專利名稱：電磁式大功率淺層地震可控震源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可控非炸藥震源，明確地講是一種電磁式大功率淺層地震可控震源系統(tǒng)，屬于地震勘探用的震源發(fā)生裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
可控震源便是以克服炸藥震源的缺陷為目的而發(fā)展起來的一種非炸藥震源。國(guó)外從1952年開始研究液壓驅(qū)動(dòng)車載式可控震源，其信號(hào)頻率掃描范圍在6～180Hz，最大輸出力為幾十KN。經(jīng)過幾十年的發(fā)展完善，現(xiàn)在液壓驅(qū)動(dòng)的可控震源已成為國(guó)外油氣勘探領(lǐng)域的主要震源，使用率高達(dá)70％以上。但由于其驅(qū)動(dòng)方式導(dǎo)致的系統(tǒng)掃描頻率低以及野外工作笨重等原因，越來越難以適用于淺層高分辯率地震勘查的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種電磁式大功率淺層地震可控震源系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有可控震源驅(qū)動(dòng)方式導(dǎo)致的系統(tǒng)掃描頻率低以及野外工作笨重等問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案電磁式大功率淺層地震可控震源系統(tǒng)由主控機(jī)箱和激震體兩部分組成。其中，主控機(jī)箱負(fù)責(zé)人機(jī)交互、掃描信號(hào)的產(chǎn)生及放大、震動(dòng)信號(hào)的質(zhì)量監(jiān)測(cè)與控制等功能；激震器實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。
主控機(jī)箱中工控PC機(jī)的總線接口單元使DDS產(chǎn)生脈沖信號(hào)，觸發(fā)計(jì)數(shù)器使波形存儲(chǔ)器釋放數(shù)字波形，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換和濾波器濾波，送入前級(jí)放大器經(jīng)功放驅(qū)動(dòng)送入激震器的動(dòng)圈產(chǎn)生震動(dòng)，震動(dòng)信號(hào)通過基板傳入地下，由傳感器拾取震動(dòng)信號(hào)與PC機(jī)中的預(yù)定波形進(jìn)行比較，并形成閉環(huán)控制回路；激震器利用電磁驅(qū)動(dòng)原理，采用配重倒置結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可控震源能量向大地的最佳傳輸；激震體由動(dòng)圈、鐵芯、磁鋼、磁極板、配重、基板以及外罩等部分組成，其中，動(dòng)圈骨架上部直接和激振器承重桿相連，動(dòng)圈處于鐵芯和磁極板之間的工作氣隙中，動(dòng)圈由二組激震彈簧支持，構(gòu)成激振器的可動(dòng)部件；激震彈簧一端固定在配重上，基板與產(chǎn)生永磁場(chǎng)的磁極板相連，在電磁場(chǎng)推動(dòng)動(dòng)圈上下震動(dòng)的同時(shí)，也會(huì)對(duì)基板產(chǎn)生一個(gè)反作用力使其連續(xù)的“推拉”彈性地面，即產(chǎn)生地震波。
當(dāng)功率放大器供給動(dòng)圈可變頻率電流時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，可以得到F＝0.102BLI×10-4(1)F0＝0.102BLI0×10-4(2)式中F為電磁感應(yīng)力(牛頓)，即通常所謂的激振力；F0為激振力F的幅值(牛頓)，即所謂的最大激振力；B為工作氣隙中平均磁感應(yīng)強(qiáng)度(高斯)；I為功率放大器供給的電流瞬時(shí)值(安培)；
I0為電流I的幅值(安培)；L為切割磁力線的線圈的導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度(米)。
由(1)、(2)可得到α＝F/I＝F0/I0＝0.102BL×10-4(3)對(duì)于激振器而言，B、L均為常數(shù)，故α即為定值，通常稱α為激振器的力常數(shù)。
本發(fā)明的積極效果在于設(shè)計(jì)完成了電磁驅(qū)動(dòng)且支持任意波形掃描的高頻可控震源系統(tǒng)，不僅具有液壓可控震源所具有的安全、信號(hào)的可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，而且通過對(duì)其驅(qū)動(dòng)方式的改變，提升了信號(hào)的掃頻范圍，達(dá)到5～1400Hz，完全可以滿足淺層高分辨率地震勘探的需求。并充分考慮野外的實(shí)際工作環(huán)境，通過對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了野外施工輕便化、實(shí)用化的要求。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理框圖。
圖2為信號(hào)發(fā)生卡信號(hào)幅度調(diào)節(jié)電路原理圖。
1～吊運(yùn)提環(huán)、2～外罩、3～配重殼體、4～激震彈簧、5～承重彈簧、6～動(dòng)圈、7～磁鋼、8～磁極板、9～配重、10～承重桿、11～鐵芯、12～基板、13～晶振時(shí)鐘、14～DDS、15～觸發(fā)器、16～計(jì)數(shù)器、17～EEPROM、18～數(shù)/模轉(zhuǎn)換、19～信號(hào)濾波、20～信號(hào)幅度調(diào)節(jié)、21～前級(jí)放大、22～功放驅(qū)動(dòng)、23～功率放大輸出、24～狀態(tài)指示、25～控制邏輯、26～過流過壓過溫保護(hù)、27～振動(dòng)傳感器、28～信號(hào)調(diào)整、29～數(shù)據(jù)采集、30～相位檢測(cè)、31～PC-EISA總線接口單元、32～控制算法、33～PC機(jī)、34～同步觸發(fā)單元、35～鍵盤、36～液晶屏、37～DAC0808。
具體實(shí)施例方式參照附圖1，主控機(jī)箱主要包括伺服系統(tǒng)③、信號(hào)發(fā)生卡①、功率放大部件②，在伺服系統(tǒng)③中，帶有工控PC機(jī)的信號(hào)總線，通過控制信號(hào)發(fā)生卡①，實(shí)現(xiàn)掃描波形輸出的同時(shí)，它還負(fù)責(zé)根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的系統(tǒng)工作環(huán)境以及由從激震器④的基板反饋回來的信號(hào)進(jìn)行相位實(shí)時(shí)控制，使基板12信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相差控制在一定范圍以內(nèi)；并通過系統(tǒng)同步觸發(fā)單元34，向地震波觀測(cè)儀器提供有效的同步觸發(fā)協(xié)議；通過鍵盤35、液晶屏36實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
信號(hào)發(fā)生卡①由晶振時(shí)鐘13、DDS AD7008 14、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器18以及信號(hào)濾波器19等組成，由該卡可以輸出任意波形、較寬頻率范圍和幅值可選的信號(hào)，分別用于不同的地震勘探場(chǎng)合。
功放部分實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)發(fā)生卡的掃描信號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到對(duì)激震器的足夠驅(qū)動(dòng)能力。
晶振時(shí)鐘13和DDS 14具有直接輸出線形變頻正弦信號(hào)的能力，但考慮到實(shí)際勘探方法的多樣性，在DDS 14與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器18之間增加了觸發(fā)器15、16位計(jì)數(shù)器16和64K EEPROM 17、信號(hào)幅度調(diào)節(jié)20等部件?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要實(shí)時(shí)控制DDS 14輸出滿足頻率要求的正弦波，然后用觸發(fā)器15將該正弦波整形至相同頻率的方波，將該方波作為16位計(jì)數(shù)器16的計(jì)數(shù)脈沖輸入，并將該計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的計(jì)數(shù)值作為64K EEPROM存儲(chǔ)器17的地址控制信號(hào)，該存儲(chǔ)器內(nèi)預(yù)先裝有滿足勘探要求的掃描波形。這樣，該信號(hào)發(fā)生器即具有高精度的頻率可控性，又可以輸出任意的掃描波形。
由于以上DDS技術(shù)只能輸出單一幅度的信號(hào)，難以滿足實(shí)際掃描工作的需要，因此在DDS的輸出端又設(shè)計(jì)了信號(hào)幅度調(diào)節(jié)電路(見圖2所示)。這樣DDS AD7008的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過DAC0832的數(shù)模轉(zhuǎn)換18以后，再由8位DAC0808 37對(duì)其幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其輸出的電壓信號(hào)為DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換18的輸出提供靜態(tài)工作點(diǎn)，從而使信號(hào)發(fā)生卡輸出的信號(hào)能夠進(jìn)行256級(jí)的幅度精確控制。
可控震源功率放大電路由前極放大21、功放驅(qū)動(dòng)22和功率放大輸出23三部分組成。為滿足系統(tǒng)大動(dòng)態(tài)、低失真率以及高轉(zhuǎn)換速率等要求，其驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)均采用分立元件。
前級(jí)放大器21由三片μA741構(gòu)成2到3級(jí)放大電路來實(shí)現(xiàn)，其中一片作為反向器，通過開關(guān)切換，實(shí)現(xiàn)輸入與輸出信號(hào)半波相差的要求。功放驅(qū)動(dòng)22由兩只三極管組成互補(bǔ)式共基極放大電路。功放輸出23由26只三極管構(gòu)成對(duì)稱的甲乙類功率放大器。采用過流、過壓、過溫保護(hù)電路26保證整個(gè)功放電路安全、可靠的工作。
高頻的電磁激震體是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種電動(dòng)裝置，它是可控震源設(shè)計(jì)思想的最終體現(xiàn)。因此，激震體的性能直接影響著可控震源掃描信號(hào)的質(zhì)量。由于應(yīng)用了高磁能材料釹鐵硼(Nd-Fe-B)，該電磁式激振器具有推重比大、體積小、激振力對(duì)電源的非線性小以及響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)。激震體由動(dòng)圈6、鐵芯11、磁鋼7、磁極板8、配重9、基板12以及外罩2等部分組成(見圖1所示)。其中動(dòng)圈6骨架上部直接和激振器承重桿10相連，動(dòng)圈6處于鐵芯11和磁極板8之間的工作氣隙中，動(dòng)圈6由二組彈簧支持，構(gòu)成激振器的可動(dòng)部件。彈簧本身固定在配重9上，當(dāng)功率放大器供給動(dòng)圈可變頻率電流時(shí)，由電磁感應(yīng)定律，在動(dòng)圈周圍便會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的交變磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)與恒定的磁極板磁場(chǎng)相互作用，促使動(dòng)圈帶動(dòng)殼體按給定的信號(hào)震動(dòng)。
配重9直接與高能激震器動(dòng)圈6相連，基板12與產(chǎn)生永磁場(chǎng)的磁極板8相連，在電磁場(chǎng)推動(dòng)動(dòng)圈上下震動(dòng)的同時(shí)，動(dòng)圈6也會(huì)對(duì)基板12產(chǎn)生一個(gè)反作用力使其連續(xù)的“推拉”彈性地面，即產(chǎn)生地震波。
權(quán)利要求
1.一種電磁式大功率淺層地震可控震源系統(tǒng)，由主控機(jī)箱和激震體兩部分組成，其特征在于主控機(jī)箱中工控PC機(jī)(33)的總線接口單元(31)使DDS(14)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，觸發(fā)計(jì)數(shù)器(16)使波形存儲(chǔ)器(17)釋放數(shù)字波形，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換(18)和濾波器(19)濾波，送入前級(jí)放大器(21)經(jīng)功放驅(qū)動(dòng)(22)送入激震器的動(dòng)圈(6)產(chǎn)生震動(dòng)，震動(dòng)信號(hào)通過基板(12)傳入地下，由傳感器(27)拾取震動(dòng)信號(hào)與PC機(jī)(33)中的預(yù)定波形進(jìn)行比較，并形成閉環(huán)控制回路；激震體采用配重倒置結(jié)構(gòu)，激震體由動(dòng)圈(6)、鐵芯(11)、磁鋼(7)、磁極板(8)、配重(9)、基板(12)以及外罩(2)等部分組成，其中，動(dòng)圈(6)骨架上部直接和激振器承重桿(10)相連，動(dòng)圈(6)處于鐵芯(11)和磁極板(8)之間的工作氣隙中，動(dòng)圈(6)由二組激震彈簧(4)支持，構(gòu)成激振器的可動(dòng)部件；激震彈簧(4)一端固定在配重(9)上，基板(12)與產(chǎn)生永磁場(chǎng)的磁極板(8)相連，在電磁場(chǎng)推動(dòng)動(dòng)圈(6)上下震動(dòng)的同時(shí)，也會(huì)對(duì)基板(12)產(chǎn)生一個(gè)反作用力使其連續(xù)的“推拉”彈性地面，即產(chǎn)生地震波。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電磁式大功率淺層地震可控震源系統(tǒng),由主控機(jī)箱和激震體兩部分組成。主控機(jī)箱中工控PC機(jī)使DDS產(chǎn)生脈沖信號(hào),觸發(fā)計(jì)數(shù)器、波形存儲(chǔ)器釋放數(shù)字波形,經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換和濾波,送入功放驅(qū)動(dòng)激震器產(chǎn)生震動(dòng)傳入地下,由傳感器拾取震動(dòng)信號(hào)與PC機(jī)中的預(yù)定波形進(jìn)行比較,并形成閉環(huán)控制回路;激震器利用電磁驅(qū)動(dòng)原理,采用配重倒置結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)可控震源能量向大地的最佳傳輸;本系統(tǒng)不僅具有液壓可控震源所具有的安全、信號(hào)的可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn),而且通過對(duì)其驅(qū)動(dòng)方式的改變,提升了信號(hào)的掃頻范圍,達(dá)到5～1400Hz,完全可以滿足淺層高分辨率地震勘探的需求。充分考慮野外的實(shí)際工作環(huán)境,通過對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),達(dá)到了野外施工輕便化、實(shí)用化的要求。
文檔編號(hào)G01V1/02GK1343891SQ0112814
公開日2002年4月10日 申請(qǐng)日期2001年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月5日
發(fā)明者林君, 陳祖斌, 于生寶, 張子三, 梁鐵成 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)