外壳相连)之间产生相对运动，这样上下两组差动电容8的正对面积发生变化，从而使差动电容8发生变化产生差动电信号。线圈5所产生的电信号与相对速度成正比，而差动电容8输出的电信号与相对位移成正比。定极板和动极板构成上下两组电容C_T和C_B，初始状态下间距为d₀，长为L₀，正对的宽度为x_r0，震动引发的相对位移x_r。其检测原理方程如下：

$C_T=\frac{{\mathrm{\ϵL}}_0(x_{r0}+x_r)}{d_0}$

$C_B=\frac{{\mathrm{\ϵL}}_0(x_{r0}-x_r)}{d_0}$

因单对电容较小，其寄生电容效应较大，所以选择开关电路对其进行测量，如图3所示。

$V_{out}=-2V_R\frac{(C_T-C_B)}{C_F}=\frac{-4V_R{\mathrm{\ϵL}}_0}{d_0{C}_F}{x}_r$

$C_T=\frac{{\mathrm{\ϵL}}_0(x_{r0}+x_r)}{d_0}$

$C_B=\frac{{\mathrm{\ϵL}}_0(x_{r0}-x_r)}{d_0}$

$V_{out}=-2V_R\frac{(C_T-C_B)}{C_F}=\frac{-4V_R{\mathrm{\ϵL}}_0}{d_0{C}_F}{x}_r$

可以发现，输出电压V_out与相对位移x_r之间呈线性对应关系。系统电容输出的频率响应如图4所示，系统线圈输出对应频率响应如图5所示，可知，电容输出很好的弥补了线圈输出在低频段的不足。

本发明的有益效果为：

1、可以实现频率低至直流(0Hz)的信号记录，从而满足深部地震勘探需要；

2、设计增加变面积差动电容检测机构，可输出线性度更好的位移信号，同时该信号可以反馈作用于原系统，改善系统频率响应曲线，增加设计自由度；

3、通过增加极板对数来提高灵敏度，其相对运动方向平行于电容极板方向，空气阻力极小；

4、电容输出信号可以用来标记线圈与壳体的相对位置，可以用来搜索更为合适的位置保证检波器的性能和一致性比如可以通过搜索磁场更为均匀的位置从而较少系统非线性失真。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (8)

1.一种动圈式低频扩展地震检波器，包括外壳、顶盖、底盖、磁钢、弹簧悬挂系统；外壳为空心圆柱形，与底盖、顶盖共同构成密闭空间；弹簧悬挂系统包括弹簧、线圈架、线圈；上下2组线圈反向绕制在线圈架上，弹簧悬挂系统固定于顶盖与底盖之间的密闭空间内，其特征在于，线圈架径向连接有差动电容检测系统。

2.如权利要求1所述的动圈式低频扩展地震检波器，其特征在于，所述差动电容检测系统包括传感器、测控电路、模数转换模块、存储模块；传感器与线圈架连接，还与测控电路连接，测控电路与模数转换模块连接，模数转换模块还与存储模块连接；测控电路用于参数控制和测量电压信号，信号经过模数转换模块转换后存入存储模块。

3.如权利要求2所述的动圈式低频扩展地震检波器，其特征在于，所述传感器为成组的差动电容，每组两对，分布于外壳内。

4.如权利要求3所述的动圈式低频扩展地震检波器，其特征在于，所述差动电容为变面积式差动电容。

5.如权利要求3所述的动圈式低频扩展地震检波器，其特征在于，所述差动电容为8组，呈放射状均匀环布检波器侧面一周，每组差动电容的极板均竖直布置。

6.如权利要求3所述的动圈式低频扩展地震检波器，其特征在于，所述成组的差动电容包括定极板和动极板，定极板与外壳连接，动极板与线圈架连接。

7.如权利要求2-6任一项所述的动圈式低频扩展地震检波器，其特征在于，所述外壳轴向中部外凸，所形成的内部空间内设置差动电容。

8.如权利要求1所述的动圈式低频扩展地震检波器，其特征在于，所述弹簧为三臂式弹簧，顶部和底部的2个三臂式弹簧连接磁钢和线圈架，外壳、磁钢、三臂式弹簧、线圈架均轴向同心。