地球物理勘探中新型地震检波器的研究

2016-10-20中国地震局地球物理勘探中心河南郑州450000

地球 2016年10期

（中国地震局地球物理勘探中心河南郑州450000）

针对常规地震检波器谐波失真度高、灵敏度低的问题，研究了地球物理勘探中一种新型磁环地震检波器。从地震检波器的工作原理出发，探讨了新型磁环地震检波器的设计和实验，通过研究表明，新型磁环地震检波器能够很好满足地球物理勘探高精度、低谐波失真度的要求。

地球物理勘探地震检波器精度谐波失真

0 前言

地震检波器是地球物理勘探中采集地震数据的重要仪器，其必须要有着较高的精度和较低的谐波失真度。传统的地震检波器有着气隙磁场强度弱、均匀性差的缺点，其谐波失真度较高，使得在实际应用的过程中，检波器的灵敏度较差，容易导致检测结果失真，因此有必要研究一种高精度、低失真度的新型地震检波器。本文以辐向磁场设计思路为基础，提出了一种新型磁环地震检波器，旨在为地球物理勘探中高精度检波器的研发提供参考。

1 地震检波器工作原理概述

从本质上来讲，地震检波器属于传感器，其能够将地震勘探激发的地震波转换为电动势。地震检波器在地球物理勘探中有着重要的应用，其主要采用磁电动圈式结构，在地震勘探的过程中，不同地层会向地表反射地震波，地震波传递到地面会通过尾灯导致磁钢振动，磁钢和线架在振动作用下会产生相对运动，相对运动则会转换为电信号输出，从而完成地震波向电动势的转换[1]。

在理想的工作状态下，检波器工作频带内其输出和输入呈现线性关系，检波器的输入指的是地震波的速度和加速度输入，检波器的输出指的是电压输出。但在检波器的实际应用过程中，其会受到弹簧片假频非线性以及气隙磁场不均匀的影响，从而导致谐波失真[2]。因此，不仅要对弹簧结构进行改善，消除假频非线性影响，同时要对检波器电磁场内部气隙磁场进行研究，消除气隙磁场不均匀的影响。

2 新型磁环地震检波器的设计及实验

2.1 新型磁环地震检波器的设计

2.1.1 磁路设计分析

要想提升地震检波器的灵敏度和准确度，避免谐波失真，保证检波器气隙磁场的均匀至关重要，磁场在轴向上不能出现分量，同时强度要大。因此在磁路设计的过程中，采用高性能辐向充磁的FeCo基磁钢，将FeCo基磁钢作为磁源磁路，以此来取代传统检波器的钕铁磁钢。

在新型磁环检波器中，磁场从磁环N极出发，之后穿过气隙场，从而形成均匀的气隙磁场分布，磁场的方向与线圈运动方向垂直，此时检波器的灵敏度最大，谐波失真度最小[3]。对于普通检波器来说，其主要通过磁靴进行导磁，因此在气隙场中形成的磁场并非均匀分布，磁场方向与线圈的运动方向并不垂直，其检波器灵敏度会降低，谐波的失真度会增加。用Hall磁传感器对新型磁环检波器和常规检波器的磁场分布进行测定，通过对比发现，新型磁环检波器的气隙磁场均匀场宽度为13毫米，磁场强度为560mT，而常规检波器的均匀磁场宽度为6毫米，磁场强度为300mT。由此可见，相较于常规检波器来说，新型磁环检波器的气隙磁场均匀更宽，其磁场强度更强。

2.1.2 新型磁环检波器芯体结构设计

新型磁环检波器芯体结构设计，磁钢选用FeCo基磁钢，其温度系数为-0.04%每摄氏度，其磁能积较高，取代传统轴向充磁磁钢，针对磁环充磁难的问题，采用真空粉末冶金烧结、充磁之后整体性粘结的办法来进行解决，通过此路设计软件来对磁路和芯体结构进行优化设计[4]。在塑料外壳中，封装芯体、电缆线以及防水帽，之后在塑料外壳外装设尾灯，则构成了用于地球物理勘探的新型磁环地震检波器。

2.2 新型磁环地震检波器的实验

2.2.1 特性参数的测试结果

新型磁环地震检波器属于二阶振动传感器的范畴，因此主要采用阶跃电测法来测试检波器的性能参数，在新型磁环检波器的输出端，用检波器测试仪增加一个稳定电流，检波器的悬体处于永久磁场中，在电流的作用下，检波器的悬体会受到磁场力的作用，从平衡位置离开，之后快速车垫检波器测试仪提供的稳定直流，此时检波器悬体会突然失去磁场力的作用，从而作自由衰减振动。在整个过程总，新型磁环检波器两端的电压为一阶跃电压，因此，检波器悬体的自由衰减振荡输出的响应为阶跃响应，之后生成阶跃响应曲线，从曲线中能够提取出新型磁环检波器的参数，例如固有频率、灵敏度以及阻尼比等检波器参数都能够在阶跃曲线中提取出来[5]。根据测试结果表明，新型磁环检波器的谐波失真度值在0.05以下，远远小于常规地震检波器的谐波失真度，新型磁环检波器的灵敏度为280/mv/cm/s，大于其他常规地震检波器的灵敏度，且误差范围相较于常规地震检波器缩小了2.5%，由此可见，相较于常规地震检波器来说，新型磁环检波器的性能更加优良。

2.2.2 新型磁环检波器幅频特性曲线分析

图1为新型磁环地震检波器的幅频特性曲线，从曲线中可以看出，新型磁环检波器在宽频带内的灵敏度较高，谐波失真度较小，线性明显，而地球物理勘探中对精度以及分辨率的要求较高，由此可见，新型磁环地震检波器能够很好的满足地球物理勘探的要求。