石油勘探中的惯性传感器研究

论文摘要

石油是战略资源,现代社会对石油的巨大需求推动着石油勘探的快速发展,作为石油勘探主要手段的地震勘探也取得了长足的进步,主要表现为地震勘探仪器的性能指标大幅度提升以及地震资料处理和解释过程中新方法新技术的不断涌现。地震检波器是地震勘探中用于接收和转换振动信号的传感器。作为地震勘探仪器记录地震信号的第一步,地震检波器对地震资料的品质影响很大。随着地震勘探技术的进一步发展,对地震检波器的精度要求也越来越高。地震检波器应有理想的频率响应以及足够大的动态范围,否则电子学系统再精良,也无法得到高质量地震记录数据。目前陆上勘探使用的地震检波器通常包括动圈式检波器和新兴的MEMS数字检波器,这些检波器都属于惯性传感器的范畴。传统的动圈式检波器由于谐波失真的限制,日益成为整个勘探系统的瓶颈,必须加以改进。而基于MEMS技术的数字检波器,是地震检波器在技术层面的重大进展。这种检波器可以提供良好的线性度,除此之外,它还实现真正意义上的数字信号输出,且具有内在的、较高的矢量精度和优良的低频信号响应特性,成为地震检波器发展的主流。针对这样的趋势,本文的研究主要分成两个方面,一是传统动圈式检波器谐波失真的原理分析以及改进方法,二是结合当前MEMS技术以及工艺的进展,分析了使用MEMS技术实现地震检波器的各种方案,包括开环系统、模拟闭环系统以及数字闭环系统,在对各种方案进行线性化分析的基础上,在仿真工具中进行建模和仿真,最后给出了一个采用5阶Σ—Δ调制的数字检波器的原型。第二个方向是本文研究的重点。物理原理是地震勘探的基础,地震检波器的设计也必须充分了解物理背景。本文第二章首先介绍了地震勘探的基本原理,描述了地震波信号的基本特点,给出了高分辨率地震勘探的定义,结合地震勘探仪的进展,给出高分辨率地震勘探对地震检波器的具体要求,并针对当前传统的动圈式检波器的缺点提出了改进的方向。第三章从动圈式检波器的基本动力学原理出发,讨论了检波器各种参数的意义以及选择、检波器组合的作用,并结合本人参加的地震采集系统研制项目描述了动圈式检波器的在线测试。其中着重分析了检波器非线性来源,分析了磁场非均匀性和弹簧系数非线性对检波器谐波失真的贡献,针对分析结果,讨论了增大检波器阻尼对谐波失真的影响。在SIMULINK中对分析结果进行了仿真验证。第四章首先介绍了MEMS技术的背景和原理,国外主流厂商研制的数字地震检波器的工作原理和它们之间的异同,然后详细描述了MEMS加速度计的原理和模型(包括动力学模型和电学模型),结合地震勘探对检波器的噪声要求,讨论了传感部分参数的选择依据,给出了一组折中考虑的传感参数,在此基础上选择合适的读出电路。理论分析了包含读出电路的开环系统的性质,并在PSPICE中进行仿真和验证。第五章给出了模拟闭环系统的理论分析和仿真,详细分析了PID控制器对模拟闭环系统的影响,给出PID控制器中比例系数和微分系数的选择依据,线性分析和行为仿真均表明模拟闭环系统中惯性体的位移大大减小。模拟闭环系统由于反馈力的非线性而具有不稳定性,因此目前问世的地震检波器均采用数字闭环反馈。第六章是本文的重点,主要讨论了基于Σ—Δ调制的数字检波器的建模和仿真。首先给出了使用传感系统做二阶Σ—Δ调制的二阶系统,通过理论分析和SIMULINK中的模型仿真,说明其由于量化噪声的原因不能达到地震勘探的要求,需要添加额外的电子学Σ—Δ调制才能达到地震勘探所要求的动态范围。针对地震勘探对数字加速度计的噪声性能和线性度的具体要求,给出了使用5阶Σ—Δ调制的系统模型以及附加的电子学参数的限制条件。使用SIMULINK对这些模型进行仿真,验证了理论分析的结果。第七章总结了论文的主要思路:分析地震勘探队检波器的要求,分析和改进传统的动圈式检波器,研究新兴的MEMS检波器,给出了基于MEMS技术的各种方案,使用线性化理论分析各种方案,使用建模和仿真验证的手段进行验证,最后并指出今后的工作方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 地震检波器的发展状况
• 1.3 论文研究意义和主要研究内容
• 1.3.1 研究意义
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.3.3 论文的结构安排
• 第2章 高分辨率地震勘探对地震检波器的要求
• 2.1 地震勘探的基本原理
• 2.2 地震波信号的特点
• 2.2.1 地震波的形成和衰减
• 2.2.2 地震波的特性
• 2.3 地震勘探分辨率的定义
• 2.3.1 横向分辨率
• 2.3.2 纵向分辨率
• 2.3.3 分辨率的定量计算公式
• 2.4 分辨率的极限
• 2.4.1 分辨率的准则
• 2.4.2 分辨率公式
• 2.4.3 高分辨率勘探的定义
• 2.5 地震子波
• 2.6 地震勘探仪的进展
• 2.7 高分辨率地震勘探对地震检波器的要求
• 第3章 动圈式检波器的讨论
• 3.1 原理和模型
• 3.1.1 检波器的动力学模型
• 3.1.2 动圈式检波器的电气特性
• 3.2 检波器的参数和指标
• 3.2.1 自然频率
• 3.2.2 阻尼的选择
• 3.2.3 灵敏度
• 3.2.4 谐波失真
• 3.2.5 检波器的假频
• 3.2.6 噪声
• 3.3 检波器的组合
• 3.3.1 检波器组合的等效电路和传输特性
• 3.3.2 常用的检波器组合方式
• 3.3.3 地震检波器串组合的性能分析
• 3.4 地震数据采集系统中检波器的在线测试
• 3.4.1 检波器自然属性
• 3.4.2 直流电阻
• 3.4.3 交流电阻和失真度
• 3.4.4 漏电阻
• 3.4.5 检波器极性
• 第4章 地震勘探中的MEMS加速度计
• 4.1 当前国外主流厂商MEMS检波器简介
• 4.1.1 VectorSeis系列简介
• 4.1.2 DSU3系列简介
• 4.2 MEMS传感器简介
• 4.3 MEMS检波器的原理和模型
• 4.3.1 传感部分的动力学模型
• 4.3.2 传感部分的电学模型
• 4.3.3 传感部分参数的选择
• 4.4 MEMS加速度计的电容检测电路选择
• 4.4.1 连续电压读出电路
• 4.4.2 开关电容式
• 4.4.3 连续电流读出式
• 4.5 开环系统的建模和仿真
• 4.5.1 开环系统的数学模型
• 4.5.2 开环系统的仿真
• 第5章 模拟闭环系统
• 5.1 负反馈力的实现
• 5.2 惯性体小位移情况分析和仿真
• 5.3 模拟闭环系统的非线性
• 5.4 结论
• 第6章 数字闭环系统
• 6.1 Σ－Δ调制原理
• 6.1.1 过采样技术简介
• 6.1.2 一阶Σ－Δ系统的噪声整形
• 6.1.3 Σ－Δ调制器的模式噪声（Pattern Noise）
• 6.1.4 运放有限增益的影响
• 6.1.5 高阶Σ－Δ调制
• 6.1.6 Σ－Δ调制器中的极限环
• 6.2 二阶数字检波器
• 6.2.1 二阶系统的工作原理
• 6.2.2 理想二阶系统的仿真与分析
• 6.2.3 带加性噪声的二阶系统
• 6.3 高阶系统
• 6.3.1 基于高阶Σ－Δ调制的地震检波器原理
• 6.3.2 基于高阶Σ－Δ调制的地震检波器模型
• 6.3.3 理想高阶地震检波器的仿真
• 6.3.4 带加性噪声的高阶地震检波器仿真
• 第7章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果