地震检波器参数随温度变化的规律分析.doc

地震检波器参数随温度变化的规律分析段亚玲邵欣马芳薛立武马俊欣（东方地球物理公司西安物探装备分公司，陕西西安 ）摘要段亚玲，邵欣，马芳，薛立武，马俊欣地震检波器参数随温度变化的规律分析物探装备，（）：，目前，地震勘探中使用的地震检波器绝大部分是磁电式检波器，在野外施工时，磁电式检波器的参数会随着环境温度的变化而变化。研究这种变化的原因和规律及其对采集效果的影响，对地震勘探工作具有现实的指导意义。关键词 磁电式检波器 检波器参数 温度变化 地震 采集， ，（）：， ， ， ，别为：直流电阻、自然频率、阻尼系数、灵敏度和失真度。其中的自然频率和失真度对温度变化不是很敏 感，在多次、多品种的温度实验中，它们随温度变化 的变化量很小，基本可以忽略。下面以使用钕铁硼复合磁体的 地震检波 器为例，通过理论公式的推演，以地震检波器实际的 温度试验为依据，对地震检波器的直流电阻、阻尼系 数以及灵敏 度 这 三 项 参 数 随 温 度 变 化 的 趋 势 进 行 分析。（）磁电式地震检波器直流电阻 实际上是线 圈内阻 和并联电阻 的总电阻值，即引言目前，广泛应用于地震勘探中的地震检波器采用的是无源电磁感应原理，其结构稳定、可靠性高、 性价比优势明显。 但野外勘探环境极其复杂，从高 山、湖泊、戈壁一直延伸到过渡带，且四季施工，温度 变化范围很大，要求地震检波器能够经受住 的环境考验并能正常工作。当前市场上绝 大部分检波器虽然基本能满足使用要求，但是由于 磁电式检波器的性能参数会随温度变化而产生温变 效应，在勘探精度要求不断提高的前提下，研究这种 变化的规律，对检波器生产具有现实的指导意义。（） 如果不并联电阻 （开路），地震检波器的直流电阻 为线圈的内阻，与线圈材料的温度系数直 接相关。通过 地震检波器的多次实际温度试 验，我们绘出了 区间内检波器直流 电阻的变化趋势，见图所示。检波器参数随温度变化规律研究磁电式地震检波器参数温变的趋势现有磁电式地震检波器的重要参数有五项，分地震检波器为了调整阻尼系数以及阻抗匹配的需要，一般都会并联一个阻尼电阻（闭路），地震检波 器的输出电阻 则可按式 （）计算，图 为 多 次 试 验得到的并联电阻后地震检波器的电阻随温度变化 的曲线。检波器 的 多 次 实 际 温 度 试 验，我 们 得 到 区间检波器开路和闭路阻尼系数的温度变化 趋势图，分别见图、图所示。图检波器开路阻尼温度曲线图检波器开路直流电阻温度变化曲线图检波器闭路相对阻尼温度变化曲线（）检 波 器 的 灵敏度即检波器的机电耦合系 数，反映了检波器的机电转换效率。 一般开路状态 下检波器的灵敏度 ：图检波器闭路直流电阻温度变化曲线（）检波器 阻 尼 系 数 表 征 了 检 波 器 的 衰 减程度。它由开路阻尼系数 和并阻阻尼系数 两 部分组成，即（） 检波器并联阻尼电阻后的灵敏度 ： （） （） 通过式（）、（）我们可以看出，在实际工作中检波器灵敏度随温度的变化量取决于间隙场强随温度 的变化（开路状态）和检波器内阻随温度的变化（闭 路状态下），通过 检波器的多次温度 试 验，可 以得到区间检波器开路和闭路灵敏 度变化的曲线，分别见图、图所示。由上面的理论公式和次 地震检波器的 实际温度试验可知，地震检波器的直流电阻、阻尼系数、灵敏度参数，不论是开路状态还是闭路状态，在范围内基本接近线性变化。随着温 度的升高或者降低，检波器的参数也会发生相应的 （） （ ） 式中， 为 线 圈 架 电 阻；为 间 隙 场 强 度； 为线圈平均直径； 为自然频率； 为惯性体质量； 为 线 圈 圈 数； 为 电 阻 率； 为磁场中线圈架 壁厚； 为磁场中线圈架宽度。从式（）、（）中可以看出，当一只地震检波器设 计完成，结构基本确定后，地震检波器的输出阻尼系数取决于间隙场强的大小和并联电阻的大小，其中与间隙场强的平方成正比例关系。通过 地震值折算到温度系数大约为 。 对于检波器开路状态，有如下温度公式，其中 为温差值：阻尼系数直流电阻（）（）（）（）从式（）、（）、（）、（）、（）、（）可见，影响灵敏度温变的主要有 项：并联电阻和间隙场强度。 可 以这样认为，如果在检波器的两端不加阻尼电阻，则 影响灵敏度温度系数的因素就只剩下间隙场强；如 果间隙场强的温度变化为零，那么地震检波器的灵 敏度就是恒定的了。图检波器开路灵敏度温度变化曲线检波器温变效应对其工作模态的影响地震检波器的工作模态地震检波器的工作模态是检波器各种参数的综 合表现，可以用理论幅频特性曲线和理论相频特性 曲线来直观地表示。不同阻尼系数时磁电式地震检 波器理论上的幅频、相频特性曲线如图、图所示。图检波器闭路灵敏度温度变化曲线改变，这种改变我们称之为温变效应，这种现象在目前的磁电式检波器中普遍存在。 因此，目前使用的 检波器测试仪中，都预先设置了不同参数的温度系 数，从而可以在温度发生改变时也能测得检波器正 常，但是因为允差的原因，超级检波器和普通指标检 波器 在 测 试 时 对 温 度 改 变 反 应的敏感度明显不 同，需要引起一定的注意。地震检波器参数温变的原因分析由于现有的磁电式检波器采用的永磁材料和 线圈材料等都有一定的温度系数，因此，检波器的输 出参数一定会随着温度的变化而变化，只不过因为 不同磁性材料温度系数的不同，引起的温变效应的 程度也不同。我们从式（）和式（）中可以看到，影响阻尼系 数的因素比较复杂，当检波器机械结构设计完毕后， 其尺寸相对固定，随温度变化的因素还有个，即间 隙场强度、线圈内阻 和线架电阻率。其中和间隙场强度 成平方正比关系，而间隙场强度 取决于采用的磁性材料，目前检波器中采用的铝镍钴 磁体的温度系数大约在；线圈内阻取决于 采用的漆包线的铜芯温度系数，大约为；图不同阻尼系数检波器理论幅频特性曲线图不同阻尼系数检波器理论相频特性曲线由图 检波器的幅频曲线簇中可以看出，当相对阻尼 选在这个最佳阻尼值附近时，频率由图 所示的检波器的相频曲线簇可看出，当 时，曲 线 为 一 条 过 原 点 的 近 似 直 线。 我 们知道，地震检波器工作在这种模态下时对地震波 的失真最小，也就是说这是一种最佳的工作模态。个参数由于温度因素的存在而产生的变化量 （其他型号的检波器变化率与 大致相同）。 可 以 看 出，当外界环境温度改变时，检波器的参数，尤其是 阻尼参数的改变，会引起检波器的工作模态发生偏 移。由于野外环境的复杂性，这种改变并不是均匀地 加在所有检波器上的，从而会引起更大的相对偏移。地震检波器参数温变对模态的影响检波器的工作模态是变化的，模态的变化导致 检波器的工作参数发生改变，而检波器参数改变一 定会引起检波器工作模态的改变，温度变化是引起 检波器参数发生变化的主要因素之一。以 检波器为例，当温度变化时其 技术参数发生变化，从而引起实际工作模态的变化。 表为 检波器温度试验数据。从表 中可看出，检波器在实际工作中温度从 变 化 时， 号 检 波 器 相 对 阻 尼 系 数 从变化到；号从变化到。 根据图、图可以得出，同一个检波器当温度发生 变化时，检波器的阻尼系数 就发生了变化，那么检波器工作的幅频曲线和相频曲线也会发生改变，从而检波器各项技术参数也就发生了变化。在表中，我们计算 了 检 波 器 的 各表检波器温度试验数据表检波器温度变化引起参数变化表数量急速增加，一个项目采用万串检波器甚至万串检波器。由于地下深层反射回来的地震波能 量非常非常弱，随着勘探精度的提高，需要地震采集时的时域、频域具有很高的一致性。这势必要求检 波器之间、检波器串之间具有较高的一致性才能保 证地震波到达时得到更好的采集效果。检波器模态变化对采集工作的影响当因温变等效应引起检波器的工作模态发生改变时，就对检波器的一致性产生破坏。目前的勘探采集工作向宽线大组合、高密度、大 三维发展，使用的采集道数越来越多，使用的检波器（下 转 第 页）指 标 指标中值 变化范围内变化量相对于中值变化率自然频率（）开路阻尼 阻尼系数（并阻） 开路灵敏度（·） 闭路灵敏度（·） 线圈电阻（） 并阻后直流电阻（） 检波器 编号温度（）电阻（）频率（）并阻 阻尼灵敏度（·）失真（）（）无论是 、 还 是 系列等仪器，为了保证有线通讯，要求仪器到爆炸机之 间的采集站及数传电缆的通讯线路必须畅通；（）在使用 仪器时，从无线放炮方式改 为有线放炮方式后，一定要用 程序重新采集爆 炸机的内部时断（ ）；（）译码器操作人员资质要符合爆炸工从业人 员要求，并且一定要严格遵守爆破安全规程和安全 操作细则。现的， 系 列 等 仪 器 需 要 公 司 专 用的 有 线 放 炮 系 统 才 能 实 现。 由 于 目 前 遥爆系统 在 生 产 中 应 用 比 较 广 泛，所 以 本 文 以遥爆系统为例阐述了有线放炮的应用，使 用其它类型的遥爆设备时也可以借鉴这种方法。另 外，对文章中提到的有线放炮接口电路感兴趣的读 者可以自行设计一个功能相对简单的语音通讯电路 来代替。参 考 文 献 公司手册 陈有祥 等 有线放炮原理石油仪器，（）结束语在 、 采 集 系 统 中，有 线 放 炮 是 利用采集站及数传电缆的通讯线路作为通讯载体而实收稿日期：檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾（上 接 第 页）在野外检波器排列摆放完后，由于检波器全部 处在野外环境下，当外界环境温度、湿度等发生剧烈 改变时，检波器的参数随之发生改变；同时由于摆放 位置、埋置位 置 等 不 同，检 波 器 参 数 发 生 改 变 的 速 度、程度也不同，引起检波器参数的一致性发生了很 大的改变。这个改变从两方面可以发现：（）通过仪器的设置可 发 现，通 常 从 清 晨 到 晚 上的施工，由于温差太大，在仪器参数中需要不断地 调整电阻范围；（）野外施工时，每天从倾斜度（）测试中也 可发现，随外界温度变化检波器参数会发生很大变 化。仔细观察也会发现，同一串检波器从早上到下 午的测试数据也存在明显的差异，检波器技 术 参数值也发生了很大的改变。由于检波器随着早、晚温度的变化其参数模态 改变了，而目前的地震仪器又不具备温度补偿功能， 从而引起检波器随温度变化导致参数改变，进而被 误判为检波器参数超限，结果被误认为检波器不合 格。因为仪器的模态还停留在建模时的状态，而检 波器因温度变化导致技术参数已经发生了改变。这 样给野外施工带来极大的不便，也影响了野外采集 的准确性和施工进度。结束语随着地震采集精度和技术水平的不断提高，同时也要求提高地震检波器参数的一致性。目前施工 中采用的普通检波器参数允差规定在±；超级地 震检波器的参数允差规定在±。 但是，由于温 变效应的存在，检波器一致性的提高被打了折扣，这 就要求检波器在制造过程中尽量采用温变幅度较小 的原材料，同时运用新的技术，使地震检波器的温变 效应尽量减小，从而确保野外的采集效果。因此，抗 温变检波器的技术研究和制造是磁电式检波器的发 展方向之一。参 考 文 献薛立武 等环境温度变化对超级检 波器测试的影响分 析石油仪器，（）付小宁 等地震检波器的参数受温 度 影 响 的 研 究力 学 与实践，（）薛立武 等地震检波器中磁体的发展 及 特 点物 探 装 备，（）罗福龙 等地震检波器技术及应用物探装备，（）收稿日期：