EA022833B1 - Емкостный датчик на основе мэмс для использования в системе сейсмической разведки - Google Patents

Емкостный датчик на основе мэмс для использования в системе сейсмической разведки Download PDF

Info

Publication number
EA022833B1
EA022833B1 EA201170668A EA201170668A EA022833B1 EA 022833 B1 EA022833 B1 EA 022833B1 EA 201170668 A EA201170668 A EA 201170668A EA 201170668 A EA201170668 A EA 201170668A EA 022833 B1 EA022833 B1 EA 022833B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
signal
sensor
accelerometer
sensitive mass
electrometric amplifier
Prior art date
Application number
EA201170668A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201170668A1 (ru
Inventor
Ханс Паулсон
Original Assignee
Джеко Текнолоджи Б.В.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Джеко Текнолоджи Б.В. filed Critical Джеко Текнолоджи Б.В.
Publication of EA201170668A1 publication Critical patent/EA201170668A1/ru
Publication of EA022833B1 publication Critical patent/EA022833B1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/13—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position
    • G01P15/131—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position with electrostatic counterbalancing means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G01V1/162—Details
    • G01V1/164—Circuits therefore

Abstract

Устройство включает в себя систему сейсмической разведки, которая включает в себя акселерометр. Акселерометр включает в себя емкостный датчик на основе МЭМС, контроллер и электрометрический усилитель. Датчик включает в себя чувствительную массу; входные клеммы для приема первого сигнала; выходную клемму, которая электрически соединяется с чувствительной массой, чтобы предоставить второй сигнал. Первый сигнал, который регулируется контроллером, управляет силой восстановления равновесия для датчика и побуждает датчик предоставить второй сигнал. Электрометрический усилитель предоставляет третий сигнал, который указывает положение чувствительной массы. Электрометрический усилитель имеет входную клемму для непрерывного приема второго сигнала в течение периода времени, в котором первый сигнал управляет силой восстановления равновесия и побуждает датчик предоставить второй сигнал.

Description

Изобретение в целом относится к емкостному датчику на основе МЭМС для использования в системе сейсмической разведки.
Сейсмическая разведка включает в себя исследование подземных геологических формаций на предмет залежей углеводородов. Разведка обычно включает в себя размещение сейсмического источника (источников) и сейсмических датчиков в заранее установленных местах. Источники формируют сейсмические волны, которые распространяются в геологические формации, создавая изменения в давлении и вибрации на своем пути. Изменения в упругих свойствах геологической формации рассеивают сейсмические волны, изменяя их направление распространения и другие свойства. Часть энергии, излученной источниками, достигает сейсмических датчиков. Некоторые сейсмические датчики восприимчивы к изменениям давления (гидрофоны), другие - к движению частиц (например, сейсмографы), и промышленная разведка может использовать только один тип датчиков или оба. В ответ на обнаруженные сейсмические события датчики формируют электрические сигналы для формирования сейсмических данных. Анализ сейсмических данных может затем указать на наличие или отсутствие возможных мест залежей углеводородов.
Сущность изобретения
В варианте осуществления изобретения устройство включает в себя систему сейсмической разведки, которая включает в себя акселерометр. Акселерометр включает в себя емкостный датчик на основе МЭМС (микроэлектромеханическая система), контроллер и электрометрический усилитель. Датчик включает в себя чувствительную массу; входные клеммы для приема первого сигнала и выходную клемму, которая электрически соединяется с чувствительной массой, чтобы предоставить второй сигнал. Первый сигнал, который регулируется контроллером, управляет силой восстановления равновесия для датчика и побуждает датчик предоставить второй сигнал. Электрометрический усилитель предоставляет третий сигнал, который указывает положение чувствительной массы. Электрометрический усилитель имеет входную клемму для непрерывного приема второго сигнала в течение периода времени, в котором первый сигнал управляет силой восстановления равновесия и побуждает датчик предоставить второй сигнал.
В другом варианте осуществления изобретения методика включает в себя предоставление системы сейсмической разведки, которая содержит акселерометр. Акселерометр включает в себя емкостный датчик на основе МЭМС, который включает в себя чувствительную массу; входные клеммы для приема первого сигнала и выходную клемму, которая электрически соединяется с чувствительной массой, чтобы предоставить второй сигнал. Методика включает в себя регулирование силы восстановления равновесия для датчика и возбуждение датчика, чтобы заставить датчик предоставить второй сигнал. Методика включает в себя считывание второго сигнала в непрерывном интервале времени, в течение которого происходят действия по регулированию и возбуждению.
В еще одном варианте осуществления изобретения акселерометр включает в себя емкостный датчик на основе МЭМС, контроллер и электрометрический усилитель. Датчик включает в себя чувствительную массу; входные клеммы для приема первого сигнала и выходную клемму, которая электрически соединяется с чувствительной массой, чтобы предоставить второй сигнал. Первый сигнал, который регулируется контроллером, управляет силой восстановления равновесия для датчика и побуждает датчик предоставить второй сигнал. Электрометрический усилитель предоставляет третий сигнал, который указывает положение чувствительной массы. Электрометрический усилитель имеет входную клемму для непрерывного приема второго сигнала в течение времени, в котором первый сигнал управляет силой восстановления равновесия и побуждает датчик предоставить второй сигнал.
Преимущества и другие признаки изобретения станут очевидными из нижеследующих чертежей, описания и формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематическое представление морской системы сейсмической разведки в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 2 и 6 - схематические представления акселерометров в соответствии с вариантами осуществления изобретения.
Фиг. 3, 4 и 5 - формы сигналов акселерометра в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Подробное описание
Фиг. 1 изображает вариант 10 осуществления морской системы сейсморазведочных работ в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. В системе 10 гидрографическое судно 20 буксирует одну или несколько сейсмоприемных кос 30 (одна типовая коса 30 изображается на фиг. 1) позади судна 20. Отметим, что косы 30 могут располагаться в расстановке, в которой несколько кос 30 буксируются приблизительно в одной плоскости на одной и той же глубине. В качестве другого неограничивающего примера косы могут буксироваться с несколькими глубинами, например, в вышестоящей/нижестоящей расстановке.
Сейсмоприемные косы 30 могут иметь несколько тысяч метров в длину и могут содержать различ- 1 022833 ные натяжные тросы (не показаны), а также проводку и/или схемы (не показаны), которые могут использоваться для поддержки связи с косами 30. Вообще, каждая коса 30 включает в себя основной кабель, на котором устанавливаются сейсмические датчики, которые записывают сейсмические сигналы. В соответствии с вариантами осуществления изобретения косы 30 содержат сейсмические датчики 58, каждый из которых содержит многокомпонентный датчик. Многокомпонентный датчик включает в себя гидрофон и датчики движения частиц, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. Таким образом, каждый датчик 58 допускает обнаружение волнового поля продольных волн и по меньшей мере одну составляющую движения частиц, которая ассоциируется со звуковыми сигналами, которые являются ближайшими к датчику. Примеры движений частиц включают в себя одну или несколько составляющих смещения частиц, одну или несколько составляющих скорости частиц (линейная (х), перекрестная (у) и вертикальная (ζ) составляющие (см. оси 59, например)) и одну или несколько составляющих ускорения частиц.
В зависимости от конкретного варианта осуществления изобретения многокомпонентный датчик может включать в себя один или несколько гидрофонов, сейсмографов, датчиков смещения частиц, датчиков скорости частиц, акселерометров, датчиков градиента давления или их сочетания.
В качестве более конкретного примера в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения конкретный многокомпонентный датчик может включать в себя гидрофон для измерения давления и три перпендикулярно выставленных акселерометра для измерения трех соответствующих ортогональных составляющих скорости и/или ускорения частиц рядом с датчиком. Отметим, что многокомпонентный датчик может быть реализован в виде единого устройства (как изображено на фиг. 1) или может быть реализован в виде множества устройств, в зависимости от конкретного варианта осуществления изобретения. Конкретный многокомпонентный датчик также может включать в себя датчики градиента давления, которые составляют другой тип датчиков движения частиц. Каждый датчик градиента давления измеряет изменение в волновом поле продольных волн в конкретной точке относительно конкретного направления. Например, один из датчиков градиента давления может получить в конкретной точке сейсмические данные, указывающие частную производную волнового поля продольных волн относительно поперечного направления, а другой из датчиков градиента давления может получить в конкретной точке сейсмические данные, указывающие данные давления относительно линейного направления.
В соответствии с вариантами осуществления изобретения, описанными в этом документе, многокомпонентный датчик включает в себя по меньшей мере один емкостный акселерометр 100 на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС), который является выгодным благодаря его размеру, низкой рассеиваемой мощности и низкой стоимости. С целью упрощения нижеследующего обсуждения описываются варианты осуществления, в которых акселерометр 100 считывает ускорение по одной оси измерения. Однако эти варианты осуществления предназначены для примера, так как акселерометр 100 может считывать ускорение по двум или трем ортогональным осям измерения, в соответствии с другими вариантами осуществления изобретения.
Морская система 10 сейсморазведочных работ включает в себя сейсмические источники 40 (два типовых сейсмических источника 40 изображаются на фиг. 1), например, пневматические источники и т.п. В некоторых вариантах осуществления изобретения сейсмические источники 40 могут соединяться с гидрографическим судном 20 или буксироваться им. В качестве альтернативы, в других вариантах осуществления изобретения сейсмические источники 40 могут работать независимо от гидрографического судна 20 в том смысле, что источники 40 могут быть соединены с другими судами или буями, в качестве лишь нескольких примеров.
Когда сейсмоприемные косы 30 буксируются позади гидрографического судна 20, звуковые сигналы 42 (типовой звуковой сигнал 42 изображается на фиг. 1), часто называемые взрывами, создаются сейсмическими источниками 40 и направляются вниз через слой 44 воды в пласты 62 и 68 под морским дном 24. Звуковые сигналы 42 отражаются от различных подземных геологических формаций, например, типовой формации 65, которая изображается на фиг. 1.
Падающие звуковые сигналы 42, которые создаются источниками 40, порождают соответствующие отраженные звуковые сигналы, или волны 60 давления, которые воспринимаются сейсмическими датчиками косы (кос) 30. Отметим, что волны давления, которые принимаются и считываются сейсмическими датчиками, включают в себя восходящие волны давления, которые распространяются к датчикам без отражения, а также нисходящие волны давления, которые создаются из-за отражений волн 60 давления от границы воздуха-воды или свободной поверхности 31.
Сейсмические датчики в косе (косах) 30 формируют сигналы (например, цифровые сигналы), называемые трассами, которые указывают полученные измерения волнового поля продольных волн и движения частиц. Трассы записываются и могут быть, по меньшей мере частично, обработаны блоком 23 обработки сигналов, который размещается на гидрографическом судне 20 в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. Например, конкретный многокомпонентный датчик может предоставить трассу, которая соответствует измерению волнового поля продольных волн посредством его гидрофона; и датчик может предоставить (в зависимости от конкретного варианта осуществления изо- 2 022833 бретения) одну или несколько трасс, которые соответствуют одной или нескольким составляющим движения частиц.
Цель сейсморазведочных работ - построить изображение района исследований с целью выявления подземных геологических формаций, например, типовой геологической формации 65. Последующий анализ представления может обнаружить вероятные места залежей углеводородов в подземных геологических формациях. В зависимости от конкретного варианта осуществления изобретения части анализа представления могут выполняться на сейсморазведочном судне 20, например, с помощью блока 23 обработки сигналов. В соответствии с другими вариантами осуществления изобретения представление может быть обработано системой обработки сейсмических данных, которая может располагаться, например, на суше или на судне 20. Таким образом, возможны многие вариации и они находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.
Ссылаясь на фиг. 2, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, акселерометр 100 включает в себя емкостный датчик 110 на основе МЭМС. Датчик 110 включает в себя якорь и пару электродов 110а и 110Ь постоянного расположения (называемых в этом документе неподвижными электродами), которые жестко прикреплены к якорю. Датчик 110 также включает в себя по меньшей мере один подвижный электрод 110с, который монтируется на движущейся чувствительной массе, которая подвешена между двумя неподвижными электродами 110а и 110Ь с помощью пружин, которые также соединены с якорем. Эта конструкция образует дифференциальный конденсатор, в котором подвижный электрод 110с движется по оси измерения в ответ на внешнее ускорение.
Дифференциальный конденсатор образуется из двух конденсаторов: первый конденсатор образуется между электродами 110а и 110с; а другой конденсатор (последовательно с другим конденсатором) образуется между электродами 110с и 110Ь. Перемещение подвижного электрода 110с увеличивает емкость одного из этих двух конденсаторов и, наоборот, уменьшает емкость другого конденсатора, в зависимости от конкретного направления перемещения. Дифференциальная емкость может считываться с целью определения направления и степени считанного ускорения.
С целью разрешения считывания дифференциальной емкости датчика 110, датчик 110 активируется путем подачи напряжения на неподвижные электроды 110а и 110Ь. Как дополнительно описано ниже, это напряжение также порождает усилие срабатывания, которое стремится вернуть чувствительную массу в ее положение равновесия.
Точнее говоря, будучи подвергнутой силам инерции, вызванным внешним ускорением, чувствительная масса удерживается в положении равновесия электростатическими силами, управляемыми системой обратной связи. Детектор амплитуды 160 и контроллер 164 с обратной связью в акселерометре обладают очень высоким коэффициентом усиления, и поэтому остаточное перемещение подвижной массы относительно ее положения равновесия остается близким к нулю. Величина и направление результирующей возвращающей силы задается в виде разности между двумя силами притяжения, действующими в противоположных направлениях. Например, если внешняя сила ускорения стремится переместить подвижный электрод ближе к неподвижному электроду 110Ь, контроллер 164 с обратной связью увеличит электростатическую силу между подвижным электродом и неподвижным электродом 110а и одновременно уменьшит электростатическую силу между подвижным электродом и неподвижным электродом 110Ь. Дополнительные напряжения срабатывания переключаются между нулевым напряжением и полным напряжением питания с высокой частотой повторения, и эффективное усилие срабатывания управляется рабочим циклом последовательности импульсов.
В традиционных емкостных датчиках на основе МЭМС напряжения активации и срабатывания подаются на электроды с постоянным расположением в разных фазах синхросигнала, а переключатели управляют тем, когда считывается дифференциальная емкость датчика. В этой связи в традиционном датчике на основе МЭМС электрометрический усилитель можно подключить через один или несколько переключателей к датчику на основе МЭМС во время считывания фазы синхросигнала, когда подается напряжение активации; и переключатель (переключатели) затем размыкаются, чтобы изолировать электрометрический усилитель от датчика, когда напряжение срабатывания подается на электроды. Однако сложность с этой компоновкой состоит в том, что шумовой сигнал (т.е. шум кТ/С), который вносится переключением, обычно ухудшает динамический диапазон датчика.
В соответствии с вариантами осуществления изобретения, которые описываются в этом документе, акселерометр 100 включает в себя электрометрический усилитель 150, который имеет входную клемму, которая постоянно подключена к подвижному электроду 110с датчика 110 и соответственно не подключена к подвижному электроду через управляемую переключателем цепь. Другими словами, входная клемма электрометрического усилителя 150 постоянно подключена к подвижному электроду 110с в периоды, в которые датчик 110 принимает как напряжение срабатывания, так и напряжение активации. Таким образом, шумовой сигнал устраняется (по сравнению с традиционными компоновками), что улучшает динамический диапазон акселерометра.
В качестве более конкретного примера в соответствии с вариантами осуществления изобретения активация и срабатывание датчика 110 регулируются посредством управляющего сигнала 220, который изображается на фиг. 5. Ссылаясь на фиг. 2 (для конструкции акселерометра 100), возбудитель 120 ком- 3 022833 плементарной логики в акселерометре 100 принимает последовательность 210 импульсов от генератора 108 импульсов в акселерометре 100. В ответ на последовательность 210 импульсов возбудитель 120 формирует управляющий сигнал 220, который подается на неподвижные электроды 110а и 110Ъ датчика 110. Для этого конкретного примера логика 120 соединяется с положительной питающей шиной (называемой V, ..) и землей (которая является отрицательной шиной питания для этого неограничивающего примера). Формирование последовательности 210 импульсов с помощью генератора 108 импульсов синхронизируется с синхросигналом 200 (см. фиг. 3), который формируется генератором 104 системного времени. В ответ на последовательность 210 импульсов комплементарные возбудители 112 и 124 в возбудителе 120 формируют управляющий сигнал 220.
Подача управляющего сигнала 220 имеет два воздействия на датчик 110: управляющий сигнал 220 порождает электростатический момент, который побуждает подвижный электрод 110с создать сигнал, который считывается электрометрическим усилителем 150 и указывает положение чувствительной массы; и среднее, или ОС-значение управляющего сигнала 220 создает восстанавливающее равновесие усилие срабатывания на датчике 110.
Детектор 160 амплитуды обнаруживает выходной сигнал из электрометрического усилителя 150 с целью считывания остаточного перемещения чувствительной массы. Как дополнительно описано ниже, выходной сигнал электрометрического усилителя 150 также модулируется или получает воздействие управляющего сигнала 220. Детектор 160 амплитуды считывает амплитуду сигнала, порожденного электрометрическим усилителем 150, и предоставляет это дискретное максимальное значение контроллеру 164 с обратной связью.
В соответствии с вариантами осуществления изобретения, описанными в этом документе, контроллер 164 с обратной связью выполняет аналого-цифровое преобразование максимального сигнала, который предоставлен детектором 160 амплитуды, и применяет передаточную функцию контура с целью создания цифрового выходного сигнала 170, который указывает величину и направление считанного ускорения по оси измерения датчика 110. В качестве более конкретного примера, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения контроллер 164 с обратной связью может быть сигма-дельта модулятором, который предоставляет одноразрядный выходной поток в качестве цифрового выходного сигнала 170. Таким образом, цифровой выходной сигнал 170 может быть временной последовательностью 1 и 0, которые указывают величину и направление считанного ускорения. В качестве неограничивающего примера строка нулей может указывать максимальное ускорение в конкретном направлении, а строка единиц может указывать максимальное ускорение в другом направлении. Отметим, что в соответствии с другими вариантами осуществления изобретения цифровой выходной сигнал 170 может быть многоразрядным цифровым сигналом. В других вариантах осуществления изобретения акселерометр 100 может предоставлять аналоговый выходной сигнал.
Генератор 108 импульсов формирует последовательность 210 импульсов (см. фиг. 4) в ответ на цифровой выходной сигнал 170. В качестве более конкретного неограничивающего примера, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения генератор 108 импульсов выборочно формирует две длительности импульса, чтобы управлять плотностью импульсов в управляющем сигнале 220 (см. фиг. 5), на основе цифрового выходного сигнала 170. Например, генератор 108 импульсов может сформировать относительно короткий импульс 212 (см. фиг. 4) в ответ на цифровой разряд нуля и сформировать относительно длинный импульс 214 в ответ на цифровой разряд 1. Плотность импульсов в последовательности 210 импульсов управляет средним, или ОС-значением управляющего сигнала 220, который в свою очередь управляет величиной и направлением восстанавливающего равновесия усилия срабатывания, которое применяется к датчику 110.
Поскольку срабатывание и активация датчика 110 происходят во время одной и той же фазы синхросигнала, один датчик 110 на основе МЭМС функционирует и как исполнительный механизм, и как датчик в одной и той же фазе синхросигнала. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, детектор 160 амплитуды производит двухступенчатую выборку выходного сигнала электрометрического усилителя с целью разделения этих составляющих.
В качестве более конкретного примера в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения в ответ на положительный или восходящий фронт синхросигнала (например, фронт 202 на фиг. 3) детектор 160 амплитуды производит выборку выходного сигнала электрометрического усилителя для выведения основополосного сигнала, содержащего шум из-за теплового шума, параметров импульса и т.д.; и позднее во время фазы синхросигнала детектор 160 амплитуды производит повторную выборку выходного сигнала электрометрического усилителя возле его пика. Поэтому с помощью вычитания первого дискретного значения из последнего дискретного значения выводится результирующий сигнал, который указывает считанный заряд и обычно свободен от шума, присутствующего в основополосном сигнале.
Среди других признаков, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения акселерометр 100 может включать в себя фильтр 106 дрожания, который расположен между генератором 104 системного времени и синхронизирующей входной клеммой генератора 104 импульсов. Нестабильность тактовых импульсов обычно модулирует силу инерции, которая прикладывается с помощью им- 4 022833 пульсов обратной связи, и поэтому может быть основной причиной шума в функции исполнительного механизма. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения фильтр 106 дрожания является системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПС), которая фильтрует дрожание в системном опорном тактовом сигнале; и соответственно система синхронизации не использует кварцевый резонатор, посредством этого обеспечивая простую и более экономичную системную интеграцию.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения электрометрический усилитель 150 включает в себя основной, относительно мощный усилитель 152 напряжения, который имеет неинвертирующую входную клемму, которая соединяется с заземлением системы (для вариантов осуществления изобретения, в которых источник отрицательного напряжения является землей).
Инвертирующая входная клемма электрометрического усилителя 152 соединяется с подвижным электродом 110с датчика 110. Так как напряжение на входных клеммах усилителя 152, по существу, нулевое, входная клемма, которая соединяется с подвижным электродом 110с, по существу, соединяется с системной питающей шиной (в этом случае, с землей). Эта компоновка, в свою очередь, максимизирует доступное восстанавливающее равновесие усилие срабатывания для заданного напряжения питания.
В соответствии с вариантами осуществления изобретения сеть обратной связи, образованная из параллельного сочетания конденсатора 154 и резистора 156, соединяется между инвертирующей входной и выходной клеммой усилителя 152. Отметим, что показанная на фиг. 2 топология, по существу, устанавливает постоянное управляющее напряжение для датчика 110 в том смысле, что напряжение питания, которое используется для формирования импульсов, остается постоянным. Однако из-за этой топологии остаточное перемещение чувствительной массы модулирует зазоры конденсатора на электродах 110а и 110Ь, поэтому усилие срабатывания зависит от перемещения чувствительной массы.
Поэтому, ссылаясь на фиг. 6, в соответствии с другими вариантами осуществления изобретения акселерометр 250 может использоваться вместо акселерометра 100. Вообще, аналогичные номера ссылок использованы на фиг. 6 для обозначения компонентов, которые акселерометры 100 и 250 используют совместно. В отличие от акселерометра 100, акселерометр 250 применяет возбуждение с постоянным зарядом для датчика 110. Точнее говоря, электрометрический усилитель акселерометра 250 модулирует, или регулирует, напряжение срабатывания на основе перемещения чувствительной массы, посредством этого увеличивая доступное отношение сигнал-шум.
Точнее говоря, в соответствии с вариантом осуществления изобретения электрометрический усилитель в акселерометре 200 не включает в себя конденсатор 154 обратной связи (который изображен на фиг. 2). Вместо этого конденсатор МЭМС включается в сеть обратной связи электрометрического усилителя. Выходная клемма усилителя 152 подключается к сумматору 254, который объединяет выходной сигнал из усилителя 152 с напряжением питания Удцрр. Благодаря этой компоновке напряжение питания, которое подается на логику 120, модулируется в соответствии со считанным сигналом, который предоставляется на выходной клемме усилителя 152; и в результате усилие срабатывания не зависит от перемещения чувствительной массы.
Многие вариации рассматриваются и находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Например, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения фильтр 106 дрожания, генератор 108 импульсов, логика 120, электрометрический усилитель, детектор 160 амплитуды, датчик 110 и контроллер 164 с обратной связью могут быть объединены в один монолитный кристалл; могут быть объединены в отдельные кристаллы в одном полупроводниковом корпусе; могут быть частью отдельных полупроводниковых корпусов; и т.п.
В качестве других примеров в других вариантах осуществления изобретения акселерометр 100, 250 может быть частью кабеля сейсмического датчика, отличного от косы. В качестве неограничивающих примеров акселерометр 100 может быть наземным кабелем сейсмического датчика или придонным кабелем сейсмического датчика. В качестве других разновидностей акселерометры 100, 250 могут быть частью сенсорного модуля, который не является частью кабеля датчика. В этой связи в некоторых вариантах осуществления изобретения акселерометры 100, 250 могут быть частью системы сейсмической разведки, которая образована из сенсорных модулей, которые соединяются проводными соединениями, например, кабелями. В других вариантах осуществления изобретения сенсорные модули могут быть взаимосвязаны посредством беспроводных соединений. Таким образом, рассматриваются многие вариации, и они находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.
Хотя настоящее изобретение описано по отношению к ограниченному количеству вариантов осуществления, специалисты в данной области техники, обладая преимуществом этого раскрытия изобретения, примут во внимание многочисленные модификации и вариации. Подразумевается, что прилагаемая формула изобретения охватывает все такие модификации как входящие в сущность и объем этого изобретения.

Claims (28)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Устройство для сейсмической разведки, содержащее сейсмический датчик, содержащий акселерометр, причем акселерометр содержит емкостный датчик на основе МЭМС (микроэлектромеханической системы), содержащий чувствительную массу, неподвижные электроды, подвижные электроды, входные клеммы для приема первого сигнала и выходную клемму, электрически соединенную с чувствительной массой, для предоставления второго сигнала, при этом неподвижные электроды выполнены с возможностью получения первого сигнала для управления силой восстановления равновесия датчика и побуждения датчика предоставить второй сигнал на подвижный электрод; и электрометрический усилитель, выполненный с возможностью предоставления третьего сигнала, указывающего положение чувствительной массы, причем электрометрический усилитель имеет входную клемму, постоянно подключенную к подвижному электроду и выполненную с возможностью непрерывного приема второго сигнала в течение периода времени, в котором первый сигнал управляет силой восстановления равновесия и выполнен с возможностью побуждения датчика предоставлять второй сигнал.
  2. 2. Устройство по п.1, в котором акселерометр дополнительно содержит детектор амплитуды для приема третьего сигнала и формирования четвертого сигнала, указывающего амплитуду третьего сигнала.
  3. 3. Устройство по п.2, в котором детектор амплитуды выполнен с возможностью двухступенчатой выборки третьего сигнала, чтобы отделить первую составляющую третьего сигнала, указывающую положение чувствительной массы, от второй составляющей третьего сигнала, указывающей первый сигнал.
  4. 4. Устройство по п.2, в котором контроллер выполняет аналого-цифровое преобразование третьего сигнала.
  5. 5. Устройство по п.1, в котором контроллер содержит сигма-дельта модулятор.
  6. 6. Устройство по п.1, в котором электрометрический усилитель имеет входное напряжение смещения, подключенное к шине напряжения питания акселерометра.
  7. 7. Устройство по п.1, в котором электрометрический усилитель содержит конденсатор обратной связи, который является частью датчика.
  8. 8. Устройство по п.1, дополнительно содержащее схему для регулирования величины первого сигнала на основе третьего сигнала для того, чтобы сила восстановления равновесия практически не зависела от перемещения чувствительной массы.
  9. 9. Устройство по п.1, в котором контроллер предоставляет сигнал, указывающий ускорение, считанное акселерометром.
  10. 10. Устройство по п.1, дополнительно содержащее комплементарный возбудитель для предоставления первого сигнала в ответ на последовательность импульсов и генератор импульсов для предоставления последовательности импульсов на основе сигнала, предоставленного контроллером.
  11. 11. Устройство по п.10, дополнительно содержащее тактовый генератор для синхронизации циклов в последовательности импульсов, при этом первый сигнал предназначен как для управления силой восстановления равновесия датчика, так и для побуждения датчика предоставлять второй сигнал во время каждого цикла синхросигнала.
  12. 12. Устройство по п.11, дополнительно содержащее фильтр дрожания, электрически присоединенный между тактовым генератором и генератором импульсов.
  13. 13. Устройство по п.1, в котором система сейсмической разведки содержит сенсорные модули, которые соединяются с помощью беспроводных или проводных соединений.
  14. 14. Устройство по п.1, в котором система сейсмической разведки содержит косу, наземный кабель датчика или придонный кабель датчика.
  15. 15. Устройство по п.1, в котором система сейсмической разведки содержит косу, при этом система дополнительно содержит гидрографическое судно для буксирования косы.
  16. 16. Способ сейсмической разведки, содержащий этапы, на которых используют устройство по п.1;
    регулируют силу восстановления равновесия датчика;
    возбуждают датчик, чтобы заставить датчик предоставить второй сигнал;
    подключают на постоянной основе входную клемму электрометрического усилителя к выходной клемме датчика для считывания второго сигнала в непрерывном интервале времени, в течение которого происходят действия по регулированию и возбуждению.
  17. 17. Способ по п.16, в котором этап считывания происходит непрерывно путем подключения входной клеммы электрометрического усилителя в течение интервала времени.
  18. 18. Способ по п.17, дополнительно содержащий этап, на котором производят двухступенчатую вы- 6 022833 борку, чтобы отделить первую составляющую сигнальной информации, предоставленной электрометрическим усилителем, указывающей положение чувствительной массы, от второй составляющей сигнальной информации, указывающей сигнал, используемый для возбуждения датчика.
  19. 19. Способ по п.17, дополнительно содержащий этап, на котором используют конденсатор датчика в цепи обратной связи для электрометрического усилителя.
  20. 20. Способ по п.17, дополнительно содержащий этап, на котором регулируют сигнал, поданный для возбуждения датчика, на основе выходного сигнала, предоставленного электрометрическим усилителем, чтобы добиться того, что сила восстановления равновесия практически не зависит от перемещения чувствительной массы.
  21. 21. Способ по п.16, в котором система сейсмической разведки содержит сенсорные модули, которые соединяются с помощью беспроводных или проводных соединений.
  22. 22. Способ по п.16, в котором система сейсмической разведки содержит косу, наземный кабель датчика или придонный кабель датчика.
  23. 23. Способ по п.22, дополнительно содержащий этап, на котором буксируют косу с помощью гидрографического судна.
  24. 24. Акселерометр, содержащий емкостный датчик на основе МЭМС, содержащий чувствительную массу, неподвижные электроды, подвижные электроды входные клеммы для приема первого сигнала и выходную клемму, электрически соединенную с чувствительной массой, для предоставления второго сигнала, при этом первый неподвижный электрод выполнен с возможностью получения первого сигнала для управления силой восстановления равновесия датчика и побуждения датчика предоставить второй сигнал на подвижный электрод; и электрометрический усилитель, выполненный с возможностью предоставления третьего сигнала, указывающего положение чувствительной массы, причем электрометрический усилитель имеет входную клемму, постоянно подключенную к подвижному электроду и выполненную с возможностью непрерывного приема второго сигнала в течение периода времени, в котором первый сигнал управляет силой восстановления равновесия и выполнен с возможностью побуждения датчика предоставить второй сигнал.
  25. 25. Акселерометр по п.24, в котором акселерометр дополнительно содержит детектор амплитуды для приема третьего сигнала и формирования четвертого сигнала, указывающего амплитуду третьего сигнала.
  26. 26. Акселерометр по п.25, в котором детектор амплитуды выполнен с возможностью двухступенчатой выборки третьего сигнала, чтобы отделить первую составляющую третьего сигнала, указывающую положение чувствительной массы, от второй составляющей третьего сигнала, указывающей первый сигнал.
  27. 27. Акселерометр по п.25, в котором контроллер выполнен с возможностью выполнения аналогоцифрового преобразования третьего сигнала.
  28. 28. Акселерометр по п.24, в котором контроллер содержит сигма-дельта модулятор.
EA201170668A 2008-11-10 2009-11-06 Емкостный датчик на основе мэмс для использования в системе сейсмической разведки EA022833B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/268,064 US8104346B2 (en) 2008-11-10 2008-11-10 MEMS-based capacitive sensor
PCT/US2009/063579 WO2010054216A2 (en) 2008-11-10 2009-11-06 Mems-based capacitive sensor for use in a seismic acquisition system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201170668A1 EA201170668A1 (ru) 2011-12-30
EA022833B1 true EA022833B1 (ru) 2016-03-31

Family

ID=42153588

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201170668A EA022833B1 (ru) 2008-11-10 2009-11-06 Емкостный датчик на основе мэмс для использования в системе сейсмической разведки

Country Status (10)

Country Link
US (1) US8104346B2 (ru)
EP (1) EP2353034A4 (ru)
JP (2) JP2012508381A (ru)
CN (1) CN102265184B (ru)
AU (1) AU2009313393B2 (ru)
CA (1) CA2743088C (ru)
EA (1) EA022833B1 (ru)
EG (1) EG26753A (ru)
MX (1) MX2011004965A (ru)
WO (1) WO2010054216A2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU187949U1 (ru) * 2018-11-09 2019-03-25 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Чувствительный элемент мэмс-акселерометра с измеряемым диапазоном ускорений большой амплитуды

Families Citing this family (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8136383B2 (en) * 2007-08-28 2012-03-20 Westerngeco L.L.C. Calibrating an accelerometer
US9010170B2 (en) 2010-08-16 2015-04-21 Westerngeco L.L.C. Method and apparatus to test an accelerometer
US9217805B2 (en) 2010-10-01 2015-12-22 Westerngeco L.L.C. Monitoring the quality of particle motion data during a seismic acquisition
US9103930B2 (en) 2012-05-23 2015-08-11 Westerngeco L.L.C. Sensor assembly
US10139505B2 (en) * 2011-08-09 2018-11-27 Pgs Geophysical As Digital sensor streamers and applications thereof
US20130044565A1 (en) * 2011-08-15 2013-02-21 Frederick James Barr Piezoelectric sensors for geophysical streamers
US8650963B2 (en) * 2011-08-15 2014-02-18 Pgs Geophysical As Electrostatically coupled pressure sensor
US10286428B2 (en) 2011-10-19 2019-05-14 Pgs Geophysical As Tools and methods for cleaning survey cables
US9046547B2 (en) * 2012-08-13 2015-06-02 Pgs Geophysical As Accelerometer having multiple feedback systems operating on a given proof mass
US9423522B2 (en) 2012-12-11 2016-08-23 Westerngeco L.L.C. Communication systems for water vehicles
US9547095B2 (en) * 2012-12-19 2017-01-17 Westerngeco L.L.C. MEMS-based rotation sensor for seismic applications and sensor units having same
US10191170B2 (en) 2013-01-23 2019-01-29 Westerngeco L.L.C. Seismic data acquisition using water vehicles
CN104181582B (zh) * 2013-05-24 2017-08-08 北京嘉岳同乐极电子有限公司 振动监测器及地震振动监测装置
US9329286B2 (en) 2013-10-03 2016-05-03 Westerngeco L.L.C. Seismic survey using an augmented reality device
US9964476B2 (en) 2013-10-25 2018-05-08 Tufts University Shear sensor array
MX2016009683A (es) 2014-01-27 2016-09-22 Schlumberger Technology Bv Arreglo de sensores sismicos de multiples dimensiones.
CN103986472B (zh) * 2014-05-12 2017-01-18 北京金禾天晟高新技术有限责任公司 微机械加速度计的多级噪声整形σδμ闭环控制电路和方法
US10281602B2 (en) 2014-06-19 2019-05-07 Westerngeco L.L.C. System and method to acquire ultra-long offset seismic data for full waveform inversion (FWI) using unmanned marine vehicle (UMV)
GB2527595A (en) * 2014-06-27 2015-12-30 Atlantic Inertial Systems Ltd Accelerometers
AU2015288051A1 (en) 2014-07-08 2017-02-02 Schlumberger Technology B.V. Multi-dimensional folding seismic sensor array
US10365389B2 (en) 2015-11-17 2019-07-30 Halliburton Energy Services, Inc. MEMS-based transducers on a downhole tool
EP3430415B1 (en) 2016-03-15 2020-10-21 Schlumberger Technology B.V. System and method for electric current leakage detection in a land seismic system
US10330696B2 (en) * 2016-03-24 2019-06-25 Northrop Grumman Systems Corporation Accelerometer sensor system
EP3436854B1 (en) 2016-03-31 2022-01-26 Schlumberger Technology B.V. Marine seismic acquisition system
ITUA20162173A1 (it) 2016-03-31 2017-10-01 St Microelectronics Srl Sensore accelerometrico mems avente elevata accuratezza e ridotta sensibilita' nei confronti della temperatura e dell'invecchiamento
WO2018011064A1 (en) * 2016-07-12 2018-01-18 Bp Exploration Operating Company Limited System and method for seismic sensor response correction
US9813831B1 (en) * 2016-11-29 2017-11-07 Cirrus Logic, Inc. Microelectromechanical systems microphone with electrostatic force feedback to measure sound pressure
US9900707B1 (en) 2016-11-29 2018-02-20 Cirrus Logic, Inc. Biasing of electromechanical systems microphone with alternating-current voltage waveform
CN111366231A (zh) * 2020-02-14 2020-07-03 清华大学 振动测量装置
CN111610526B (zh) * 2020-04-28 2023-12-12 自然资源部第一海洋研究所 一种海床蚀积动态监测系统
CN114397696B (zh) 2022-03-23 2022-06-21 中国科学院地质与地球物理研究所 基于低功耗mems传感器的地震采集系统和传感器
CN115128664B (zh) * 2022-09-01 2022-11-08 中国科学院地质与地球物理研究所 基于频域扩宽mems传感器的地震采集系统

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4922756A (en) * 1988-06-20 1990-05-08 Triton Technologies, Inc. Micro-machined accelerometer
JPH0623781B2 (ja) * 1988-10-20 1994-03-30 株式会社日立製作所 加速度検出方法及び装置
JP2769379B2 (ja) * 1990-03-06 1998-06-25 株式会社日立製作所 車体制御装置
JPH0526902A (ja) * 1991-07-22 1993-02-05 Hitachi Ltd 加速度センサ及びこれを用いたアンチロツクブレーキシステム、アクテイブサスペンシヨンシステム、エアバツグシステム
US5251183A (en) * 1992-07-08 1993-10-05 Mcconnell Joseph R Apparatus and method for marine seismic surveying utilizing adaptive signal processing
EP0590658A1 (fr) * 1992-10-02 1994-04-06 CSEM, Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique S.A. Dispositif de mesure d'une force
JP3269274B2 (ja) * 1994-03-15 2002-03-25 株式会社デンソー 加速度センサ
US5511420A (en) * 1994-12-01 1996-04-30 Analog Devices, Inc. Electric field attraction minimization circuit
US5831164A (en) * 1997-01-21 1998-11-03 Conrad Technologies, Inc. Linear and rotational accelerometer
US6693553B1 (en) * 1997-06-02 2004-02-17 Schlumberger Technology Corporation Reservoir management system and method
FR2769369B1 (fr) * 1997-10-08 1999-12-24 Sercel Rech Const Elect Accelerometre a plaque mobile, avec moteur electrostatique de contre-reaction
JPH11118827A (ja) * 1997-10-14 1999-04-30 Denso Corp 容量式物理量検出装置
US6101864A (en) * 1997-12-17 2000-08-15 I/O Sensors, Inc. Method and apparatus for generation of test bitstreams and testing of close loop transducers
DE19959128B4 (de) * 1998-12-08 2004-02-12 Trw Inc., Lyndhurst Kapazitiver Gewichtssensor
US6035694A (en) * 1999-03-12 2000-03-14 I/O Of Austin, Inc. Method and apparatus for calibration of stray capacitance mismatch in a closed loop electro-mechanical accelerometer
US6871544B1 (en) * 1999-03-17 2005-03-29 Input/Output, Inc. Sensor design and process
US7114366B1 (en) * 2000-03-16 2006-10-03 Input / Output Inc. Sensor
AU2001270026A1 (en) * 2000-06-21 2002-01-02 Input/Output, Inc. Accelerometer with folded beams
JP2003019999A (ja) * 2001-07-09 2003-01-21 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd 海底地層探査システム
US6928875B2 (en) * 2002-04-01 2005-08-16 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Dual microwave cavity accelerometer
EP1608988B1 (de) * 2003-04-01 2007-09-26 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Beschleunigungssensor und verfahren zum erfassen einer beschleunigung
KR100501201B1 (ko) * 2003-12-23 2005-07-18 삼성전기주식회사 Ｍｅｍｓ 구조의 정전 용량 보정기를 갖는 차동형커패시티브 타입 ｍｅｍｓ 센서 장치
US20060021435A1 (en) * 2004-07-27 2006-02-02 Impact Technologies, Llc Sensor for measuring jerk and a method for use thereof
DE102004039924A1 (de) * 2004-08-18 2006-02-23 Robert Bosch Gmbh Mikromechanischer Sensor mit reduzierten elektrischen Streufeldern
US20060055281A1 (en) * 2004-09-16 2006-03-16 Com Dev Ltd. Microelectromechanical electrostatic actuator assembly
JP2006084400A (ja) * 2004-09-17 2006-03-30 Denso Corp 容量式物理量検出装置
US20060207327A1 (en) * 2005-03-16 2006-09-21 Zarabadi Seyed R Linear accelerometer
CN2821576Y (zh) * 2005-04-15 2006-09-27 威海双丰电子集团有限公司 一种电容式mems加速度传感器
US7337671B2 (en) * 2005-06-03 2008-03-04 Georgia Tech Research Corp. Capacitive microaccelerometers and fabrication methods
EP1790988B1 (en) * 2005-11-29 2017-01-18 STMicroelectronics Srl Detection circuit using a differential capacitive sensor with input-common-mode control in a sense interface
DE602005027713D1 (de) * 2005-12-02 2011-06-09 St Microelectronics Srl Vorrichtung und Verfahren zum Auslesen eines kapazitiven Sensors insbesondere eines mikro-elektromechanischen Sensors
DE102007027652B4 (de) * 2007-06-15 2013-06-20 Litef Gmbh Betriebsverfahren und Schaltungsanordnung für einen kapazitiven mikromechanischen Sensor mit analoger Rückstellung

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU187949U1 (ru) * 2018-11-09 2019-03-25 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Чувствительный элемент мэмс-акселерометра с измеряемым диапазоном ускорений большой амплитуды

Also Published As

Publication number Publication date
CA2743088A1 (en) 2010-05-14
CA2743088C (en) 2015-05-26
CN102265184B (zh) 2015-01-14
US8104346B2 (en) 2012-01-31
WO2010054216A3 (en) 2010-07-22
WO2010054216A2 (en) 2010-05-14
US20100116054A1 (en) 2010-05-13
JP2016145837A (ja) 2016-08-12
EA201170668A1 (ru) 2011-12-30
EP2353034A2 (en) 2011-08-10
JP2012508381A (ja) 2012-04-05
MX2011004965A (es) 2011-07-29
AU2009313393A1 (en) 2010-05-14
EP2353034A4 (en) 2014-02-19
CN102265184A (zh) 2011-11-30
AU2009313393B2 (en) 2015-04-09
EG26753A (en) 2014-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EA022833B1 (ru) Емкостный датчик на основе мэмс для использования в системе сейсмической разведки
US20230070241A1 (en) Mems-Based Rotation Sensor for Seismic Applications and Sensor Units Having Same
US7377357B2 (en) Marine seismic acquisition method and apparatus
US8645071B2 (en) Direct velocity seismic sensing
US20140112094A1 (en) Direct velocity seismic sensing
JP2009532691A (ja) 光ファイバセンサパッケージ
GB2493838A (en) An electrostatically coupled pressure sensor
Tellier et al. Understanding MEMS-based digital seismic sensors
US9010170B2 (en) Method and apparatus to test an accelerometer
EP4115212A1 (en) Marine seismic imaging
WO2003096071A1 (en) Improved seismic sensors
Goujon et al. Which sensor for nodal seismic: Recording acceleration or velocity?
Goujon et al. Stryde

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM

MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): RU