[其他]三轴传感器

说明书

本发明涉及地震传感器，尤其是一种沿相互正交的轴检测地震信号的装置。

在地震法勘探中，一个地震源，例如一个振动器或者炸药产生一个传到地球中的地震信号。该地震信号从导入点以一扩大着的球形波阵面在地球中传播。当该波阵面碰到地下岩层中构造或结构的变化处时，波阵面的一部分就可能被反射回到地面。反射到达地面的地震信号可由地震传感器检测，例如由置于地面的地震检波器或置于水下环境中的水下地震检波器所检测。

产生于震源並反射到地面的地震信号主要包括几种地震波型，每种型式具有与其它型式相区别的特征。地震波的波形包括压缩波和剪切波，总称为体波;还有两种被称为瑞利（Raleigh）波和乐甫（Love）波的表面波。压缩波和剪切波通常分别被称为主波（P）和次波（S），由于它们以不同的速度传播，並且它们与表面波不同，能传播到更深的深度，因此是地球勘探中所特别感兴趣的。

压缩波与剪切波的粒子运动各不相同。在压缩波中，在波传播期间，传播中的波中的粒子作聚集和疏散交替的运动，其间传播媒介中邻近的粒子靠近，然后再分开。因此，压缩波中的粒子总是在波的传播方向上运动。在剪切波中，粒子运动平行于波阵面呈波浪形，粒子的运动总是垂直于波的传播方向。如果在剪切波传播期间，所有粒子都呈平行线波动，则说明波在波动的方向偏振。所有粒子运动都是竖直地在水平传播的偏振剪切波称为SV波或竖直剪切波;当它的粒子都呈水平运动时，称为SH波或水平剪切波。剪切波可在水平和竖直以外的平面偏振，但为了研究的目的，可将它们分解成水平和垂直平面的分量。

因为两种波型的粒子运动和传播速度不同，在确定地下岩层的特性方面压缩波和剪切波是重要的。此两种波型常用来“标记”岩层构造的传播特征。岩层的这些特征可以用沿地面放置的传感器或置于洞穴不同深度中的传感器来测量。

已往，对这两种体波的检测采用传统的地震检波器来完成。该地震检波器置于地面上，它们单一的灵敏轴或成水平定向以测量剪切波，或成竖直定向以测量压缩波。每一个传感器必须适当地置于地面上，以确保相对于待测信号传播方向有合适的取向。这对于用来检测14赫兹（Hz）或更低频率的传感器来说是极为严格的。倾斜角为5度或大于5度时，低频传感器就不起作用了。

在后来的检测器中，将三个传感器安装到单一的底座上，它们的灵敏轴安装成相互成90度。这样由三个传感器组成的一个装置就可以用来既检测压缩波又检测剪切波了。但是，在这种传感器中，与已往的单一传感器一样存在定向问题。该传感器必须被合适地定向以使得其轴既有垂直的又有水平的，以便每种波型都能被检测到。

在垂直的地震测量布置中亦存在类似的问题，其中传感器置于钻探穴中。钻探穴不是理想的圆筒，钻探穴的直径既存在不规则性又存在倾斜。通常当安装在钻探穴中的传感器沿着钻探穴侧壁紧紧插进时，其定向不是处于垂直或水平的方向。为了解决钻探穴中的传感器倾斜问题，传感器被悬挂在套筒中的一个枢轴上。一个传感器被垂直安装，而两个传感器被水平安装，且相互成90度。当钻探穴壁受力而使传感器外壳倾斜时，支撑在枢轴的传感器以合适的朝向成竖直悬挂，以便同时检测到压缩波和剪切波。该装置的一个主要缺点是当倾斜时，水平的传感器並不保持相互垂直。水平传感器应和竖直朝向的相座互相垂直，但当机座倾斜时，两个水平传感器就呈现在它们的轴相互不成90度的方向上。如果机座水平定位，而使传感器可自由地绕轴转动，它们就能基本上互相平行，因此而检测到相同的信号。

解决维持传感器相互垂直问题的其它尝试是采用平衡环。装在单一底座上的三个地震检波器安装在一多轴平衡环上。这使得为钻探机使用的平衡环传感器组件有很大的直径。另外，当沿外平衡环的转轴倾斜得太厉害时，机座的朝向也变得不定了。使用单平衡环的地震检波器组件的主要缺点是尺寸问题。

图7、图8和图9表示一种最近的改进形式，它包括分别安装在一平衡环上的各个传感器。单个安装传感器使得机具的直径减小，但同样存在维持传感器轴互相垂直的问题。当机具倾斜时，平衡环就转动，使得起初在第一位置是相互垂直的两个水平传感器的轴在第二个倾斜位置上基本上变成互相平行了。这是由于相对于其它平衡环的外转轴成90度的平衡环的外转轴转动失调所引起的。当平衡环转动时，内转轴变成平行，因此，传感器的灵敏轴也成平行了。单个平衡环式地震检波器的另一个主要缺点是，当在包含外转轴的平面中倾斜超过某临界角度时，地震检波器的位置是不确定的。当一外转轴被倾斜到尽头时，为稳定平衡环所需的恢复力或重力，不能使其绕轴转动，因此，使地震检波器绕倾斜的轴漂移。