单分量地震检波器的制作方法

本发明涉及一种地球物理勘探工具，尤其是地震勘探用的单分量地震检波器。

背景技术：
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地震勘探法目前仍然是在陆地和海洋勘探石油和天然气的主要手段，同时也是其他矿产资源的重要勘探方法，并广泛应用于研究地球内部结构、工程勘探和检测、地质灾害预测等等方面。地震勘探中用来直接拾取地震振动,并将振动转换为符合仪器记录系统需要的能量形式的仪器，称为地震检波器。目前应用于地震勘探领域中几种典型的地震检波器有：(1)动圈式地震检波器，利用线圈在地面振动时切割磁感线，产生感应电动势，通过测量感应电动势的变化来检测地震波。(2)压电式地震检波器，利用压电材料的压电、压阻效应，通过质量块敏感惯性力，使材料的电压或电阻产生相应的变化，通过测量输出的电压来检测地震波。(3)MEMS电容式地震检波器，利用MEMS技术微型化、低功耗等特点，采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应地动加速度，再将电容变化转化为可输出的电压信号，通过测量电压信号来检测地震波。(4)电化学地震检波器，典型的电化学地震检波器以液态的电解液(通常是碘化钾和碘的水溶液)作为惯性质量，电解液被2片橡胶膜密封在有机玻璃管道中。由多孔电极和绝缘层叠加形成的敏感核心被固定在管道的中心位置，当电解液受外界震动，在电极附近形成对流将引起电极附近离子浓度的变化，从而使电极电流输出产生相应的改变，通过电路将输出电流转换为电压信号，通过测量输出的电压来检测地震波。(5)光纤Bragg光栅地震检波器,利用光栅的波长调制原理,即利用外界的微扰振动来改变光栅的栅距,再转化为对应的波长变化量，通过检测波长的变化来测量加速度的大小。

主要用于天然地震观测的机械摆式地震检波器，最近也偶尔被用于深部的地震勘探，但是这种地震检波器虽然在低频检波部分有着明显的优势，但是其复杂的机械工艺，极高的机械检测要求，在实际野外勘探中，埋置要求非常高，需要良好的地面耦合平台，检波器需要解锁摆，调零居中，较长的系统稳定时间，都不利于野外施工；

上述几种典型的地震检波器中，动圈式地震检波器频带窄、动态范围小、失真度大、抗电磁干扰能力不足；压电式检波器的核心部件-压电晶片的加工要求很高，国内在压电晶体方面加工工艺的原因，检波器的一致性不好，而且使用寿命较短；MEMS电容式地震检波器中器件含各种复杂MEMS微结构，工艺复杂、成品率低、成本高，输出信号微弱，对检测电路要求苛刻；电化学地震检波器采用铂丝网状电极与多孔陶瓷薄片和陶瓷管组装而成，器件体积大、工艺复杂、成本高、电极一致性差、批量化生产能力差；光纤Bragg光栅地震检波器涉及到光学、机械学、电子检测等，整个检波器比较复杂，加工工艺难度大、成本高。

技术实现要素：
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本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种单分量地震检波器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

单分量地震检波器，是由圆筒形外壳5的下端通过螺纹固定在底座4之上，外壳5的上端通过螺纹盖有上端盖7，上端盖7的中间设有信号线孔8，外壳5内设有固定在底座4之上的弹簧1，弹簧1上端装有磁体2，信号线6穿过信号线孔8与外壳5内的巨磁阻传感器3连接构成。

磁体2与巨磁阻传感器3之间的距离为2--2.50mm。

磁体2采用稀土永磁体，磁场强度为0.2T。

磁体2的上部为N极，下部为S极。

巨磁阻传感器3在外壳5内通过信号线6和上端盖7的螺纹限位。

有益效果：本发明的单分量地震检波器最低频率能达到6Hz，与现有的应用于地震勘探领域中的动圈式地震检波器、压电式地震检波器、MEMS电容式地震检波器、电化学地震检波器、光纤Bragg光栅地震检波器和用于天然地震观测的机械摆式地震检波器等几种主要地震检波器相比：在低频区间惯性质量体的增加不明显，具有极好的一致性和稳定性，具有极长的使用寿命。可有效的抑制自噪声，具有很好的环境温度适应能力。具有体积小，不易损坏，制造成本低，制造工艺简单，成品率高，输出信号强，功耗低，使用方便，易于功能升级等优点。

附图说明

图1为单分量地震检波器结构图

图2为单分量地震检波器弹簧-质量体模型

图3为有阻尼系统模型，x为检波器外壳随地面运动的位移，y为惯性质量体相对于摆体的运动位移，则惯性质量体相对于检波器外壳的运动位移^z

图4为单分量地震检波器硬件系统结构框图

图5为有阻尼和无阻尼(B_t＝0)系统的幅频特性和相频特性图

1弹簧，2磁体，3巨磁阻传感器4底座，5外壳，6信号线，7上端盖，8信号线孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

单分量地震检波器，是由圆筒形外壳5的下端通过螺纹固定在底座4之上，外壳5的上端通过螺纹盖有上端盖7，上端盖7的中间设有信号线孔8，外壳5内设有固定在底座4之上的弹簧1，弹簧1上端装有磁体2，磁体2采用稀土永磁体，磁场强度为0.2T；磁体2的上部为N极，下部为S极；磁体2与巨磁阻传感器3之间的距离为2—2.5mm。信号线6穿过信号线孔8与外壳5内的巨磁阻传感器3连接，巨磁阻传感器3在外壳5内通过信号线6和上端盖7的螺纹限位。

图1为单分量地震检波器结构图。弹簧片与磁铁体组合成惯性质量体，传感器遇到外界震动时，弹簧会相应产生震动，磁铁就会在在有机玻璃管中上下震动，圆筒形外壳5内的磁场也发生了相应的变化，然后用GMR探头进行检测。

图2所示为弹簧-质量体模型。综合考虑选择已有的2Hz动圈式检波器的弹簧作为分析对象，质量体选用稀土永磁体。设惯性质量体(稀土永磁体)的质量为m，弹簧的弹性系数为k，地面振动引起传感器外壳产生向上的运动位移为x，惯性质量体的运动位移为y。

弹簧-质量体模型的运动方程可以表示为：

$m\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}=-ky+m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}---\left(1\right)$

将系统作为零状态系统，对式1作拉普拉斯变换，得：

ms²Y(s)＝-kY(s)+mX(s) (2)

则该模型的传递函数为：

$\frac{Y\left(s\right)}{X\left(s\right)}=\frac{s^2}{s^2+\frac{k}{m}}---\left(3\right)$

永磁体的质量m为9.2492g，弹簧的弹性系数为k为9.11，则

$\frac{Y\left(s\right)}{X\left(s\right)}=\frac{s^2}{s^2+\frac{k}{m}}=\frac{s^2}{s^2+984.95}---\left(4\right)$

图3为有阻尼系统模型，x为检波器外壳随地面运动的位移，y为惯性质量体相对于摆体的运动位移，则惯性质量体相对于检波器外壳的运动位移z：

z＝x-y (5)

有阻尼模型的运动方程为：

$m\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}=-kz-\mathrm{\η}\frac{d^{2}z}{{\mathrm{dt}}^2}---\left(6\right)$

由式5、式6可得：

$m\frac{d^{2}z}{{\mathrm{dt}}^2}+kz+\mathrm{\η}\frac{d^{2}z}{{\mathrm{dt}}^2}=-m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}---\left(7\right)$

对式7进行拉氏变换，整理可得系统对输入位移的传递函数：

$H\left(s\right)=\frac{Z\left(s\right)}{X\left(s\right)}=\frac{-s^2}{s^2+\frac{\mathrm{\η}}{m}s+\frac{k}{m}}---\left(8\right)$

设固有角频率为ω₀，阻尼比为B_t，令则：

$H\left(s\right)=\frac{Z\left(s\right)}{X\left(s\right)}=\frac{-s^2}{s^2+2B_t{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}=\frac{-s^2}{s^2+62.768B_{t}s+984.95}---\left(9\right)$

图4为有阻尼和无阻尼(B_t＝0)系统的幅频特性和相频特性图。该模型具有高通特性。对于弹簧-质量体模型(无阻尼，B_t＝0)，频率在4Hz以下的信号，其输出信号随频率的减小而减小；对于频率在6Hz以上的信号，能较好地通过；由于该模型处于无阻尼的状态，弹簧的固有频率为5Hz，频率在4Hz～6Hz之间的信号会引起弹簧的共振，使得输入信号处于放大状态。对于有阻尼模型，B_t为0.707时，为最佳阻尼比，此时幅频特性曲线最平坦。

图5中为震动传感器硬件系统结构框图。

1GMR传感器，2低通滤波电路，3放大电路，4A/D转换模块，5单片机系统，6LabVIEW界面显示，7RS232通讯方式。

GMR传感器1由高灵敏度、低功耗、低成本、使用范围宽以及性价比高的GMR型传感器芯片SS501A构成，将磁场的变化转换为电信号输出；滤波电路由OP27和RC电路组合成二阶低通滤波电路对信号进行滤波，放大电路3由仪用放大器INA128构成对信号进行放大。信号采集系统②由A/D转换模块和STC12C5A16S2单片机组成，A/D转换模块4将模拟电压信号转换成数字电压信号，再传送至STC12C5A16S2单片机系统5，将数据发送出来与上位机进行通讯；RS232通讯模块7与PC上位机实现串口通信，在计算机上进行LabVIEW界面显示6。

实施例1

单分量地震检波器，是由圆筒形外壳5的下端通过螺纹固定在底座4之上，外壳5的上端通过螺纹盖有上端盖7，上端盖7的中间设有信号线孔8，外壳5内设有固定在底座4之上的弹簧1，弹簧1上端装有磁体2，磁体2采用稀土永磁体，磁场强度为0.2T；磁体2的上部为N极，下部为S极；磁体2与巨磁阻传感器3之间的距离为2mm。信号线6穿过信号线孔8与外壳5内的巨磁阻传感器3连接，巨磁阻传感器3在外壳5内通过信号线6和上端盖7的螺纹限位。

实施例2

单分量地震检波器，是由圆筒形外壳5的下端通过螺纹固定在底座4之上，外壳5的上端通过螺纹盖有上端盖7，上端盖7的中间设有信号线孔8，外壳5内设有固定在底座4之上的弹簧1，弹簧1上端装有磁体2，磁体2采用稀土永磁体，磁场强度为0.2T；磁体2的上部为N极，下部为S极；磁体2与巨磁阻传感器3之间的距离为2.2mm。信号线6穿过信号线孔8与外壳5内的巨磁阻传感器3连接，巨磁阻传感器3在外壳5内通过信号线6和上端盖7的螺纹限位。

实施例3

单分量地震检波器，是由圆筒形外壳5的下端通过螺纹固定在底座4之上，外壳5的上端通过螺纹盖有上端盖7，上端盖7的中间设有信号线孔8，外壳5内设有固定在底座4之上的弹簧1，弹簧1上端装有磁体2，磁体2采用稀土永磁体，磁场强度为0.2T；磁体2的上部为N极，下部为S极；磁体2与巨磁阻传感器3之间的距离为2.5mm。信号线6穿过信号线孔8与外壳5内的巨磁阻传感器3连接，巨磁阻传感器3在外壳5内通过信号线6和上端盖7的螺纹限位。