CN108287118B - 一种岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法及系统 - Google Patents

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CN108287118B CN201711429152.3A CN201711429152A CN108287118B CN 108287118 B CN108287118 B CN 108287118B CN 201711429152 A CN201711429152 A CN 201711429152A CN 108287118 B CN108287118 B CN 108287118B
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Abstract

本申请实施例提供了一种岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法及系统，该包括：从预设频率范围内选择N个频率点并将其分为L个频段，根据每个频段内的频率点对应生成每个频段的第一谐波激励信号；依次将每个频段的第一谐波激励信号施加于压电片上，以使被测岩石样品和参考标准样品产生应变，并采集被测岩石样品的第一应变电信号及参考标准样品的第二应变电信号；根据每个频段对应的第一应变电信号和第二应变电信号，确定被测岩石样品在每个频段内的杨氏模量、泊松比和衰减系数。本申请实施例可以提高岩石低频弹性模量及衰减系数的测量效率。

Description

一种岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法及系统
技术领域
本申请涉及岩石物理研究技术领域，尤其是涉及一种岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法及系统。
背景技术
岩石物理实验是建立地震弹性参数与储层参数关系最直接的方式，在地震储层预测与烃类检测中发挥着越来越重要的作用。由于地震频段(中心频率为几十Hz)速度与测井(中心频率为20kHz)和超声波(中心频率为1MHz)速度之间存在显著差异，直接使用中高频数据解释地震频段勘探问题具有较大风险，在地震低频、弱振幅条件下进行地震速度及衰减的测量与分析对地震定量解释至关重要。
目前低频测量比较流行的方法是利用应力-应变原理，在岩心样品表面粘贴应变计，激振器将不同频率正弦信号转换为周期性振动，岩心样品和标准件因受到相同应力作用而发生形变，应变计将这种形变转换成电信号输出，根据输出的电压幅值和相位计算不同频率条件下的弹性模量衰减。
然而，现有利用应力-应变原理的技术每次只能测量单个频率点，而在实际测量中一般需要测量多个频率点以绘制岩石物理特性曲线，因此现有技术的这种逐频点测量的方式会花费很长的时间，导致测量效率极低。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法及系统，以提高岩石低频弹性模量及衰减系数的测量效率。
为达到上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法，包括：
从预设频率范围内选择N个频率点，将所述N个频率点划分为L个频段，并根据每个频段内的频率点对应生成每个频段的第一谐波激励信号；
依次将每个频段的第一谐波激励信号施加于用作震源的压电片上，以使被测岩石样品和参考标准样品产生相应应变，并通过应变传感器采集所述被测岩石样品的第一应变电信号及所述参考标准样品的第二应变电信号；
从每个频段对应的第一应变电信号中提取第一纵向应变电信号的幅值和相位，以及横向应变电信号的幅值，并从每个频段对应的第二应变电信号中提取第二纵向应变电信号的幅值和相位；
根据每个频段对应的幅值确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量和泊松比；并根据每个频段对应的相位确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数。
优选的，所述根据每个频段内的频率点对应生成每个频段的第一谐波激励信号，包括：
对于每个频段，以其内每个频率点作为频率，对应生成幅值各不同且初始相位相同的正弦波，叠加所述正弦波以形成该频段的第一谐波激励信号。
优选的，所述根据每个频段对应的幅值确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量，包括：
根据公式E＝EstdAstd/AL确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量；
其中，E为被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量，Estd为参考标准样品在相应频段内的杨氏模量，Astd为第二纵向应变电信号的幅值，AL为第一纵向应变电信号的幅值。
优选的，所述根据每个频段对应的幅值确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量和泊松比，包括：
根据公式ν＝AT/AL确定所述被测岩石样品在相应频段内的泊松比；
其中，ν为被测岩石样品在相应频段内的泊松比，AT为第一横向应变电信号的幅值，AL为第一纵向应变电信号的幅值。
优选的，所述根据每个频段对应的相位确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数，包括：
根据公式
Figure GDA0001587838400000021
确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数；
其中，
Figure GDA0001587838400000022
为被测岩石样品在相应频段内的衰减系数，Q为被测岩石样品在相应频段内的品质因子，
Figure GDA0001587838400000023
为第一纵向应变电信号的相位与第二纵向应变电信号的相位的相位差。
优选的，在从每个频段对应的第一应变电信号中提取第一纵向应变电信号的幅值和相位，以及横向应变电信号的幅值，并从每个频段对应的第二应变电信号中提取第二纵向应变电信号的幅值和相位之前，还包括：
将所述第一应变电信号和第二应变电信号依次进行零点温度漂移补偿、信号调理和模数转换处理。
优选的，所述依次将每个频段的第一谐波激励信号施加于用作震源的压电片上，包括：
选取一个频段的第一谐波激励信号，并将其依次进行数模转换、低通滤波、功率放大和阻抗匹配处理，以形成所述频段的第二谐波激励信号；
将所述第二谐波激励信号施加于用作震源的压电片上，以使被测岩石样品和参考标准样品产生相应应变，并通过应变传感器采集相应应变对应的第一应变电信号和第二应变电信号；
依此递推，直至完成每个频段的第二谐波激励信号激励下的第一应变电信号和第二应变电信号的信号采集。
优选的，在所述形成所述频段的第二谐波激励信号之后，还包括：
采集所述频段的第二谐波激励信号并将其依次进行缓冲、信号预处理和模数转换处理，并将处理后得到的第二谐波激励信号与对应的第一谐波激励信号进行相位比较，
如果存在相位差，则进行相应的相位补偿处理。
另一方面，本申请实施例还提供了一种岩石低频弹性模量及衰减系数测量系统，包括上位机、终端设备、用作震源的压电片和设置于被测岩石样品及参考标准样品上的应变传感器；
其中，所述上位机用于：
从预设频率范围内选择N个频率点，将所述N个频率点划分为L个频段，并根据每个频段内的频率点对应生成每个频段的第一谐波激励信号；
通过所述终端设备依次将每个频段的第一谐波激励信号施加于所述压电片上，以使被测岩石样品和参考标准样品产生相应应变，并通过所述终端设备获取所述应变传感器采集的所述被测岩石样品的第一应变电信号及所述参考标准样品的第二应变电信号；
从每个频段对应的第一应变电信号中提取第一纵向应变电信号的幅值和相位，以及横向应变电信号的幅值，并从每个频段对应的第二应变电信号中提取第二纵向应变电信号的幅值和相位；
根据每个频段对应的幅值确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量和泊松比；并根据每个频段对应的相位确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数。
优选的，所述根据每个频段内的频率点对应生成每个频段的第一谐波激励信号，包括：
对于每个频段，以其内每个频率点作为频率，对应生成幅值各不同且初始相位相同的正弦波，叠加所述正弦波以形成该频段的第一谐波激励信号。
优选的，所述根据每个频段对应的幅值确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量，包括：
根据公式E＝EstdAstd/AL确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量；
其中，E为被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量，Estd为参考标准样品在相应频段内的杨氏模量，Astd为第二纵向应变电信号的幅值，AL为第一纵向应变电信号的幅值。
优选的，所述根据每个频段对应的幅值确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量和泊松比，包括：
根据公式ν＝AT/AL确定所述被测岩石样品在相应频段内的泊松比；
其中，ν为被测岩石样品在相应频段内的泊松比，AT为第一横向应变电信号的幅值，AL为第一纵向应变电信号的幅值。
优选的，所述根据每个频段对应的相位确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数，包括：
根据公式
Figure GDA0001587838400000041
确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数；
其中，
Figure GDA0001587838400000042
为被测岩石样品在相应频段内的衰减系数，Q为被测岩石样品在相应频段内的品质因子，
Figure GDA0001587838400000043
为第一纵向应变电信号的相位与第二纵向应变电信号的相位的相位差。
优选的，所述终端设备包括信号采集装置，其包括依次相连的惠斯通电桥、信号调理电路、模数转换器和数字信号处理器；所述信号采集装置用于将所述第一应变电信号和第二应变电信号依次进行零点温度漂移补偿、信号调理和模数转换处理。
优选的，所述终端设备包括激励信号处理装置，其包括依次相连的数模转换器、低通滤波器、功率放大器、匹配网络和数字信号处理器；所述激励信号处理装置用于将每个频段的第一谐波激励信号依次进行数模转换、低通滤波、功率放大和阻抗匹配处理，并将处理后的得到第二谐波激励信号提供给所述压电片。
优选的，所述终端设备还包括相位控制装置，其包括依次连接的电压跟随器、信号预处理电路、模数转换器和数字信号处理器；所述相位控制装置用于将每个频段的第二谐波激励信号依次进行缓冲、信号预处理和模数转换处理，并将处理后得到的第二谐波激励信号与对应的第一谐波激励信号进行相位比较，如果存在相位差，则进行相应的相位补偿处理。
优选的，所述匹配网络包括L路阻抗匹配电路，以用于对相应频段进行阻抗匹配；
对于其中心频率超过预设值的频段，其阻抗匹配电路包括依次连接的可控开关、限流电阻和串联电感，其中，可控开关的输入端与所述功率放大器的第一输出端相连，串联电感与所述压电片的输入端相连；
对于其中心频率不超过预设值的频段，其阻抗匹配电路包括依次连接的可控开关和限流电阻，其中，可控开关的输入端与所述功率放大器的第一输出端相连，限流电阻与所述压电片的输入端相连；
所述可控开关受控于所述数字信号处理器。
由以上本申请实施例提供的技术方案可见，由于本申请实施例的一个频段包含多个频率点，而通过获取被测岩石样品在每个频段内的杨氏模量、泊松比和衰减系数，就可以得到被测岩石样品在预设频率范围内的的杨氏模量、泊松比和衰减系数，因此，相对于现有技术的逐频率点测量方法，本申请实施例可大幅提高岩石低频弹性模量及衰减系数的测量效率。以测量1-3000Hz频段内50个频点为例，测量效率可以提高50％。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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。在附图中：
图1为本申请一实施方式的岩石低频弹性模量及衰减系数测量系统的结构框图；
图2为本申请一实施方式的岩石低频弹性模量及衰减系数测量系统中震源、应变传感器、被测岩石样品及参考标准样品之间的位置关系示意图；
图3为本申请一实施方式的岩石低频弹性模量及衰减系数测量系统中匹配网络的电路原理图；
图4为本申请一实施方式的岩石低频弹性模量及衰减系数测量系统中匹配网络的电流幅频特性示意图；
图5为本申请一实施方式的岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法的流程图；
图6为本申请一实施方式的岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法中获得的应变电信号；
图7a为本申请一实施方式的岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法中获得的某被测岩石样品的弹性模量的均值；
图7b为为本申请一实施方式的岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法中获得的某被测岩石样品的弹性模量的方差；
图8a为本申请一实施方式的岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法中获得的某被测岩石样品的衰减系数的均值；
图8b为本申请一实施方式的岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法中获得的某被测岩石样品的衰减系数的方差。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请实施例的岩石低频弹性模量及衰减系数测量系统可以包括上位机、终端设备、用作震源的压电片和设置于被测岩石样品及参考标准样品上的应变传感器。其中，所述上位机可用于：
从预设频率范围[fL，fH]内选择N个频率点fm(m＝1,2,...,N)，将所述N个频率点fm划分为L个频段Fi(i＝1,2,...,L)，并根据每个频段Fi内的频率点对应生成每个频段的第一谐波激励信号；
通过所述终端设备依次将每个频段的第一谐波激励信号施加于所述压电片上，以使被测岩石样品和参考标准样品产生相应应变，并通过所述终端设备获取所述应变传感器采集的所述被测岩石样品的第一应变电信号及所述参考标准样品的第二应变电信号；其中，所述被测岩石样品的第一应变电信号携带有所述被测岩石样品的弹性和衰减信息；所述参考标准样品的第二应变电信号携带有所述参考标准样品的弹性和衰减信息；
从每个频段对应的第一应变电信号中提取第一纵向应变电信号的幅值和相位，以及横向应变电信号的幅值，并从每个频段对应的第二应变电信号中提取第二纵向应变电信号的幅值和相位；
根据每个频段对应的幅值确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量和泊松比；并根据每个频段对应的相位确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数。
在本申请一实施方式中，所述预设频率范围例如可以为1～3000Hz。所述根据每个频段内的频率点对应生成每个频段的第一谐波激励信号可以包括：
对于每个频段，以其内每个频率点作为频率，对应生成幅值各不同且初始相位相同的正弦波，叠加所述正弦波以形成该频段的第一谐波激励信号。本申请实施方式中，由于后续需要根据相位差计算衰减系数，因此，每个频段内生成的各个正弦波的初始相位应当相同，以便于计算。而每个频段内生成的各个正弦波的幅值各不相同可以有利于产生不同的应力值，而且在信号叠加时，通过多个幅值取平均还可以有利于去除噪声干扰。
在本申请另一实施方式中，每个频段的第一谐波激励信号也可以由上位机和终端装置配合完成。其中，上位机可在频率fL和fH区间内选择N个频率点fm(m＝1,2,...,N)，将N个频率点fm(m＝1,2,...,N)分成L按照Fi(i＝1,2,...,L)频段分成组，产生分频段控制信号，若Fi(i＝1,2,...,L)频段内含有的频率数为R个，则向数据采集环节中的DSP发送R个频率控制字Kn(n＝1,2,...,R)，利用数据采集环节中DSP内部资源实现M位相位累加器和ROM查找表，频率控制字Kn(n＝1,2,...,R)控制相位累加器的值作为ROM查找表的地址，生成幅值各不同且初始相位相同的正弦波。
在本申请一实施方式中，根据各个频段的衰减系数还可以绘制出被测岩石样品在预设频率范围的衰减曲线和频散曲线。
在本申请一实施方式中，例如图6所示，为某被测岩石样本的应变电信号，其期望信号淹没在噪声中。因此，上述的幅值和相位提取方法例如可以采用基于复Morlet、UQDE、MC、LS、DFT、PM等参数估计方法实现。因此，在本申请实施方式中，可以得到所述被测岩石样品的弹性模量的均值(例如图7a所示)和方差(例如图7b所示)，以及所述被测岩石样品的衰减系数的均值(例如图8a所示)和方差(例如图8b所示)。通过实验表明，基于Morlet复小波变换的参数估计方法性能强于基于UQDE、MC、LS、DFT、PM等参数估计方法，且测试结果所获得的频散曲线和衰减曲线不随着频率的变化而剧烈起伏，较为平坦。而对于被测岩石样品来说，理论上其频散和衰减在低频段与频率无关，曲线保持稳定不变。从以上测量结果得到，基于Morlet复小波变换的参数估计方法获得的测试结果更符合被测岩石样品的频散和衰减特性，因而非常适用于被测岩石样品的弹性模量和衰减系数的测量。
在本申请一实施方式中，可以根据公式E＝EstdAstd/AL确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量。其中，E为被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量，Estd为参考标准样品在相应频段内的杨氏模量，Astd为第二纵向应变电信号的幅值，AL为第一纵向应变电信号的幅值。
在本申请一实施方式中，可以根据公式ν＝AT/AL确定所述被测岩石样品在相应频段内的泊松比。其中，ν为被测岩石样品在相应频段内的泊松比，AT为第一横向应变电信号的幅值，AL为第一纵向应变电信号的幅值。
在本申请一实施方式中，可根据公式
Figure GDA0001587838400000081
确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数。其中，
Figure GDA0001587838400000082
为被测岩石样品在相应频段内的衰减系数，Q为被测岩石样品在相应频段内的品质因子，
Figure GDA0001587838400000083
为第一纵向应变电信号的相位与第二纵向应变电信号的相位的相位差。
在本申请一实施方式中，所述参考标准样品例如可以为其形状和尺寸均与被测岩石样品相同的标准铝样品，并且所述参考标准样品在所述预设频率范围的衰减系数和杨氏模量已知。
参考图1所示，在本申请一实施方式中，所述上位机可以为配置有信息处理软件以实现相应功能的计算机系统。
结合图2所示，所述压电片可设置于所述被测岩石样品和所述参考标准样品之间，所述压电片的一面与所述被测岩石样品直接接触，所述压电片的另一面与所述参考标准样品直接接触。所述被测岩石样品和所述参考标准样品上均可以设置至少一个或多个应变传感器，以采集所述被测岩石样品和所述参考标准样品在所述压电片作用下的应变。
继续参考图1所示，在本申请一实施方式中，所述终端设备可以包括激励信号处理装置和信号采集装置。其中：
所述激励信号处理装置可以包括依次相连的数模转换器(D/A转换器)、低通滤波器、功率放大器、匹配网络和数字信号处理器(DSP)。所述激励信号处理装置用于将每个频段的第一谐波激励信号依次进行数模转换、低通滤波、功率放大和阻抗匹配处理，并将处理后的得到第二谐波激励信号提供给所述压电片。由于生成的每个频段的第一谐波激励信号都是数字谐波激励信号，因此需要通过数模转换器将其转换成对应的模拟谐波激励信号。为了使被测岩石样品和参考标准样品形成的应变足以让应变传感器可以采集到，需要对第一谐波激励信号进行功率放大。
结合图3所示，所述匹配网络可以包括L路阻抗匹配电路，以用于对相应频段进行阻抗匹配，提高信噪比。对于其中心频率超过预设值的频段，其阻抗匹配电路可以包括依次连接的可控开关(例如继电器开关等)、限流电阻和串联电感，从而可形成分频段LC串联谐振电路；其中，可控开关的输入端与所述功率放大器的第一输出端相连，串联电感与所述压电片的输入端相连。而对于其中心频率不超过预设值的频段，其阻抗匹配电路可以包括依次连接的可控开关和限流电阻；其中，可控开关的输入端与所述功率放大器的第一输出端相连，限流电阻与所述压电片的输入端相连。所述可控开关受控于所述数字信号处理器。所述分频段串联谐振电路的电流幅频特性例如图4所示，其中，f0为频段的最低中心频率，Imax为串联谐振电路的最大电流。
研究表明，当谐波激励信号的中心频率高于预设值时，串接LC串联谐振电路对于提高阻抗匹配和提高信噪比具有明显作用。而当谐波激励信号的中心频率低于预设值时，串接电感对于提高信噪比的作用有限，且要实现串接电感会增加终端设备的体积，因此，当谐波激励信号的中心频率低于预设值时就没有必要串接电感。例如预设值可以为10Hz，对于中心频率在1Hz-10Hz内的频段，来自数字信号处理器的控制信号控制可控开关闭合，连接至匹配网络的无串联电感的电路支路，功率放大器驱动压电片(PZT)进行工作；对于中心频率在10Hz-3000Hz内的频段，可分为若干段(这里举例3段)，如10Hz-100Hz，100Hz-1000Hz，1000Hz-3000Hz，每段的中心频率分别为f1、f2、f3，使用不同的串联电感L1、L2、L3进行匹配，串联电感的切换由数字信号处理器根据频段的中心频率产生相应的可控开关控制信号来实现。
在一示例性实施方式中，所述数模转换器例如可以采用Analog Devices公司的AD5761芯片。所述低通滤波器例如可以采用四阶第二类切比雪夫滤波器，其幅度特性在通带内是单调的，在阻带内是等波纹的，阻频带衰减速度快，能够快速滤除通频带外的噪声，得到较为纯净的信号。所述功率放大器例如可以采用D类功率放大器，其具有效率高，线性度好，实现电路简单的优点。
所述信号采集装置可以包括依次相连的惠斯通电桥、信号调理电路、模数转换器(ADC)和数字信号处理器。所述信号采集装置可用于将所述第一应变电信号和第二应变电信号依次进行零点温度漂移补偿、信号调理和模数转换处理。其中，惠斯通电桥可用于零点温度漂移补偿，以提高采集信号的精度，降低非线性误差。信号调理电路可包括前置放大器和与之连接的滤波电路，以提高应变电信号的信噪比。由于应变传感器一般采集的是模拟应变电信号，为便于后续数字信号处理器及所述上位机的处理，需要通过模数转换器将模拟应变电信号转换成相应的数字应变电信号。
在一示例性实施方式中，所述模数转换器例如可以采用Analog Devices公司的AD7768芯片。所述数字信号处理器例如可以采用TI公司的型号为TMS320F2812的数字信号处理器芯片。TMS320F2812具有18K×16bit的RAM和128K×16bit的flash存储空间，可分配7K×32bit的RAM用于缓存来自模数转换器的数据，并可通过USB2.0接口将数据传输给上位机进行处理；TMS320F2812还可以分配64K×16bit的flash用于存储上位机提供的第一谐波激励信号。
参考图1所示，在本申请另一实施方式中，所述终端设备还可以包括相位控制装置。所述相位控制装置可以包括依次连接的电压跟随器、信号预处理电路、模数转换器和数字信号处理器。所述相位控制装置可用于将每个频段的第二谐波激励信号依次进行缓冲、信号预处理和模数转换处理，并将处理后得到的第二谐波激励信号与对应的第一谐波激励信号进行相位比较，如果存在相位差，则进行相应的相位补偿处理。其中，电压跟随器可以为同相电压跟随器，通过电压跟随器的缓冲不仅可以实现阻抗匹配，还可以保持被采集的第二谐波激励信号的相位。由于实际作用于压电片上的第二谐波激励信号，是由所述激励信号处理装置在处理第一谐波激励信号后的得到的，而在处理过程中可能会造成相位不同步，因此处理后得到的第二谐波激励信号与对应的第一谐波激励信号进行相位比较，可以确定谐波激励信号是否存在相位不同步的问题，如果存在相位差，则表明谐波激励信号存在相位不同步问题，因而可进行相应的相位补偿处理。
参考图5所示，本申请实施方式的岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法可以包括以下步骤：
S501、从预设频率范围内选择N个频率点，将所述N个频率点划分为L个频段，并根据每个频段内的频率点对应生成每个频段的第一谐波激励信号。
S502、将一个未处理频段的第一谐波激励信号施加于用作震源的压电片上，以使被测岩石样品和参考标准样品产生相应应变，并通过应变传感器采集所述被测岩石样品的第一应变电信号及所述参考标准样品的第二应变电信号
S503、判断是否存在未处理频段，如果存在，则执行步骤S502；否则执行步骤S504。
S504、从每个频段对应的第一应变电信号中提取第一纵向应变电信号的幅值和相位，以及横向应变电信号的幅值，并从每个频段对应的第二应变电信号中提取第二纵向应变电信号的幅值和相位。
S505、根据每个频段对应的幅值确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量和泊松比；并根据每个频段对应的相位确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数。
虽然上文描述的过程流程包括以特定顺序出现的多个操作，但是，应当清楚了解，这些过程可以包括更多或更少的操作，这些操作可以顺序执行或并行执行。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于系统实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (14)

1.一种岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法，其特征在于，包括：
从预设频率范围内选择N个频率点，将所述N个频率点划分为L个频段，并根据每个频段内的频率点对应生成每个频段的第一谐波激励信号；
依次将每个频段的第一谐波激励信号施加于用作震源的压电片上，以使被测岩石样品和参考标准样品产生相应应变，并通过应变传感器采集所述被测岩石样品的第一应变电信号及所述参考标准样品的第二应变电信号；
从每个频段对应的第一应变电信号中提取第一纵向应变电信号的幅值和相位，以及横向应变电信号的幅值，并从每个频段对应的第二应变电信号中提取第二纵向应变电信号的幅值和相位；
根据每个频段对应的幅值确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量和泊松比；并根据每个频段对应的相位确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数；
其中，所述依次将每个频段的第一谐波激励信号施加于用作震源的压电片上，包括：
选取一个频段的第一谐波激励信号，并将其依次进行数模转换、低通滤波、功率放大和阻抗匹配处理，以形成所述频段的第二谐波激励信号；
将所述第二谐波激励信号施加于用作震源的压电片上，以使被测岩石样品和参考标准样品产生相应应变，并通过应变传感器采集相应应变对应的第一应变电信号和第二应变电信号；
依此递推，直至完成每个频段的第二谐波激励信号激励下的第一应变电信号和第二应变电信号的信号采集；
所述阻抗匹配处理通过匹配网络实现，所述匹配网络包括L路阻抗匹配电路，以用于对相应频段进行阻抗匹配；
对于其中心频率超过预设值的频段，其阻抗匹配电路包括依次连接的可控开关、限流电阻和串联电感，其中，可控开关的输入端与所述功率放大器的第一输出端相连，串联电感与所述压电片的输入端相连；
对于其中心频率不超过预设值的频段，其阻抗匹配电路包括依次连接的可控开关和限流电阻，其中，可控开关的输入端与所述功率放大器的第一输出端相连，限流电阻与所述压电片的输入端相连。
2.如权利要求1所述的岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法，其特征在于，所述根据每个频段内的频率点对应生成每个频段的第一谐波激励信号，包括：
对于每个频段，以其内每个频率点作为频率，对应生成幅值各不同且初始相位相同的正弦波，叠加所述正弦波以形成该频段的第一谐波激励信号。
3.如权利要求1所述的岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法，其特征在于，所述根据每个频段对应的幅值确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量，包括：
根据公式E＝EstdAstd/AL确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量；
其中，E为被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量，Estd为参考标准样品在相应频段内的杨氏模量，Astd为第二纵向应变电信号的幅值，AL为第一纵向应变电信号的幅值。
4.如权利要求1所述的岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法，其特征在于，所述根据每个频段对应的幅值确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量和泊松比，包括：
根据公式ν＝AT/AL确定所述被测岩石样品在相应频段内的泊松比；
其中，ν为被测岩石样品在相应频段内的泊松比，AT为第一横向应变电信号的幅值，AL为第一纵向应变电信号的幅值。
5.如权利要求1所述的岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法，其特征在于，所述根据每个频段对应的相位确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数，包括：
根据公式
Figure FDA0002386323670000021
确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数；
其中，
Figure FDA0002386323670000022
为被测岩石样品在相应频段内的衰减系数，Q为被测岩石样品在相应频段内的品质因子，
Figure FDA0002386323670000023
为第一纵向应变电信号的相位与第二纵向应变电信号的相位的相位差。
6.如权利要求1所述的岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法，其特征在于，在从每个频段对应的第一应变电信号中提取第一纵向应变电信号的幅值和相位，以及横向应变电信号的幅值，并从每个频段对应的第二应变电信号中提取第二纵向应变电信号的幅值和相位之前，还包括：
将所述第一应变电信号和第二应变电信号依次进行零点温度漂移补偿、信号调理和模数转换处理。
7.如权利要求1所述的岩石低频弹性模量及衰减系数测量方法，其特征在于，在所述形成所述频段的第二谐波激励信号之后，还包括：
采集所述频段的第二谐波激励信号并将其依次进行缓冲、信号预处理和模数转换处理，并将处理后得到的第二谐波激励信号与对应的第一谐波激励信号进行相位比较，如果存在相位差，则进行相应的相位补偿处理。
8.一种岩石低频弹性模量及衰减系数测量系统，其特征在于，包括上位机、终端设备、用作震源的压电片和设置于被测岩石样品及参考标准样品上的应变传感器；
其中，所述上位机用于：
从预设频率范围内选择N个频率点，将所述N个频率点划分为L个频段，并根据每个频段内的频率点对应生成每个频段的第一谐波激励信号；
通过所述终端设备依次将每个频段的第一谐波激励信号施加于所述压电片上，以使被测岩石样品和参考标准样品产生相应应变，并通过所述终端设备获取所述应变传感器采集的所述被测岩石样品的第一应变电信号及所述参考标准样品的第二应变电信号；
从每个频段对应的第一应变电信号中提取第一纵向应变电信号的幅值和相位，以及横向应变电信号的幅值，并从每个频段对应的第二应变电信号中提取第二纵向应变电信号的幅值和相位；
根据每个频段对应的幅值确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量和泊松比；并根据每个频段对应的相位确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数；
其中，所述终端设备包括激励信号处理装置，其包括依次相连的数模转换器、低通滤波器、功率放大器、匹配网络和数字信号处理器；所述激励信号处理装置用于将每个频段的第一谐波激励信号依次进行数模转换、低通滤波、功率放大和阻抗匹配处理，并将处理后的得到第二谐波激励信号提供给所述压电片；
所述匹配网络包括L路阻抗匹配电路，以用于对相应频段进行阻抗匹配；
对于其中心频率超过预设值的频段，其阻抗匹配电路包括依次连接的可控开关、限流电阻和串联电感，其中，可控开关的输入端与所述功率放大器的第一输出端相连，串联电感与所述压电片的输入端相连；
对于其中心频率不超过预设值的频段，其阻抗匹配电路包括依次连接的可控开关和限流电阻，其中，可控开关的输入端与所述功率放大器的第一输出端相连，限流电阻与所述压电片的输入端相连；
所述可控开关受控于所述数字信号处理器。
9.如权利要求8所述的岩石低频弹性模量及衰减系数测量系统，其特征在于，所述根据每个频段内的频率点对应生成每个频段的第一谐波激励信号，包括：
对于每个频段，以其内每个频率点作为频率，对应生成幅值各不同且初始相位相同的正弦波，叠加所述正弦波以形成该频段的第一谐波激励信号。
10.如权利要求8所述的岩石低频弹性模量及衰减系数测量系统，其特征在于，所述根据每个频段对应的幅值确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量，包括：
根据公式E＝EstdAstd/AL确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量；
其中，E为被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量，Estd为参考标准样品在相应频段内的杨氏模量，Astd为第二纵向应变电信号的幅值，AL为第一纵向应变电信号的幅值。
11.如权利要求8所述的岩石低频弹性模量及衰减系数测量系统，其特征在于，所述根据每个频段对应的幅值确定所述被测岩石样品在相应频段内的杨氏模量和泊松比，包括：
根据公式ν＝AT/AL确定所述被测岩石样品在相应频段内的泊松比；
其中，ν为被测岩石样品在相应频段内的泊松比，AT为第一横向应变电信号的幅值，AL为第一纵向应变电信号的幅值。
12.如权利要求8所述的岩石低频弹性模量及衰减系数测量系统，其特征在于，所述根据每个频段对应的相位确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数，包括：
根据公式
Figure FDA0002386323670000041
确定所述被测岩石样品在相应频段内的衰减系数；
其中，
Figure FDA0002386323670000042
为被测岩石样品在相应频段内的衰减系数，Q为被测岩石样品在相应频段内的品质因子，
Figure FDA0002386323670000043
为第一纵向应变电信号的相位与第二纵向应变电信号的相位的相位差。
13.如权利要求8所述的岩石低频弹性模量及衰减系数测量系统，其特征在于，所述终端设备包括信号采集装置，其包括依次相连的惠斯通电桥、信号调理电路、模数转换器和数字信号处理器；所述信号采集装置用于将所述第一应变电信号和第二应变电信号依次进行零点温度漂移补偿、信号调理和模数转换处理。
14.如权利要求8所述的岩石低频弹性模量及衰减系数测量系统，其特征在于，所述终端设备还包括相位控制装置，其包括依次连接的电压跟随器、信号预处理电路、模数转换器和数字信号处理器；所述相位控制装置用于将每个频段的第二谐波激励信号依次进行缓冲、信号预处理和模数转换处理，并将处理后得到的第二谐波激励信号与对应的第一谐波激励信号进行相位比较，如果存在相位差，则进行相应的相位补偿处理。
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