[发明专利]MEMS数字地震检波器

说明书

技术领域

本发明涉及一种地震检波器，特别是涉及一种MEMS数字地震检波器。

技术背景

地震勘探法目前仍然是在陆地和海洋勘探石油和天然气的主要手段，同时也是其他矿产资源的重要勘探方法，并广泛应用于研究地球内部结构、工程勘探和检测、地质灾害预测等等方面。地震勘探中用来直接拾取地震振动，并将振动转换为符合仪器记录系统需要的能量形式的仪器，称为地震检波器。地震检波器按使用环境可以分为陆上检波器、沼泽检波器、海上检波器和井下检波器等；按工作原理可以分为电磁感应式(动圈式)检波器、压电检波器、光纤检波器和MEMS检波器等；按输出信号的物理量可以分为速度检波器、加速度检波器等；按输出信号的类型可以分为模拟检波器和数字检波器。地震检波器的指标决定了地震勘探仪器的主要技术指标。

目前国内外使用最多的是动圈式地震检波器，这种检波器已经有50年的发展历史，重量从最初的几千克级发展到目前的几十克级，在地震勘探中得到了广泛使用。但由于其固有的机械特征，这种检波器灵敏度低、动态范围小(60dB左右)、频带窄(10～200Hz)、抗干扰能力差、质量和体积都较大，而目前的地震仪器已经达到了120dB的动态范围，所以不能充分发挥地震仪器的作用。

为了提高检测地震信号的灵敏度和信噪比，一般都要把许多常规检波器(通常是12个至72个左右)检波器串并联在一起组合使用，这不仅给施工增加了劳动强度，降低了生产效率，还降低了勘探分辨率。而且在野外使用中其连接电缆传送的是模拟信号，抗干扰能力差。

常规地震检波器对弹簧材料的要求很高，制造弹簧的工艺复杂、寿命短，同时弹簧的非线性畸变也是信号失真的主要原因。常规地震检波器里的磁铁在撞击和高温状态下容易退磁，这也是它寿命短和性能不稳定的重要原因。

MEMS是微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems)的英文缩写，是一种能进行电子感应或反应的超小型化机械器件。MEMS器件能用类似于半导体制造工艺进行相对低成本的大量生产。目前，MEMS器件广泛应用于自动化设备(如气囊感应器和发动机的各种压力传感器)和计算机元器件(如喷墨打印机喷嘴和硬盘读写头)中。MEMS地震传感器就是使用MEMS技术的地震传感器。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种灵敏度高、动态范围大、频带宽、抗干扰能力强、质量体积小的MEMS数字地震检波器。

为实现上述目的，本发明MEMS数字地震检波器由采集地震信号的MEMS地震传感器，用于低噪音电容信号放大和模拟力反馈的弱信号检测及反馈电路，将来自弱信号检测及反馈电路的模拟地震信号转化成数字信号的数字化单元，用于控制数字化单元，通信单元和供电电路的控制电路、用于接收主机系统控制命令和完成采集数据上传的数据通信单元和用于向前述五单元供电的供电电路六大单元组成。本发明装置采用模拟电路力反馈方式，特点是响应速度快，电路结构简单。这是与国际上其他MEMS数字地震检波器最明显的区别。ION公司和Sercel公司的MEMS数字地震检波器均采用ASIC电路进行数字化方案，本发明的ASIC电路先完成低噪音电容信号放大和模拟力反馈，然后加接地震勘探专用24位的A/D转换电路方式，这种方案有较宽的前放增益和较高的转换精度，有利于应用于不同地区。本发明的数据通信单元提供了与地震仪器主机系统的数据通信功能，接收主机的控制命令和完成采集数据的上传。

与常规模拟动圈式检波器相比，本发明MEMS数字检波器具有重量轻、频带宽、动态范围大、畸变小、抗干扰能力强等优点，必将替代目前使用最广的模拟动圈式检波器。特别是由于反馈电路的引入，使得本地震检波器的动态范围达到110dB，小信号识别能力大大提高，真正成为传统检波器的替代产品，另外，本发明MEMS数字检波器特别适用于单检波器高密度采集技术。可适用于石油、天然气、煤田及矿产勘探、地质工程勘察、地质灾害监测等方面。

作为优化，所述MEMS地震传感器、弱信号检测及反馈电路、数字化单元、控制电路、数据通信单元依次相连，供电电路共连前述五个单元。