NO171432B - Fremgangsmaate og anordning til aa forbedre foelsomheten og signal/stoey-forholdet for piezoelektriske transdusere - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte til

å forbedre følsomheten og signal/støy-forholdet for piezoelek-triske transdusere som omfatter en rekke parallell-koblede sensorer.

I forbindelse med seismiske undersøkelser brukes det ofte mottageranordninger sammensatt av et stort antall seismiske mottagere anordnet i avstand fra hverandre og forbundet med et sentralt registrerings-laboratorium. Hver mottager omfatter en enkelt sensor eller flere sensorer forbundet i serie og/eller i parallell for å øke henholdsvis deres spenning eller belastnings-følsomhet.

For anvendelser til sjøs er mottagerne anordnet langs en forseglet kappe eller seismisk streamer eller kabel som slepes neddykket av et skip. Sensorene som brukes, er vanligvis av den piezo-elektriske type. De omfatter skiver med forholdsvis små dimensjoner laget av et piezo-elektrisk materiale og er hver forsynt med et par elektroder. Disse skivene befinner seg i hylstre med en eller flere flater som er transparente for akustiske bølger.

Samlingen av hylsteret som befinner seg i en mottager-anordning blir vanligvis delt i en rekke mottagere, idet hver av dem omfatter en rekke hylstere i avstand fra hverandre.

Kombinasjonen av de elektriske signaler som leveres av et forholdsvis stort antall sensorer (20 til 30 for eksempel) som er adskilt med like mellomrom (for eksempel i størrelsesorden 1 meter) danner bølgetall-sampling, og ved behandling blir en del av bakgrunnsstøyen filtrert.

Det er et spørsmål om støy hvis bølgetall er mindre enn 500 perioder/kilometer (seismisk "avfyrings"-støy mellom 10 perioder/kilometer og 20 perioder/kilometer, akustisk støy o.s.v.).

For støy med høyere bølgetall, spesielt strømningsstøy fra skipets bevegelse gjennom sjøen og hvirvelstrømmene omkring den seismiske kabelen, er filtrering ved hjelp av behandling på grunn av frekvensspekterets "aliasing" (Shannon<1>s theorem).

For å redusere disse støytypene, spesielt de hvis bølgetall er større enn 5000 perioder/kilometer, som svarer til en bølge-lengde mindre enn 0,2 meter, kan reduksjon av kabelens hydro dynamiske bremsing tas i betraktning. Men den mest effektive løsning består i å tilveiebringe en kontinuerlig sensor hvis lengde er større enn den største bølgelengden til den støy som skal filtreres, d.v.s. minst lik 0,2 meter i det nevnte eksempelet.

Fra US patent 3 798 474 er det kjent en sensoranordning dannet av minst ett følsomt element som omfatter en kombinasjon av et fleksibelt bånd laget av piezo-elektrisk materiale og to elektroder anbrakt på hver side av båndet, og mer generelt av flere følsomme elementer forbundet for eksempel i serie for å øke følsomheten.

Sensorer av denne type har vanligvis en ganske lav følsomhet noe som medfører at de blir kombinert.

Som det fremgår mer detaljert av beskrivelsen, vil kombinasjon av enkeltsensorer som hver er dannet av et følsomt piezo-elektrisk element tilordnet elektroder som er forbundet med en elektrisk ladningsforsterker, øke deres følsomhet og/eller forholdet mellom det signal de leverer og støy fra forskjellige kilder (S/N).

Det vil bli betraktet kombinasjoner av flere sensorer i serie som ikke endrer den oppnådde forsterkning, men som i betydelig grad øker S/N-forholdet.

Kombinasjonen av flere sensorer i parallell øker følsomheten som man vil se, men det oppnådde S/N-forholdet forblir praktisk talt uendret. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsenøker både følsomheten til en parallell kombinasjon av en rekke enkeltfølere og signal/støy-forholdet.

Fremgangsmåten omfatter bruk av en parallell-kombinasjon

av flere sensorer som hver er dannet av et følsomt piezo-elektrisk element tilordnet elektroder, og signaler generert av sensorkombinasjonen påtrykkes til en elektrisk ladningsforsterker som har en ladnings-kondensator koblet i en tilbakekoblingssløyfe. Fremgangsmåten kjennetegnes særskilt ved at den elektriske kapasitans for kombinasjonen av parallelle sensorer som kan måles ved inngangen av ladningsforsterkeren, reduseres for å redusere den forsterkning som påføres støyen uten å endre den som påføres

signalene, ved i suksessive perioder og i rekkefølge å forbinde en overføringskondensator med en kapasitans meget mindre enn kapasitansen til forsterkerens ladningskondensator, med parallellkombinasjonen av sensorer, med forsterkerinngangen for sekvensielt å overføre til ladningskondensatoren de elektriske ladninger som oppsamles av sensorene som reaksjon på krefter som påføres disse, og med jord slik at overføringskondensatoren utlades før den påny forbindes med sensorene.

Anordningen for å gjennomføre denne fremgangsmåten omfatter minst én parallellkombinasjon av piezo-elektriske sensorer og minst én elektrisk ladningsforsterker utstyrt med en tilbakekoblingskrets som innbefatter en ladningskondensator og med en inngang, og anordningen kjennetegnes særskild ved minst én overførings-kondensator med kapaitans som er svært meget mindre enn ladningskondensatorens kapasitans, idet overførings-kondensatoren er forsynt med en første klemme forbundet med jord og med en andre klemme, minst én vender-anordning for å forbinde den andre klemme med kombinasjonen av piezo-elektriske sensorer, til inngangen på ladningsforsterkeren og til jord, og en synkroniseringsanordning for å styre venderanordningen, hvorved elektriske ladninger som akkumuleres av de piezo-elektriske sensorene, overføres sekvensielt til ladningskondensatoren og ladningskondensatoren utlades til jord før den andre klemmen forbindes på nytt med de piezo-elektriske sensorene.

Venderanordningen blir aktivert ved hjelp av en styre-anordning, idet frekvensen til styresignalet er valgt som en funksjon av bredden til det nyttige passbånd for de signaler som leveres av sensorene for å filtrere ut frekvenser høyere enn de som inneholdes i passbåndet.

Men denne anordningen kan ikke bare følsomheten og signal/støyforholdet økes, men som man vil se, tilveiebringes det automatisk lavpass-filtrering som påføres generelt i alle seismiske signal-innsamlingskjeder.

Andre trekk ved fremgangsmåten og anordningen for å gjennom-føre denne, vil fremgå av den følgende beskrivelse av eksempler på utførelser, under henvisning til de vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1 skjematisk viser en piezo-elektrisk sensor tilkoblet

en ladningsforsterker,

Fig. 2 viser en seriekombinasjon av sensorer koblet til

inngangen på en ladningsforsterker,

Fig. 3 viser en parallell-kombinasjon av flere sensorer ved

inngangsklemmene til ladningsforsterkeren,

Fig. 4 viser en første utførelsesform av anordningen for

utførelse av fremgangsmåten,

Fig. 5 viser en annen utførelsesform av anordningen for

utførelse av fremgangsmåten,

Fig. 6 viser en variant av den annen utførelsesform av anordningen, og Fig. 7 viser en annen variant av den annen utførelsesform tilpasset forsterkning av ladninger frembrakt av en seriekombinasjon.

En enkeltføler dannet av et fleksibelt bånd laget av materiale med piezo-elektriske egenskaper forbundet med to elektroder, er fra det elektriske synspunkt ekvivalent med en spenningsgenerator Vi i serie med en kapasitans Ci (figur 1). Denne sensoren er forbundet med en forsterker A med en ladnings-kondensator med kapasitansC koblet i en tilbakekoblingssløyfe.

Elektrisk sett er forsterkeren ekvivalent med en generator for spenningsstøy e som tilføres inngangen. Det kan vises at spenningsforsterkningen Gi som oppnås ved hjelp av forsterkeren A er lik - Ci/C og at støyen Bs ved utgangen er i forholdet (1

+ Ci/C) med støyspenningen e.

For å øke signal/støy-forholdet kan enkeltfølere kombineres i serie eller i parallell. Anvendelse av en forsterker A i forbindelse med en seriekombinasjon av N enkeltsensorer med enhetskapasitans Ci og som hver leverer en spenning Vi , tilveie-bringer en spenningsforsterkning identisk med det foregående tilfelle (Gv = -Ci/C), men det kan vises at støyen Bsved utgangen relatert til støyspenningen e ved inngangen, minker som en funksjon av tallet n:

I en seriekombinasjon blir bare en brøkdel av de elektriske elementærladninger overført til kondensatoren C.

Hvis forsterkeren A påtrykkes den spenning som leveres av en parallellkombinasjon av N enkeltsensorer med enhetskapasitans Ci og som hver leverer en spenning Vi , vil man se at spenningsforsterkningen blir multiplisert med n: men støyen øker med antallet n av enkeltsensorer:

Signal/støy-forholdet er derfor ikke endret i særlig grad.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen benytter den forsterkningsøkning som tilveiebringes av parallell-kombinasjonen og unngår den medfølgende støyøkning. Minskningen i den elektriske kapasitans for kombinasjonen av parallelle sensorer blir oppnådd ved å innsette (figur 4) en transformator med impedans T hvis transformasjonsforhold er lik antallet n med sensorer i kombinasjonen.

Den forsterkning som tilveiebringes av en slik krets, er identisk med den foregående:

Vs /Vi = nCi /C

men støyen Bs ved utgangen er redusert:

Bs /e = 1 + Ci /nC

og svarer til den støy som observeres i en seriekrets.

Denne første løsningen er fordelaktig for visse anvendelser hvor antall kombinasjoner av sensorer som skal dannes, er forholdsvis lavt, for impedans - transformatorer er både tunge og forholdsvis kostbare.

For visse anvendelser, spesielt for konstruksjon av marine, seismiske kabler hvor: - antallet kombinasjoner av sensorer som brukes, er meget stort, - integrasjonstettheten av komponenter i kabelkappen er meget høyt, - vekten og fordelingen av denne har stor innvirkning på den hydrodynamiske balanse under slepeoperasjoner, kan fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen likevel brukes på følgende måte.

Kombinasjonen av parallelle piezo-elektriske sensorer er koblet (figur 5) til den første inngang ii på en vender I med tre posisjoner. En annen inngang12på venderen er koblet til inngangen til en ladningsforsterker A som omfatter en ladnings-kondensator C. En tredje klemme Io er koblet til jord. Den midtre klemmen I3på. venderen I er koblet til en kondensator Ct hvis kapasitans er meget mindre enn kapasitansen til ladningskondensatoren C.

Et synkroniseringselement H tilfører et styresignal til venderen I som sekvensielt forårsaker elektrisk forbindelse av kondensatoren Ct med samlingen av piezo-elektriske sensorer, med inngangen på forsterkeren A og med jord for å tilveiebringe en diskontinuerlig rekke med elektriske ladningsoverføringer fra sensorene til ladningskondensatoren C. Syklisk forbindelse med jord når klemmene Io og I3er,innkoblet, resulterer i fjerning av den støyspenning som genereres av forsterkeren, fra overføringskondensatoren Ct .

Med Cg og Q er henholdsvis betegnet kapasitansen og den elektriske ladningen til samlingen med parallelle piezo-elektriske sensorer. I et første trinn mottar kondensatoren Ct fra sensor-samlingen en ladning:

som ved omkasting av venderen I blir overført til kondensatoren C hvor det utvikles en spenning: eller

I løpet av den annen overføringsperiode blir en ladning:

som ved å bruke de samme konvensjoner igjen kan uttrykkes med: først og fremst overført til kondensatoren Ct, så til ladningskondensatoren C hvor den utvikler en spenning:

Når overføringsperiodene fortsetter, kan det vises at ved slutten av n overføringer, så er den spenning Vs som er oppsamlet på kondensatoren C:

Hvis antallet n er stort, så vil spenningen Vs nærme seg en grense:

Det oppnås derfor en fullstendig overføring til kondensatoren i forsterker A av den elektriske ladning som utvikles av de piezo-elektriske sensorer i kombinasjonen E.

Det kan lett vises at støyspenningen som genereres efter de påfølgende omkoblinger, er uttrykt ved forholdet:

Siden kapasitansen Ct er meget mindre enn C, er derfor støyspenningen meget redusert og kan sammenlignes med den som observeres i forbindelse meden impedans-trans f ormator.

Ladningsoverføringen finner sted ved hjelp av suksessive overføringer. Den tid som er nødvendig for disse overføringer, er avhengig av tidskonstanten t, og det kan vises at den kan uttrykkes ved forholdet: hvor F representerer frekvensen til styresignalet for venderen I. Dette forholdet er gyldig i det spesielle tilfellet hvor resistansen til venderen er neglisjerbar. I praksis, når venderen har en viss impedans, kan tidskonstanten tr uttrykkes med forholdet

Det må understrekes at på grunn av tidskonstanten r vil anordningen virke som et lavpassfilter hvis karakteristikker kan reguleres ved egnet valg av verdien til kapasitansen Ct ogsamplingsfrekvensen F. Passbåndet til det forsterkede signal kan så begrenses til den nyttige bredden. Anordningen oppfyller derfor automatisk funksjonen til et "antialiasing"-filter som i alle tilfeller er innbefattet i hver seismisk datainnsamlings-kjede.

I den utførelsesformen som er vist på figur 6, blir det brukt to overføringskondensatorer Ct i og Ct 2 som henholdsvis er koblet til klemmene I31 , I32på to vendere li og I2 .

Klemmen li 1 og klemmen I22på henholdsvis venderne li og I2er koblet til samlingen E med piezo-elektriske målere. Klemmen i21og klemmen ii 2 på henholdsvis venderne li og I2er begge koblet til inngangen på en forsterker A. Klemmene io 1 og io2på de to venderne er koblet til jord. Det samme synkroniserings-elementet H styrer koblingen av venderne li og I2. Midtklemmene I31og I32blir suksessivt tilkoblet, den første til iii til i2i og io1 og den andre til ii2, i2 2 og iot.

På grunn av de tilveiebrakte forbindelser er det hele tiden en overføringskondensator Ct 1 eller Ct 2 som mottar ladning fra sensorsamlingen E mens den andre blir utladet til kondensatoren C i forsterkeren A.

Likeledes blir reststøy-spenningene fjernet når de passerer gjennom klemmene io 1 og io2. Siden forsterkeren A blir ladet under 2/3 av hver periode av en av de to overføringskonden-satorene Cti eller Ct2, blir det støynivå som måles ved utgangen, uttrykt ved forholdet:

hvor Ct uttrykker den felles kapasitans til kondensatorene Ct 1 og Ct 2 .

Den varianten som er vist på figur 7 vedrører tilpasning av overføringssystemet til to ladningskondensatorer, i det tilfellet hvor sensorsamlingen omfatter to delsamlinger Ei og E2av piezo-elektriske sensorer koblet i serie, hvor den felles klemme til de to delsamlingene er koblet til jord.

En første vender Ii er tilpasset for å forbinde en første overføringskondensator Ct1koblet til dens klemme i31, enten med en klemme ii 1 som er koblet tild en positive klemmen på delsamlingen Ei eller med en klemme i21som er koblet til inngangen på en ladningsforsterker A, eller med klemmen io 1 som er koblet til jord.

En annen vender I2er tilpasset for å forbinde en første klemme på en annen overføringskondensator Ct2(som er koblet til dens midtre klemme i32) enten til en annen klemme ii2som er koblet til jord, eller til en negativ klemme på den andre delsamlingen E2som er koblet til en annen klemme i22, eller med en tredje klemme i32koblet til jord.

En tredje vender I3er anordnet for å forbinde den andre klemmen på den andre overføringskondensatoren Ct2som er koblet til dens midtre klemme i33, enten med en første klemme ii 3 som er koblet til inngangen på forsterkeren A, eller med en annen klemme i23som er koblet til jord, eller med en tredje klemme

io3som også er koblet til jord.

Det samme synkroniseringselement H styrer samtidig om-koblingen av de tre venderne Ii , I2og I3ved en koblingsfrekvens

F.

I betraktning av den benyttede forbindelsesmåte blir den elektriske ladningsoverføring fra den første delsamling Ei til den første overføringskondensator Ct1, fulgt av en overføring til kondensatoren C i forsterkeren A av ladninger som er oppsamlet av den annen overføringskondensator Ct2, idet samtidig omkobling av de tre venderne forårsaker den symmetriske operasjon, hvor den første ladningskondensator Ct1tømmes inn i ladningskondensatoren C og den annen overføringskondensator samler opp ladninger tatt fra den annen delsamling E2.

En brøkdel av hver periode under hvilken de midtre klemmer i31 , i32, i33på de tre'venderne er koblet henholdsvis til klemmene io1, io2, io3blir brukt til utladning, fra overførings-kondensatorene Ct1, Ct2, av reststøy-spenningene.

I denne utførelsesformen blir det ved å bruke den samme forseterkeren, oppnådd en forsterkning av de ladninger som er akkumulert i to grupper med piezo-elektriske sensorer med motsatte polariteter. Her vil igjen den hovedsakelig permanente forbindelse av en overføringskondensator Ct1, eller Ct2til inngangen på forsterkeren, forhindre koblingsstøy.

Den intermitterende kortslutning av overføringskonden-satorene som tilveiebringes ved å bruke trepols-vendere er imidlertid fremdeles en valgmulighet. Uten å avvike fra rammen for oppfinnelsen kan toposisjons-ivendere brukes der overførings-kondensatorene blir koblet alternativt til sensorene og til inngangen på den tilhørende ladningsforsterker.

Claims (5)

1.Fremgangsmåte for å forbedre følsomheten og signal/støy-forholdet for piezo-elektriske transdusere omfattende en parallell-kombinasjon av flere sensorer som hver utgjøres av et følsomt piezo-elektrisk element tilordnet elektroder, og hvor signaler som genereres av sensorkombinasjonen påtrykkes til en elektrisk ladningsforsterker med en ladningskondensator koblet i en tilbakekoblingssløyfe,karakterisert vedat den elektriske kapasitans for kombinasjonen av parallelle sensorer som kan måles ved inngangen til ladningsforsterkeren, reduseres for å redusere den forsterkning som påføres støyen uten å endre den som påføres signalene, ved i suksessive perioder og i rekkefølge å forbinde en overføringskondensator med kapasitans som er meget mindre enn kapasitansen til ladningskondensatoren i forsterkeren, med den parallelle kombinasjon av sensorer, med forsterkerinngangen for sekvensielt å overføre til ladningskondensatoren de elektriske ladninger som akkumuleres av sensorene som reaksjon på krefter som påføres disse, og med jord for å utlade overføringskondensatoren før den på ny forbindes med sensorene.

2. Anordning for å forbedre følsomheten og signal/støy-forholdet for piezo-elektriske transdusere omfattende minst én parallell-kombinasjon av piezo-elektriske sensorer og minst én elektrisk ladningsforsterker utstyrt med en tilbakekoblingskrets som innbefatter en ladningskondensator og med en inngang, karakterisert ved minst én overføringskondensator med kapasitans som er svært meget mindre enn ladningskondensatorens kapasitans, idet overføringskondensatoren er forsynt med en første klemme forbundet med jord og med en andre klemme, minst én vender-anordning for å forbinde den andre klemme med kombinasjonen av piezo-elektriske sensorer, med inngangen på ladningsforsterkeren og med jord, og en synkroniseringsanordning for å styre venderanordningen, hvorved elektriske ladninger som akkumuleres av de piezo-elektriske sensorene, overføres sekvensielt til ladningskondensatoren og ladningskondensatoren utlades til jord før den andre klemmen forbindes på nytt med de piezo-elektriske sensorene.

3. Anordning ifølge krav 2, karakterisert vedat synkroniserings-anordningen omfatter en taktoscillator som avgir et omkoblingssignal hvis frekvens er valgt som en funksjon av bredden til det nyttige passbånd for de signaler som mottas av sensorene, for å tilveiebringe filtrering av de frekvenser som er høyere enn de som befinner seg i passbåndet.

4. Anordning ifølge krav 2, karakterisert vedto overføringskondensatorer som hver har en første klemme permanent koblet til jord og to venderanordninger, og ved at synkroniserings-anordningen er koblet for å tilføre et styresignal til venderanordningen slik at den annen klemme på de to over-føringskondensatorene blir koblet sekvensielt og alternerende til kombinasjonen av sensorer for det første, og til inngangen på ladningsforsterkeren for det annet.

5. Anordning ifølge krav 2, karakterisert vedat kombinasjonen av sensorer omfatter to delsamlinger med parallelle sensorer, idet de to delsamlinger er seriekoblet med sine felles klemmer koblet til jord, og ved at de omfatter to overføringskondensatorer og tre venderanordninger som er slik anordnet at den første kondensatoren har en første klemme permanent koblet til jord og en annen klemme koblet suksessivt til en klemme på den første delsamlingen, til inngangen på ladningsforsterkeren og til jord, og den annen kondensator har en første klemme koblet suksessivt til inngangen på ladningsforsterkeren og til jord ved hjelp av den tredje venderanordningen, og en annen klemme koblet suksessivt til jord og til en klemme på den annen delsamling ved hjelp av den annen venderanordning.