高性能地震檢波器測試系統(tǒng)

田 磊，王慶禹，劉建萍，韓文剛，鞏慶剛

中國石油東方地球物理公司裝備服務處石油物探計量中心 （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。為了對檢波器的生產(chǎn)和使用進行客觀評價和質(zhì)量控制，對新研制的檢波器進行系統(tǒng)測試，由東方地球物理公司石油物探計量中心承擔研制了高性能地震檢波器測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)相對真實的再現(xiàn)了檢波器的實際工作方式，測量數(shù)據(jù)可靠性，測試精度高，可以測量檢波器垂直和水平條件震動的響應特性。

1 測試系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

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

1.1 振動原理及結(jié)構(gòu)

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

1.2 激光測震原理及結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)對振動環(huán)節(jié)高精度監(jiān)測，本系統(tǒng)采用激光干涉原理[1]，如圖2所示。反射鏡安裝在振動臺面上，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。當振動臺上下或左右移動時，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，可到振動臺的振幅情況等。

圖1 振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 邁克爾遜激光干涉儀測量原理示意圖

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試系統(tǒng) （以下簡稱振動臺測試系統(tǒng)）的運行精度和可靠性，防止震動，電磁等因素的干擾，將試驗設施建立在遠離城市、高速和鐵路，干擾相對較少的地方。為更進一步減少微小震動對系統(tǒng)的影響，將振動臺測試系統(tǒng)固定在水泥隔離墩上，測試時檢波器和振動臺面進行鋼性連接，這樣在振動臺測試系統(tǒng)工作時，檢波器就能真實的再現(xiàn)振動臺面工作狀態(tài)。

振動臺測試系統(tǒng)的主要組成部件以及運行原理如圖3所示。計算機系統(tǒng)通過控制信號源的頻率和功率放大器來調(diào)節(jié)振動臺的振動頻率和幅度，同時計算機采集激光測振儀與被測樣品的輸出，將采集的數(shù)據(jù)通過處理和運算得到振動的位移幅度、速度、加速度、速度靈敏度、輸出電壓、失真度、相位和響應等值，通過這些數(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 振動臺測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 測試系統(tǒng)參數(shù)及技術(shù)指標

高性能地震檢波器測試系統(tǒng)設計技術(shù)指標見表1，其設計滿足參數(shù)滿足對檢波器中低頻段的測試要求，同時不但能測試檢波器，對其他類型的振動傳感器也能進行測試。

表1 測試系統(tǒng)參數(shù)

本中心作為計量機構(gòu)，所有測試設備均需溯源校準，為校準振動臺測試系統(tǒng)的實際技術(shù)指標，采用經(jīng)過在中國計量科學院溯源的標準三分量傳感器進行測試和驗證，其驗證結(jié)果如下。

2.1 臺面波形失真度

表2為臺面波形失真度，通過驗證，水平臺面波形失真度＜0.8%，垂直臺面＜0.9%，整體失真度滿足＜1%的要求。

表2 臺面波形失真度

2.2 臺面不均勻度

因振動臺面不是一個點運行，在進行上下或左右振動的時候，臺面各個位置難免出現(xiàn)偏振等不均勻振動方式。為保證臺面整體穩(wěn)定運行，不影響測試結(jié)果，需要對臺面進行不均度測試（圖4）。

垂直振動臺面為圓形，為驗證其均勻度，分別在臺面的中心處（點A1），1/2半徑處（點B1）和靠近臺面邊緣處（點C1）3個點測試讀數(shù)，其測點布置見圖4（a）,表3為垂直臺面不均勻度。從中看出垂直臺面的不均度＜0.9%。

圖4 臺面測點布置

水平振動臺面為矩形，為驗證其均勻度，分別在臺面的中心處（點 A2），3 個頂角處（點 B2，C2，D2）共4個點測試讀數(shù)，其測點布置見圖4（b）,表4為水平臺面不均度。從中看出水平臺面的不均度＜0.8%。

3 與檢波器測試儀測試方法的比較

檢波器測試儀是目前廣泛作為測試檢波器特性的設備，其測試方法是動圈式檢波器工作原理的逆過程，即由檢波器測試儀給檢波器線圈提供一個脈沖激勵，則線圈在磁場中運動，切割磁力線，產(chǎn)生感應電動勢。通過得到幅值可以計算出阻尼系數(shù)(Bt)、靈敏度(G)、自然頻率(Fn)等。但檢波器測試儀只能測試動圈速度型檢波器，測試過程又受到設備本身精度和環(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試系統(tǒng)則是模擬了檢波器實際工作的狀態(tài)，將檢波器與振動臺面進行鋼性連接，振動臺面的振動情況就傳導給了檢波器，將檢波器輸出幅值與振動臺震動幅值進行對比，能清楚的得到檢波器對振動信號的響應情況，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，且臺面干擾小，數(shù)據(jù)更真實更準確；本系統(tǒng)還能測試微機電等多種類型的檢波器，測試不受被測度對象的多樣性影響。這些都是檢波測試儀的電激勵方式或者白噪聲方式無法滿足的[2-4]。

表3 垂直臺面不均勻度

表4 水平臺面不均勻度

4 系統(tǒng)測試方法及測試樣例

使用高性能地震檢波器測試系統(tǒng)進行樣品測試時，先要根據(jù)設備啟動次序依次啟動，同時監(jiān)控系統(tǒng)以及測試環(huán)境到穩(wěn)定狀態(tài)后，才可進行測試，在測試過程中禁止在實驗室中走動、喧嘩或者使用手機等電子設備，以減少對測試過程的干擾而影響測試結(jié)果。測試時將檢波器固定在振動臺面上，檢波器與振動臺面的之間使用鋼性連接法，這樣不會產(chǎn)生不必要的位移而影響測試數(shù)據(jù)的準確性。

該系統(tǒng)在投入運行后，多次參與對檢波器大型采購的測試，生產(chǎn)廠商的質(zhì)檢測試，以及新產(chǎn)品研發(fā)測試。下面通過該系統(tǒng)測試的幾組檢波器測試[5]數(shù)據(jù)分析圖來對振動臺測試系統(tǒng)的測試效果及測試能力進行說明。

示例1：幅頻特性測試是將樣品安裝在垂直振動臺面上，圖 5幅頻特性測試波形圖中圖5(a)樣品底座與垂直振動臺面成0°和傾角15°幅頻特性測試結(jié)果對比，可以很明顯的看出在正常情況下，樣品的測試結(jié)果都滿足標稱靈敏度的要求，但是當安裝傾角加大后，樣品的靈敏度明顯變小，說明實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試數(shù)據(jù)，樣品在500Hz以內(nèi)的一致性比較好，但是超過500Hz有部分樣品也存在部分翹尾情況。

圖5 幅頻特性測試波形圖

示例2：線性特性曲線測試是將樣品安裝在垂直臺面上，圖6是2只不同型號樣品的測試波形。將臺面振動頻率固定在31.5Hz，振動速度從0mm/s上升到60mm/s,讀取測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線性測式采樣波形圖為某樣品做線性測試時，當臺面振動速度增加后，樣品輸出的波形不再表現(xiàn)為標準的正弦波，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，與振動臺的振動波形 （其驅(qū)動波形）不一致，其波形失真度達到了11.6%，正向峰值的絕對值＞負向峰值的絕對值，說明樣品軸心偏離中心，且測試過程中出現(xiàn)撞頂。

圖6 線性測試數(shù)據(jù)波形圖

圖7 線性測式采樣波形圖

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

圖8 假頻測試數(shù)據(jù)波形圖

圖9 假頻測試采樣波形圖

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

5 結(jié)束語

高性能地震檢波器測試系統(tǒng)的建立，得到其各項特性參數(shù)在多次的測試中提供了高質(zhì)量的測試數(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].地球物理學進展,2009,24(6)：2117-2121.

[3]王雪飛,張志勇.傳感器原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社,2004.

[4]丁偉,張家田.地震勘探檢波器的理論與應用[M].西安：陜西科技出版社,2006.

[5]SY/T 5046-2005地震檢波器[S].