专利名称：电磁式大功率浅层地震可控震源系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可控非炸药震源，明确地讲是一种电磁式大功率浅层地震可控震源系统，属于地震勘探用的震源发生装置技术领域。
背景技术：
可控震源便是以克服炸药震源的缺陷为目的而发展起来的一种非炸药震源。国外从1952年开始研究液压驱动车载式可控震源，其信号频率扫描范围在6～180Hz，最大输出力为几十KN。经过几十年的发展完善，现在液压驱动的可控震源已成为国外油气勘探领域的主要震源，使用率高达70％以上。但由于其驱动方式导致的系统扫描频率低以及野外工作笨重等原因，越来越难以适用于浅层高分辩率地震勘查的要求。
发明内容
本发明公开一种电磁式大功率浅层地震可控震源系统，解决了现有可控震源驱动方式导致的系统扫描频率低以及野外工作笨重等问题。
本发明的技术解决方案电磁式大功率浅层地震可控震源系统由主控机箱和激震体两部分组成。其中，主控机箱负责人机交互、扫描信号的产生及放大、震动信号的质量监测与控制等功能；激震器实现电能向机械能的转化。
主控机箱中工控PC机的总线接口单元使DDS产生脉冲信号，触发计数器使波形存储器释放数字波形，经数模转换和滤波器滤波，送入前级放大器经功放驱动送入激震器的动圈产生震动，震动信号通过基板传入地下，由传感器拾取震动信号与PC机中的预定波形进行比较，并形成闭环控制回路；激震器利用电磁驱动原理，采用配重倒置结构，实现可控震源能量向大地的最佳传输；激震体由动圈、铁芯、磁钢、磁极板、配重、基板以及外罩等部分组成，其中，动圈骨架上部直接和激振器承重杆相连，动圈处于铁芯和磁极板之间的工作气隙中，动圈由二组激震弹簧支持，构成激振器的可动部件；激震弹簧一端固定在配重上，基板与产生永磁场的磁极板相连，在电磁场推动动圈上下震动的同时，也会对基板产生一个反作用力使其连续的“推拉”弹性地面，即产生地震波。
当功率放大器供给动圈可变频率电流时，根据电磁感应定律，可以得到F＝0.102BLI×10-4(1)F0＝0.102BLI0×10-4(2)式中F为电磁感应力(牛顿)，即通常所谓的激振力；F0为激振力F的幅值(牛顿)，即所谓的最大激振力；B为工作气隙中平均磁感应强度(高斯)；I为功率放大器供给的电流瞬时值(安培)；
I0为电流I的幅值(安培)；L为切割磁力线的线圈的导线的有效长度(米)。
由(1)、(2)可得到α＝F/I＝F0/I0＝0.102BL×10-4(3)对于激振器而言，B、L均为常数，故α即为定值，通常称α为激振器的力常数。
本发明的积极效果在于设计完成了电磁驱动且支持任意波形扫描的高频可控震源系统，不仅具有液压可控震源所具有的安全、信号的可重复性等优点，而且通过对其驱动方式的改变，提升了信号的扫频范围，达到5～1400Hz，完全可以满足浅层高分辨率地震勘探的需求。并充分考虑野外的实际工作环境，通过对系统结构的优化设计，达到了野外施工轻便化、实用化的要求。
图1为本发明结构原理框图。
图2为信号发生卡信号幅度调节电路原理图。
1～吊运提环、2～外罩、3～配重壳体、4～激震弹簧、5～承重弹簧、6～动圈、7～磁钢、8～磁极板、9～配重、10～承重杆、11～铁芯、12～基板、13～晶振时钟、14～DDS、15～触发器、16～计数器、17～EEPROM、18～数/模转换、19～信号滤波、20～信号幅度调节、21～前级放大、22～功放驱动、23～功率放大输出、24～状态指示、25～控制逻辑、26～过流过压过温保护、27～振动传感器、28～信号调整、29～数据采集、30～相位检测、31～PC-EISA总线接口单元、32～控制算法、33～PC机、34～同步触发单元、35～键盘、36～液晶屏、37～DAC0808。
具体实施例方式参照附图1，主控机箱主要包括伺服系统③、信号发生卡①、功率放大部件②，在伺服系统③中，带有工控PC机的信号总线，通过控制信号发生卡①，实现扫描波形输出的同时，它还负责根据当前设定的系统工作环境以及由从激震器④的基板反馈回来的信号进行相位实时控制，使基板12信号与驱动信号的相差控制在一定范围以内；并通过系统同步触发单元34，向地震波观测仪器提供有效的同步触发协议；通过键盘35、液晶屏36实现人机交互。
信号发生卡①由晶振时钟13、DDS AD7008 14、数/模转换器18以及信号滤波器19等组成，由该卡可以输出任意波形、较宽频率范围和幅值可选的信号，分别用于不同的地震勘探场合。
功放部分实现对信号发生卡的扫描信号进行放大，以达到对激震器的足够驱动能力。
晶振时钟13和DDS 14具有直接输出线形变频正弦信号的能力，但考虑到实际勘探方法的多样性，在DDS 14与模/数转换器18之间增加了触发器15、16位计数器16和64K EEPROM 17、信号幅度调节20等部件。控制系统根据需要实时控制DDS 14输出满足频率要求的正弦波，然后用触发器15将该正弦波整形至相同频率的方波，将该方波作为16位计数器16的计数脉冲输入，并将该计数器产生的计数值作为64K EEPROM存储器17的地址控制信号，该存储器内预先装有满足勘探要求的扫描波形。这样，该信号发生器即具有高精度的频率可控性，又可以输出任意的扫描波形。
由于以上DDS技术只能输出单一幅度的信号，难以满足实际扫描工作的需要，因此在DDS的输出端又设计了信号幅度调节电路(见图2所示)。这样DDS AD7008的数字信号经过DAC0832的数模转换18以后，再由8位DAC0808 37对其幅度进行调节，使其输出的电压信号为DAC0832数模转换18的输出提供静态工作点，从而使信号发生卡输出的信号能够进行256级的幅度精确控制。
可控震源功率放大电路由前极放大21、功放驱动22和功率放大输出23三部分组成。为满足系统大动态、低失真率以及高转换速率等要求，其驱动级和输出级均采用分立元件。
前级放大器21由三片μA741构成2到3级放大电路来实现，其中一片作为反向器，通过开关切换，实现输入与输出信号半波相差的要求。功放驱动22由两只三极管组成互补式共基极放大电路。功放输出23由26只三极管构成对称的甲乙类功率放大器。采用过流、过压、过温保护电路26保证整个功放电路安全、可靠的工作。
高频的电磁激震体是将电能转换为机械能的一种电动装置，它是可控震源设计思想的最终体现。因此，激震体的性能直接影响着可控震源扫描信号的质量。由于应用了高磁能材料钕铁硼(Nd-Fe-B)，该电磁式激振器具有推重比大、体积小、激振力对电源的非线性小以及响应频率高等特点。激震体由动圈6、铁芯11、磁钢7、磁极板8、配重9、基板12以及外罩2等部分组成(见图1所示)。其中动圈6骨架上部直接和激振器承重杆10相连，动圈6处于铁芯11和磁极板8之间的工作气隙中，动圈6由二组弹簧支持，构成激振器的可动部件。弹簧本身固定在配重9上，当功率放大器供给动圈可变频率电流时，由电磁感应定律，在动圈周围便会产生对应的交变磁场，此磁场与恒定的磁极板磁场相互作用，促使动圈带动壳体按给定的信号震动。
配重9直接与高能激震器动圈6相连，基板12与产生永磁场的磁极板8相连，在电磁场推动动圈上下震动的同时，动圈6也会对基板12产生一个反作用力使其连续的“推拉”弹性地面，即产生地震波。
权利要求
1.一种电磁式大功率浅层地震可控震源系统，由主控机箱和激震体两部分组成，其特征在于主控机箱中工控PC机(33)的总线接口单元(31)使DDS(14)产生脉冲信号，触发计数器(16)使波形存储器(17)释放数字波形，经数模转换(18)和滤波器(19)滤波，送入前级放大器(21)经功放驱动(22)送入激震器的动圈(6)产生震动，震动信号通过基板(12)传入地下，由传感器(27)拾取震动信号与PC机(33)中的预定波形进行比较，并形成闭环控制回路；激震体采用配重倒置结构，激震体由动圈(6)、铁芯(11)、磁钢(7)、磁极板(8)、配重(9)、基板(12)以及外罩(2)等部分组成，其中，动圈(6)骨架上部直接和激振器承重杆(10)相连，动圈(6)处于铁芯(11)和磁极板(8)之间的工作气隙中，动圈(6)由二组激震弹簧(4)支持，构成激振器的可动部件；激震弹簧(4)一端固定在配重(9)上，基板(12)与产生永磁场的磁极板(8)相连，在电磁场推动动圈(6)上下震动的同时，也会对基板(12)产生一个反作用力使其连续的“推拉”弹性地面，即产生地震波。
全文摘要
本发明公开一种电磁式大功率浅层地震可控震源系统,由主控机箱和激震体两部分组成。主控机箱中工控PC机使DDS产生脉冲信号,触发计数器、波形存储器释放数字波形,经数模转换和滤波,送入功放驱动激震器产生震动传入地下,由传感器拾取震动信号与PC机中的预定波形进行比较,并形成闭环控制回路;激震器利用电磁驱动原理,采用配重倒置结构,实现可控震源能量向大地的最佳传输;本系统不仅具有液压可控震源所具有的安全、信号的可重复性等优点,而且通过对其驱动方式的改变,提升了信号的扫频范围,达到5～1400Hz,完全可以满足浅层高分辨率地震勘探的需求。充分考虑野外的实际工作环境,通过对系统结构的优化设计,达到了野外施工轻便化、实用化的要求。
文档编号G01V1/02GK1343891SQ0112814
公开日2002年4月10日 申请日期2001年9月5日 优先权日2001年9月5日
发明者林君, 陈祖斌, 于生宝, 张子三, 梁铁成 申请人:吉林大学