地震检波器抗温变技术研究

薛立武 马 芳 马延芒 段亚玲

(东方地球物理勘探有限责任公司西安物探装备分公司 陕西西安)

地震检波器抗温变技术研究

薛立武 马 芳 马延芒 段亚玲

(东方地球物理勘探有限责任公司西安物探装备分公司 陕西西安)

目前地震勘探中使用的地震检波器绝大部分是磁电式检波器,磁电式检波器参数随着环境温度改变会产生温变效应。这种温变效应改变检波器工作模态,从而对采集产生影响。文章从检波器工作原理和制造原理入手,提出了具体的解决方案,为研制抗温变检波器提供理论和技术基础。

地震检波器;温变;工作模态;解决方案

0 引 言

随着勘探精度的日益提高,对高精度检波器的需求也日益提高,但是地震检波器随温度发生的指标变化即温变效应增大了检波器的指标变化,在一定程度上抵消了制造过程中的精度提高;而且随着施工季节向全季节转变等因素,温度变化引起的检波器参数变化应该引起高度重视。现在地震勘探广泛采用磁电式地震检波器,因此我们对磁电式检波器的温度响应和模态变化进行研究,以期减小检波器参数随温度变化的范围,从而改善温变效应对采集效果的影响,为研制抗温变地震检波器奠定理论和技术基础。

1 地震检波器参数随温度变化现象分析

1.1 检波器参数随温度变化分析

地震检波器五项参数中,随温度变化比较大的参数有直流电阻 R、相对阻尼 Bt、灵敏度 G,自然频率和失真度对温度影响不是很敏感,在多次多品种的温度实验中,变化量很小,均可以满足要求,在实际使用中基本可以忽略。

为了得到检波器参数随温度变化的规律,我们从检波器测试仪和检波器两方面入手,做实验收集数据,初步了解了现有磁电式检波器的温度范围和测试仪的温度设置规律。试验情况如下：检波器开路状态三个参数随温度变化、检波器闭路状态三个参数随温度变化、检波器测试仪三参数随温度变化的规律。

1)检波器开路状态三个参数随温度变化规律表

以5只西安物探装备分公司生产的SN7C-10地震检波器为实验检波器。开路状态下温度实验数据见表1。

表1 开路状态下温度实验数据

2)检波器并电阻后三个参数随温度变化规律表

并阻状态下,5只SN7C检波器温度实验数据见表2。

表2 并阻状态下,5只SN7C检波器温度实验数据

试验结论：通过分别测试开路和闭路状态下同一型号的检波器的温度特性,我们可以看出,不论是开路还是并阻,其电阻、阻尼、灵敏度都是随温度的变化产生变化的,其中并阻后的3项指标,基本遵守了线性的变化规律,同时其线性斜率也基本与测试仪的曲线拟合,因此现有检波器的指标是跟随温度发生变化,而测试仪也适应这种变化,提前设置了温度系数,从而保证了在测试时检波器的显示参数还继续“OK”。

3)检波器测试仪中SN7C-10三参数中值随温度变化的曲线,如图1,2,3所示。

图1 测试仪直流电阻中值随温度变化曲线

图2 测试仪相对阻尼中值随温度变化曲线

图3 测试仪灵敏度中值随温度变化曲线

4)实验结论

(1)从以上取得的数据中可以看出,无论开路还是并阻状态下,检波器的电阻和阻尼值均呈现一定的线性温度特性,这与公式中是基本吻合的,这种检波器的线性特性,或者说测试仪要求检波器所具有的特性,为我们认识现有检波器的温变性质提供了依据。

(2)从图3得知：开路状态下灵敏度值一直保持不变,说明测试仪认为,间隙场强是不应随温度发生变化的,忽略了磁性材料的温度系数,然而从表1试验数据中可以看到灵敏度随温度的变化,并阻后检波器灵敏度随温度发生线性变化。

(2)从测试仪的各个温度点的中值可看到,检波器的各个参数在并阻前并阻后的变化范围,由于温度因素的存在,即使并阻后参数变化范围有所缩小,但是相对还是比较大,例如相对阻尼值会从0.757变化至0.638。

1.2 检波器三参数随温度变化的原因分析

地震检波器中由于存在复杂的机电转换,其使用的各种金属材料和非金属材料都有温度系数,从而导致检波器的各项参数随温度发生变化,如前所述,电阻、阻尼系数、灵敏度三个重要指标均随温度变化而变化,因此我们要着重分析这三个指标随温度变化的原因。

如图4所示,绕在线圈骨架上的线圈工作在由磁体和补偿环组成的复合磁体营造的磁场空间内,跟随震动输出电信号,完成机电信号转换的过程。

图4 线圈系统和磁系统解剖示意图

直流电阻 R的值取决于线圈绕组的参数,具体为漆包线的电阻率和线圈匝数,为了调整检波器的阻尼系数,常常在检波器输出端并联一个阻尼电阻,这样检波器的直流电阻 R实际上是线圈内阻Rc和并联电阻Rs的并联值。

当外界环境温度发生变化时,检波器线圈电阻值R随Rc和Rs的变化而变化,由于一般选用的 Rs都是温度系数比较好的并联电阻,因此主要取决于内阻 Rc的变化,也就是取决于漆包线的温度系数了。通常情况线圈内阻 Rc的温度系数为0.003 9Ω/℃。

阻尼系数表征了检波器震动的衰减程度,为了缩短仪器的固有震动延续时间来保证检波器有足够的分辨能力,能够清楚的区分达到时差很短的有效波的振动,检波器就要有足够大的阻尼,另一方面,过度的阻尼将使仪器反映迟缓,灵敏度减小。阻尼系数Bt由两部分组成,开路阻尼系数和并阻阻尼系数,Bt=B0+Bc,其中

式中,Bδ为间隙场强度;D0为线圈平均直径;f0为自然频率;m为惯性体质量;RL线架涡流电阻;w为线圈圈数。

现在将影响涡流电阻 RL的参数简要分析：

其中,ρ为电阻率,Ω·cm2/m;l为长度,m;s为截面积,cm2。

在检波器中,如图5所示。

l=πD

D为线圈架直径。

由于 D≈D0,因此,l≈πD0,s=db

其中,d为在磁场中的线圈架壁厚;b为在磁场中的线圈架的宽度。

那么,线圈架的电阻：

图5 线圈架在磁隙中的示意图

从以上两式中可以看到,不管是开路阻尼还是并阻阻尼,均和气隙中的磁场强度B2δ成正比,和f0、m成反比。在以上关系中,D0的变化是很小的,w的变化也不大,那么影响检波器阻尼变化的因素是 Bδ、f0、m、RL这几个参数,而和温度变化有关的是 Bδ和RL,其中尤其和 Bδ的影响是平方关系,因此,减小 Bδ的变化对稳定检波器的参数相对就更加重要。

检波器的灵敏度即检波器的机电偶合系数,反映了检波器的机电转换效率,一般开路状态下

灵敏度与工作间隙场强Bδ成正比关系。检波器并联阻尼电阻后,灵敏度也受到影响

因此,此时的灵敏度也受到电阻变化的影响。

我们知道,即使现有最好的磁性材料[1],其本身的温度系数也很难做到零,考虑到经济效益等其它方面,一般检波器选用的磁性材料温度系数在万分之三到千分之一左右,当外界温度发生变化时,磁性材料由于本身温度特性剩磁将发生变化,导致检波器间隙场发生变化,这样检波器的阻尼系数和灵敏度都受到了磁场变化的影响。

综上所述,检波器因为温度变化引起的3项指标的变化,实质上是因为检波器直流电阻、检波器间隙工作场强,以及线圈架铝材本身随温度变化而导致的。

2 地震检波器抗温变技术研究

根据检波器参数随温度变化的规律以及相互间的影响[2],检波器参数受温度影响最大的是直流电阻,其次是阻尼,最后是灵敏度,在实际工作中,影响检波器模态变化的最重要的是相对阻尼指标,它的变化不但导致检波器幅-频、相-频曲线的变化,同时导致灵敏度的变化,从而改变了设计初衷。

2.1 温度变化对阻尼影响分析及解决方法

我们从公式(3)和(4)中可以看到,影响相对阻尼的因素比较复杂,当检波器机械结构设计完毕后,尺寸相对固定,随温度变化的因素还有3个,即间隙场强Bδ、线圈电阻 Rc和线架电阻率ρ,阻尼和 Bδ成平方关系,间隙场强 Bδ决定于采用的磁性材料,目前检波器中磁体[1]的温度系数大约在0.3‰～1‰,线圈电阻决定于采用的漆包线的铜芯温度系数,大约为0.003 9 Ω/℃,线架的涡流阻尼由采用铝材的电阻率所决定,这个值折算到温度系数大约为0.002。对于检波器开路状态,有如下温度公式[3]：由于漆包线和铝材的温度系数改变的可能性很小,而且代价高,因此可以选择改变磁体的温度系数来保证间隙场强的稳定,甚至于形成一个反向的变化,从而补偿掉铝架的温度系数。在本文中,我们采用复合磁体技术来解决这个难题。

具体的说,采取使用温度补偿材料办法,形成一个与磁体平行的磁分路,通过磁分路的调节使工作间隙磁场稳定,来减少磁场变化,使检波器在使用范围内达到指标要求。由于检波器温度有效补偿范围较宽(-40℃～+80℃)。因此我们可以采用磁感应强度强烈依赖于温度变化、随温度的升高磁感应强度接近线性规律降低,尽可能高的补偿落差的温度补偿合金,使之与检波器磁场变化相匹配,我们称之为复合磁体。

在磁体和外壳之间建立一条由补偿环和磁体组成的平行于工作磁路1的补偿磁路2。当外界温度变化时,工作于磁路1中的磁力线将产生变化,温度升高磁场减弱,温度降低磁场增强,由于材料本身特性,此时补偿磁路2中将产生相反的变化,温度升高磁阻增大,流经的磁力线减弱,补偿进磁路1中,抵消磁路1的减弱趋势,反之亦然,从而在工作间隙场中达到磁路平衡,这就是磁路补偿的基本原理。如果补偿环的能力很强,超过了正常磁路的变化,那么将会产生过补偿的现象,这是本文中重点要利用的特性之一。

2.2 温度变化对电阻影响分析及解决办法

对于直流电阻,如果检波器开路,那么它只决定于漆包线的温度系数,无法进行调整。但是我们知道,在检波器正负极之间,为了调整检波器的阻尼,往往并联了一个阻尼电阻,这个电阻在现有的检波器中,一般采用的都是温度系数很好的电阻,恰好可以作为调整补偿线圈电阻的方法[4]。并联电阻后,检波器的直流电阻为：

适当调整并联电阻的温度系数 C,使之适应线圈电阻温度系数 A(该值为0.0039),从而使式(9)接近于式(1),就可以较大幅度的降低检波器直流电阻的温度变化了。电阻变化的减小,对阻尼和灵敏度的温度变化也产生积极影响。因为线圈电阻 Rc的温度系数A为正,那么 C值将为一个负值,因此这种方法称之为负温系数补偿。

2.3 温度变化对灵敏度的影响及解决办法

我们分析灵敏度和阻尼,通过公式(2)、(3)、(5)、(6)、(7)、(8)分析,在影响灵敏度的参数中,基本有2项,一是并联电阻,一是间隙场强,那么可以这样认为,如果在检波器的两端不加阻尼电阻,那么影响灵敏度温度系数的因素就只剩下间隙场强,如果采取复合磁体把间隙场强的变化补偿为零,那么地震检波器的灵敏度就是恒定的了。

3 结 论

综上所述,由于野外勘探环境的复杂性,检波器的温变效应会给勘探采集带来不利影响,应用新的技术,开展抗温变检波器的研究,研制新一代抗温变地震检波器,将对目前动圈式地震检波器的研究、制造和使用带来全新的认识,对稳定和提高采集质量提供保障,具有广阔的市场前景。并降低采集过程中检波器的参数变化,提高检波器的一致性,将带来较为深远的影响。

[1] 薛立武,等.地震检波器中磁体的发展及特点[J].物探装备,2009,19(5)

[2] 薛立武,等.环境温度变化对超级检波器测试的影响分析[J].石油仪器,2010,24(5)

[3] SY/T 5046-2005地震检波器[S]

[4] 付小宁,等.地震检波器的参数受温度影响的研究[J].力学与实践,2005,27(5)

Temperature against fluctuation technologies of seismic geophones.

Xue Liwu,Ma Fang,Ma Yanmang and Duan Yaling.

Currently most geophone used in seismic exploration is magnet-electric type geophones,as environmental temperature changes,the magnet-electric type geophone parameters will produce the temperature change effect.The temperature change effect will change the work modal of geophone,thus influencing acquisition.From the geophone working principle and manufacturing principles,This paper puts forward specific solution,and provides theory and the technology base for the development of temperature-to-resistance change geophones.

seismic geophone;temperature change;work modal;solution

P631.4+36

B

1004-9134(2011)06-0019-04

薛立武,男,1970年生,高级工程师,1993年毕业于河北承德石油高等技术专科学校,2000年取得西安理工大学机电一体化专业本科学历 ,取得工学学士学位。现在东方地球物理公司装备制造事业部西安物探装备分公司技术研发中心工作。邮编：710082

2011-07-01

刘雅铭)PI,2011,25(6)：19～22