壓電檢波器中阻尼電阻位置對其性能的影響

李 猛，曹建明，韓學義，王 博，萬法偉

(1. 中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司海洋物探處 天津 300270； 2. 中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司新區(qū)作業(yè)部 河北 涿州 072750)

0 引 言

地震檢波器是一種用于尋找油氣資源、煤炭資源、礦產(chǎn)資源的專用傳感器裝置。它是能夠?qū)⒄鹪醇畹奈⑿≌駝有盘栟D化為可接收、采集的電信號的機電轉換裝置。地震檢波器包括機械接收部分和電學轉換部分，只有它輸出的幅頻特性曲線和相頻特性曲線在有效頻帶內(nèi)是線性的，才能保證采集地震資料的可靠性和準確性。在地震勘探中，地震檢波器作為野外勘探資料采集的第一個環(huán)節(jié)，決定著我們能否得到良好的地質(zhì)剖面、精確的地質(zhì)解釋、準確的地質(zhì)構造。

在灘淺海和過渡帶的地震勘探中，主要使用壓電檢波器[1]。根據(jù)內(nèi)部結構，壓電檢波器的性能是由具有電容性質(zhì)的陶瓷片和具有電感性質(zhì)的變壓器共同影響的。依據(jù)電路推導，壓電檢波器中阻尼電阻的位置對其響應特性、道間一致性和漏電都有不同的影響，因此對采集資料的品質(zhì)有著重要的作用。

1 壓電檢波器的構成及內(nèi)部結構

在地震勘探中，國內(nèi)外使用的壓電檢波器主要是壓電壓敏型檢波器[2]。在灘淺海過渡帶使用海底電纜進行地震勘探時，把壓電檢波器放置于海底，拾取震源激發(fā)導致的水壓變化，轉化為所需要的電信號，獲得地震信息。壓電地震檢波器由一行壓電元件制成的，與傳統(tǒng)的動圈式結構地震檢波器相比，壓電檢波器具有結構簡單、質(zhì)量輕、測量范圍廣、成本低，性能穩(wěn)定等特點[3]，可廣泛用于淺水(35 m內(nèi))、深水(100 m內(nèi))地震勘探。壓電檢波器主要包括壓電傳感器和阻抗匹配器兩部分。

1.1 壓電傳感器

壓電傳感器由具有壓電效應的材料制成，主要使用壓電陶瓷片拾取地震信號。其作用是接收氣槍震源激發(fā)的地震波振動，并轉化為電信號傳送給地震儀器進行采集[4]。壓電陶瓷片成容性C，在受到外力作用時，極化面會產(chǎn)生電荷Q，所以壓電陶瓷片可以等效成電容與電壓源串聯(lián)的電路，所產(chǎn)生的電壓Vc=Q/C。

1.2 阻抗匹配器

構成壓電檢波器中壓電傳感器的輸出信號非常微弱且內(nèi)阻高，所以嚴重影響它的輸出特性。通常在壓電傳感器的輸出后面接入一個阻抗匹配器，然后再接入采集站電路。阻抗匹配器的作用有兩個，一個是對壓電傳感器采集到的信號進行放大，另一個是匹配壓電傳感器的高阻抗輸出和儀器低阻抗輸入。

阻抗匹配器目前分為兩種，一種是有源的，使用電荷放大器作為阻抗匹配器[5]；還有一種是無源的，使用變壓器作為阻抗匹配器。

使用兩種阻抗匹配器的海上檢波器各有其優(yōu)缺點。使用電荷放大器的壓電檢波器容易受到串音干擾，但噪音相對較??；使用變壓器的壓電檢波器容易受到電磁干擾，噪音較大。由于壓電傳感器采集的信號要傳送給采集站的信號放大器上，信號放大器的輸入電阻要非常小，壓電傳感器的電阻非常大，這樣就需要阻抗匹配器對電阻進行變換。在海上地震勘探中壓電檢波器要求使用方便，放大器型阻抗匹配器需要更換電源，給施工和檢測帶來不便，所以選擇使用變壓器作為阻抗匹配器，它是無源的匹配方式，更加貼近生產(chǎn)實用。

1.3 壓電檢波器的內(nèi)部結構

根據(jù)實際生產(chǎn)需要和對現(xiàn)有壓電檢波器結構對比，最終選定壓電傳感器與變壓器組成壓電檢波器。變壓器型阻抗匹配器起到壓電傳感器與地震儀器之間的阻抗變換作用。同時為了減少導線間的漏電，變壓器位置一般靠近壓電陶瓷原件。因此，在單獨的檢波器中，變壓器就放在檢波器內(nèi)[6]，如圖1所示。

圖1 壓電檢波器內(nèi)部結構

1.4 等效電路

根據(jù)壓電檢波器的內(nèi)部結構圖，壓電陶瓷相當于電容，變壓器相當于電感，可以得出等效電路圖如圖2所示。變壓器的初級Ls1(輸入端)連接壓電陶瓷Vc，變壓器次級Ls2(輸出端)連接地震儀器的輸入端V0[7]。壓電陶瓷片的電容C和變壓器的初級電感Ls1決定了壓電檢波器的諧振頻率。

圖2 壓電式海上檢波器等效電路

2 阻尼電阻不同位置對壓電檢波器的影響

阻尼電阻作用是對電感和電容組合而成的震蕩電路起到整流作用，消耗一部分引起震蕩的能量，使輸出信號更加平滑，另外阻尼電阻還起到匹配儀器的輸入阻抗的作用[8]。阻尼電阻的位置有兩個，一般是并聯(lián)在變壓器的次級(阻尼后置)或者變壓器的初級(阻尼前置)。

2.1 阻尼電阻后置

當壓電檢波器輸出端與地震記錄儀輸入端連接起來時，負載電阻R便為導線電阻RL與儀器輸入電阻Rin之和，即R=RL+Rin。

由于各道檢波器與地震儀的距離不一樣，檢波器導線長度的電阻RL也就不一樣，使得各道檢波器負載電阻R不同，從而使各道檢波器的自然頻率、阻尼系數(shù)和傳輸常數(shù)均不一樣，造成道間的不一致問題。阻尼電阻后置是把阻尼電阻Rd接入在變壓器次級，這樣可以增強道間一致性，如圖3所示。阻尼電阻阻Rd值遠小于連線電阻RL與儀器輸入電阻Rin之和，這樣就使得各道檢波器的負載電阻R基本上是由阻尼電阻Rd確定，即R=Rd。

圖3 阻尼電阻在變壓器次級(阻尼后置)

2.2 阻尼電阻前置

阻尼電阻前置是把阻尼電阻Rd接在變壓器初級，如圖4所示。阻尼電阻前置對壓電檢波器諧振頻率曲線的影響只在諧振頻率點衰減，其他各點沒有衰減。而阻尼電阻在變壓器次級會使諧振頻率曲線各個點都衰減。

如果壓電陶瓷片進水漏電，會影響到檢波器的靈敏度。阻尼電阻并聯(lián)在變壓器的初級，即接在壓電陶瓷片的一端，可以減少漏電對靈敏度的影響。如果阻尼電阻在變壓器的次級，則對壓電陶瓷片漏電產(chǎn)生的對靈敏度的影響沒有改變。

圖4 阻尼電阻在變壓器初級(阻尼前置)

綜上所述，阻尼電阻在初級可以調(diào)高諧振峰以外的靈敏度，并且可以減少漏電對靈敏度的影響。

3 阻尼電阻位置不同的兩種檢波器性能實驗分析

3.1 實驗產(chǎn)品

根據(jù)不同阻尼電阻位置的壓電檢波器的電路分析，設計了阻尼電阻前置(a型)和阻尼電阻后置(b型)兩種類型檢波器，并小批量生產(chǎn)了兩種型號壓電檢波器進行野外采集對比實驗。通過地震資料采集結果，驗證哪種檢波器類型更加適用于野外生產(chǎn)。

3.2 布設方案

依托野外生產(chǎn)項目進行實驗，地震資料的采集參數(shù)與野外生產(chǎn)相同。在兩條相鄰排列1004線和1003線上從相同樁號100-170點分別布設80道a型和b型兩種不同類型的檢波器進行采集接收，如圖5所示，震源船在距兩條排列1003線和1004線相等距離進行激發(fā)，接收儀器為Sercel428XL，采樣頻率為1 ms，記錄長度為6 s。

圖5 布設方案

3.3 資料對比

針對a型和b型兩種不同型號的壓電檢波器，從采集資料進行對比。

1)炮線中間炮點初至前噪音能量對比

炮線中間炮點初至前噪音能量對比如圖6所示。從圖6可以看出,b型檢波器接收的能量整體趨勢強于a型檢波器，說明在同等條件下b型檢波器靈敏度更高。

2)炮線中間炮點采集資料對比

炮線中間炮點采集資料對比如圖7所示。從圖7中可以看出，a型和b型的整體頻帶的綜合頻譜和響應效果差不多，但是b型同向軸更加清晰，有利于目的層成像。從單炮上看，b型檢波器接收的反射層能量比a型檢波器稍微好一點，有利于后期疊加成像。

圖6 噪聲能量對比

圖7 共炮集掃頻

4 結束語

采用變壓器做阻抗匹配器的壓電檢波器，阻尼電阻后置更加方便加工制作,各道間的一致性更好，響應特性和容差更好。但是阻尼電阻前置可以減小漏電對采集的影響，穩(wěn)定性更好。從勘探的目的出發(fā)，綜合分析，全面考慮，認為壓電檢波器阻尼電阻后置方案更佳，更適于野外生產(chǎn)施工。