CN203012148U

CN203012148U - 一种地震勘探用检波器的机芯

Info

Publication number: CN203012148U
Application number: CN 201220556839
Authority: CN
Inventors: 宋明水; 刘成斋; 谢树林; 邹奋勤; 王增明; 胡立新; 吕小伟; 宋智勇; 吴超
Original assignee: China Petrochemical Corp Shengli Offshore Drilling Co Geophysics Exploration And Develop; China Petroleum and Chemical Corp
Current assignee: China Petrochemical Corp Shengli Offshore Drilling Co Geophysics Exploration And Develop; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2022-10-29

Abstract

本实用新型公开了一种地震勘探用检波器的机芯，包括两组惯性体和电容转换单元，所述电容转换单元由弹性震体和分别固定于弹性震体两面的镀金金属电容上极板及下极板构成，所述上极板和下极板之间还设置有极间电容；所述惯性体设置于镀金金属电容上极板及下极板之间并且三者固定连接为一体。其解决了现有技术中阻尼源与惯性体相分离，无法使惯性体的质量和阻尼同时具有较好的一致性，因而无法保证传感器所采集到的波形的一致性，以及产品工艺精度及产品性能的一致性不易确保的技术问题。

Description

一种地震勘探用检波器的机芯

技术领域

本实用新型涉及地震勘探用检波器，属有源检波器，具体地说是一种MEMS模拟加速度检波器的机芯。

背景技术

地质物探地震波信号中含高低频分量。其中低频分量较丰富。信号在地层内传播的过程中，高频分量的能量损失较快，传播愈远，损失比例愈大。高频信号越弱，对勘探地层分辨率愈不利。目前，地质物探技术已发展至高分辨勘探，高分辨勘探的瓶颈主要是对于深层、薄层高频弱信号的采集，采集的源头即是检波器。物探行业使用的检波器主要分为速度型检波器和加速度型检波器两类。速度型检波器对高低频分量的接受能力相同，对衰减严重的高频分量不易接受。加速度型检波器对高低频信号均有良好的接受能力，尤其对衰减严重的高频信号的接受更具优势。加速度型检波器，能提高高分辨率勘探效果，能更快、更准确地反映探测层的地层结构，实现地下深层、浅层、薄层的高分辨率勘测。

现有的加速度型检波器主要有下列两类：

一类是电磁感应式涡流加速度检波器。如中国专利87105424；中国专利95245142.5等。该类加速度检波器是通过磁电涡流的二次感应形成加速度信号输出，结构受弹性元件和质量块尺寸、重量等因素的限制，使自然频率不能太小，工作频率范围受限，无法消除谐波失真，因此，加速度灵敏度难以提高。

另一类是采用惯性式加速度传感器响应原理的加速度检波器。该类加速度检波器有采用微机械加速度传感器MEMS(Microelectro-mechanical Systems)的电容式微机械加速度传感器，如美国I/O公司的MEMS的微机械加速度传感器（VectorSeis SVSM Module Digital Sensor）和中国专利03216512.9等；有采用光电及光纤的加速度检波器，如，中国专利03100433.4；中国专利03200396.X；中国专利03236644.2等；还有压电式加速度检波器，如，西安石油大学研制的YD2000型陆用压电地震加速度检波器；中国专利93232320.0；中国专利00226749.7等。这类加速度检波器的质量块的相对位移与被测振动的加速度成正比，因而可用质量块的位移来反映被测振动的加速度大小；其最大优点是它具有零频率持性，即理论上它的下限测量频率为零，实际下限测量频率也极低。此外，为使谐振频率远大于被测振动频率，加速度检波器的尺寸、惯性体质量可设计的很小，一般可小于1g，故对被测对象的附加影响非常小。但该类加速度检波器采用的是传统的无阻尼元件的的机械结构，元件内部的阻尼很小，一般ξ<0.04，加速度传感器幅频特性的表达式如下:

其中：A(ω)—加速度振幅；Zm—输出位移；Xm—被测振动的位移量；ω—频率；ωn—自然频率（压电传感器ωn＞ω）；ξ—阻尼。

依据上述惯性式加速度传感器幅频特性的数学模型可视为无阻尼系统。在实际的地质地震物探施工中，检波器置于地表与大地耦合，使阻尼很小或无阻尼。高振幅输出信号的加速度检波器，会采集到了大量的俗称“尾巴”的初始余震干扰信号。实践中，要弥补这种阻尼的不足，要求施工使用的检波器必须提供一定的阻尼，使检波器输出的初始波形的余震即“尾巴”尽可能小，以确保有效信号的真实采集。

中国专利03250863.8公开了一种非磁感应式地震检波器，其是采用磁感应涡流阻尼的“光学地震检波器”，其磁场为可调式固定磁场，惯性体元件及弹性元件置于固定磁场之中。采用这种设计方案，信号采集与输出采用的是光学器件；阻尼源与惯性体相分离，不能融为一体。实际规模化生产时，产品工艺精度及产品性能的一致性不易确保。光学信号远距离传输的成本相对较高。

总之，满足高分辨率采集求时，为弥补系统阻尼的不足，压电加速度检波器的惯性体质量和阻尼是一对矛盾体。现有技术中，自身惯性体质量很小的压电检波器，由于其产生的弹性振动幅度相应较小，故一般采用空气阻尼；而采用较大惯性体质量的压电检波器，由于其产生的弹性振动幅度相应较大，一些对系统阻尼要求不高的产品，若允许对信号的分辨率要求不太高，采用空气阻尼时，即可允许子波的余波长些。要使波形的振幅大，惯性体的质量就必须增大；要使波形的余震即“尾巴”小，阻尼就必须足够大。现有技术无法使惯性体的质量和阻尼同时具有较好的一致性，因而无法保证传感器所采集到的波形的一致性。

有鉴于此，针对上述问题，提出一种设计合理且有效改善上述缺失的地震勘探用检波器的机芯。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种地震勘探用检波器的机芯，其解决了现有技术中阻尼源与惯性体相分离，无法使惯性体的质量和阻尼同时具有较好的一致性，因而无法保证传感器所采集到的波形的一致性，以及产品工艺精度及产品性能的一致性不易确保的技术问题。

为了达成上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种地震勘探用检波器的机芯，包括两组惯性体和电容转换单元，所述电容转换单元由弹性震体和分别固定于弹性震体两面的镀金金属电容上极板及下极板构成，所述上极板和下极板之间还设置有极间电容；所述惯性体设置于镀金金属电容上极板及下极板之间并且三者固定连接为一体。

所述惯性体通过惯性体限位柱固定于镀金金属电容上极板及下极板之间。

所述弹性震体两端被夹于弹性结构固定体之中。

所述电容上极板通过上极板附着体置于上固定体上，所述电容下极板通过下极板附着体置于下固定体上。

所述极间电容是pF级，静态下绝对相等，经过半导体腐蚀工艺制成；电容上、下极板也是通过半导体腐蚀工艺制成。

所述惯性体和弹性振体依据阻尼和惯性体计算公式制作，通过半导体腐蚀工艺制成。

相较于现有技术，本实用新型具有以下优点：

1.本实用新型对深层、薄层的高频弱信号具有很好的采集能力，同时又能兼顾低频信号，且具有足够的带宽。带宽为0～1500HZ。

2.惯性体的质量和阻尼的一致性好，故传感器采集到的波形一致性即同相轴好；惯性体的质量稳定，采集到波形的一致性好；阻尼合理，波形的余震即“尾巴”符合勘探的要求。

3.采用半导体腐蚀工艺技术，有利于输出高振幅信号；其形成的幅频、相频特性曲线良好，可近似达到零频率特性，自身灵敏度具有55v/m/s。

4. 半导体腐蚀工艺技术，可确保产品工作的稳定性和一致性，可满足批量化生产的要求。

5.抗电磁场干扰能力强。将多个机芯同时置于一个封闭的金属壳内，使机芯能较好地防护外部的各种电磁场干扰，使采集信号的品质大大提高。

6.抗机械干扰能力强。金属壳与护壳之间设置的减震材料，使机芯具有良好的抗机械干扰能力和较好的抗冲击能力，进一步提高了采集信号的品质。

7.在本实用新型的输出端连接有阻抗转换器，可实现有效信号的远距离传输。

附图说明

图1为本实用新型一种地震勘探用检波器的机芯的结构示意图。

图中：1—阻抗转换器，2—引线，3—极间电容C1，4—上固定体，5—弹性震体，6—下固定体，7—极间电容C2，8—极间电容C3，9—极间电容C4，10—外壳体，11—尾锥，12—弹性结构固定体，13—惯性体限位柱，14—上极板附着体，15—下极板附着体，16—惯性体，17—电容下极板，18—电容上极板，19—电源，20—信号转换器，21—上盖。

具体实施方式

有关本实用新型的详细说明及技术内容，配合附图说明如下，然而附图仅提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。

根据图1所示，一种地震勘探用检波器的机芯，包括两组惯性体和电容转换单元，所述电容转换单元由弹性震体5和分别固定于弹性震体5两面的镀金金属电容上极板18及下极板17构成，所述上极板和下极板之间还设置有极间电容；所述惯性体16设置于镀金金属电容上极板18及下极板17之间并且三者固定连接为一体。所述惯性体16通过惯性体限位柱13固定于镀金金属电容上极板及下极板之间。所述弹性震体两端被夹于弹性结构固定体12之中。所述电容上极板通过上极板附着体14置于上固定体4上，所述电容下极板通过下极板附着体15置于下固定体6上。电源19选用高能锂电池，确保连续工作180天，信号转换器20是将电容的变换量转化成电压信号，阻抗转换器1为了野外接收提供功率输出。C1/C2、C3/C4的输出模式，解决了由于材料的温漂而带来得电容值的变化，满足宽温（- 40°C±85°C）使用要求。

极间电容C1、C2、C3、C4是pF级，静态下绝对相等，经过半导体腐蚀工艺制成；电容上、下极板也是通过半导体腐蚀工艺制成，保证其一致性。所述惯性体和弹性振体依据阻尼和惯性体计算公式制作，通过半导体腐蚀工艺制成。

理想的检波器既对深层、薄层的高频弱信号有很好的采集能力，又能兼顾低频信号，且具有足够的带宽，一般为3～1500HZ。本实用新型即依此设计：惯性体的质量和阻尼的一致性好，可保证传感器所采集到波形的一致性即同相轴；惯性体的质量大，所采集波形的振幅大；阻尼足够大，所采集波形的余震即“尾巴”小。

信号采集与输出采用的是MEMS器件技术。主要是解决小信号的接收问题，采用双惯性体质量设计，惯性体质量为mg级，较传统的检波器惯性体11g，降低10倍。双惯性体质量设计一正、一负，消除了温度的变化对其信号输出的影响。惯性体、阻抗转换器、弹性震体组件均采用半导体腐蚀工艺构成，其成品的一致性（小于0.1%）得到很好的保证。设计中极间电容C1和极间电容C2、极间电容C3和极间电容C4、属于双惯性体组件的两对电容，不会同时增大或缩小，只能是极间电容C1增大，极间电容C2缩小，极间电容C3增大，极间电容C4缩小或极间电容C1缩小，极间电容C2增大，极间电容C3缩小，极间电容C4增大。输出方式采用检测C1/C2、 C3/C4的模式，进一步减弱温度对输出的影响，这一点对宽温使用很重要。后续经过精密电荷放大器、差分放大线路、阻抗匹配形成输出。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，非用以限定本实用新型的专利范围，其他运用本实用新型的专利精神的等效变化，均应俱属本实用新型的专利范围。

Claims

1.一种地震勘探用检波器的机芯，包括两组惯性体和电容转换单元，所述电容转换单元由弹性震体和分别固定于弹性震体两面的镀金金属电容上极板及下极板构成，所述上极板和下极板之间还设置有极间电容；其特征在于，所述惯性体设置于镀金金属电容上极板及下极板之间并且三者固定连接为一体。

2．根据权利要求1所述的一种地震勘探用检波器的机芯，其特征在于，所述惯性体通过惯性体限位柱固定于镀金金属电容上极板及下极板之间。

3．根据权利要求1所述的一种地震勘探用检波器的机芯，其特征在于，所述弹性震体两端被夹于弹性结构固定体之中。

4．根据权利要求1所述的一种地震勘探用检波器的机芯，其特征在于，所述电容上极板通过上极板附着体置于上固定体上，所述电容下极板通过下极板附着体置于下固定体上。

5．根据权利要求1所述的一种地震勘探用检波器的机芯，其特征在于，所述极间电容是pF级，静态下绝对相等，经过半导体腐蚀工艺制成；电容上、下极板也是通过半导体腐蚀工艺制成。