本發(fā)明涉及一種地球物理勘探工具，尤其是地震勘探用的單分量地震檢波器。

背景技術(shù)：
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地震勘探法目前仍然是在陸地和海洋勘探石油和天然氣的主要手段，同時也是其他礦產(chǎn)資源的重要勘探方法，并廣泛應用于研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工程勘探和檢測、地質(zhì)災害預測等等方面。地震勘探中用來直接拾取地震振動,并將振動轉(zhuǎn)換為符合儀器記錄系統(tǒng)需要的能量形式的儀器，稱為地震檢波器。目前應用于地震勘探領域中幾種典型的地震檢波器有：(1)動圈式地震檢波器，利用線圈在地面振動時切割磁感線，產(chǎn)生感應電動勢，通過測量感應電動勢的變化來檢測地震波。(2)壓電式地震檢波器，利用壓電材料的壓電、壓阻效應，通過質(zhì)量塊敏感慣性力，使材料的電壓或電阻產(chǎn)生相應的變化，通過測量輸出的電壓來檢測地震波。(3)MEMS電容式地震檢波器，利用MEMS技術(shù)微型化、低功耗等特點，采用質(zhì)量塊-彈簧-阻尼器系統(tǒng)來感應地動加速度，再將電容變化轉(zhuǎn)化為可輸出的電壓信號，通過測量電壓信號來檢測地震波。(4)電化學地震檢波器，典型的電化學地震檢波器以液態(tài)的電解液(通常是碘化鉀和碘的水溶液)作為慣性質(zhì)量，電解液被2片橡膠膜密封在有機玻璃管道中。由多孔電極和絕緣層疊加形成的敏感核心被固定在管道的中心位置，當電解液受外界震動，在電極附近形成對流將引起電極附近離子濃度的變化，從而使電極電流輸出產(chǎn)生相應的改變，通過電路將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過測量輸出的電壓來檢測地震波。(5)光纖Bragg光柵地震檢波器,利用光柵的波長調(diào)制原理,即利用外界的微擾振動來改變光柵的柵距,再轉(zhuǎn)化為對應的波長變化量，通過檢測波長的變化來測量加速度的大小。

主要用于天然地震觀測的機械擺式地震檢波器，最近也偶爾被用于深部的地震勘探，但是這種地震檢波器雖然在低頻檢波部分有著明顯的優(yōu)勢，但是其復雜的機械工藝，極高的機械檢測要求，在實際野外勘探中，埋置要求非常高，需要良好的地面耦合平臺，檢波器需要解鎖擺，調(diào)零居中，較長的系統(tǒng)穩(wěn)定時間，都不利于野外施工；

上述幾種典型的地震檢波器中，動圈式地震檢波器頻帶窄、動態(tài)范圍小、失真度大、抗電磁干擾能力不足；壓電式檢波器的核心部件-壓電晶片的加工要求很高，國內(nèi)在壓電晶體方面加工工藝的原因，檢波器的一致性不好，而且使用壽命較短；MEMS電容式地震檢波器中器件含各種復雜MEMS微結(jié)構(gòu)，工藝復雜、成品率低、成本高，輸出信號微弱，對檢測電路要求苛刻；電化學地震檢波器采用鉑絲網(wǎng)狀電極與多孔陶瓷薄片和陶瓷管組裝而成，器件體積大、工藝復雜、成本高、電極一致性差、批量化生產(chǎn)能力差；光纖Bragg光柵地震檢波器涉及到光學、機械學、電子檢測等，整個檢波器比較復雜，加工工藝難度大、成本高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的就在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種單分量地震檢波器。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

單分量地震檢波器，是由圓筒形外殼5的下端通過螺紋固定在底座4之上，外殼5的上端通過螺紋蓋有上端蓋7，上端蓋7的中間設有信號線孔8，外殼5內(nèi)設有固定在底座4之上的彈簧1，彈簧1上端裝有磁體2，信號線6穿過信號線孔8與外殼5內(nèi)的巨磁阻傳感器3連接構(gòu)成。

磁體2與巨磁阻傳感器3之間的距離為2--2.50mm。

磁體2采用稀土永磁體，磁場強度為0.2T。

磁體2的上部為N極，下部為S極。

巨磁阻傳感器3在外殼5內(nèi)通過信號線6和上端蓋7的螺紋限位。

有益效果：本發(fā)明的單分量地震檢波器最低頻率能達到6Hz，與現(xiàn)有的應用于地震勘探領域中的動圈式地震檢波器、壓電式地震檢波器、MEMS電容式地震檢波器、電化學地震檢波器、光纖Bragg光柵地震檢波器和用于天然地震觀測的機械擺式地震檢波器等幾種主要地震檢波器相比：在低頻區(qū)間慣性質(zhì)量體的增加不明顯，具有極好的一致性和穩(wěn)定性，具有極長的使用壽命?？捎行У囊种谱栽肼暎哂泻芎玫沫h(huán)境溫度適應能力。具有體積小，不易損壞，制造成本低，制造工藝簡單，成品率高，輸出信號強，功耗低，使用方便，易于功能升級等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為單分量地震檢波器結(jié)構(gòu)圖

圖2為單分量地震檢波器彈簧-質(zhì)量體模型

圖3為有阻尼系統(tǒng)模型，x為檢波器外殼隨地面運動的位移，y為慣性質(zhì)量體相對于擺體的運動位移，則慣性質(zhì)量體相對于檢波器外殼的運動位移^z

圖4為單分量地震檢波器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖5為有阻尼和無阻尼(B_t＝0)系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性圖

1彈簧，2磁體，3巨磁阻傳感器4底座，5外殼，6信號線，7上端蓋，8信號線孔。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

單分量地震檢波器，是由圓筒形外殼5的下端通過螺紋固定在底座4之上，外殼5的上端通過螺紋蓋有上端蓋7，上端蓋7的中間設有信號線孔8，外殼5內(nèi)設有固定在底座4之上的彈簧1，彈簧1上端裝有磁體2，磁體2采用稀土永磁體，磁場強度為0.2T；磁體2的上部為N極，下部為S極；磁體2與巨磁阻傳感器3之間的距離為2—2.5mm。信號線6穿過信號線孔8與外殼5內(nèi)的巨磁阻傳感器3連接，巨磁阻傳感器3在外殼5內(nèi)通過信號線6和上端蓋7的螺紋限位。

圖1為單分量地震檢波器結(jié)構(gòu)圖。彈簧片與磁鐵體組合成慣性質(zhì)量體，傳感器遇到外界震動時，彈簧會相應產(chǎn)生震動，磁鐵就會在在有機玻璃管中上下震動，圓筒形外殼5內(nèi)的磁場也發(fā)生了相應的變化，然后用GMR探頭進行檢測。

圖2所示為彈簧-質(zhì)量體模型。綜合考慮選擇已有的2Hz動圈式檢波器的彈簧作為分析對象，質(zhì)量體選用稀土永磁體。設慣性質(zhì)量體(稀土永磁體)的質(zhì)量為m，彈簧的彈性系數(shù)為k，地面振動引起傳感器外殼產(chǎn)生向上的運動位移為x，慣性質(zhì)量體的運動位移為y。

彈簧-質(zhì)量體模型的運動方程可以表示為：

$m\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}=-ky+m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}---\left(1\right)$

將系統(tǒng)作為零狀態(tài)系統(tǒng)，對式1作拉普拉斯變換，得：

ms²Y(s)＝-kY(s)+mX(s) (2)

則該模型的傳遞函數(shù)為：

$\frac{Y\left(s\right)}{X\left(s\right)}=\frac{s^2}{s^2+\frac{k}{m}}---\left(3\right)$

永磁體的質(zhì)量m為9.2492g，彈簧的彈性系數(shù)為k為9.11，則

$\frac{Y\left(s\right)}{X\left(s\right)}=\frac{s^2}{s^2+\frac{k}{m}}=\frac{s^2}{s^2+984.95}---\left(4\right)$

圖3為有阻尼系統(tǒng)模型，x為檢波器外殼隨地面運動的位移，y為慣性質(zhì)量體相對于擺體的運動位移，則慣性質(zhì)量體相對于檢波器外殼的運動位移z：

z＝x-y (5)

有阻尼模型的運動方程為：

$m\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}=-kz-\mathrm{\η}\frac{d^{2}z}{{\mathrm{dt}}^2}---\left(6\right)$

由式5、式6可得：

$m\frac{d^{2}z}{{\mathrm{dt}}^2}+kz+\mathrm{\η}\frac{d^{2}z}{{\mathrm{dt}}^2}=-m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}---\left(7\right)$

對式7進行拉氏變換，整理可得系統(tǒng)對輸入位移的傳遞函數(shù)：

$H\left(s\right)=\frac{Z\left(s\right)}{X\left(s\right)}=\frac{-s^2}{s^2+\frac{\mathrm{\η}}{m}s+\frac{k}{m}}---\left(8\right)$

設固有角頻率為ω₀，阻尼比為B_t，令則：

$H\left(s\right)=\frac{Z\left(s\right)}{X\left(s\right)}=\frac{-s^2}{s^2+2B_t{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}=\frac{-s^2}{s^2+62.768B_{t}s+984.95}---\left(9\right)$

圖4為有阻尼和無阻尼(B_t＝0)系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性圖。該模型具有高通特性。對于彈簧-質(zhì)量體模型(無阻尼，B_t＝0)，頻率在4Hz以下的信號，其輸出信號隨頻率的減小而減??；對于頻率在6Hz以上的信號，能較好地通過；由于該模型處于無阻尼的狀態(tài)，彈簧的固有頻率為5Hz，頻率在4Hz～6Hz之間的信號會引起彈簧的共振，使得輸入信號處于放大狀態(tài)。對于有阻尼模型，B_t為0.707時，為最佳阻尼比，此時幅頻特性曲線最平坦。

圖5中為震動傳感器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

1GMR傳感器，2低通濾波電路，3放大電路，4A/D轉(zhuǎn)換模塊，5單片機系統(tǒng)，6LabVIEW界面顯示，7RS232通訊方式。

GMR傳感器1由高靈敏度、低功耗、低成本、使用范圍寬以及性價比高的GMR型傳感器芯片SS501A構(gòu)成，將磁場的變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出；濾波電路由OP27和RC電路組合成二階低通濾波電路對信號進行濾波，放大電路3由儀用放大器INA128構(gòu)成對信號進行放大。信號采集系統(tǒng)②由A/D轉(zhuǎn)換模塊和STC12C5A16S2單片機組成，A/D轉(zhuǎn)換模塊4將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號，再傳送至STC12C5A16S2單片機系統(tǒng)5，將數(shù)據(jù)發(fā)送出來與上位機進行通訊；RS232通訊模塊7與PC上位機實現(xiàn)串口通信，在計算機上進行LabVIEW界面顯示6。

實施例1

單分量地震檢波器，是由圓筒形外殼5的下端通過螺紋固定在底座4之上，外殼5的上端通過螺紋蓋有上端蓋7，上端蓋7的中間設有信號線孔8，外殼5內(nèi)設有固定在底座4之上的彈簧1，彈簧1上端裝有磁體2，磁體2采用稀土永磁體，磁場強度為0.2T；磁體2的上部為N極，下部為S極；磁體2與巨磁阻傳感器3之間的距離為2mm。信號線6穿過信號線孔8與外殼5內(nèi)的巨磁阻傳感器3連接，巨磁阻傳感器3在外殼5內(nèi)通過信號線6和上端蓋7的螺紋限位。

實施例2

單分量地震檢波器，是由圓筒形外殼5的下端通過螺紋固定在底座4之上，外殼5的上端通過螺紋蓋有上端蓋7，上端蓋7的中間設有信號線孔8，外殼5內(nèi)設有固定在底座4之上的彈簧1，彈簧1上端裝有磁體2，磁體2采用稀土永磁體，磁場強度為0.2T；磁體2的上部為N極，下部為S極；磁體2與巨磁阻傳感器3之間的距離為2.2mm。信號線6穿過信號線孔8與外殼5內(nèi)的巨磁阻傳感器3連接，巨磁阻傳感器3在外殼5內(nèi)通過信號線6和上端蓋7的螺紋限位。

實施例3

單分量地震檢波器，是由圓筒形外殼5的下端通過螺紋固定在底座4之上，外殼5的上端通過螺紋蓋有上端蓋7，上端蓋7的中間設有信號線孔8，外殼5內(nèi)設有固定在底座4之上的彈簧1，彈簧1上端裝有磁體2，磁體2采用稀土永磁體，磁場強度為0.2T；磁體2的上部為N極，下部為S極；磁體2與巨磁阻傳感器3之間的距離為2.5mm。信號線6穿過信號線孔8與外殼5內(nèi)的巨磁阻傳感器3連接，巨磁阻傳感器3在外殼5內(nèi)通過信號線6和上端蓋7的螺紋限位。