用于具有光学读出的位移传感器的闭合环路控制技术的制作方法
【专利说明】用于具有光学读出的位移传感器的闭合环路控制技术
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求提交于2012年11月2日的美国临时申请N0.61/721，903以及提交于2012年10月11日的美国临时专利申请N0.61/712,652的权益，其所有内容通过引用在此并入。
[0003]本申请还涉及公布于2011年8月11日的美国专利公开号2011/0194711，公布于2011年8月11日的美国专利公开号2011/0194857，授权于2006年10月3日的美国专利号7，116，430，授权于2009年2月3日的美国专利号7，485，847，授权于2003年11月4日的美国专利号6，643，025以及授权于2004年6月22日的美国专利号6，753，969，所有内容通过引用在此并入。
技术领域
[0004]以下部分仅供作为信息参考之用。在本部分所包括的资料不应当被视为是本申请的现有技术。
[0005]在此公开的一些实施方式指向用于地震感测的系统、设备以及方法，例如适于用作地震检波器。地震检波器是一种将地面运动(位移、速度、加速度)转换为可以被记录在例如记录站或是传感器封包内的板上存储器中的电信号(例如，电压)的设备。所测量到的电压较之基准线的偏离被称为地震响应并且被分析从而确定地球的地表下结构。
【背景技术】
[0006]地震检波器可以是无源模拟设备，其包括例如在线圈内移动用以生成电子信号的弹簧安装的磁性物质。一些地震检波器可以基于微机电系统(MEMS)技术，其通过用于保持一小块硅的位置的有源反馈电路来对地面运动生成电子响应。
[0007]线圈/磁铁地震检波器的响应可以与地面速度成正比，而MEMS设备可以与加速度成比例地进行响应。MEMS设备可能较之线圈/磁铁地震检波器而言具有更高的噪音水平并由此限于使用在强烈运动或是活跃地震应用中。
[0008]地震检波器可以使用在反射地震学中用以记录由地下地质所反射的波能量，例如用于定位地下石油或天然气沉积。
【发明内容】
[0009]申请人研发了在此所描述的应用了光学读出技术来测量两种物质相对位移的设备、装置、系统以及方法。这些技术总体上可以被用于获取包括例如运动速率、速度、加速度等的关于这些物体的相对和/或绝对位置和/或运动的信息。
[0010]在示例性的例子中，在此所描述的概念可以被应用在地震传感器(例如，地震检波器)中用以测量由于地面运动而引起的两个质量体之间的相对位移，例如校样质量体(惯性参考框架)以及壳体。本公开的传感器可以被配置为例如具有可以提供相对位移的高敏感度读出的光学探测结构的加速计或是速度传感器。
[0011]传感器的光学探测结构可以包括干涉仪结构，其中来自光源的光被分为至少两个光束并且被导向沿着至少两条不同的路径行进。两条不同的路径可能具有取决于校样质量体和壳体的相对位移的光学路径长度差。光电探测器可以探测到通过合并所分割的光束而产生的干涉图形从而生成指示着干涉图形的信号。通过处理所生成的光学读出信号，有可能是与其它信号进行合并，传感器可以确定指示着校样质量体和壳体的相对位移的位移信息。
[0012]各种技术(例如，闭合环路反馈技术)可以连同光学读出一起用于提供优秀的传感器性能。例如，传感器的输出可以被改变以降低噪声、提供例如所需频率响应曲线的期望的感测性能、增加传感器的带宽、动态范围以及线性、达到临界阻尼、降低DC偏移和功耗、在很宽的信号频率(例如，在对于地震探索有用的低频)上对频率响应进行校准、稳定化以及平整、降低削波恢复时间等。本公开的一些实施方式通过对校样质量体施加反馈力从而调整了传感器的工作点。所述反馈力可以基于所测量到的位移信号并且可以响应于例如地面运动或是校准。
[0013]本公开的至少一个方面指向一种包括壳体的装置。该装置可以包括在壳体内可移动的校样质量体。该装置还可以包括光学传感器。所述光学传感器可以被配置为生成指示着校样质量体和壳体的相对位移的位移信号。
[0014]在一个实施方式中，光学传感器包括一个或多个光学元件。光学元件可以被配置为生成指示着校样质量体和壳体的相对位移的光学干涉图形。
[0015]在一个实施方式中，该装置包括安装在壳体和校样质量体之一上的衍射光学元件。该装置还可以包括在壳体和校样质量体中的另一个之上的反射元件。该装置还可以包括配置为照亮光学元件和镜子的光源。该装置还可以包括一个或多个配置为探测干涉图形并且生成位移信号的探测器。可以通过从反射元件和衍射元件入射的合并光生成干涉图形。
[0016]在一个实施方式中，该装置包括配置为影响壳体和校样质量体的相对运动的电磁设备。所述相对运动至少部分基于位移信号而被影响。
[0017]在一个实施方式中，该电磁设备包括线圈。该线圈可以形成至少部分校样质量体。
[0018]在一个实施方式中，该装置可以包括配置为在壳体内提供磁场的磁体。
[0019]在一个实施方式中，该磁体包括永久磁体。
[0020]在一个实施方式中，该装置可以包括将校样质量体耦合到壳体的悬置系统。
[0021]在一个实施方式中，该悬置系统可以包括一个或多个弹簧。
[0022]在一个实施方式中，所述一个或多个弹簧可以包括十字形弹簧。
[0023]在一个实施方式中，所述校样质量体可以包括在核芯元件周围放置并且可以沿着核芯元件自由滑动的绕线筒。
[0024]在一个实施方式中，所述绕线筒由基本上非导电的材料制成。
[0025]在一个实施方式中，所述反射元件和衍射元件为面对彼此放置的平面组件。
[0026]在一个实施方式中，该装置可以包括至少一个配置为控制平面组件相对定向的致动器。
[0027]在一个实施方式中，该装置可以包括一个或多个配置为当存在机械冲击时防止平面组件彼此接触的设备。
[0028]在一个实施方式中，该平面组件之间间隔距离约为光学传感器所使用的光波长的50倍。
[0029]在一个实施方式中，该装置可以包括至少两个配置为生成位移信号的光学传感器。所述位移信号可以指示着校样质量体和壳体的相对位移。
[0030]在一个实施方式中，衍射元件配置为抑制光在反射元件和衍射元件之间多次反射。
[0031]在一个实施方式中，该装置配置为在相对于重力方向的任何空间定向上进行操作。
[0032]本公开的至少一个方面指向一种地震节点。该地震节点可以包括至少一个地震传感器，其可以包括该装置的一个实施方式。
[0033]在一个实施方式中，该至少一个地震传感器包括至少三个地震传感器，其中每个都与其它的传感器横向定位。
[0034]在一个实施方式中，该地震节点为自主海底节点。
[0035]本公开的至少一个方面指向一种方法。该方法包括提供该装置的一个实施方式并且测量校样质量体和壳体的相对位移。
[0036]在一个实施方式中，该方法包括将壳体耦合到地面。该方法可以包括至少部分基于测量校样质量体和壳体的相对位移而探测地震运动。
[0037]本公开的至少一个方面指向一种用于地震信号探测的系统。该系统可以包括该装置的一个实施方式。该系统还可以包括配置为或是设计为提供电信号到线圈的电子线路。
[0038]在一个实施方式中，该系统的数字信号处理器与地震传感器进行通信。
[0039]在一个实施方式中，输入到线圈的电流由低频调谐分量和动态分量组成。
[0040]在一个实施方式中，输入到线圈的电流由所测量到的光学信号来确定。
[0041]在一个实施方式中，输入到线圈的电流导致了与作用于线圈上的重力相反的力。
[0042]本公开的至少一个方面指向一种包括壳体以及在壳体内可移动的校样质量体。在一些实施方式中，该装置包括配置用以生成指示着校样质量体和壳体的相对位移的信号的光学传感器。该装置可以包括配置用以影响壳体和校样质量体的相对运动的电磁设备。该装置可以包括配置为控制电磁设备的控制系统。该控制系统可以至少部分基于指示着校样质量体和壳体的相对位移的信号来控制该电磁设备。
[0043]在一个实施方式中，光学传感器包括一个或多个光学元件。所述光学元件可以被配置为生成指示着校样质量体和壳体的相对位移的光学干涉图形。
[0044]在一个实施方式中，该装置包括安装在壳体和校样质量体之一上的衍射光学元件。该装置可以包括在壳体和校样质量体中另一个上安装的反射元件。该装置可以包括配置为照亮光学元件和镜子的光源。该装置可以包括一个或多个配置为探测干涉图形并生成指示着校样质量体和壳体的相对位移的信号的探测器。该干涉图形可以通过从反射元件和衍射元件入射的合并光生成。
[0045]在一个实施方式中，控制系统包括闭合环路反馈控制系统。该闭合环路反馈控制系统的错误信号可以至少部分基于指示着校样质量体和壳体的相对位移的信号。
[0046]在一个实施方式中，该闭合环路反馈控制系统可以包括ro控制器或是PID控制器。
[0047]在一个实施方式中，该控制系统配置为有选择地控制电磁设备从而影响校样质量体和壳体的相对位移。该控制系统可以影响该相对位移从而使得壳体内的校样质量体的运动对应于过阻尼振荡器。
[0048]在一个实施方式中，指示着校样质量体的相对位移的信号是作为相对位移的函数的周期性信号。该周期性信号可以包括多个边纹。该控制系统可以配置为将校样质量体和壳体的相对位移锁定在对应于单一边纹的范围内。
[0049]在一个实施方式中，单一边纹包括最接近地对应于校样质量体和壳体的机械零位的边纹。
[0050]在一个实施方式中，该控制系统配置为有选择地切换闭合环路控制系统的极性从而使得系统从锁定到第一边纹的第一状态移动到锁定到第二边纹的第二状态。所述第二边纹相对于第二边纹而言可以对应于更为接近校样质量体和壳体系统的机械零位的位置。
[0051]在一个实施方式中，该控制系统配置为通过对电磁设备施加信号或是通过机械地致动校样质量体来改变系统所锁定的边纹。
[0052]在一个实施方式中，该控制系统配置为通过挂起闭合环路控制一段时间并且接着恢复闭合环路控制来改变系统所锁定的边纹。
[0053]在一个实施方式中，该电磁设备可以包括形成至少部分校样质量体的线圈。
[0054]在一个实施方式中，该装置包括配置为在壳体内提供磁场的磁体。
[0055]在一个实施方式中，干涉图形可以包括零阶峰值以及一个或多个更高阶峰值。所述一个或多个探测器可以包括配置为探测零阶峰值强度的第一探测器。该装置可以包括至少一个配置为探测第二阶峰值的第二探测器。
[0056]在一个实施方式中，指示着校样质量体和壳体的相对位移的信号至少部分基于来自第一探测器和第二探测器的信号差而生成。
[0057]在一个实施方式中，利用独立的各个放大器对来自第一探测器和第二探测器中的每一个的信号进行放大。
[0058]在一个实施方式中，该独立的各个放大器可以包括可变增益放大器。
[0059]在一个实施方式中，该装置可以包括用于探测校样质量体和壳体的相对位置的第二传感器。该第二传感器可以具有较光学传感器而言小的空间解析度，然其大于光学传感器所使用的光的波长。
[0060]在一个实施方式中，该装置可以包括配置用以确定校样质量体和壳体的相对定向的定向传感器。可以基于来自定向传感器的信号至少部分地控制光学传感器的操作。
[0061]在一个实施方式中，该定向传感器包括配置用以生成指示着该装置的倾斜角的信息的传感器。
[0062]在一个实施方式中，该装置包括致动器。基于来自定向传感器的信号对该致动器进行控制。所述致动器可以配置为致动校样质量体和壳体的相对位移从而影响光学传感器的性能。
[0063]在一个实施方式中，该装置被配置为相应于重力方向的任意方向上工作。
[0064]在一个实施方式中，控制系统包括至少一个数字信号处理器。
[0065]本公开的至少一个方面指向一种包括至少一个包含了该装置一个实施方式的地震传感器的地震节点。
[0066]在该地震节点中，所述至少一个地震传感器