一种低失真全向地震检波器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种低失真全向地震检波器，包括外壳、上顶盖、下顶盖、惯性体系统、磁系统；惯性体系统包括上线圈、下线圈、调重线圈；磁系统包括磁体、上极靴、下极靴、补偿环。将上极靴远离磁体的端面记为端面A，下极靴远离磁体的端面记为端面B，上线圈远离磁体的端面记为端面C，下线圈远离磁体的端面记为端面D，端面C和端面D位于端面A和端面B之间。将地震检波器按比例放大或缩小，使端面A和端面B之间的距离HAB基准化为HAB＝25.4mm时，端面C和端面A、端面D和端面B之间的距离满足0.6mm≤SCA＝SDB≤3mm。本发明通过限定线圈端面到极靴端面的距离，使检波器失真度得到了很大的改善，同时对灵敏度的影响极小。
【专利说明】
一种低失真全向地震检波器
技术领域
[0001]本发明涉及一种地震检波器，尤其涉及一种用于复杂地况(诸如地下、海洋等难以正确埋置)勘探、地震测量和工程测量的内磁感应式全向地震检波器。
【背景技术】
[0002]随着地球物理勘探向深海、深部层系及复杂地况延伸，为解决埋置及复杂的耦合问题，行业内出现了规格、种类繁多的全向地震检波器。但随之而来的问题是现有的全向地震检波器无法提供更高的勘探分辨率，原本很有前景的全向技术在应用上受到了很大的限制:现有技术无法在全向地震检波器的失真上取得突破，其谐波失真都在< 0.6 %?0.9 %(17.8mm/s激励)范围，这就无法实现高精度勘探(一般来讲，失真度越低的检波器其分辨率越高，也就越有利于分辨淹没在低频强噪声中的弱小高频信号，也就是说有更大的动态范围)；另一方面，高分辨率勘探又有更广泛的市场需求，按照国内外同行业的技术和装备的发展趋势，以及海洋勘探的迫切要求，低失真全向地震检波器的需求是不可估量的。
[0003]由于弹性材料的固有特性和惯性体质量受地球引力等自然现象，使得弹性材料所承载的惯性体在全向角度范围内相对于磁系统的磁中心，除定义的对称位移工作角度(例如水平位置)外，均为非对称位移工作。这种自然现象，容易产生诸如频率、灵敏度指标的非对称允差和谐波失真增大(谐波失真是以一个输入频率会产生谐波为特征的一种非线性失真)。
[0004]一般来说，当自然频率超过18Hz时，地震检波器在全向角度采集和检测震源信号均可获得满意的数据；当自然频率低于18Hz，地震检波器能够在全向角度工作的自然频率在1Hz?18Hz之间，但随着自然频率的降低，全向角度的频率允差、灵敏度允差、谐波失真等指标将明显增大。过去几十年，人们主要对自然频率为13Hz?15Hz的全向地震检波器进行研究，但无论选择多大的自然频率，所追求的目标都是自然频率尽可能的小，指标允差尽可能的窄、谐波失真尽可能的低。
[0005]图1为现有技术的全向地震检波器的结构示意图，分为结构、磁路和电路三部分。分解如下:
[0006]1、结构:
[0007](I)构件:①一个磁系统。沿轴向自下至上，下极靴123帽内嵌入磁体115的下端;磁体115上端嵌入上极靴113帽内；上极靴113上端面放有绝缘片108。②一个惯性体系统。沿轴向自下至上，下线架118绕有下线圈117;下线架118与上线架111粘结的中间部位绕有调重线圈116;上线架111绕有上线圈112;下线架118下端嵌有下弹簧片121和下卡环124;上线架111上端嵌有上弹簧片110和上卡环102。
[0008](2)构成及原理:磁系统置于惯性体系统内，由下顶盖119、上顶盖101(下顶盖119和上顶盖101分别顶入下极靴123和上极靴113的盲孔内)和外壳125组成地震检波器。地震检波器内的惯性体系统由惯性体上的上弹簧片110和下弹簧片121—起携带惯性体，相对于磁系统上下相对移动，接收震动信号。
[0009]2、磁路:(1)组成:磁路由磁系统和外壳125，以及由磁系统与外壳125之间形成的环形气隙磁场组成。
[0010](2)原理:惯性体上通过正、反绕制的上线圈112和下线圈117，由上弹簧片110和下弹簧片121—起携带，相对于磁系统在环形气隙磁场内上下移动，接收震动信号，切割磁力线，感应出以灵敏度和失真度为标量指标的电信号，由地震检波器的电路输出。
[0011]3、电路:接线柱104和接线柱105分别为地震检波器电信号输出的2个电极。电信号的电路回路是:接线柱104锡焊于上内接触簧片103 ；上内接触簧片103再与上极靴113、磁体115、下极靴123、下弹簧片121依序相继接触;下弹簧片121锡焊下线圈117的下出线端;下线圈117上出线端绝缘通过调重线圈116表面与上线圈112下出线端连通;上线圈112上出线端锡焊于上弹簧片110上；上弹簧片110通过绝缘片108与上极靴113绝缘隔离，并与上外接触簧片107接触;上外接触簧片107锡焊于接线柱105。
[0012]结合上述全向地震检波器的构成和原理，目前人们认为引起谐波失真的原因主要有两方面:一是由弹性材料产生的谐波失真，称之为弹性失真;二是由磁材料产生的谐波失真，称之为磁场失真。
[0013]一、对于弹性失真:
[0014]众所公认地震检波器的簧片是产生弹性失真的原因，因而已研制了几种不同的地震检波器簧片的结构，试图减小额外谐波的产生，包括在美国专利号US5555222和US4623991中公开的簧片。虽然在减小谐波失真方面多少有些成效，但新研制的簧片不能完全解决问题，且残余失真对输入信号的分辨率有明显的影响。而对于全向工作的自然频率为1Hz?18Hz的地震检波器来说，由于受地球引力影响产生的不对称，要使之进一步突破还有待研究。
[0015]二、对于磁场失真:
[0016]磁场失真是由于在全向工作角度内，无法保证地震检波器的线圈与磁场垂直切割磁力线或处于均匀的平行磁场内所引起的。
[0017]为了获得高灵敏度的有效输出，几乎所有的设计都以磁中心对称为原则尽可能大的扩大线圈长度与极靴长度的比例(其中极靴长度是从与磁体接触的一端到该极靴相对的那一端的长度)，但这样带来的后果是谐波失真很大。图1是现有技术的全向地震检波器的结构示意图，线圈长度明显大于极靴长度，这类结构的全向地震检波器的真实失真雷达图如图2A和图2B，谐波失真很大(谐波失真< 0.8 %，17.8mm/s激励)。
[0018]美国专利US5469408(ZL95195123.8)，使用了线圈长度小于极靴长度的设计。但该技术没有考虑到自然频率为1Hz?18Hz的地震检波器在全向工作环境下，线圈相对于磁中心的不对称性对谐波失真的影响，而仅是针对地震检波器在垂直或水平固定角度工作时，使线圈的相对位移以磁中心对称，并且线圈的相对位移很小(峰-峰位移< 2mm)，以便最大限度的利用均匀磁场，达到降低失真度的目的。该专利中给出了其所提供的地震检波器在最佳位置时的谐波失真图，谐波失真的典型值为0.02%。人们在该技术带来的启示下，尝试不断地增大线圈相对于磁中心的相对位移，以期降低全向地震检波器的谐波失真，但是效果很不理想，始终未能找到使谐波失真显著降低的临界点，无法满足全向地震检波器对谐波失真的要求。
【发明内容】
[0019]为解决上述背景中全向地震检波器谐波失真高的问题，本发明提供了一种低失真全向地震检波器。
[0020]本发明的设计思想是地震检波器在任意角度工作时，使线圈的相对位移以磁中心对称，对均匀磁场的利用留有更大冗余的设计，能够在对地震检波器的灵敏度几乎没有影响的情况下获得显著降低谐波失真的效果。
[0021]本发明的技术方案是:
[0022]—种低失真全向地震检波器，包括外壳、上顶盖、下顶盖、惯性体系统、磁系统;所述惯性体系统包括上线圈、下线圈、调重线圈；所述磁系统包括磁体、上极靴、下极靴、补偿环;所述上极靴远离磁体的端面记为端面A，下极靴远离磁体的端面记为端面B;上线圈远离磁体的端面记为端面C，下线圈远离磁体的端面记为端面D;其特殊之处在于:所述端面C和端面D位于端面A和端面B之间;将地震检波器按比例放大或缩小，使所述端面A和端面B之间的距离Hab基准化为Hab = 25.4mm时，端面C和端面A之间的距离、端面D和端面B之间的距离满足0.6mm < Sca=Sdb < 3mm。
[0023]上述sCA=Sdb= 1.1mm时效果最佳，谐波失真降至最低。
[0024]上述地震检波器适用于自然频率为1Hz?18Hz的全向角度工作环境。
[0025]上述地震检波器在自然频率为13Hz?15Hz的全向角度工作环境中检测效果最佳。
[0026]本发明的有益效果是:
[0027]1、本发明考虑到地震检波器在全向工作环境下，尤其是在低频(自然频率为1Hz?18Hz)的全向工作环境下，线圈相对于磁中心的不对称性对谐波失真的影响，确定线圈的端面距相应的极靴的端面之间的距离大于0.6mm，在损失极少量灵敏度的情况下，失真度得到了极大的改善。
[0028]2、当Sca=Sdb = 0.6mm时，谐波失真急剧降低至 < 0.5%(17.8mm/s激励)；当Sca=Sdb=1.1mm时，谐波失真进一步降低至<0.3%(17.81111]1/8激励)。
[0029]3、本发明的地震检波器适用于自然频率为1Hz?18Hz的全向工作环境，自然频率为13Hz?15Hz的全向工作环境中检测效果最佳。
[0030]说明书附图
[0031]图1是现有技术的全向地震检波器的结构示意图；图中标号:101上顶盖，102上卡环，103上内接触簧片，104、105接线柱，106电路板，107上外接触簧片，108绝缘片，109上密封圈、110上弹簧片，111上线架，112上线圈；113上极靴，115磁体，116调重线圈，117下线圈，118下线架，119下顶盖，120下密封圈，121下弹簧片，122下接触片，123下极靴，124下卡环，125外壳；
[0032]图2A为现有全向地震检波器的失真雷达图(5.08mm/s激励)；
[0033]图2B为现有全向地震检波器的失真雷达图(17.8mm/s激励)；
[0034]图3为本发明的全向地震检波器的结构示意图；图中标号:301上顶盖，302上卡环，303上内接触簧片，304、305接线柱，306电路板，307上外接触簧片，308弹簧垫片，309绝缘片，310上弹簧片，311上密封圈；312上线架，313上线圈；314上极靴，315补偿环，316磁体，317调重线圈，318下线圈，319下极靴，320下线架，321下顶盖，322下密封圈，323下弹簧片，324下接触片，325下卡环，326外壳；
[0035]图4A为本发明的失真雷达图(ScA=SDB = 0.6mm，5.08mm/s激励)；
[0036]图4B为本发明的失真雷达图(Sca=Sdb = 0.6mm，17.8mm/s激励)；
[0037]图4C为本发明的失真雷达图(Sca=Sdb=I.lmm，5.08mm/s激励)；
[0038]图4D为本发明的失真雷达图(Sca=Sdb = I.Imm,17.8mm/s激励)。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的阐述。
[0040]本发明提供了一种低失真全向地震检波器，包括上线架312、上线圈313、下线架320、下线圈318、调重线圈317、磁体316、绝缘片309、上极靴314、下极靴319、上弹簧片310、下弹簧片323、上卡环302、下卡环325、上顶盖301、下顶盖321、外壳326、弹簧垫片308、接线柱304、接线柱305、上内接触簧片303、上外接触簧片307;
[0041 ]两接线柱304和305分别为全向地震检波器电信号输出的2个电极；电信号的电路回路是接线柱304锡焊于上内接触簧片303;上内接触簧片303再与上极靴314、磁体316、下极靴319、下弹簧片323依序相继接触；下弹簧片323锡焊下线圈318的下出线端；下线圈318上出线端绝缘通过调重线圈317表面与上线圈313下出线端连通;上线圈313上出线端锡焊于上弹簧片310上；上弹簧片310通过绝缘片309与上极靴314绝缘隔离，并与上外接触簧片307接触;上外接触簧片307锡焊于接线柱305。
[0042]本发明的磁系统:磁体316外套有补偿环315，磁体316的下端嵌入下极靴319帽内，磁体316的上端嵌入上极靴314帽内；上极靴314上端面放有绝缘片309 ；
[0043]本发明的惯性体系统:沿轴向自下至上，下线架320下端嵌有下弹簧片323和下卡环325;下线架320绕有下线圈318，下线架320与上线架312粘结的中间部位绕有调重线圈317;上线架312绕有上线圈313;上线架312上端嵌有上弹簧片310和上卡环302;
[0044]磁系统置于惯性体系统内，由下顶盖321、上顶盖301(下顶盖321和上顶盖301分别顶入下极靴319和上极靴314的盲孔内)和外壳326组成全向地震检波器。
[0045]本发明的工作过程是:全向地震检波器内的惯性体系统由惯性体上的上弹簧片310和下弹簧片323—起携带惯性体，相对于磁系统上下相对移动，接收震动信号;惯性体上通过正、反绕制的上线圈313和下线圈318，由上弹簧片310和下弹簧片323—起携带，相对于磁系统在环形气隙磁场内上下移动，接收震动信号，切割磁力线，感应出以灵敏度和失真度为标量指标的电信号，由全向地震检波器的电路输出。
[0046]为了在保证全向地震检波器灵敏度的前提下，尽可能的降低全向地震检波器的谐波失真，如图3所示，本发明对上线圈313的上端面(端面C)距上极靴314的上端面(端面A)之间的距离、下线圈318的下端面(端面D)距下极靴319的下端面(端面B)之间的距离作出了如下限定:
[0047]首先将地震检波器按比例放大或缩小，使端面A和端面B之间的距离Hab基准化为Hab = 25.4mm时，则端面C和端面A之间的距离、端面D和端面B之间的距离满足0.6mm < Sca =SDB< 3mm，且端面C和端面D位于端面A和端面B之间(即上线圈的长度小于上极靴的长度，下线圈的长度小于下极靴的长度)。
[0048]1、当Sca=Sdb = 0.6mm时，本发明的谐波失真可降至:
[0049](I)谐波失真^ 0.2%(5.08mm/s激励)，相应的失真曲线如图4A所示，图中90°、270°是芯体水平位置；
[0050](2)谐波失真<0.45% (17.8mm/s激励)，相应的失真曲线如图4B所示，图中90°、270°是芯体水平位置。
[0051]2、当Sca=Sdb= 1.1时，本发明的谐波失真可降至:
[0052](1)谐波失真^0.1%(5.08!11111/8激励)，相应的失真曲线如图4(:所示，图中90°、270°是芯体水平位置；
[0053](2)谐波失真<0.2% (17.8mm/s激励)，相应的失真曲线如图4D所示，图中90°、270°是芯体水平位置。
[0054]3、当Sca= Sdb在[I，3]区间内逐渐增大时，本发明的谐波失真基本没有变化，失真曲线图与Sca=Sdb = 1.1mm的失真曲线图相同，同时本发明的灵敏度损失极小;但是，当Sca=SDB>3mm时，本发明灵敏度下降，已不能满足勘探要求，此时失真度已无意义。
[0055]而现有技术的全向地震检波器的谐波失真为:
[0056](1)谐波失真<0.25%(5.08!11111/8激励)，相应的失真曲线如图24所示，图中90°、270°是芯体水平位置；
[0057](2)谐波失真<0.8% (17.8mm/s激励)，相应的失真曲线如图2B所示，图中90°、270°是芯体水平位置。
[0058]注:以上失真曲线图都是按照GB/T24260-2009对全向地震检波器进行失真度检测所得数据生成的。
【主权项】
1.一种低失真全向地震检波器，包括外壳、上顶盖、下顶盖、惯性体系统、磁系统;所述惯性体系统包括上线圈、下线圈、调重线圈；所述磁系统包括磁体、上极靴、下极靴、补偿环；所述上极靴远离磁体的端面记为端面A，下极靴远离磁体的端面记为端面B;上线圈远离磁体的端面记为端面C，下线圈远离磁体的端面记为端面D;其特征在于: 所述端面C和端面D位于端面A和端面B之间； 将地震检波器按比例放大或缩小，使所述端面A和端面B之间的距离Hab基准化为Hab =25.4mm时，端面C和端面A之间的距离、端面D和端面B之间的距离满足0.6mm < Sca = Sdb <3mm ο2.根据权利要求1所述的一种低失真全向地震检波器，其特征在于:所述Sca=Sdb=I.Imm03.根据权利要求2所述的一种低失真全向地震检波器，其特征在于:所述全向地震检波器的自然频率为I OHz?18Hz。4.根据权利要求3所述的一种低失真全向地震检波器，其特征在于:所述全向地震检波器的自然频率为13Hz?15Hz。
【文档编号】G01V1/18GK105866830SQ201610244159
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】王书克, 夏亚舟, 贺蕾, 林月梅, 冯京川, 冯克军
【申请人】东莞市达耐美机电科技有限公司