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地震仪器基础检波器.ppt
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1、海上勘探事业部地震仪器检波器基础1 1.海上勘探事业部目录地震信号(幅度、频率)在仪器系统中的传播及变化仪器完好性及仪器指标的意义地震仪器的功能块及主要器件的比较和检修的开发2 2.海上勘探事业部传感器的物理基础与应用传感器的物理基础与应用 “教材教材”给传感器下的定义是:给传感器下的定义是:“能将能感受到的物理量(如力,热,光,声能将能感受到的物理量(如力,热,光,声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件。等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件。”这就是说,传感这就是说,传感器是属于具有功能转换的元件。器是属于具有功能转换的元件。一、热电传感器一、热电传感器一、热电传感器
2、一、热电传感器 热电传感器利用元件的电参量(电阻或电势)随温度变化的特性来测量温度。热电传感器利用元件的电参量(电阻或电势)随温度变化的特性来测量温度。其中将温度转换成电势变化的称为热电偶传感器。将温度转换为电阻变化的其中将温度转换成电势变化的称为热电偶传感器。将温度转换为电阻变化的称为热电阻和热敏电阻传感器。热电阻传感器一般利用纯金属(如铂铜铁镍称为热电阻和热敏电阻传感器。热电阻传感器一般利用纯金属(如铂铜铁镍等)具有正电阻温度系数(等)具有正电阻温度系数(PTCPTC)的特性制成的。)的特性制成的。热敏电阻利用半导体材料制成。半导体比金属具有更大的电阻温度系数。半热敏电阻利用半导体材料制成
3、。半导体比金属具有更大的电阻温度系数。半导体热敏电阻又可分为正电阻温度系数(导体热敏电阻又可分为正电阻温度系数(PTCPTC),负电阻系数(),负电阻系数(NTCNTC),临界),临界电阻温度系数(电阻温度系数(CTRCTR)等几种。)等几种。PTCPTC热敏电阻一般用热敏电阻一般用BaTiO3BaTiO3(钛酸钡)系列材料制成。当温度超过某一定值(钛酸钡)系列材料制成。当温度超过某一定值时,其电阻值快速增长。主要用于各种电器设备的过热保护,发热源的定温时,其电阻值快速增长。主要用于各种电器设备的过热保护,发热源的定温控制(如电热蚊香的发热元件)和用作限流元件。还可用于彩电消磁。控制(如电热蚊
4、香的发热元件)和用作限流元件。还可用于彩电消磁。CTRCTR热敏电阻利用热敏电阻利用V03V03(氧化钒)系列材料制作。具有在某个温度值上电阻能(氧化钒)系列材料制作。具有在某个温度值上电阻能急剧变化从而用作温度开关。急剧变化从而用作温度开关。NTCNTC热敏电阻应用广泛。它是一种氧化物的复合烧结体。随着温度的升高,热敏电阻应用广泛。它是一种氧化物的复合烧结体。随着温度的升高,其电阻率反而减小。其电阻率反而减小。NTCNTC热敏电阻主要用于低温范围(热敏电阻主要用于低温范围(100100300300)的)的温度控制在稳定工作状态下,热敏电阻除了可用来测量温度外,还可用来测温度控制在稳定工作状态
5、下,热敏电阻除了可用来测量温度外,还可用来测量和控制流体的流速和介质密度等。量和控制流体的流速和介质密度等。3 3.海上勘探事业部 二、光电传感器二、光电传感器二、光电传感器二、光电传感器 教材中说:教材中说:“光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号”。光敏电阻也是一。光敏电阻也是一种半导体材料,其物理特性使光的照射能使电阻明显减小(或者说其电阻明显增大)。种半导体材料,其物理特性使光的照射能使电阻明显减小(或者说其电阻明显增大)。有一种有一种CdSCdS光敏电阻照亮时电阻可小于光敏电阻照亮时电阻可小于2k2k,无光照射时其电阻可大于,无光照射
6、时其电阻可大于4M4M,而两者相,而两者相差差20002000多倍。光敏电阻的一个重要特性是存在一定的光波波限多倍。光敏电阻的一个重要特性是存在一定的光波波限00,超过,超过00的光波即使的光波即使光很强,其电阻值也并不明显下降。可见,只有能量大于光很强,其电阻值也并不明显下降。可见,只有能量大于hv0hv0hchc00的光子才能在光的光子才能在光敏电阻中产生电子敏电阻中产生电子空穴对,这是光电效应基本原理的又一重要应用。光电传感器作空穴对,这是光电效应基本原理的又一重要应用。光电传感器作为光控开关。为光控开关。三、其他种类传感器三、其他种类传感器三、其他种类传感器三、其他种类传感器 还有电阻
7、应变式传感器,还有电阻应变式传感器,电容式传感器,变磁阻式传感器,磁电电容式传感器,变磁阻式传感器,磁电电容式传感器,变磁阻式传感器,磁电电容式传感器,变磁阻式传感器,磁电式传感器,压电式压磁式传感器式传感器,压电式压磁式传感器式传感器,压电式压磁式传感器式传感器,压电式压磁式传感器,霍尔传感器等,这些传感器都可以,霍尔传感器等,这些传感器都可以单独的传感器或几种传感器元件的组合,将许多非电学量(如压力,压强,位移,速单独的传感器或几种传感器元件的组合,将许多非电学量(如压力,压强,位移,速度,加速度等力学量以及温度等)转换成电阻,电感,电容等电学量的变化,从而检度,加速度等力学量以及温度等)
8、转换成电阻,电感,电容等电学量的变化,从而检测出电压,电流等易测信号加以处理和显示。测出电压,电流等易测信号加以处理和显示。电阻式传感器是由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器。将电阻应变片粘贴电阻式传感器是由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器。将电阻应变片粘贴在各种弹性敏感元件上,当弹性敏感元件受到外力,力矩,压力,位移,加速度等各在各种弹性敏感元件上,当弹性敏感元件受到外力,力矩,压力,位移,加速度等各种力学参数作用时,弹性敏感元件将产生位移,转角,应力和应变。电阻应变片则将种力学参数作用时,弹性敏感元件将产生位移,转角,应力和应变。电阻应变片则将这些力学参数转换成电阻的变化。还
9、需要把电阻的变化转换成电压或电流的变化。完这些力学参数转换成电阻的变化。还需要把电阻的变化转换成电压或电流的变化。完成这种转换功能的电路常采用直流或交流电桥。成这种转换功能的电路常采用直流或交流电桥。气敏传感器用于检测各种气体的成份。上世纪气敏传感器用于检测各种气体的成份。上世纪6060年代,利用金属氧化物半导体研制年代,利用金属氧化物半导体研制出可燃气体传感器,以及发现在气敏元件中加人少量催化金属,可以大大改进气敏传出可燃气体传感器,以及发现在气敏元件中加人少量催化金属,可以大大改进气敏传感器元件性能感器元件性能 4 4.海上勘探事业部 转速传感器转速传感器-就是旋转编码器,将转速转换成脉冲
10、波(就是旋转编码器,将转速转换成脉冲波(5VDC)5VDC)送入送入PLCPLC或其它处理器进行处理。或其它处理器进行处理。电流传感器电流传感器-就是电流变送器,将就是电流变送器,将0-5A0-5A或更大的电流信号转换成或更大的电流信号转换成4 420mA20mA或或0 020mA20mA的标准控制信号给处理器。的标准控制信号给处理器。电压传感器电压传感器-就是电压变送器,将就是电压变送器,将0 0100V100V或更大的电压信号转或更大的电压信号转换成换成0 010V10V的标准控制信号给处理器。的标准控制信号给处理器。振动传感器振动传感器-检测机械设备的振动,进行线性输出或继电器输出。检测
11、机械设备的振动,进行线性输出或继电器输出。霍尔传感器霍尔传感器-就是电感式的接近开关,采用霍尔原理。检测距离就是电感式的接近开关,采用霍尔原理。检测距离不会超过不会超过10mm10mm。输出信号一般都是直流三线制的。输出信号一般都是直流三线制的PNPPNP或或NPNNPN输出。输出。缸压传感器缸压传感器就是压力传感器,可以输出继电器信号也可以是线性就是压力传感器,可以输出继电器信号也可以是线性信号。信号。空气流量传感器空气流量传感器可以输出继电器信号或电压、电流的线性信号。可以输出继电器信号或电压、电流的线性信号。氧传感器氧传感器 节气门位置传感器节气门位置传感器 温度传感器温度传感器 这个一
12、般都是线性的电压输出。并且要配合温控器这个一般都是线性的电压输出。并且要配合温控器使用使用5 5.海上勘探事业部检波器常规反射地震勘探中接收的地震有效波的频率常规反射地震勘探中接收的地震有效波的频率范围一般在范围一般在 0 0300Hz 300Hz 之间之间 ,并要求传感器在此并要求传感器在此频率范围内对振动的响应频率范围内对振动的响应 包括相位和振幅响应包括相位和振幅响应 是线性、稳定的。是线性、稳定的。对地震波而言对地震波而言,大地是一个非线性系统大地是一个非线性系统 ,一般是一般是频率越高地震波的能量就衰减越快频率越高地震波的能量就衰减越快 ,这就使到这就使到达检波器的高频振动信号要比低
13、频振动信号小达检波器的高频振动信号要比低频振动信号小得多得多 ,要采用更多的叠加次数才能有效突出高要采用更多的叠加次数才能有效突出高频弱小反射信号。为此就产生了一种幅度频率频弱小反射信号。为此就产生了一种幅度频率特性与大地相反的检波器特性与大地相反的检波器,以便补偿大地对高频以便补偿大地对高频弱小信号衰减的能量弱小信号衰减的能量 ,这就要加速度检波器。这就要加速度检波器。6 6.海上勘探事业部 地震勘探中实际的地震信号可以从地震勘探中实际的地震信号可以从VV级到级到1V1V以上,其动态范围大于以上,其动态范围大于120dB120dB。目前仪器记录动态范围已达目前仪器记录动态范围已达120dB1
14、20dB以上。然而仪器所能记录的信号,必定是以上。然而仪器所能记录的信号,必定是检波器所能响应的地震信号。通过仪器所记录下来的地震信号的动态范围,检波器所能响应的地震信号。通过仪器所记录下来的地震信号的动态范围,首先取决于检波器本身的动态范围首先取决于检波器本身的动态范围 众所周知,国内的勘探装备现在几乎全是众所周知,国内的勘探装备现在几乎全是2424位高精度遥测地震仪,仪器本身位高精度遥测地震仪,仪器本身的有效动态范围已达到的有效动态范围已达到120dB120dB以上以上(理论值理论值140dB)140dB),想在仪器本身提高勘探质,想在仪器本身提高勘探质量难度已很大,而与之配套的地震检波器
15、其动态范围。量难度已很大,而与之配套的地震检波器其动态范围。检波器动态范围一览表检波器动态范围一览表动态范围动态范围(dB)(dB)53.9753.97606066.0266.0273.9873.988080失真度()失真度()0.20.20.10.10.050.050.020.020.010.01目前,国内检波器的失真指标要求在目前,国内检波器的失真指标要求在0.2%0.2%以下,其动态范围小于以下,其动态范围小于60dB60dB,不及,不及仪器动态范围的一半。仪器动态范围的一半。可见,如何提高检波器自身的动态范围,已成为提高地震勘探质量的瓶颈,可见,如何提高检波器自身的动态范围,已成为提高
16、地震勘探质量的瓶颈,虽然对提高检波器的动态范围到底对地震勘探质量的能提高多少,目前没有虽然对提高检波器的动态范围到底对地震勘探质量的能提高多少,目前没有量的概念,但是,检波器的动态范围越大,其地震数据就越能真实的反应地量的概念,但是,检波器的动态范围越大,其地震数据就越能真实的反应地质概貌,这是物探专家们的共识。所以说,低失真的检波器是勘探业内一直质概貌,这是物探专家们的共识。所以说,低失真的检波器是勘探业内一直追求的检波器。这是本系列检波器要解决的目标之一。追求的检波器。这是本系列检波器要解决的目标之一。7 7.海上勘探事业部假频问题(理想的频带)假频问题(理想的频带)目前有用地震信号的范围
17、可达到目前有用地震信号的范围可达到250Hz250Hz。速度型地震检波器以其原理。速度型地震检波器以其原理和结构决定其接收信号的频带,以和结构决定其接收信号的频带,以10Hz10Hz检波器为例,接收频带(频率检波器为例,接收频带(频率域)一般为域)一般为101000Hz101000Hz。检波器假频(的存在是在检波器频率域的高。检波器假频(的存在是在检波器频率域的高端存在某些共振频率区间,在这一区间检波器有可能产生很大的横向端存在某些共振频率区间,在这一区间检波器有可能产生很大的横向振动响应分量,这将严重降低检波器输出信号的真伪比,因此检波器振动响应分量,这将严重降低检波器输出信号的真伪比,因此
18、检波器假频的设计和生产要求假频区间在使用的频率范围之外。也就是说检假频的设计和生产要求假频区间在使用的频率范围之外。也就是说检波器的假频应在大于波器的假频应在大于250Hz250Hz的某一区间。的某一区间。磁感式地震检波器由于使用弹性材料作为频率的载体,其假频的存在磁感式地震检波器由于使用弹性材料作为频率的载体,其假频的存在是不可避免的。但是可经过设计提高假频指标,检波器假频与失真的是不可避免的。但是可经过设计提高假频指标,检波器假频与失真的设计是一对矛盾体,如何在设计和工艺上保证检波器的高假频低失真设计是一对矛盾体,如何在设计和工艺上保证检波器的高假频低失真生产,多年来一直是检波器生产厂家努
19、力追求和保证的目标。一般来生产,多年来一直是检波器生产厂家努力追求和保证的目标。一般来说高自然频率(说高自然频率(20100Hz20100Hz)的检波器实现高假频低失真设计与生产)的检波器实现高假频低失真设计与生产相对容易一些。如何解决自然频率为相对容易一些。如何解决自然频率为10Hz10Hz的高假频低失真检波器的设的高假频低失真检波器的设计和生产是极具代表和实用意义的课题。计和生产是极具代表和实用意义的课题。8 8.海上勘探事业部一、地震检波器定义一、地震检波器定义1 1、地震检波器是把传到地面和水面的地震波转换成电信号的装置,它是地震仪、地震检波器是把传到地面和水面的地震波转换成电信号的装
20、置,它是地震仪器野外数据采集的关键部件。器野外数据采集的关键部件。2 2、地震检波器串:将一组检波器以串联、并联或串并联方式连接在一起,称为、地震检波器串:将一组检波器以串联、并联或串并联方式连接在一起,称为检波器串。检波器串。4 4、三分量(、三分量(3-C3-C)检波器:同时可接收水平、侧向和上下三个方向振动的检波器。)检波器:同时可接收水平、侧向和上下三个方向振动的检波器。5 5、双检(、双检(2-C2-C):由水检(压电检波器)和陆检(动圈式检波器)组成。可同时):由水检(压电检波器)和陆检(动圈式检波器)组成。可同时接收海地和水中信号。接收海地和水中信号。二、地震检波器分类二、地震检
21、波器分类地震检波器按应用环境分为陆地检波器和水中检波器。地震检波器按应用环境分为陆地检波器和水中检波器。陆地检波器:电动式检波器(动磁式检波器和动圈式检波器)、涡流式检波器和陆地检波器:电动式检波器(动磁式检波器和动圈式检波器)、涡流式检波器和3-C3-C检波器。检波器。水中检波器:压电检波器、水中检波器:压电检波器、2-C2-C检波器和检波器和4-C4-C检波器。检波器。按电学原理分主要为按电学原理分主要为电动式、涡流式、压电式。电动式、涡流式、压电式。按检测的力学分主要为速度型、加速度型、压力型。按检测的力学分主要为速度型、加速度型、压力型。按自然频率高低分主要为低频(按自然频率高低分主要
22、为低频(8-10hz8-10hz)、中频()、中频(28-40hz28-40hz)、高频()、高频(60-60-100hz100hz)按接受地震波的震动方向分主要为接受纵波的单分量、接受纵波横波的三分量检按接受地震波的震动方向分主要为接受纵波的单分量、接受纵波横波的三分量检波器。波器。9 9.海上勘探事业部20DX-1020DX-10型检波器芯体型检波器芯体地震检波器的种类地震检波器的种类1010.海上勘探事业部20DX-1020DX-10(3636)(3333)沼泽线)沼泽线地震检波器的种类地震检波器的种类1111.海上勘探事业部20DX20DX20DX20DX系列检波器参数一览表系列检波器
23、参数一览表系列检波器参数一览表系列检波器参数一览表(注注注注)1212.海上勘探事业部 MP-25-250MP-25-250压电检波器压电检波器FB-25-14FB-25-14压电检波器压电检波器地震检波器的种类地震检波器的种类进口海底峰进口海底峰国产海底峰国产海底峰海上勘探事业部 国产超波国产超波HJ-8CHJ-8C双检双检地震检波器的种类地震检波器的种类海上勘探事业部法国进口双检法国进口双检地震检波器的种类地震检波器的种类1515.海上勘探事业部美国进口双检美国进口双检地震检波器的种类地震检波器的种类1616.海上勘探事业部电动式检波器工作原理电动式检波器工作原理电动式检波器由磁钢、线圈、
24、弹簧片和软铁外壳等组成。电动式检波器由磁钢、线圈、弹簧片和软铁外壳等组成。线圈通过弹簧片于软铁外壳相连,线圈又处于磁钢于软体线圈通过弹簧片于软铁外壳相连,线圈又处于磁钢于软体外壳的缝隙磁场中,工作时,软体外壳受到地震波的作用外壳的缝隙磁场中,工作时,软体外壳受到地震波的作用而运动时,线圈则相对磁钢做相对运动。根据电磁感应原而运动时,线圈则相对磁钢做相对运动。根据电磁感应原理,线圈和磁钢做相对运动切割磁力线,线圈中将产生感理,线圈和磁钢做相对运动切割磁力线,线圈中将产生感应电动势,且电动势的大小与相对运动速度成正比,此感应电动势,且电动势的大小与相对运动速度成正比,此感应电动势即为地震检波器的输
25、出信号。应电动势即为地震检波器的输出信号。1717.海上勘探事业部1818.海上勘探事业部 速度型检波器结构与特性速度型检波器结构与特性动圈检波器动圈检波器结构示意图结构示意图稳稳定定速速度度驱驱动动时时相相对对电电压压输输出出值值1 110100.20.23 35 57 710101 10.70.70.50.50.30.3h=0h=0h=0.3h=0.3h=0.5h=0.5h=0.7h=0.7h=1h=1h=21 11010180180015015001201200909006060030300h=2h=0.5h=0.7h=0.3h=1速速度度与与电电压压之之间间的的相相位位值值1919.海
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