用电子学方法实现地震勘探动圈检波器性能改进的研究

The goal of this proposal is to meet the demands in seismic exploration in China today. After deep researching on the dynamical equations and performance indexes of moving-coil geophone and MEMS-based sensor, we propose that adding an electromagnetic force feedback circuit at the output end of the geophone to improve its performance without change of the physical construction. The structure and parameters of the feedback circuit is designed according to the dynamic characteristics of the moving-coil geophone. It is effective to improve the linear range, dynamic range, bandwidth, low-frequency characteristics and to reduce the distortion by increasing the electromagnetic induction and electronic damping which is achieved by the well control of the electromagnetic force based-on electronic theory. In order to be able to test in laboratory, we will use DC excitation method and read the output wave of the sensor with the high-precision ADC. And we'll use digital filter and calculate the waveform parameters to measure the indexes such as natural frequency, damping, etc. We will also setup a platform for simulation and test to optimize the added circuit parameters. We anticipate that the improved geophone will coexist with MEMS in a long time. The improved geophone will enhance the exploration accuracy while maintaining its low cost and convenient use, so that China will master the core technology and intellectual property of the new high-performance seismic geophone to promote the competitiveness of Chinese oil-exploration companies in the international market.

从我国地震勘探的实际需求出发，深入研究动圈式地震传感器（geophone）和微机电系统传感器（MEMS）的动力学方程和性能指标。提出在不改变机械结构的条件下，在Geophone的输出端附加一个电磁力反馈电路，根据动圈检波器电磁力的动力学特性设计反馈电路结构和参数，利用电子学方法对线圈的电磁力进行控制，增大线圈的电磁感应和电子阻尼，从而改进检波器的线性和动态范围，降低失真度，改进低频特性和频率响应的带宽。为了能在实验室测试，研究用直流激励法及高精度ADC读出检波器的输出波形，用数字滤波和计算波形参数的方法测量自然振动频率、阻尼系数等各项参数。建立仿真和测试平台，优化设计参数。我们预期，改进后的Geophone，可以在较长时间内同MEMS传感器共存，在提高勘探精度的同时继续发挥其廉价和使用方便的优势，使我国掌握高性能新型地震传感器的技术和核心知识产权，从而提高我国石油勘探公司在国际上的竞争力。

项目背景：.为探测深地层，需要低频检波器。传统动圈检波器需要靠增大体积实现较低的自然频率，因体积增大、成本增大，低频检波器不方便大量使用。本项目研究在不改变机械结构的条件下，通过在检波器输出端附加一个电磁力反馈电路从而改进检波器的低频响应。..主要研究内容：.1)研究建立更加精确的动圈检波器电磁动力学内阻模型。.2)研究基于负电阻反馈网络的检波器性能改进的附加电路和方法。.3)研究将遗传算法应用于检波器性能改进的反馈网络优化设计中。.4)研究基于直流和交流激励法，设计用电子学方法测试动圈检波器性能参数的测试平台，对DAC 数字调制器进行了研究。.5)搭建高精度振动测试平台。..重要结果：.1)理论研究和实际测试证明，本项目改进检波器频率响应的方法是可行的。.2)创新性地得到了动圈检波器更为精确的电磁动力学内阻模型，即内阻模型不是纯电阻而包含了容性和感性阻抗。.3)根据检波器更加精确的内阻模型，建立了新的负电阻反馈回路的仿真模型，并获得了符合振动台实际测量结果的仿真结论。有效的提高了基于负电组网络的频率响应稳定性。.4)利用遗传算法，优化了可控的电磁力反馈控制参数的数值，振动台实测结果表明，该反馈网络可以将自然频率10Hz的检波器改进为5Hz，频率响应带宽得到有效拓宽。.5)研制出基于直流和交流激励法的检波器性能参数电子学测试平台。可以测试检波器的自然频率、阻尼比、灵敏度、漏电电阻、线圈电阻、交流阻抗、谐波失真。..科学意义:.1)首次建立的更加精确的动圈检波器动力学内阻模型，是研究检波器性能改进的基础，为深入研究检波器具有重要意义；.2)成功研制出的负电组反馈网络，首次基于遗传算法得到的优化反馈网络电路结构和参数，可以实现对检波器低频特性的改进以及频响带宽的拓展，具有广阔的产业化前景；.3)研制的基于直流和交流激励法的检波器性能参数测试平台，具有实际应用价值。