專利名稱：力反饋地震檢波器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及地震檢波器領域，更具體地說，涉及用于地震檢波器中力反饋控制的系統(tǒng)和方法。

背景技術：
存在被已知為短周期地震檢波器和寬帶地震檢波器的兩大類地震檢波器。寬帶地震檢波器能在下測量低頻的微弱地動，而短周期地震檢波器則不能。地震地面運動的幅度在低于1Hz的頻率下趨于快速下降，而地震檢波器的自噪聲水平趨于上升，因此在高于1Hz的頻率(短周期)下比在更低頻率下更容易實現(xiàn)良好的信噪比。
大多數(shù)寬帶和部分短周期地震檢波器是力反饋型的。所有的力反饋地震檢波器均包括電子裝置，該電子裝置用于施加力以將可移動慣性質量塊(mass)相對于在地面上靜止的框架保持在預定零位置。在具有電子力反饋的短周期地震檢波器中，反饋足夠強烈以平衡地震檢波器力學上的傾斜和溫度的影響以及由于地震地面運動所引起的慣性力，不過，這種強烈的電子反饋帶來使得地震檢波器在低頻下無法測量微弱地面運動的噪聲。在寬帶地震檢波器中，電子力反饋(通過設計)被變得較弱以改進噪聲性能，但是調節(jié)地震檢波器的內部力學需要附加的質量定心(mass centering)調節(jié)機制，從而平衡傾斜和溫度的影響。這種質量定心調節(jié)機制增加了地震檢波器的尺寸和成本并且削弱了可靠性。而且，每次在地震檢波器被安裝在新場所時都調節(jié)內部力學是不方便的，并且隨著安裝的傾斜或溫度的變化不時重新調節(jié)也是不方便的。
因此，需要一種無需調節(jié)內部力學就能夠適應在現(xiàn)場服務中的有用的傾斜和溫度運行范圍的寬帶力反饋地震檢波器。而且，能夠減小寬帶地震檢波器的尺寸和成本的任何設計改進也是被期望的。


發(fā)明內容
特定示例性實施例可提供一種寬帶弱運動地震檢波器，該地震檢波器包括框架、質量塊、用于將所述質量塊可移動地連接至所述框架的懸掛裝置、用于測量所述質量塊相對于所述框架的位移以及用于生成作為所述位移的函數(shù)的傳感變送器輸出信號的傳感變送器、用于在預定的方向上將反饋力施加到所述質量塊的加壓變送器，以及用于接收所述傳感變送器輸出信號并且用于生成包括自噪聲分量的加壓變送器輸入信號的控制電路，所述加壓變送器輸入信號由所述加壓變送器處理以施加所述反饋力，從而使所述質量塊相對于所述框架維持靜止；所述反饋力足以平衡所述框架的沿該反饋力的預定方向的至少0.2m/s2的恒定加速度，其中所述加壓變送器輸入信號的自噪聲分量在被所述加壓變送器處理后，產生針對0.01Hz下的1m2/s3具有小于-150dB的頻譜密度的所述質量塊的可變加速度。
特定示例性實施例可提供一種用于寬帶弱運動地震檢波器的力反饋方法，該地震檢波器具有框架、質量塊、用于將所述質量塊可移動地連接至所述框架的懸掛裝置、可操作地連接至所述質量塊的質量塊電容器板、可操作地連接至所述框架的框架電容器板，所述框架電容器板被定位成平行于所述質量塊電容器板并且與所述質量塊電容器板隔開一垂直距離，所述方法包括通過測量所述質量塊電容器板與所述框架電容器板之間的垂直距離，感應所述質量塊相對于所述框架的位移，并且基于所測得的垂直距離，產生傳感變送器輸出信號；根據(jù)所述傳感變送器輸出信號生成加壓變送器輸入信號；根據(jù)所述加壓變送器輸入信號生成反饋力，所述反饋力包括自噪聲分量；在預定方向上將所述反饋力施加到所述質量塊，從而使所述質量塊相對于所述框架維持靜止，所述反饋力足以平衡所述框架的沿所述預定方向的至少0.2m/s2的恒定加速度，并且其中所述反饋力的自噪聲分量產生針對0.01Hz下的1m2/s3具有小于-150dB的頻譜密度的所述質量塊的可變加速度。



圖1A和圖1B示出根據(jù)實施例的力反饋地震檢波器的部件的示意圖； 圖2A和圖2B是示出在圖1A和圖1B中的地震檢波器的裝配時刻所設置的力平衡的示意圖； 圖3A和圖3B是示出在圖1A和圖1B中的地震檢波器的框架以傾斜的角度被定位時的力平衡的示意圖；以及 圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的地震檢波器的力反饋控制方法的示意流程圖。

具體實施例方式 根據(jù)本發(fā)明的具有力反饋控制的寬帶弱運動地震檢波器的一個實施例被示意性地表示在圖1A和圖1B中。圖1A是示出機械部件的簡化示意圖。圖1B是示出電部件的簡化示意圖。圖1A和圖1B一起示出用于感應一個靈敏度方向15上的地面運動的組件。已知這種定向傳感組件為地震檢波器軸。為了測量所有方向上的運動，力反饋地震檢波器通常包括被定位成彼此垂直的三個分立軸。
參照圖1A，懸臂1通過懸掛裝置連接至框架3。該懸掛裝置包括樞軸2和彈簧9。樞軸2允許懸臂1以單自由度圍繞樞軸線13基本自由地旋轉通過指定的運動范圍。在框架3處于水平時，彈簧9施加在裝配時刻確定和設置的力，以平衡重力并且將懸臂1支撐在相對于框架3的指定懸臂角22。
在框架3可傾斜的通常情況下，懸臂角23被限定如下。懸臂1、被固定至懸臂1的部件以及跟著懸臂1移動的部件一起包括可移動懸臂組件。該可移動懸臂組件具有質心12。經過質心12和樞軸線13的平面被已知為懸臂14的平面。懸臂角23是懸臂14的平面與垂直于重力方向的真水平面11之間的角?？蚣?包括水平基準面27。在框架的水平面11平行于真水平面11時，地震檢波器被認為是水平的。地震檢波器應該在水平方位下被使用，不過在現(xiàn)場服務中框架3可以被定位在傾斜角10，這將使得懸臂角23不同于指定的懸臂角22。
框架3在垂直于懸臂14的平面的運動將使得懸臂1圍繞樞軸2旋轉，并且將使質心12相對于框架3移動。不過，框架3在懸臂14的平面中的運動不會使懸臂1旋轉，也不會使質心12相對于框架3移動。因此，地震檢波器軸的靈敏度方向15是與懸臂14的平面垂直的方向。
傳感變送器按照如下方式感應懸臂1相對于框架3的位置。傳感變送器包括被固定至懸臂1的頂板4和底板5以及被固定至框架3的內板6。示例電子反饋控制電路在圖1B中被示出。電子反饋控制電路包括振蕩器28，振蕩器28將具有相同振幅和頻率但相位相反的振蕩電壓施加至頂板4和底板5。這些振蕩電壓電容性地連接至中心板6。
傳感變送器的三個板4、5和6基本平行，并且被定位成使得懸臂1圍繞樞軸2的旋轉促使頂板4和底板5在基本垂直于中心板6的平面的方向上移動，從而改變中心板6與其它兩個板4、5之間的距離。懸臂1的零位置是頂板4和底板5處于距中心板6相同距離處的位置，以使這些板之間的電容相同，并且因此施加至頂板4和底板5的相反電壓抵消以在中心板6上產生零電壓。
如果懸臂1遠離零位置運動，則中心板6上出現(xiàn)非零信號，并且該信號由前端放大器29放大并由檢測器電路30解釋。檢測器電路30生成作為地面運動的函數(shù)的地震檢波器輸出電壓31。地震檢波器輸出電壓31被反饋以通過具有三個分支的反饋網絡來控制懸臂的運動，其中一個分支包括差分反饋電容器32，第二個分支包括比例反饋電阻器33，并且被已知為積分器的第三分支包括積分放大器35和積分器輸出電阻器34。
來自反饋網絡的三個分支中的每個分支的輸出電流組合產生被輸入至加壓變送器的反饋電流。該加壓變送器包括被固定至懸臂1的線圈7以及被固定至框架3的磁鐵8。經過線圈7的反饋電流產生反饋力26，該反饋力26用于反抗懸臂1遠離零位置的任何運動，并從而使得該懸臂相對于框架3保持靜止。
在環(huán)路增益高時，在任何給定頻率下地震檢波器輸出電壓31對地面運動輸入的靈敏度由該頻率下的反饋網絡的增益來確定。積分器在DC下具有非常高的增益，使得地震檢波器輸出電壓31對框架3的恒定加速度或傾斜基本不敏感，或者等同地施加至懸臂1的恒定力基本不敏感。該積分器用于補償如圖3B中所示的懸掛力19與重力16之間的任何不平衡，從而將懸臂1維持在相對于框架成指定懸臂角22，并將傳感變送器維持在以零位置為中心的指定運行范圍內。積分器的增益隨著頻率衰減，使得地震檢波器輸出電壓31對時變地震地面運動的靈敏度由差分反饋電容器32和比例反饋電阻器33來設置。
圖2A和圖2B示出在框架3處于水平時在裝配時刻被設置的力的平衡。豎直向下作用的重力16被豎直向上作用的懸掛力19平衡。重力16具有被彈力21平衡的在靈敏度方向15上作用的軸上分量17，以及被樞軸力18平衡的在懸臂14的平面中作用的軸外分量18。
圖3A和圖3B示出在框架3被定位在傾斜角10時力的平衡。重力16和彈力21不發(fā)生改變。不過，由于懸臂角23發(fā)生變化，因此重力17的軸上分量發(fā)生改變，使得該軸上分量無法再平衡彈力21，并且反饋力26由積分器供應以使懸臂相對于框架保持靜止。重力18的軸外分量也發(fā)生改變，因此樞軸力18發(fā)生變化以使其平衡，由于懸臂14的平面中的運動受到樞軸2的剛性約束，因此這僅引起可忽略量的軸外運動。反饋力26是由于加壓變送器所引起的作用于質量塊12的中心上的力，該力可以不被加于(attached)質心12但卻施加轉矩至懸臂，并且因此將總反饋力26施加至質心12。
類似地，如果框架3處于水平但是彈力21由于剛度隨溫度的變化而改變，那么反饋力26再次由積分器供應，以使懸臂1相對于框架3保持靜止。
而且，在框架3由于地震地面運動而加速時，慣性力作用于懸臂1上，并且慣性力也被反饋力26和樞軸力18平衡。力的總平衡由等式1描述。
等式1 其中

是框架3由于地面運動引起的加速度，

是將懸臂1相對于框架保持在固定位置所需的總力，m是懸臂1的質量，

是重力加速度，

是懸掛力19，而

是反饋力26。
等式1可被重寫為用于描述靈敏度方向上的力平衡的標量等式2。
等式2
其中g是重力加速度的幅值，

是懸臂角23，而其它力和加速度是等式1中的力和加速度在靈敏度方向15上的分量。
因此，反饋力Ff 26具有每次數(shù)小時或數(shù)日基本維持恒定的分量

以及作為地震地面運動的比例測量值的更快速時變分量ma。積分器抵消力的固定分量

使得只有時變地震信號出現(xiàn)在地震檢波器輸出31中。力的這些固定分量的幅值如下 1、懸臂角

23隨地震檢波器的方位發(fā)生改變。在現(xiàn)場使用狀況下，由于精確的水平瞄準費力，因此可以是明顯不水平的，并且在一些情況下可能是不可能水平的。利用氣泡水平的典型安裝會將地震檢波器設置在水平的0.1度之內，因此

23會在指定值22的0.1度之內。不過，地震檢波器可能會由于土壤的沉積物或霜凍隆起而隨著時間變得傾斜1度或更大。而且，在地震檢波器被部署在人們無法接近的位置中，例如鉆孔中或者海洋底部時，地震檢波器有可能傾斜至少1度。傾斜10(

23的變化)的影響取決于

23的初始值。由于對于


1度的傾斜會引起重力

變化1.7％，因此水平軸對傾斜最敏感。由于對于


1度的傾斜會引起重力

變化僅0.015％，因此豎直軸對傾斜最不敏感。對稱三軸地震檢波器中的傾斜軸通常具有

并且因此對傾斜具有中級靈敏度。
2、懸掛力Fs21由于彈簧9的溫度靈敏度而隨著時間變化。地震檢波器在所有氣候下都暴露于室外溫度。對于普通彈簧材料來說，F(xiàn)s21在±50攝氏度運行溫度范圍內的變化近似為±2％。
3、重力加速度g隨著緯度和海拔而變化。重力加速度g在北極的海平面處比高赤道區(qū)域中高大約0.5％，因此相對于中緯度的重力變化±0.25％。
為了無需調節(jié)內部力學就適應現(xiàn)場服務中的傾斜和溫度的有用運行范圍，施加到線圈9(即，加壓變送器)的積分器的輸出能夠產生至少±2％mg的固定力(等同于±0.2m/s2的加速度或大約±1度的水平軸傾斜)。
力反饋26能夠平衡的最大加速度由等式3給出 等式3 其中Vmax是積分放大器35的最大輸出電壓，R是積分器輸出電阻34，

是積分器的最大輸出電流，kF是線圈7中每安培電流施加到質心12的、以牛頓表示的加壓變送器的靈敏度，而

是線圈7中每安培電流的質心12的組合加速度。
積分放大器35不可避免地具有一定級別的輸出電壓噪聲。該噪聲電壓根據(jù)等式4產生噪聲加速度。
等式4 其中Vn是積分器的輸出電壓噪聲，an是由于積分器所引起的噪聲加速度，而其它變量與等式3中的變量相同。
由于Vn隨著頻率而變化，因此最好被表示成頻率的電壓頻譜密度函數(shù)，使得an成為頻率的加速度頻譜密度函數(shù)。
具有寬帶低噪聲性能的力反饋地震檢波器應當具有足夠低的值的an，并且不進行機械質量定心就制造力反饋地震檢波器需要足夠大的值的amax。應該考慮兩個因素 1、具有足夠大的動態(tài)范圍

的積分器，以及 2、適當?shù)姆答伡铀凫`敏度
如果積分器的動態(tài)范圍Vmax/Vn足夠高，那么kF/mR存在一定范圍的值，該范圍的值同時實現(xiàn)足夠高的amax以適應現(xiàn)場服務中傾斜和溫度的有用運行范圍和足夠低的an以允許寬帶低噪聲性能。
在一實施例中，以下參數(shù)值被使用 Vmax＝40V，在0.01Hz下


m＝14克，而R＝150kΩ。
這些參數(shù)值除了質量m以外，都是寬帶低噪聲地震檢波器的的典型值。14克的慣性質量是短周期地震檢波器的典型值，而寬帶低噪聲地震檢波器通常使用大約10倍的質量。
減小質量是增加

并且從而增加amax的一種方式。減小質量有助于減小地震檢波器的總體尺寸并且從而還降低成本。如下那樣，減小質量還具有減小積分器的功率輸出并且從而減小地震檢波器的總功耗的優(yōu)點。
等式5 因此，質量的減小導致給定值amax所需的功率的比例減小。
以上列出的參數(shù)值的新組合提供結果 的3.7％， 這足夠大以適應現(xiàn)場服務中傾斜和溫度的有用運行范圍，并且 在0.01Hz下 這對于可能需要低噪聲寬帶地震檢波器的大多數(shù)遠震和本底地震研究來說是足夠低的。積分放大器35的輸出噪聲電壓Vn在低頻下具有斜度為1/f的功率頻譜，因此an隨著頻率在0.01Hz以上以10dB每十倍頻的速率降低。
圖4示出在具有先前所述的結構和參數(shù)值的寬帶弱運動地震檢波器中使用的力反饋方法。
傳感變送器36如下那樣感應質量塊42(即，先前描述的樞軸式懸臂組件)相對于框架的位移43。來自振蕩器28的振蕩電壓被施加到頂板4和底板5并且被電容性地連接至中心板6。在中心板6上得到的電壓是傳感變送器輸出信號37，它的幅值是懸臂1距零位置的距離的測量值，并且它的相位是懸臂1的相對于零位置的正或負的位移方向的測量值。
反饋控制器38如下那樣根據(jù)傳感變送器輸出信號37產生加壓變送器輸入信號39。傳感變送器輸出信號37由檢測器30處理以產生地震檢波器輸出電壓31。地震檢波器輸出電壓31被輸入至先前描述的具有三個分支的反饋網絡。來自反饋網絡的三個分支中的每個分支的輸出電流相組合以產生加壓變送器輸入信號39。
加壓變送器40如下那樣根據(jù)加壓變送器輸入信號39產生反饋力41。加壓變送器輸入信號39被施加到固定于懸臂1的線圈7。穿過被固定至框架3的磁鐵8的磁場的線圈7中得到的電流在線圈7上產生力。線圈7上的力被傳送至懸臂1以產生轉矩，該轉矩又產生作用于質心12的反饋力41。
作用于障肋塊42上的反饋力41根據(jù)牛頓第二定律對它加速。框架3的加速度產生慣性力44，慣性力44還作用于質量塊42上。質量塊相對于框架的位移43是由作用于質量塊上的所有力產生的凈加速度的結果。反饋控制器38如先前所述的那樣生成加壓變送器輸入信號39以平衡作用于質量塊42上的力，并且因此使位移43最小化，從而使質量塊42相對于框架3維持靜止。
反饋控制器38具有有限的動態(tài)范圍，該范圍對加壓變送器輸入信號39的幅值指定最大極限并且還對加壓變送器輸入信號39的時變自噪聲分量的頻譜密度指定最小極限。對加壓變送器輸入信號39的這些限制如先前所述的那樣對反饋力41以及得到的最大加速度amax和噪聲加速度an施加限制。
先前所述的參數(shù)值的組合產生

以及在0.01Hz下的


足夠大以適應現(xiàn)場服務中的傾斜和溫度的有用運行范圍，而

對于使用低噪聲寬帶地震檢波器的大多數(shù)遠震或本底地震來說是足夠低的。
盡管已經針對特定實施例和應用場合對本發(fā)明進行了描述，但是本領域的任何普通技術人員根據(jù)該教導均能夠得出另外的實施例和改進，而不會偏離本發(fā)明的權利要求的精神或超出其范圍。因此，應該理解的是，此處的附圖和說明適于作為示例的方式來便于本發(fā)明的理解，并且不應該被解釋成限制本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種寬帶弱運動地震檢波器，包括
框架；
質量塊；
懸掛裝置，用于將所述質量塊可移動地連接至所述框架；
傳感變送器，用于測量所述質量塊相對于所述框架的位移，并生成作為所述位移的函數(shù)的傳感變送器輸出信號；
加壓變送器，用于沿預定方向將反饋力施加到所述質量塊；以及
控制電路，用于接收所述傳感變送器輸出信號，并生成包括自噪聲分量的加壓變送器輸入信號；所述加壓變送器輸入信號被所述加壓變送器處理以施加所述反饋力，從而使所述質量塊相對于所述框架維持靜止；所述反饋力足以平衡所述框架的沿該反饋力的預定方向的至少0.2m/s2的恒定加速度，
其中，所述加壓變送器輸入信號的自噪聲分量在被所述加壓變送器處理后，產生針對0.01Hz下的1m2/s3具有小于-150dB的頻譜密度的所述質量塊的可變加速度。
2.如權利要求1所述的地震檢波器，
其中所述傳感變送器包括可操作地連接至所述質量塊的質量塊電容器板，以及可操作地連接至所述框架的框架電容器板，所述框架電容器板被定位成平行于所述質量塊電容器板，并且與所述質量塊電容器板隔開一垂直距離，并且
其中所述傳感變送器測量所述質量塊電容器板與所述框架電容器板之間的垂直距離，并且基于所測得的垂直距離產生所述傳感變送器輸出信號。
3.如權利要求1所述的地震檢波器，
其中所述加壓變送器輸入信號的自噪聲分量在被所述加壓變送器處理后，產生針對0.01Hz下的1m2/s3具有小于-160dB的頻譜密度的所述質量塊的可變加速度。
4.如權利要求2所述的地震檢波器，
其中所述加壓變送器輸入信號的自噪聲分量在被所述加壓變送器處理后，產生針對0.01Hz下的1m2/s3具有小于-160dB的頻譜密度的所述質量塊的可變加速度。
5.如權利要求1、2、3或4所述的地震檢波器，
其中所述質量塊小于50克。
6.一種用在寬帶弱運動地震檢波器中的力反饋方法，該寬帶弱運動地震檢波器具有框架、質量塊、用于將所述質量塊可移動地連接至所述框架的懸掛裝置、可操作地連接至所述質量塊的質量塊電容器板、可操作地連接至所述框架的框架電容器板，所述框架電容器板被定位成平行于所述質量塊電容器板并且與所述質量塊電容器板隔開一垂直距離，所述方法包括
通過測量所述質量塊電容器板與所述框架電容器板之間的垂直距離，感應所述質量塊相對于所述框架的位移，并且基于所測得的垂直距離，產生傳感變送器輸出信號；
根據(jù)所述傳感變送器輸出信號生成加壓變送器輸入信號；
根據(jù)所述加壓變送器輸入信號生成反饋力，所述反饋力包括自噪聲分量；
沿預定方向將所述反饋力施加到所述質量塊，從而使所述質量塊相對于所述框架維持靜止，所述反饋力足以平衡所述框架的沿所述預定方向的至少0.2m/s2的恒定加速度，并且其中所述反饋力的自噪聲分量產生針對0.01Hz下的1m2/s3具有小于-150dB的頻譜密度的所述質量塊的可變加速度。
7.如權利要求6所述的力反饋方法，
其中所述反饋力的自噪聲分量產生針對0.01Hz下的1m2/s3具有小于-160dB的頻譜密度的所述質量塊的可變加速度。
8.如權利要求6或7所述的力反饋方法，
其中所述質量塊小于50克。
9.如權利要求1、2、3或5所述的地震檢波器，
其中所述控制電路包括能夠產生大于60V的輸出電壓的放大器。
10.如權利要求1所述的地震檢波器，
其中所述框架、所述質量塊、所述懸掛裝置、所述傳感變送器、所述控制電路以及所述加壓變送器一起包括具有靈敏度方向的地震檢波器軸，并且
其中所述地震檢波器包括三個地震檢波器軸，這三個地震檢波器軸被定位成使得它們的靈敏度方向彼此垂直。
11.如權利要求10所述的地震檢波器，
其中所述三個地震檢波器軸的靈敏度方向在所述地震檢波器處于水平方位時，與豎直方向成完全相等的角度。
12.如權利要求10所述的地震檢波器，
其中在所述地震檢波器處于水平方位時，一個地震檢波器軸的靈敏度方向是大致豎直的，并且其它兩個地震檢波器軸的靈敏度方向是大致水平的。
13.如權利要求11所述的地震檢波器，其中所述加壓變送器輸入信號的自噪聲分量在被所述加壓變送器處理后，產生針對0.01Hz下的1m2/s3具有小于-160dB的頻譜密度的所述質量塊的可變加速度。
全文摘要
公開一種力反饋地震檢波器。寬帶弱運動地震檢波器包括框架、質量塊、將質量塊可移動地連接至框架的懸掛裝置、測量質量塊相對于框架的位移并生成作為測得位移的函數(shù)的傳感變送器輸出信號的傳感變送器、以預定方向將反饋力施加到質量塊的加壓變送器以及控制電路。控制電路接收傳感變送器輸出信號并生成包括自噪聲分量的加壓變送器輸入信號。加壓變送器輸入信號由加壓變送器處理以施加反饋力，從而使質量塊相對于框架維持靜止。反饋力足以平衡框架的沿該反饋力的預定方向的至少0.2m/s2的恒定加速度。加壓變送器輸入信號的自噪聲分量在被加壓變送器處理后產生針對0.01Hz下的1m2/s3具有小于-150dB的頻譜密度的質量塊的可變加速度。
文檔編號G01V1/18GK101825720SQ201010128079
公開日2010年9月8日 申請日期2010年3月5日 優(yōu)先權日2009年3月6日
發(fā)明者杰弗里·巴因布里奇, 尼克·阿克利 申請人:耐諾度量有限公司