王　雷,趙　忠,王春田

(中石化地球物理公司勝利分公司　山東　東營(yíng)　257086)

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可控震源檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制

王雷,趙忠,王春田

(中石化地球物理公司勝利分公司山東東營(yíng)257086)

摘要：可控震源在地震勘探中得到了廣泛應(yīng)用，為了檢驗(yàn)可控震源系統(tǒng)工作狀態(tài)，通常需要采集可控震源電控箱體的參考信號(hào)、TB信號(hào)、平板加速度信號(hào)、重錘加速度信號(hào)，計(jì)算出震源的出力信號(hào)并由軟件分析震源機(jī)械系統(tǒng)的各種狀態(tài)信息，確?？煽卣鹪垂ぷ髡?。文章給出了一種可控震源檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，加速度傳感器選型。測(cè)試驗(yàn)證表明設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以應(yīng)用于可控震源系統(tǒng)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。

關(guān)鍵詞：地震勘探；可控震源；加速度傳感器；出力信號(hào)；狀態(tài)檢測(cè)

0引言

可控震源工作過(guò)程具有環(huán)保、安全、高效及激發(fā)信號(hào)可按照需求進(jìn)行控制的特點(diǎn)，使得可控震源已經(jīng)成為目前地震勘探生產(chǎn)中首選激發(fā)震源?？煽卣鹪吹募ぐl(fā)信號(hào)可控是建立在震源控制系統(tǒng)工作狀態(tài)良好的基礎(chǔ)上，可控震源能否按照電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考信號(hào)進(jìn)行震動(dòng)，取決于可控震源的液壓、重錘、平板等機(jī)械系統(tǒng)的工作狀態(tài)。因此，可控震源系統(tǒng)工作狀態(tài)檢測(cè)是保證激發(fā)信號(hào)可靠的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。目前的做法是利用地震儀器系統(tǒng)或者利用法國(guó)產(chǎn)的可控震源檢測(cè)系統(tǒng)Sandwich box來(lái)采集放在可控震源不同位置的傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析來(lái)檢查可控震源電控系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)的工作狀態(tài)[1]。通過(guò)對(duì)可控震源工作原理及震動(dòng)信號(hào)分析，自主開(kāi)發(fā)可控震源檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并選擇合適的振動(dòng)傳感器，實(shí)現(xiàn)可控震源狀態(tài)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了可控震源狀態(tài)檢測(cè)儀器的國(guó)產(chǎn)化，為可控震源檢測(cè)提供方便。

1可控震源組成與狀態(tài)檢測(cè)原理

1.1可控震源組成

可控震源由同步振動(dòng)控制(或稱可控震源電控系統(tǒng))系統(tǒng)，電液伺服控制振動(dòng)器，可提供高、低液壓油流的液壓環(huán)路系統(tǒng)和運(yùn)載底盤(pán)所構(gòu)成[2]。同步振動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生可驅(qū)動(dòng)可控震源振動(dòng)的各種類型信號(hào)，實(shí)現(xiàn)可控震源信號(hào)特性反饋控制，以及完成無(wú)線通訊及遙控啟動(dòng)控制等功能。液壓系統(tǒng)是可控震源的動(dòng)力源，可為電液伺服振動(dòng)器及振動(dòng)器提升系統(tǒng)提供壓力穩(wěn)定的油流。振動(dòng)器是可控震源的功率輸出裝置，它可將由震源電控系統(tǒng)所產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換為巨大推力地震信號(hào)并通過(guò)震源平板將震源信號(hào)作用于大地。振動(dòng)器由平板和反作用重錘組成?？煽卣鹪雌桨迕娣e一般約為2～3m2，其質(zhì)量與大地等效振動(dòng)的泥土質(zhì)量相比較輕，并且具有一定的剛性以抵御在可控震源振動(dòng)過(guò)程中平板可能產(chǎn)生的形變。反作用重錘是一個(gè)金屬塊體，其典型質(zhì)量為2～4t。

1.2工作狀態(tài)檢測(cè)

可控震源作用于大地的力可稱為可控震源激振力，有時(shí)簡(jiǎn)稱為地面力?？煽卣鹪吹孛媪珊?jiǎn)單地表示為震源重錘加速度和平板加速度的值，分別與重錘和平板質(zhì)量乘積的加權(quán)和：

GF=MmAm+MBPABP

(1)

式中，GF為可控震源輸出地面力，Mm為重錘質(zhì)量，Am為重錘加速度，MBP為平板質(zhì)量，ABP為平板加速度。式中，重錘質(zhì)量Mm和平板質(zhì)量MBP不變，變量為重錘與平板的加速度Am和ABP，它們可由分別安裝在重錘和平板上的加速度傳感器測(cè)得[2]。

可控震源工作狀態(tài)檢測(cè)基本原理是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集來(lái)自DSD的TB信號(hào)、參考信號(hào)和來(lái)自傳感器的重錘加速度、平板加速度四路信號(hào)。采集系統(tǒng)將這四路信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化并傳輸?shù)絇C中存儲(chǔ)。PC根據(jù)式(1)計(jì)算出地面力。震源數(shù)據(jù)分析軟件依據(jù)參考信號(hào)、重錘加速度、平板加速度和出力信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算得出可控震源的工作狀態(tài)。可控震源狀態(tài)檢測(cè)原理圖如圖1所示。

圖1　可控震源狀態(tài)檢測(cè)原理圖

2可控震源檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可控震源檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由電源電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D采集電路和計(jì)算機(jī)接口電路組成。

2.1傳感器選型

可控震源工作狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要以加速度傳感器為核心測(cè)量部件，可控震源震動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)是頻率較高，傳感器的選擇上要充分考慮器頻率特性。配合相應(yīng)的電路來(lái)完成。在滿足頻率范圍、靈敏度要求下，選擇性價(jià)比高的傳感器。經(jīng)過(guò)資料收集查詢，供選擇的加速度傳感器型號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　加速度傳感器型號(hào)及參數(shù)

AC102-1A加速度傳感器是美國(guó)CTC國(guó)際集團(tuán)(CTC International LLC.)產(chǎn)品，由加速度探頭和美標(biāo)航空插頭、連接螺釘組成。主要電氣技術(shù)參數(shù)為：靈敏度：100 mV/g±10%(25℃)；頻響：0.5～15 000 Hz(±3 dB)、 2.0～10 000 Hz(±10%) ；最高振幅：±50 g(振動(dòng)加速度的量值是單峰值，單位是重力加速度g)；共振頻率：30 kHz。靈敏度較高，提高電壓靈敏度對(duì)接收弱信號(hào)更有利，而價(jià)格上也可以接受，因此選擇AC102-1A加速度傳感器作為傳感部件。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證該傳感器性能指標(biāo)能夠滿足設(shè)計(jì)需要。

2.2電源電路

在地震勘探野外生產(chǎn)過(guò)程中，常用的電源為12 V直流電源，而我們所選傳感器的供電電源要求為2～10 mA恒流，18～30 V DC，為了滿足AC102-1A加速度傳感器2～10 mA恒流，18～30 V DC供電要求，需要將12 V DC的電瓶電壓提升到18 V DC以上。設(shè)計(jì)的方案是DC/DC變換+恒流源的供電方式。為了減少電源電路對(duì)采集信號(hào)的影響，在DC/DC的輸出端增加了線性穩(wěn)壓器以保證其輸出電壓的純凈度[3]。電路設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果顯示紋波電壓值為毫伏級(jí)，能夠保證傳感器可靠工作。

2.3差分運(yùn)放電路

根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換選用了芯片AD7687，選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7687的輸入要求為相位相反的差分信號(hào)，因此，加速度傳感器的輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出。調(diào)理電路設(shè)計(jì)采用了全差分運(yùn)放電路將傳感器輸出的單端信號(hào)轉(zhuǎn)為差分輸入后再進(jìn)入AD采集的輸入端[4]。經(jīng)測(cè)試，噪聲水平為5 nV，失真度小于0.000 6%保證了數(shù)據(jù)采集信號(hào)的精度。為防止傳感器輸出超幅，在電路輸入端增加了齊納保護(hù)電路，差分運(yùn)放前端為調(diào)理電路，輸出端增加了齊納保護(hù)電路，如圖2所示。

圖2　差分運(yùn)放電路原理圖

2.4數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路采用AD7687實(shí)現(xiàn)，AD7687是一款16位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器，積分非線性度典型值為±0.4 LSB，最大±1.5 LSB，采樣率可達(dá) 250 kSPS，為SPI接口輸出，IO引腳采用獨(dú)立電源VIO時(shí)16bit分辨率，3V供電條件下最大采集速率為200 kHz。在實(shí)際使用時(shí)將采樣頻率設(shè)置在50 kHz，既滿足傳感器信號(hào)采樣要求，又保證較低的功耗。A/D采集電路原理圖如圖3 所示。

圖3　A/D采集電路原理圖

在主要電路設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行系統(tǒng)集成和樣機(jī)組裝，利用筆記本電腦控制進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并按SEG格式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。

3采集系統(tǒng)樣機(jī)測(cè)試驗(yàn)證

3.1振動(dòng)臺(tái)測(cè)試

利用振動(dòng)臺(tái)對(duì)采集系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)試表明樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)與20DX檢波器數(shù)據(jù)高度吻合。樣機(jī)的

頻域更寬，分辨率更高。振動(dòng)臺(tái)測(cè)試波形圖如圖4所示。

圖4　振動(dòng)臺(tái)測(cè)試波形圖

3.2現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)

在震源的平板和重錘的相鄰的位置并排放置Sandwich box的加速度傳感器和新研制系統(tǒng)的加速度傳感器,將DSD的參考信號(hào)和TB信號(hào)接入，兩個(gè)系統(tǒng)采集同樣的檢測(cè)數(shù)據(jù)。將兩個(gè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入第三方可控震源數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行對(duì)比分析。第三方軟件對(duì)比分析顯示Sandwich box 系統(tǒng)與新研發(fā)系統(tǒng)數(shù)據(jù)波形高度吻合，說(shuō)明新研發(fā)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)是可靠的。

4結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)表明新研制的采集系統(tǒng)和所采用的加速度傳感器是符合要求的，能滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要，可以實(shí)現(xiàn)可控震源檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，為國(guó)內(nèi)可控震源檢測(cè)提供了方便。并且可以作為震源性能測(cè)試驗(yàn)收設(shè)備應(yīng)用，改變了對(duì)震源測(cè)試依賴于震源廠家生產(chǎn)的震源檢測(cè)設(shè)備的現(xiàn)狀。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Sercel公司.428XL儀器用戶手冊(cè)(V5.0).2013.

[2] Sercel 公司.VE464 用戶手冊(cè)(V3.0). 2013.

[3] 孫偉.可控震源振動(dòng)出力仿真[J].物探裝備，2012，22(2)：79-82.

[4] 魏智. DC—DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2001,9(12):65-67.

[5] Loren Siebert.使用差分放大器驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器[J].電子產(chǎn)品世界，2006,14(11):121-123.

Development of the Data Acquisition System for Detecting Vibrators

WANG Lei, ZHAO Zhong, WANG Chuntian

(SinopecGeophysicalCompanyShenglibranch,Dongying,Shandong257086,China)

Abstract：The vibrator has been widely used in seismic exploration, in order to test the working condition reliability of the vibrator system, the reference signal, TB signal, base plate acceleration signal and mass acceleration signal of the electronic-controlled box are collected to calculate the force signal, and the vibrator system status information is be analyzed by the software, to make sure the vibrator works properly. The hardware design of a data aquisition system for detecting the vibrator is presented, and the model of the acceleration transducer is confirmed. The data acquisition system for detecting the vibrator is developed and tested, and detecting verification show the data acquisition system designed can be applied to the vibrator detection.

Key words：vibrator; acceleration sensor; force signal; reference signal

(收稿日期：2015-11-06編輯：高紅霞)

中圖法分類號(hào)：P315.62

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-0077(2016)02-0060-03

第一作者簡(jiǎn)介：王雷，男，1983年生，工程師，2005年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，現(xiàn)在中石化地球物理公司勝利分公司，從事地震儀器技術(shù)支持及應(yīng)用工作。E-mail:zhongzhao-2@163.com

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