田 磊，王慶禹，劉建萍，韓文剛，鞏慶剛

中國(guó)石油東方地球物理公司裝備服務(wù)處石油物探計(jì)量中心 （河北 涿州 072751）

檢波器作為地震勘探采集數(shù)據(jù)的源頭部件，其質(zhì)量決定著采集數(shù)據(jù)的精度和可靠性。為了對(duì)檢波器的生產(chǎn)和使用進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)和質(zhì)量控制，對(duì)新研制的檢波器進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，由東方地球物理公司石油物探計(jì)量中心承擔(dān)研制了高性能地震檢波器測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)相對(duì)真實(shí)的再現(xiàn)了檢波器的實(shí)際工作方式，測(cè)量數(shù)據(jù)可靠性，測(cè)試精度高，可以測(cè)量檢波器垂直和水平條件震動(dòng)的響應(yīng)特性。

1 測(cè)試系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

高性能地震檢波器測(cè)試系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)檢波器工作的振動(dòng)系統(tǒng)、激光干涉測(cè)震系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理等組成。

1.1 振動(dòng)原理及結(jié)構(gòu)

采用振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)的目的在于能模擬檢波器實(shí)際工作的方式，更精確的測(cè)試檢波器的特性。本系統(tǒng)采用目前使用最廣泛的電磁式振動(dòng)臺(tái)，其波形好，工作頻率范圍寬，動(dòng)態(tài)范圍寬，易于控制，如圖 1所示，由恒定磁場(chǎng)和位于磁場(chǎng)中能通過(guò)交變電流的線圈的相互作用所產(chǎn)生的電磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，只要調(diào)節(jié)動(dòng)圈線圈的電流大小和方向，就能改變振動(dòng)臺(tái)面的速度、位移和方向。

1.2 激光測(cè)震原理及結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)環(huán)節(jié)高精度監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)采用激光干涉原理[1]，如圖2所示。反射鏡安裝在振動(dòng)臺(tái)面上，中間的半反半透鏡將激光管發(fā)出的一束光形成一半透射到反射鏡一半折射到參考鏡的兩束光，這兩束光從而能夠發(fā)生干涉，并能由接收器觀測(cè)。當(dāng)振動(dòng)臺(tái)上下或左右移動(dòng)時(shí)，反射鏡的位置也跟著改變，形成的干涉圖樣也隨之變化。根據(jù)干涉原理，可到振動(dòng)臺(tái)的振幅情況等。

圖1 振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 邁克爾遜激光干涉儀測(cè)量原理示意圖

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

為了保證高性能地震檢波器測(cè)試系統(tǒng) （以下簡(jiǎn)稱振動(dòng)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)）的運(yùn)行精度和可靠性，防止震動(dòng)，電磁等因素的干擾，將試驗(yàn)設(shè)施建立在遠(yuǎn)離城市、高速和鐵路，干擾相對(duì)較少的地方。為更進(jìn)一步減少微小震動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，將振動(dòng)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)固定在水泥隔離墩上，測(cè)試時(shí)檢波器和振動(dòng)臺(tái)面進(jìn)行鋼性連接，這樣在振動(dòng)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)工作時(shí)，檢波器就能真實(shí)的再現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)面工作狀態(tài)。

振動(dòng)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的主要組成部件以及運(yùn)行原理如圖3所示。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)控制信號(hào)源的頻率和功率放大器來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率和幅度，同時(shí)計(jì)算機(jī)采集激光測(cè)振儀與被測(cè)樣品的輸出，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)處理和運(yùn)算得到振動(dòng)的位移幅度、速度、加速度、速度靈敏度、輸出電壓、失真度、相位和響應(yīng)等值，通過(guò)這些數(shù)據(jù)分析得到檢波器的幅頻特性、線性，相角、自然頻率、假頻等一系列技術(shù)參數(shù)，對(duì)分析判斷檢波器的特性和質(zhì)量起到關(guān)鍵的作用。

圖3 振動(dòng)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)

高性能地震檢波器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，其設(shè)計(jì)滿足參數(shù)滿足對(duì)檢波器中低頻段的測(cè)試要求，同時(shí)不但能測(cè)試檢波器，對(duì)其他類型的振動(dòng)傳感器也能進(jìn)行測(cè)試。

表1 測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)

本中心作為計(jì)量機(jī)構(gòu)，所有測(cè)試設(shè)備均需溯源校準(zhǔn)，為校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際技術(shù)指標(biāo)，采用經(jīng)過(guò)在中國(guó)計(jì)量科學(xué)院溯源的標(biāo)準(zhǔn)三分量傳感器進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，其驗(yàn)證結(jié)果如下。

2.1 臺(tái)面波形失真度

表2為臺(tái)面波形失真度，通過(guò)驗(yàn)證，水平臺(tái)面波形失真度＜0.8%，垂直臺(tái)面＜0.9%，整體失真度滿足＜1%的要求。

表2 臺(tái)面波形失真度

2.2 臺(tái)面不均勻度

因振動(dòng)臺(tái)面不是一個(gè)點(diǎn)運(yùn)行，在進(jìn)行上下或左右振動(dòng)的時(shí)候，臺(tái)面各個(gè)位置難免出現(xiàn)偏振等不均勻振動(dòng)方式。為保證臺(tái)面整體穩(wěn)定運(yùn)行，不影響測(cè)試結(jié)果，需要對(duì)臺(tái)面進(jìn)行不均度測(cè)試（圖4）。

垂直振動(dòng)臺(tái)面為圓形，為驗(yàn)證其均勻度，分別在臺(tái)面的中心處（點(diǎn)A1），1/2半徑處（點(diǎn)B1）和靠近臺(tái)面邊緣處（點(diǎn)C1）3個(gè)點(diǎn)測(cè)試讀數(shù)，其測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4（a）,表3為垂直臺(tái)面不均勻度。從中看出垂直臺(tái)面的不均度＜0.9%。

圖4 臺(tái)面測(cè)點(diǎn)布置

水平振動(dòng)臺(tái)面為矩形，為驗(yàn)證其均勻度，分別在臺(tái)面的中心處（點(diǎn) A2），3 個(gè)頂角處（點(diǎn) B2，C2，D2）共4個(gè)點(diǎn)測(cè)試讀數(shù)，其測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4（b）,表4為水平臺(tái)面不均度。從中看出水平臺(tái)面的不均度＜0.8%。

3 與檢波器測(cè)試儀測(cè)試方法的比較

檢波器測(cè)試儀是目前廣泛作為測(cè)試檢波器特性的設(shè)備，其測(cè)試方法是動(dòng)圈式檢波器工作原理的逆過(guò)程，即由檢波器測(cè)試儀給檢波器線圈提供一個(gè)脈沖激勵(lì)，則線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)得到幅值可以計(jì)算出阻尼系數(shù)(Bt)、靈敏度(G)、自然頻率(Fn)等。但檢波器測(cè)試儀只能測(cè)試動(dòng)圈速度型檢波器，測(cè)試過(guò)程又受到設(shè)備本身精度和環(huán)境等因素的影響，不能滿足檢波器品種多樣性和檢波器研發(fā)技術(shù)發(fā)展的需要。

高性能地震檢波器測(cè)試系統(tǒng)則是模擬了檢波器實(shí)際工作的狀態(tài)，將檢波器與振動(dòng)臺(tái)面進(jìn)行鋼性連接，振動(dòng)臺(tái)面的振動(dòng)情況就傳導(dǎo)給了檢波器，將檢波器輸出幅值與振動(dòng)臺(tái)震動(dòng)幅值進(jìn)行對(duì)比，能清楚的得到檢波器對(duì)振動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)情況，從而得出檢波器與地震勘探數(shù)據(jù)采集有關(guān)的各種特性，且臺(tái)面干擾小，數(shù)據(jù)更真實(shí)更準(zhǔn)確；本系統(tǒng)還能測(cè)試微機(jī)電等多種類型的檢波器，測(cè)試不受被測(cè)度對(duì)象的多樣性影響。這些都是檢波測(cè)試儀的電激勵(lì)方式或者白噪聲方式無(wú)法滿足的[2-4]。

表3 垂直臺(tái)面不均勻度

表4 水平臺(tái)面不均勻度

4 系統(tǒng)測(cè)試方法及測(cè)試樣例

使用高性能地震檢波器測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行樣品測(cè)試時(shí)，先要根據(jù)設(shè)備啟動(dòng)次序依次啟動(dòng)，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)以及測(cè)試環(huán)境到穩(wěn)定狀態(tài)后，才可進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中禁止在實(shí)驗(yàn)室中走動(dòng)、喧嘩或者使用手機(jī)等電子設(shè)備，以減少對(duì)測(cè)試過(guò)程的干擾而影響測(cè)試結(jié)果。測(cè)試時(shí)將檢波器固定在振動(dòng)臺(tái)面上，檢波器與振動(dòng)臺(tái)面的之間使用鋼性連接法，這樣不會(huì)產(chǎn)生不必要的位移而影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

該系統(tǒng)在投入運(yùn)行后，多次參與對(duì)檢波器大型采購(gòu)的測(cè)試，生產(chǎn)廠商的質(zhì)檢測(cè)試，以及新產(chǎn)品研發(fā)測(cè)試。下面通過(guò)該系統(tǒng)測(cè)試的幾組檢波器測(cè)試[5]數(shù)據(jù)分析圖來(lái)對(duì)振動(dòng)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試效果及測(cè)試能力進(jìn)行說(shuō)明。

示例1：幅頻特性測(cè)試是將樣品安裝在垂直振動(dòng)臺(tái)面上，圖 5幅頻特性測(cè)試波形圖中圖5(a)樣品底座與垂直振動(dòng)臺(tái)面成0°和傾角15°幅頻特性測(cè)試結(jié)果對(duì)比，可以很明顯的看出在正常情況下，樣品的測(cè)試結(jié)果都滿足標(biāo)稱靈敏度的要求，但是當(dāng)安裝傾角加大后，樣品的靈敏度明顯變小，說(shuō)明實(shí)際施工中垂直安裝檢波器的重要性。圖5(b)為同一批次10只檢波器樣品的幅頻特性測(cè)試數(shù)據(jù)，樣品在500Hz以內(nèi)的一致性比較好，但是超過(guò)500Hz有部分樣品也存在部分翹尾情況。

圖5 幅頻特性測(cè)試波形圖

示例2：線性特性曲線測(cè)試是將樣品安裝在垂直臺(tái)面上，圖6是2只不同型號(hào)樣品的測(cè)試波形。將臺(tái)面振動(dòng)頻率固定在31.5Hz，振動(dòng)速度從0mm/s上升到60mm/s,讀取測(cè)試樣品速度靈敏度和輸出電壓的數(shù)據(jù)，可以看出兩只樣品的線性度都很好，其靈敏度不同。

圖7線性測(cè)式采樣波形圖為某樣品做線性測(cè)試時(shí)，當(dāng)臺(tái)面振動(dòng)速度增加后，樣品輸出的波形不再表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，從圖7(a)和圖7(b)很明顯的看出樣品波形下端已經(jīng)出現(xiàn)畸變，與振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)波形 （其驅(qū)動(dòng)波形）不一致，其波形失真度達(dá)到了11.6%，正向峰值的絕對(duì)值＞負(fù)向峰值的絕對(duì)值，說(shuō)明樣品軸心偏離中心，且測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)撞頂。

圖6 線性測(cè)試數(shù)據(jù)波形圖

圖7 線性測(cè)式采樣波形圖

示例3：假頻測(cè)試是將樣品安裝在水平振動(dòng)臺(tái)面，圖8假頻測(cè)試數(shù)據(jù)波形圖，2只樣品假頻B01＞240Hz，B02＞160Hz。

圖8 假頻測(cè)試數(shù)據(jù)波形圖

圖9 假頻測(cè)試采樣波形圖

圖9假頻測(cè)試采樣波形圖，是樣品在做假頻測(cè)試的過(guò)程中測(cè)試軟件時(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)波形，從中可以看出測(cè)試過(guò)程中振動(dòng)臺(tái)工作一直正常，被校傳感器輸出波形圖內(nèi)白色的為被測(cè)樣品波形，紅色的為標(biāo)準(zhǔn)傳感器波形，由于被測(cè)樣品在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的振動(dòng)異常，并產(chǎn)生噪聲和輸出波形異常，因標(biāo)準(zhǔn)傳感器安裝位置與樣品很近，影響到標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出波形。測(cè)試樣品假頻時(shí)如沒(méi)有進(jìn)入假頻區(qū)域，樣品輸出電壓值很小，從圖中可以看出樣品對(duì)假頻測(cè)試振動(dòng)已經(jīng)產(chǎn)生近似正弦響應(yīng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

高性能地震檢波器測(cè)試系統(tǒng)的建立，得到其各項(xiàng)特性參數(shù)在多次的測(cè)試中提供了高質(zhì)量的測(cè)試數(shù)據(jù)，為檢波器產(chǎn)品控制、新產(chǎn)品研發(fā)等提供了可靠的技術(shù)支持。

[1]馬科斯·玻恩.光學(xué)原理[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.

[2]張志,李飛,黃志芳,等.地震勘探中檢波器組合特性研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2009,24(6)：2117-2121.

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