薛立武 馬 芳 馬延芒 段亞玲

(東方地球物理勘探有限責任公司西安物探裝備分公司 陜西西安)

地震檢波器抗溫變技術研究

薛立武 馬 芳 馬延芒 段亞玲

(東方地球物理勘探有限責任公司西安物探裝備分公司 陜西西安)

目前地震勘探中使用的地震檢波器絕大部分是磁電式檢波器,磁電式檢波器參數(shù)隨著環(huán)境溫度改變會產(chǎn)生溫變效應。這種溫變效應改變檢波器工作模態(tài),從而對采集產(chǎn)生影響。文章從檢波器工作原理和制造原理入手,提出了具體的解決方案,為研制抗溫變檢波器提供理論和技術基礎。

地震檢波器;溫變;工作模態(tài);解決方案

0 引 言

隨著勘探精度的日益提高,對高精度檢波器的需求也日益提高,但是地震檢波器隨溫度發(fā)生的指標變化即溫變效應增大了檢波器的指標變化,在一定程度上抵消了制造過程中的精度提高;而且隨著施工季節(jié)向全季節(jié)轉變等因素,溫度變化引起的檢波器參數(shù)變化應該引起高度重視。現(xiàn)在地震勘探廣泛采用磁電式地震檢波器,因此我們對磁電式檢波器的溫度響應和模態(tài)變化進行研究,以期減小檢波器參數(shù)隨溫度變化的范圍,從而改善溫變效應對采集效果的影響,為研制抗溫變地震檢波器奠定理論和技術基礎。

1 地震檢波器參數(shù)隨溫度變化現(xiàn)象分析

1.1 檢波器參數(shù)隨溫度變化分析

地震檢波器五項參數(shù)中,隨溫度變化比較大的參數(shù)有直流電阻 R、相對阻尼 Bt、靈敏度 G,自然頻率和失真度對溫度影響不是很敏感,在多次多品種的溫度實驗中,變化量很小,均可以滿足要求,在實際使用中基本可以忽略。

為了得到檢波器參數(shù)隨溫度變化的規(guī)律,我們從檢波器測試儀和檢波器兩方面入手,做實驗收集數(shù)據(jù),初步了解了現(xiàn)有磁電式檢波器的溫度范圍和測試儀的溫度設置規(guī)律。試驗情況如下：檢波器開路狀態(tài)三個參數(shù)隨溫度變化、檢波器閉路狀態(tài)三個參數(shù)隨溫度變化、檢波器測試儀三參數(shù)隨溫度變化的規(guī)律。

1)檢波器開路狀態(tài)三個參數(shù)隨溫度變化規(guī)律表

以5只西安物探裝備分公司生產(chǎn)的SN7C-10地震檢波器為實驗檢波器。開路狀態(tài)下溫度實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 開路狀態(tài)下溫度實驗數(shù)據(jù)

2)檢波器并電阻后三個參數(shù)隨溫度變化規(guī)律表

并阻狀態(tài)下,5只SN7C檢波器溫度實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 并阻狀態(tài)下,5只SN7C檢波器溫度實驗數(shù)據(jù)

試驗結論：通過分別測試開路和閉路狀態(tài)下同一型號的檢波器的溫度特性,我們可以看出,不論是開路還是并阻,其電阻、阻尼、靈敏度都是隨溫度的變化產(chǎn)生變化的,其中并阻后的3項指標,基本遵守了線性的變化規(guī)律,同時其線性斜率也基本與測試儀的曲線擬合,因此現(xiàn)有檢波器的指標是跟隨溫度發(fā)生變化,而測試儀也適應這種變化,提前設置了溫度系數(shù),從而保證了在測試時檢波器的顯示參數(shù)還繼續(xù)“OK”。

3)檢波器測試儀中SN7C-10三參數(shù)中值隨溫度變化的曲線,如圖1,2,3所示。

圖1 測試儀直流電阻中值隨溫度變化曲線

圖2 測試儀相對阻尼中值隨溫度變化曲線

圖3 測試儀靈敏度中值隨溫度變化曲線

4)實驗結論

(1)從以上取得的數(shù)據(jù)中可以看出,無論開路還是并阻狀態(tài)下,檢波器的電阻和阻尼值均呈現(xiàn)一定的線性溫度特性,這與公式中是基本吻合的,這種檢波器的線性特性,或者說測試儀要求檢波器所具有的特性,為我們認識現(xiàn)有檢波器的溫變性質(zhì)提供了依據(jù)。

(2)從圖3得知：開路狀態(tài)下靈敏度值一直保持不變,說明測試儀認為,間隙場強是不應隨溫度發(fā)生變化的,忽略了磁性材料的溫度系數(shù),然而從表1試驗數(shù)據(jù)中可以看到靈敏度隨溫度的變化,并阻后檢波器靈敏度隨溫度發(fā)生線性變化。

(2)從測試儀的各個溫度點的中值可看到,檢波器的各個參數(shù)在并阻前并阻后的變化范圍,由于溫度因素的存在,即使并阻后參數(shù)變化范圍有所縮小,但是相對還是比較大,例如相對阻尼值會從0.757變化至0.638。

1.2 檢波器三參數(shù)隨溫度變化的原因分析

地震檢波器中由于存在復雜的機電轉換,其使用的各種金屬材料和非金屬材料都有溫度系數(shù),從而導致檢波器的各項參數(shù)隨溫度發(fā)生變化,如前所述,電阻、阻尼系數(shù)、靈敏度三個重要指標均隨溫度變化而變化,因此我們要著重分析這三個指標隨溫度變化的原因。

如圖4所示,繞在線圈骨架上的線圈工作在由磁體和補償環(huán)組成的復合磁體營造的磁場空間內(nèi),跟隨震動輸出電信號,完成機電信號轉換的過程。

圖4 線圈系統(tǒng)和磁系統(tǒng)解剖示意圖

直流電阻 R的值取決于線圈繞組的參數(shù),具體為漆包線的電阻率和線圈匝數(shù),為了調(diào)整檢波器的阻尼系數(shù),常常在檢波器輸出端并聯(lián)一個阻尼電阻,這樣檢波器的直流電阻 R實際上是線圈內(nèi)阻Rc和并聯(lián)電阻Rs的并聯(lián)值。

當外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時,檢波器線圈電阻值R隨Rc和Rs的變化而變化,由于一般選用的 Rs都是溫度系數(shù)比較好的并聯(lián)電阻,因此主要取決于內(nèi)阻 Rc的變化,也就是取決于漆包線的溫度系數(shù)了。通常情況線圈內(nèi)阻 Rc的溫度系數(shù)為0.003 9Ω/℃。

阻尼系數(shù)表征了檢波器震動的衰減程度,為了縮短儀器的固有震動延續(xù)時間來保證檢波器有足夠的分辨能力,能夠清楚的區(qū)分達到時差很短的有效波的振動,檢波器就要有足夠大的阻尼,另一方面,過度的阻尼將使儀器反映遲緩,靈敏度減小。阻尼系數(shù)Bt由兩部分組成,開路阻尼系數(shù)和并阻阻尼系數(shù),Bt=B0+Bc,其中

式中,Bδ為間隙場強度;D0為線圈平均直徑;f0為自然頻率;m為慣性體質(zhì)量;RL線架渦流電阻;w為線圈圈數(shù)。

現(xiàn)在將影響渦流電阻 RL的參數(shù)簡要分析：

其中,ρ為電阻率,Ω·cm2/m;l為長度,m;s為截面積,cm2。

在檢波器中,如圖5所示。

l=πD

D為線圈架直徑。

由于 D≈D0,因此,l≈πD0,s=db

其中,d為在磁場中的線圈架壁厚;b為在磁場中的線圈架的寬度。

那么,線圈架的電阻：

圖5 線圈架在磁隙中的示意圖

從以上兩式中可以看到,不管是開路阻尼還是并阻阻尼,均和氣隙中的磁場強度B2δ成正比,和f0、m成反比。在以上關系中,D0的變化是很小的,w的變化也不大,那么影響檢波器阻尼變化的因素是 Bδ、f0、m、RL這幾個參數(shù),而和溫度變化有關的是 Bδ和RL,其中尤其和 Bδ的影響是平方關系,因此,減小 Bδ的變化對穩(wěn)定檢波器的參數(shù)相對就更加重要。

檢波器的靈敏度即檢波器的機電偶合系數(shù),反映了檢波器的機電轉換效率,一般開路狀態(tài)下

靈敏度與工作間隙場強Bδ成正比關系。檢波器并聯(lián)阻尼電阻后,靈敏度也受到影響

因此,此時的靈敏度也受到電阻變化的影響。

我們知道,即使現(xiàn)有最好的磁性材料[1],其本身的溫度系數(shù)也很難做到零,考慮到經(jīng)濟效益等其它方面,一般檢波器選用的磁性材料溫度系數(shù)在萬分之三到千分之一左右,當外界溫度發(fā)生變化時,磁性材料由于本身溫度特性剩磁將發(fā)生變化,導致檢波器間隙場發(fā)生變化,這樣檢波器的阻尼系數(shù)和靈敏度都受到了磁場變化的影響。

綜上所述,檢波器因為溫度變化引起的3項指標的變化,實質(zhì)上是因為檢波器直流電阻、檢波器間隙工作場強,以及線圈架鋁材本身隨溫度變化而導致的。

2 地震檢波器抗溫變技術研究

根據(jù)檢波器參數(shù)隨溫度變化的規(guī)律以及相互間的影響[2],檢波器參數(shù)受溫度影響最大的是直流電阻,其次是阻尼,最后是靈敏度,在實際工作中,影響檢波器模態(tài)變化的最重要的是相對阻尼指標,它的變化不但導致檢波器幅-頻、相-頻曲線的變化,同時導致靈敏度的變化,從而改變了設計初衷。

2.1 溫度變化對阻尼影響分析及解決方法

我們從公式(3)和(4)中可以看到,影響相對阻尼的因素比較復雜,當檢波器機械結構設計完畢后,尺寸相對固定,隨溫度變化的因素還有3個,即間隙場強Bδ、線圈電阻 Rc和線架電阻率ρ,阻尼和 Bδ成平方關系,間隙場強 Bδ決定于采用的磁性材料,目前檢波器中磁體[1]的溫度系數(shù)大約在0.3‰～1‰,線圈電阻決定于采用的漆包線的銅芯溫度系數(shù),大約為0.003 9 Ω/℃,線架的渦流阻尼由采用鋁材的電阻率所決定,這個值折算到溫度系數(shù)大約為0.002。對于檢波器開路狀態(tài),有如下溫度公式[3]：由于漆包線和鋁材的溫度系數(shù)改變的可能性很小,而且代價高,因此可以選擇改變磁體的溫度系數(shù)來保證間隙場強的穩(wěn)定,甚至于形成一個反向的變化,從而補償?shù)翡X架的溫度系數(shù)。在本文中,我們采用復合磁體技術來解決這個難題。

具體的說,采取使用溫度補償材料辦法,形成一個與磁體平行的磁分路,通過磁分路的調(diào)節(jié)使工作間隙磁場穩(wěn)定,來減少磁場變化,使檢波器在使用范圍內(nèi)達到指標要求。由于檢波器溫度有效補償范圍較寬(-40℃～+80℃)。因此我們可以采用磁感應強度強烈依賴于溫度變化、隨溫度的升高磁感應強度接近線性規(guī)律降低,盡可能高的補償落差的溫度補償合金,使之與檢波器磁場變化相匹配,我們稱之為復合磁體。

在磁體和外殼之間建立一條由補償環(huán)和磁體組成的平行于工作磁路1的補償磁路2。當外界溫度變化時,工作于磁路1中的磁力線將產(chǎn)生變化,溫度升高磁場減弱,溫度降低磁場增強,由于材料本身特性,此時補償磁路2中將產(chǎn)生相反的變化,溫度升高磁阻增大,流經(jīng)的磁力線減弱,補償進磁路1中,抵消磁路1的減弱趨勢,反之亦然,從而在工作間隙場中達到磁路平衡,這就是磁路補償?shù)幕驹怼Ｈ绻a償環(huán)的能力很強,超過了正常磁路的變化,那么將會產(chǎn)生過補償?shù)默F(xiàn)象,這是本文中重點要利用的特性之一。

2.2 溫度變化對電阻影響分析及解決辦法

對于直流電阻,如果檢波器開路,那么它只決定于漆包線的溫度系數(shù),無法進行調(diào)整。但是我們知道,在檢波器正負極之間,為了調(diào)整檢波器的阻尼,往往并聯(lián)了一個阻尼電阻,這個電阻在現(xiàn)有的檢波器中,一般采用的都是溫度系數(shù)很好的電阻,恰好可以作為調(diào)整補償線圈電阻的方法[4]。并聯(lián)電阻后,檢波器的直流電阻為：

適當調(diào)整并聯(lián)電阻的溫度系數(shù) C,使之適應線圈電阻溫度系數(shù) A(該值為0.0039),從而使式(9)接近于式(1),就可以較大幅度的降低檢波器直流電阻的溫度變化了。電阻變化的減小,對阻尼和靈敏度的溫度變化也產(chǎn)生積極影響。因為線圈電阻 Rc的溫度系數(shù)A為正,那么 C值將為一個負值,因此這種方法稱之為負溫系數(shù)補償。

2.3 溫度變化對靈敏度的影響及解決辦法

我們分析靈敏度和阻尼,通過公式(2)、(3)、(5)、(6)、(7)、(8)分析,在影響靈敏度的參數(shù)中,基本有2項,一是并聯(lián)電阻,一是間隙場強,那么可以這樣認為,如果在檢波器的兩端不加阻尼電阻,那么影響靈敏度溫度系數(shù)的因素就只剩下間隙場強,如果采取復合磁體把間隙場強的變化補償為零,那么地震檢波器的靈敏度就是恒定的了。

3 結 論

綜上所述,由于野外勘探環(huán)境的復雜性,檢波器的溫變效應會給勘探采集帶來不利影響,應用新的技術,開展抗溫變檢波器的研究,研制新一代抗溫變地震檢波器,將對目前動圈式地震檢波器的研究、制造和使用帶來全新的認識,對穩(wěn)定和提高采集質(zhì)量提供保障,具有廣闊的市場前景。并降低采集過程中檢波器的參數(shù)變化,提高檢波器的一致性,將帶來較為深遠的影響。

[1] 薛立武,等.地震檢波器中磁體的發(fā)展及特點[J].物探裝備,2009,19(5)

[2] 薛立武,等.環(huán)境溫度變化對超級檢波器測試的影響分析[J].石油儀器,2010,24(5)

[3] SY/T 5046-2005地震檢波器[S]

[4] 付小寧,等.地震檢波器的參數(shù)受溫度影響的研究[J].力學與實踐,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,高級工程師,1993年畢業(yè)于河北承德石油高等技術專科學校,2000年取得西安理工大學機電一體化專業(yè)本科學歷 ,取得工學學士學位。現(xiàn)在東方地球物理公司裝備制造事業(yè)部西安物探裝備分公司技術研發(fā)中心工作。郵編：710082

2011-07-01

劉雅銘)PI,2011,25(6)：19～22