CN1122857C - 高分辨率地震检波器 - Google Patents

Abstract

所公开的地震检波器具有一圆柱形外壳(116)，一端由底板封闭，而另一端由顶板封闭。一套在其每一端带有一个极靴(113，114)的稀土元素制做的磁体(112)的磁体组件被装在外壳(116)的中心，在磁体组件与外壳之间提供一环形空间。一个线圈框架(120)位于环形空间内。簧片(124，125)悬挂着线圈框架(120)，使其能相对于磁体组件沿外壳(116)的纵轴做轴向运动。稀土族磁体(112)产生足够强的磁场，使极靴(113，114)可以做得比线圈框架(120)上的线圈(122，123)更长，因而提供一个可让线圈(122，123)在其中运动的均匀磁场，从而减小由地震检波器产生的谐波失真量。

Description

高分辨率地震检波器

技术领域

本发明一般地涉及地震检波器，特别是涉及一种速度型地震检波器。

背景技术

一台地震检波器是一种用来将地震能量转换成与地震波速度相对应的电压的仪器。最普通的地震检波器是速度型地震检波器，其中有一个物体由罩子上的簧片悬挂在一磁场中，该磁场由装于罩子中的一个永磁体所产生。该物体包括绕于线圈框架上的导线(线圈)。地震波使罩子和磁体运动，线圈在开始时有滞后，随后被簧片带动而通过其原始位置做往复运动，犹如一个摆。

由于物体(如一个线圈)内的带电粒子在垂直于磁场而运动时会受到一个既垂直于磁通密度“B”(垂直于物体运动方向的单位面积上的磁力线的数量)又垂直于速度“v”的力，磁场相对于长度为“1”的线圈的相对运动会在线圈两端产生一电压值，该电压可按下式计算：

V＝vB1                               (1)电压值正比于由地震能量引起的线圈对于磁体的相对速度。可以假设磁通密度基本上为一常量。可以完成一个电路来监测地震检波器产生的电压信号，此信号用以预测反射地震能量的地表下构造的位置。

地震检波器产生的电压信号主要受到来自大地颠簸及谐波失真的畸变。

大地颠簸乃是沿着或接近地表而传播的表面波能量。震源和地震检波器的布置、频率滤波以及叠加法都可用来减小大地的颠簸效应。震源和地震检波器的布置(又称为空间台阵)被专门安排以排除大地颠簸的积累。这种技术在二维地震数据采集中相当有效，但对三维地震数据采集则无效。残余大地颠簸极小化技术是数据采集的后处理技术，它对二维地震数据更为有效。地震检波器引起的谐波失真抑制了这些数据采集后处理技术在消除大地颠簸方面的成效。

谐波失真是以一个输入频率会产生谐波为特征的一种非线性失真。众所公认，地震检波器的簧片就是谐波失真的原因，因而已研制了几种多同的地震检波器簧片的结构，试图减小额外谐波的产生，包括在美国专利号3742441和4623991中公开的簧片。虽然在减小谐波失真方面多少有些成效，但新研制的簧片设计不能完全解决问题，且残余失真仍然对输入信号的分辨率有明显的影响。如上所述，这种影响在三维地震数据中比在二维地震数据中更加明显得多。由于产业发展方向是采集三维地震数据，这个问题就变得更重要，因为在这样一个数据采集时段能够采集到更多的有关地表下的信息。

根据本发明，已发现一个线圈在一非均匀磁场中移动也明显地对地震检波器回路的非线性有影响，因而也影响到谐波失真。图1表示最通常使用的速度型地震检波器结构。其中一套永磁体组件含有复盖着极靴13和14的磁体12，它被安装在一圆柱形外壳或罩子16内，在磁体组件与罩子之间的气隙19中建立一个磁场，用线18表示。带有绕于其上的两个线圈22和23的环形线圈框架20被簧片24和25悬挂在磁体组件和罩子16之间的环形空间内，因此，如上面解释的那样，当地震波使罩子运动时，线圈就在磁场中活动。

极靴是两块磁性材料，位于永磁体相对的两端，并加工成一定形状以控制相邻气隙中磁通量的分布。如图1和图2所示，气隙中的磁通量只在极靴与罩子之间的空间形成，远远短于线圈22和23的长度。然而极靴的长度不能增加到图示以外，因为若要维持地震检波器整体尺寸如图1所示那样不变，则磁体的尺寸和强度也就不允许改变。假如把磁体尺寸减小而极靴长度增加，则产生的磁场强度将不足以使地震检波器正常工作。

图1所示的先有技术磁体的磁场，在线圈22和23所在的磁体与罩子之间的环形空间内并不均匀。图2显示涉及先有技术的磁体从磁体中部向外测量到一个极的端部的相对磁通密度分布。该图显示所有各处磁通密度都不相同。现在可以相信磁场的这种非均匀性导致了不希望有的谐波，这种谐波畸变了所得的信号。

发明内容

因此，本发明的一个目的和特征是提供一种带有一较短的、更强的磁体和极靴的地震检波器，以便在极靴与罩子之间的环形空间内提供两个均匀的磁场，该磁场宽于地震检波器线圈框架上所绕的线圈，从而显著地减小地震检波器输出信号中的谐波失真。

本发明的另一个目的和特征是提供一种地震检波器，它对地震输入信号较少产生谐波失真，从而在磁体与罩子之间的环形空间内产生一较均匀的磁场，使线圈在其中运动时产生高分辨率线性输出信号。

必须保持地震检波器总长度大致为1.25英寸(31.7毫米)的工业标准，这使设计一种能产生均匀磁场的地震检波器的企图受到挫折。因此，本发明的又一个目的是提供一台有均匀磁场且长度符合总的工业标准的地震检波器。

本发明再一项目的是提供一种具有显著地更强磁场的地震检波器，以提高输出信号的强度。

本发明的这些及其它的目的、优点和性能对本领域的熟练技术人员而言，在研究了包括附图的本说明书后就会明白。

本发明的技术方案包括：

(一)一种地震检波器，包括：

一个圆柱形外壳；

一套永磁体组件，包括具有一纵轴及平坦端面、以及其矫顽力大于4000奥斯特及剩磁感应大于6000高斯的圆柱形磁体，和位于磁体相对两端的圆盘形极靴，每个极靴的一端与磁体的一端接合；

用于把磁体组件装在圆柱形外壳中的装置，使在磁体组件与外壳之间留有环形空间，从而在极靴与圆柱形外壳间的环形空间内建立一磁场；

一个在其上具有用导线绕成的两个在轴向相隔一定距离的线圈的线圈框架，每个线圈的长度短于每个极靴的长度，其中每个极靴的长度是从与磁体接合的一端到该极靴相对的那一端测量的；以及

用于把线圈框架悬挂在环形空间内的簧片装置，线圈框架在静止时每个线圈都位于一个极靴的中心，并且由于地震的能量而能在磁场中沿外壳及磁体的纵轴运动，从而产生一电信号；

其中一个极靴的长度对磁体长度之比至少是0.5，并且极靴长度对磁体长度之比为1.25，而连带着两个极靴的磁体的长度对圆柱形外壳长度之比为0.56；和

其中磁体是由稀土材料制做的，并且稀土材料是钐钴，以及在稀土材料上镀镍。

(二)一种地震检波器，包括：

一个圆柱形外壳；

一套永磁体组件，包括一圆柱形磁体和位于磁体相对两端的两个极靴，每个极靴的一端和磁体的一端相结合，所述圆柱形磁体具有一纵轴及平坦表面且矫顽力大于4000奥斯特而剩磁感应大于6000高斯、所述极靴为圆盘形；

用于把磁体组件装在圆柱形外壳内的装置，在磁体组件与外壳之间留有环形空间，以便在极靴与圆柱形外壳间的环形空间内建立一磁场；

一个在其上具有用导线绕着两个沿轴向相隔一定距离的线圈的线圈框架，每个线圈的长度短于每个极靴的长度，其中每个极靴的长度是从与磁体结合的一端测量到该极靴相对的那一端；以及

用于把线圈框架悬挂在环形空间内的簧片装置，线圈框架在静止时每个线圈都位于一个极靴的中心，并且由于地震的能量而能在磁场中沿外壳及磁体的纵轴运动，从而产生电信号；

其中一个极靴的长度对磁体长度之比至少是0.5，并且极靴长度对磁体长度之比为1.25，而连带着两个极靴的磁体的长度对圆柱形外壳长度之比为0.56，和

其中永磁体是由稀土材料制成，并且在稀土材料上镀镍，以及稀土材料具有大于4000奥斯特的矫顽力和大于6000高斯的剩磁感应。

(三)一种地震检波器，包括：

一个圆柱形外壳；

一套永磁体组件，包括一个具有大于4000奥斯特的矫顽力和大于6000高斯剩磁感应的圆柱形磁体和位于磁体两端的两个极靴，所述极靴为圆盘形，其中一个极靴的长度对磁体的长度之比至少是0.5，而极靴长度对磁体长度之比为1.25，且连带着两个极靴的磁体长度对圆柱形外壳长度之比为0.56；

用于把磁体组件装在圆柱形外壳内的装置，使在磁体组件与外壳之间有一环形空间，以便在极靴与圆柱形外壳间的环形空间内建立起一均匀的磁场，线圈框架就在其中运动；

一个在其上具有用导线绕着两个在轴向相隔一定距离的线圈的线圈框架；以及

用于把线圈框架悬挂在环形空间内的簧片装置，线圈框架在静止时每个线圈都位于一个极靴的中心，并且由于地震能量而能在均匀磁场中沿外壳及磁体的纵轴运动，以产生电信号；和

其中磁体是由稀土材料制造的，以及由钐钴制作的所述磁体上镀有镍。

(四)一种地震检波器，包括：

一个圆柱形外壳；

一套永磁体组件，包括一圆柱形磁体和位于磁体两端的两个极靴，所述极靴为圆盘形，每个极靴的一端与磁体的一端结合，其中一个极靴的长度对磁体长度之比至少是0.5，每个极靴的长度是从磁体的端面到极靴的另一端测量的；

用于把磁体组件装在圆柱形外壳内的装置，使在磁体组件与外壳间有一环形空间，以便在极靴与圆柱形外壳间的环形空间内建立起一个均匀的磁场；

一个在其上有用导线绕着两个在轴向相隔一定距离的线圈的线圈框架；以及

用于把线圈框架悬挂在环形空间内的簧片装置，使线圈框架在静止时每个线圈都位于一个极靴的中心，并且由于地震的能量能在磁场中沿外壳及磁体的纵轴方向运动，从而产生电信号；

其中极靴长度对磁体长度之比为1.25，而连带着两个极靴的磁体长度对圆柱形外壳长度之比为0.56；

其中磁体具有大于4000奥斯特矫顽力和大于6000高斯的剩磁感应；和

其中磁体是由稀土材料制造的，由钐钴制作的所述磁体上镀有镍。

附图说明

图1是先有技术的地震检波器的竖直的截面图；

图2是图1地震检波器的磁通密度的图解；

图3是本发明的地震检波器实施例的结构的竖直截面图；

图4是图3地震检波器的磁场密度的图解；

图5是用在本发明最佳实施例中的磁体的去磁曲线的图解；

图6是先有技术地震检波器(例如图1所示地震检波器)的总谐波失真的图解；以及

图7是图3地震检波器总谐波失真的图解。

具体实施方式

图3所示地震检波器包含永磁体组件，该组件含有每一端上各有一极靴113和114的磁体112，还包含罩子116和线圈框架120，在其上绕有线圈122和123，线圈框架装在磁体与罩子之间的环状气隙内。在极靴113和114与罩子116之间建立起磁场118。线圈框架120被簧片124和125所悬挂，以便能相对于罩子的纵轴在环形气隙中运动，因此，线圈122和123将响应接收到的地震能量相对于磁体和罩子而运动并产生一电压，此电压正比于线圈对磁体的相对速度。

簧片124和125是由薄的圆盘形弹性材料(通常为铍铜)制成的蛛状簧片，具有一内环和一外环，用相当薄的、弧形弹性臂连接该两环。

罩子116、顶盖115和底部支板117由非导体材料制成。顶盖及底部支板用密封环119和121与罩子的卷边端116a和116b固定在罩子的相对两端。簧片125被压靠在绝缘垫圈127上，此垫圈相对簧片和底部支板可自由转动，因而也通过环形簧片136可对底板117的凸台117a而自由转动。相对簧片可自由转动的铜垫圈128位于环形簧片136和簧片125之间。极靴114有一位于中心的盲孔114a，盲孔定位在底部支板的中心凸台117b上，并与环形簧片136有电接触，因而也和蛛形簧片(spring spider)125有电接触。绝缘环126把极靴113与蛛形簧片124在电气上隔离，该绝缘环对蛛形簧片124及极靴113均可转动。接触环134套在位于极靴113的盲孔113a中的圆柱形凸台115a上。该接触环是夹在顶盖的环形台肩115b与铜垫圈129之间，以便将接触环与蛛形簧片124在电气上相连接。

电极130和132被注塑在顶盖115内。电极130通过接触环134和导体135而与簧片124电接触。簧片124用一定位环装置在电气上连接到镀银的铝线圈框架120上。线圈122和123焊接在两个线圈之间的镀银的铝线圈框架上。因此，线圈在电气上连接到电极130。蛛形簧片125在簧片124的另一端也用一定位环装置与镀银的铝线圈框架120作电气连接，且通过簧片136与极靴114作电气连接。极靴114通过永磁体112和极靴113而电气连接到电极132上。导电的接触材料136放在电极132与极靴113之间以便增强电接触。

叶片状簧片140和142分别填塞在罩子116与顶部支板之间和罩子与底部支板之间，以防线圈框架120分别与顶部支板或底部支板相撞击，并减小在粗暴搬运中加于线圈框架上的轴向冲击量。

在本发明的优选实施例中，地震检波器罩子116的全长约为1.25英寸(31.7毫米)，是产业标准。磁体长约为0.20英寸(0.51厘米)，而每个极靴的长度，从磁体分别到极靴的顶部及底部测量，约为0.25英寸(0.64厘米)。

所用的永磁体材料必须是一种有足够磁场强度以提供上述尺寸的极靴的磁性材料，且能产生足够的磁场强度以便从线圈产生一输出响应。任何一种有高的矫顽力(一般超过4000奥斯特)及大于6000高斯的剩磁感应的磁体就能用以产生一均匀磁场。已发现稀土材料制做的磁体功效非常好，例如美国伊利诺斯州Arnold工程公司制造的钐钴Armax22。图5显示有关一种钐钴Armax22磁体在25℃的去磁曲线。

Armax22磁体相当脆。因而在将其装进地震检波器之前，给磁体镀上一层厚度约为500微英寸的镍，以减小在制造及野外使用过程中磁体破碎的可能性。镀镍工艺也是在Arnold工程公司进行的。

相对于相应线国的磁极长度的增长给运动在其间的线圈122和123提供了一个很均匀的磁场118，并使地震检波器输出信号谐波失真缩小。图4显示如图3所示的一种地震检波器产生的磁场的磁通密度分布的图解。磁通密度是从磁体112的中点至距中点0.6英寸的一点测量的。从大约0.15英寸到0.45英寸间分布的均匀性提供了回路的线性度，并减小上述的谐波失真。用一种磁体长度对磁极长度之比为1.25、而线圈长度小于磁极长度的结构已获得很好的结果。

例如，图6表示如图1所示的一种先有技术的地震检波器的总谐波失真。图7表示具有一均匀磁场的、按照本发明制造的诸如图3所示那样的地震检波器的总谐波失真。由地震检波器非线性导致的二次谐波的幅度很显然是这样的情况：在产生均匀磁场的地震检波器中的该幅度要比在产生非均匀磁场的地震检波器中低，如图6和图7中所示。结果表明均匀磁场使该幅度大约减小12分贝。

先有技术地震检波器的磁体长度对极靴长度之比的范围从0.14至0.21，这不足以提供一较宽的均匀磁场以减小谐波失真。

线圈的长度也不必要小于极靴的长度。

尽管上述本发明实施例是一旋转型地震检波器，其中线圈框架相对磁体组件可自由转动，但本发明也能用于挠性接头型(pigtail-type)地震检波器，在那里线圈框架相对磁体组件的自由旋转运动受到约束。

由上述可见，本发明是能很好适合于实现所有上述提出的目的和目标的发明，并且具有明显的和设备及结构所固有的优点。

不用说，某些特性和再组合是可以利用的，且可无需参考其它的特性和再组合而被应用，这将在权利要求范围内被考虑。

由于许多可能的实施例可以由本发明做出而不超出它的范畴，因此，这里陈述的或附图显示所有内容都应看作是说明性的，而不是限制性的。

Claims (4)

1.一种地震检波器，包括：

一个圆柱形外壳；

一套永磁体组件，包括具有一纵轴及平坦端面、以及其矫顽力大于4000奥斯特及剩磁感应大于6000高斯的圆柱形磁体，和位于磁体相对两端的圆盘形极靴，每个极靴的一端与磁体的一端接合；

用于把磁体组件装在圆柱形外壳中的装置，使在磁体组件与外壳之间留有环形空间，从而在极靴与圆柱形外壳间的环形空间内建立一磁场；

一个在其上具有用导线绕成的两个在轴向相隔一定距离的线圈的线圈框架，每个线圈的长度短于每个极靴的长度，其中每个极靴的长度是从与磁体接合的一端到该极靴相对的那一端测量的；以及

用于把线圈框架悬挂在环形空间内的簧片装置，线圈框架在静止时每个线圈都位于一个极靴的中心，并且由于地震的能量而能在磁场中沿外壳及磁体的纵轴运动，从而产生一电信号；

其中一个极靴的长度对磁体长度之比至少是0.5，并且极靴长度对磁体长度之比为1.25，而连带着两个极靴的磁体的长度对圆柱形外壳长度之比为0.56；和

其中磁体是由稀土材料制做的，并且稀土材料是钐钴，以及在稀土材料上镀镍。

2.一种地震检波器，包括：

一个圆柱形外壳；

一套永磁体组件，包括一圆柱形磁体和位于磁体相对两端的两个极靴，每个极靴的一端和磁体的一端相结合，所述圆柱形磁体具有一纵轴及平坦表面且矫顽力大于4000奥斯特而剩磁感应大于6000高斯、所述极靴为圆盘形；

用于把磁体组件装在圆柱形外壳内的装置，在磁体组件与外壳之间留有环形空间，以便在极靴与圆柱形外壳间的环形空间内建立一磁场；

一个在其上具有用导线绕着两个沿轴向相隔一定距离的线圈的线圈框架，每个线圈的长度短于每个极靴的长度，其中每个极靴的长度是从与磁体结合的一端测量到该极靴相对的那一端；以及

用于把线圈框架悬挂在环形空间内的簧片装置，线圈框架在静止时每个线圈都位于一个极靴的中心，并且由于地震的能量而能在磁场中沿外壳及磁体的纵轴运动，从而产生电信号；

其中一个极靴的长度对磁体长度之比至少是0.5，并且极靴长度对磁体长度之比为1.25，而连带着两个极靴的磁体的长度对圆柱形外壳长度之比为0.56，和

其中永磁体是由稀土材料制成，并且在稀土材料上镀镍，以及稀土材料具有大于4000奥斯特的矫顽力和大于6000高斯的剩磁感应。

3.一种地震检波器，包括：

一个圆柱形外壳；

一套永磁体组件，包括一个具有大于4000奥斯特的矫顽力和大于6000高斯剩磁感应的圆柱形磁体和位于磁体两端的两个极靴，所述极靴为圆盘形，其中一个极靴的长度对磁体的长度之比至少是0.5，而极靴长度对磁体长度之比为1.25，且连带着两个极靴的磁体长度对圆柱形外壳长度之比为0.56；

用于把磁体组件装在圆柱形外壳内的装置，使在磁体组件与外壳之间有一环形空间，以便在极靴与圆柱形外壳间的环形空间内建立起一均匀的磁场，线圈框架就在其中运动；

一个在其上具有用导线绕着两个在轴向相隔一定距离的线圈的线圈框架；以及

用于把线圈框架悬挂在环形空间内的簧片装置，线圈框架在静止时每个线圈都位于一个极靴的中心，并且由于地震能量而能在均匀磁场中沿外壳及磁体的纵轴运动，以产生电信号；和

其中磁体是由稀土材料制造的，以及由钐钴制作的所述磁体上镀有镍。

4.一种地震检波器，包括：

一个圆柱形外壳；

一套永磁体组件，包括一圆柱形磁体和位于磁体两端的两个极靴，所述极靴为圆盘形，每个极靴的一端与磁体的一端结合，其中一个极靴的长度对磁体长度之比至少是0.5，每个极靴的长度是从磁体的端面到极靴的另一端测量的；

用于把磁体组件装在圆柱形外壳内的装置，使在磁体组件与外壳间有一环形空间，以便在极靴与圆柱形外壳间的环形空间内建立起一个均匀的磁场；

一个在其上有用导线绕着两个在轴向相隔一定距离的线圈的线圈框架；以及

用于把线圈框架悬挂在环形空间内的簧片装置，使线圈框架在静止时每个线圈都位于一个极靴的中心，并且由于地震的能量能在磁场中沿外壳及磁体的纵轴方向运动，从而产生电信号；

其中极靴长度对磁体长度之比为1.25，而连带着两个极靴的磁体长度对圆柱形外壳长度之比为0.56；

其中磁体具有大于4000奥斯特矫顽力和大于6000高斯的剩磁感应；和

其中磁体是由稀土材料制造的，由钐钴制作的所述磁体上镀有镍。

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