光纤微地震检波器技术讲义

中科院半导体所科技成果——光纤地震检波器
项目成熟阶段生长期
项目来源基金、863
成果简介光纤地震检波器采用光纤激光传感技术，具有精度高、系统自噪声低、可单根光纤串联多支传感器复用、无电磁干扰、体积细小的优点。

可广泛应用于井下石油物探、压裂监测、地震监测等领域。

由于光纤地震检波器采用全光纤传感和传输，耐高温、不怕水、井下无任何电子器件，特别适合井下的地震波监测。

技术特点体积小、重量轻、无电磁干扰、传输距离长（可达数千米）、系统自噪声低（ng量级）
专利情况中国科学院半导体研究所具有光纤地震检波器的授权发明专利3项，完全自主知识产权。

市场分析油气勘探领域、地震监测领域需求强烈，年市场容量在数十亿人民币以上。

半导体所的光纤地震检波器已经成功用于辽河油田的井下地震勘探、云南省普洱地区的地震监测。

其中，在2011年12月的试验中成功监测到云南南部的1.2级地震。

合作方式技术转让、技术服务、技术入股
产业化所需条件企业提供厂房、基础建设、900万启动资金和设备资金，8人左右的技术团队和20人左右的生产团队。

微震检测技术⼀、引⾔微震检测技术是⼀种新型的⽆损检测技术，其应⽤范围⼴泛，涉及到⽯油、化⼯、电⼒、交通等多个领域。

微震检测技术通过对微震信号的采集和分析，实现对设备或结构的⽆损检测和评估，具有⾮破坏性、⾼精度、⾼灵敏度等优点。

本⽂将对微震检测技术的原理、应⽤和发展趋势进⾏详细介绍。

⼆、微震检测技术的原理微震检测技术的基本原理是利⽤微震信号的传播特性，对设备和结构进⾏⽆损检测。

微震信号是由物体内部或表⾯产⽣的微⼩振动，这些振动信号包含了⼤量的信息，如物体的结构、材料性质、应⼒分布等。

通过采集和分析这些微震信号，可以实现对设备和结构的⽆损检测和评估。

具体⽽⾔，微震检测技术包括以下⼏个步骤：1.信号采集：使⽤⾼灵敏度的传感器，对微震信号进⾏采集。

传感器应具有良好的动态范围和频率响应，以捕捉到尽可能多的有⽤信息。

2.信号处理：采集到的微震信号通常包含噪声和其他⼲扰，需要进⾏滤波、放⼤、去噪等处理，以提取出有⽤的信息。

3.信号分析：对处理后的信号进⾏频谱分析、时频分析等，以获取设备的状态信息，如裂纹、腐蚀、疲劳等。

4.诊断和评估：根据分析结果，对设备和结构的状态进⾏诊断和评估，预测其寿命和安全性。

三、微震检测技术的应⽤微震检测技术作为⼀种新型的⽆损检测技术，具有⼴泛的应⽤前景。

以下是⼀些典型的应⽤领域：1.⽯油⼯业：在⽯油⼯业中，微震检测技术被⼴泛应⽤于油井、油⽓管道等设备的⽆损检测。

通过对微震信号的分析，可以发现设备内部的裂纹、腐蚀等缺陷，避免事故的发⽣。

2.电⼒⼯业：在电⼒⼯业中，微震检测技术被应⽤于变压器、发电机等设备的状态监测和故障诊断。

通过对变压器内部的微震信号进⾏分析，可以判断其内部的绕组状态和是否存在局部放电等故障。

3.交通运输：在交通运输领域，微震检测技术被应⽤于桥梁、隧道、⾼速公路等基础设施的检测和评估。

通过对这些设施的微震信号进⾏分析，可以发现其内部的损伤和缺陷，及时进⾏维修和加固。

4.机械制造：在机械制造领域，微震检测技术被应⽤于各种机械设备和结构的⽆损检测。

地震勘探检波器的工作原理地震检波器的理论基础地震检波器是将地表振动变为电信号的一种传感器，或者说地震检波器是把机械振动转化为电信号的机电装置，以最大的逼真度产生地面运动垂直分量的电模拟。

每一个现代地震检波器都是有机械部分和其相连的具有电负载的机电转换器所组成，地震检波器的电学部分和机械部分组成一个整体。

要求它的振幅——频率响应在有意义的频率内是线性的，相位的响应也是线性的。

根据机电转换原理，可把常用的检测器分为三类：即变磁通式（或动圈式）、变磁阻式、压电式。

由于动圈式检波器的输出电压与线圈相对磁铁的运动速度成正比，这种检波器也叫速度检波器。

我国路上地震勘探工作大部分使用变磁通式的检波器。

根据用途不同，也可把地震检波器分为地面检波器、沼泽检波器和井中检波器等。

一个振动系统，它是由一个质量M ，一个弹簧和一个阻尼器Z 组成，地震检波器的装置如图1-1所示，地震检波器的外壳安置在地面上（或沉没于井中），于是，假设外壳的运动精确地重复着地面运动，外壳上具有伸长系数K 的弹簧悬挂着称为惯性质量的重荷M ，为了使用权惯性质量的振动平静下来，惯性质量中被放在胶质液体中，当外壳和惯性质量M 产生相对位移时，在其电极上造成某个电动热E 。

在地震勘探检波器中，主要应用各种感应转换器，在感应转换器中，根据电磁感应，将机械振动变成电震荡，感应机电转换器可以作为与质量M 紧密相连的线圈和与外壳相连的永久磁铁之和（或者反过来），线圈在磁铁的磁场中移动时，在线圈内就发生电动势，转换器线圈内阻在内的某个电阻Z 与转换器两极相连。

可以把地震检波器作为机电系统来研究，这里，某个激发函数()t ζ——例如外壳（地面）对固定读书系统的位移速度，作用于这个系统的输入端，在地震检波器的输出端发生从其电学部分中的负载电阻取得的某个变化的电压()t U ，地震检波器数学模型应该确定这些值之间的关系。

地震检波器的数学模型 为了建立地震检波器的运动数学模型，先讨论其中的作用力。

第二章地震检波器地震检波器是把传输到地面或水中的地震波转换成电信号的机电转换装置，它是野外地震数据采集的关键部件。

第一节电动式地震检波器工作原理：当地震波到达地面引起机械振动时，线圈对磁铁作相对运动而切割磁力线，根据电磁感应原理，线圈中产生感生电动势，且感生电动势的大小与线圈和磁铁的相对运动速度成正比。

图2-1（a）电动式检波器基本结构图2-1（b）电动式检波器外形图2-2 检波器内各部分的运动关系图2-2 检波器内各部分的运动关系12一、运动方程的建立运动方程反应的是检波器线圈运动与地面运动的关系。

规定：z ——地面产生的向上位移y ——线圈框架（惯性体）的向上位移x ——线圈相对磁铁的向下位移（x ＜0），并且：y z x =+1．弹簧克服惯性体重力后的拉力K FK F kx =- （2-1）2． 线圈受到的电磁阻尼力根据法拉第电磁感应定律，线圈两端输出的电动势为dtdxs dt dx dx d n dt d ne ⋅=⋅==φφ dxd ns φ=称为机电转换系数，也叫空载灵敏度。

线圈中的感应电流为：c o e ei R R R==+式中c R 是线圈内阻，o R 是线圈负载电阻。

感应电流受到的电磁力L F ：dtdx R s R e s i dx d n F L ⋅-=⋅-=⋅-=2φ （2-2） 3． 铝制线圈框架受到的电磁阻尼力当圆筒形铝制线圈框架在磁场中运动时，线圈框架内将产生涡电流。

涡电流产生涡旋磁场，此涡旋磁场与永久磁场相互作用的结果也是阻止线圈框架的运3动，这种电磁阻尼力与线圈框架相对磁铁的运动速度成正比：dtdxF T μ-= (2-3) 根据牛顿第二定律，将式（2-1）、（2-2）和（2-3）相加：2222222()k L T s dxF F F k x R dtd yd z d x M M dt dtdt μ++=-⋅-+⋅⎛⎫=⋅=⋅+ ⎪⎝⎭ 即 222221dtzd x M k dt dx R s M dt x d -=+⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅+μ （2-4） 一般式 2220222dtz d x dt dx h dt x d -=++ω （2-5）MRs h 2/2+=μ——衰减系数，M K /0=ω——自然频率 。

地震检波器原理
地震检波器可以检测地震波的原理如下：
1. 地震波的产生：当地壳发生断裂或移动时，会产生能量释放，形成地震波。

地震波分为P波、S波和表面波等类型。

2. 接收地震波：地震检波器设备安放在地面或地下，用于接收地震波的传播。

一些常见的地震检波器包括地震计、加速度计、地震传感器等。

3. 检测原理：地震波通过地震检波器的感应器，例如压电器件等，产生机械应力或电信号。

这些信号可以转化为电信号，通过放大器和滤波器处理后，被记录和分析。

4. 记录和分析：地震检波器将接收到的地震波信号转化为电信号后，在地震计或其他设备上记录下来。

这些数据可以被地震学家和地质学家用来研究地震的特性和发生地点，以及为地震预测和防灾提供重要信息。

总之，地震检波器原理是通过感应器将接收的地震波转化为电信号，通过记录和分析这些信号来研究地震的特性和预测地震风险。