井下甚寬頻帶地震儀關(guān)鍵裝置研究進(jìn)展＊

周 超 關(guān)作金 李 麗 龐錦標(biāo) 曹 駿

1) 珠海市泰德企業(yè)有限公司，廣東珠海 519082

2) 中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

每一次新技術(shù)的引入都為地震儀帶來(lái)飛躍的發(fā)展。其中，力平衡反饋技術(shù)的應(yīng)用是近代以來(lái)地震儀發(fā)展史上一個(gè)比較重大的進(jìn)步，反饋式地震儀的出現(xiàn)在地震儀的發(fā)展歷史上具有劃時(shí)代的意義。反饋網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)擺脫了地震儀對(duì)機(jī)械的完全依賴，使得地震儀的觀測(cè)頻帶和響應(yīng)類型主要由電子反饋來(lái)決定，通過(guò)改變反饋網(wǎng)絡(luò)，就可以改變地震儀的響應(yīng)類型、響應(yīng)通頻帶、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍等，甚至在很小的機(jī)械框架的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)寬頻帶長(zhǎng)周期地震儀，使得寬頻帶地震儀的小型化成為現(xiàn)實(shí)。反饋技術(shù)使得儀器開(kāi)發(fā)者研制、調(diào)試、生產(chǎn)地震儀變得簡(jiǎn)單方便[1]。

測(cè)震臺(tái)站地震儀方位的精確定向?qū)τ诶玫卣鹩^測(cè)資料開(kāi)展各向異性、面波頻散、接收函數(shù)和震源機(jī)制解等研究具有重要意義[2]。井下定位定向技術(shù)，是井下甚寬頻帶地震儀能否獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)的一個(gè)關(guān)鍵因素。井下探頭能否剛性的和井壁耦合對(duì)獲取地震信號(hào)的優(yōu)劣至關(guān)重要，在2 000 m深的井底，需要方便準(zhǔn)確地知道探頭的安裝方向，是地震學(xué)家一直未解決的一個(gè)難題。

1 分向核心芯體機(jī)械及簧片系統(tǒng)

1.1 分向核心芯體機(jī)械系統(tǒng)

井下甚寬頻帶地震儀芯體由框架、重錘、掛簧、十字簧片等部件構(gòu)成彈性振動(dòng)系統(tǒng)，由主磁鋼、工作線圈、反饋線圈、標(biāo)定線圈、標(biāo)定磁鋼等部件構(gòu)成速度換能系統(tǒng)（圖1左）。水平分向和垂直分向傳感器核心芯體如圖1右所示。

圖1 三分量核心芯體三維結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 3D structure graph of 3-components core module

彈性系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)型復(fù)擺結(jié)構(gòu)，使用十字交叉簧作旋轉(zhuǎn)軸。垂直分向使用葉簧懸掛，水平分向使用鋼絲和葉簧懸掛。拾震器上設(shè)計(jì)有機(jī)械周期調(diào)節(jié)螺釘和零點(diǎn)調(diào)節(jié)螺釘，還使用了包含重錘鎖緊和十字簧片鎖緊相組合的鎖緊方式的鎖緊裝置。

分向核心芯體機(jī)械及簧片是一套精密的機(jī)電結(jié)構(gòu)，由三分量獨(dú)立的傳感器安裝在對(duì)振動(dòng)敏感、固定牢靠的儀器罩內(nèi)。每個(gè)傳感器由內(nèi)置精密轉(zhuǎn)軸及擺體、片簧、精密差分電容傳感器、電機(jī)自動(dòng)調(diào)零機(jī)構(gòu)、反饋系統(tǒng)、鎖擺開(kāi)擺機(jī)構(gòu)等核心組件緊湊組成（圖2）。

圖2 三分量核心芯體樣機(jī)圖Fig. 2 A prototype of 3-components core module

三分量傳感器的每分向重量600 g左右，尺寸80 mm×70 mm×60 mm左右，傳感器由多種材料組成，以銅、鋁、電機(jī)、不銹鋼磁缸、簧片等金屬材料為主，以陶瓷、線圈骨架、PCB玻纖板等非金屬材料為輔。

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)

圖3是井下甚寬頻帶地震核心傳感器組成圖。精密轉(zhuǎn)軸由連接到固定部件的上梁、連接到運(yùn)動(dòng)部件的下梁以及連接上、下梁的十字片簧組成（圖4）。

圖3 傳感器機(jī)構(gòu)組成圖Fig. 3 Component structure graph of sensor module

圖4 精密轉(zhuǎn)軸Fig. 4 Precision shaft

片簧連接擺體的運(yùn)動(dòng)部件和固定部件，使運(yùn)動(dòng)部件相對(duì)于固定部件移動(dòng)（圖5）。精密差分電容傳感器連接固定部件和運(yùn)動(dòng)部件的上端，通過(guò)檢測(cè)固定部件與運(yùn)動(dòng)部件電極之間的電容差，將擺體的相對(duì)位移變化轉(zhuǎn)換為調(diào)制電壓，實(shí)現(xiàn)擺體運(yùn)動(dòng)部件位移的精密測(cè)量。

圖5 片簧Fig. 5 Reed

2 核心反饋調(diào)理線路系統(tǒng)

力平衡反饋技術(shù)的應(yīng)用是近代以來(lái)地震儀發(fā)展史上一個(gè)比較重大的進(jìn)步。反饋網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)擺脫了地震儀對(duì)機(jī)械的完全依賴，使得地震儀的觀測(cè)頻帶和響應(yīng)類型主要由電子反饋來(lái)決定，通過(guò)改變反饋網(wǎng)絡(luò)，就可以改變地震儀的響應(yīng)類型、響應(yīng)通頻帶、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍等，甚至在很小的機(jī)械框架的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)寬頻帶長(zhǎng)周期地震儀，使得寬頻帶地震儀的小型化成為現(xiàn)實(shí)。

甚寬頻帶反饋地震儀主要由機(jī)械擺、換能器、放大器和反饋電路等組成（圖6）。反饋是指將位移換能器輸出的信號(hào)通過(guò) PID（比例、微分、積分）電路組成的一定形式的網(wǎng)絡(luò)變換而產(chǎn)生相應(yīng)形式的電流，電流通過(guò)地震儀的反饋線圈，在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生一個(gè)作用在地震儀上的力(或力矩)，這樣就構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。井下甚寬頻帶地震儀的力平衡反饋系統(tǒng)布置在精密差分電容傳感器的一側(cè)，由磁缸系統(tǒng)、反饋線圈、反饋電路等部分組成（圖7）。通過(guò)對(duì)電壓實(shí)施比例、微分、積分控制，使磁缸內(nèi)部反饋線圈產(chǎn)生恢復(fù)力，實(shí)現(xiàn)電磁力和外力的平衡，構(gòu)成一個(gè)機(jī)電耦合閉環(huán)反饋系統(tǒng)。

圖6 甚寬頻帶地震儀反饋模型框圖Fig. 6 Illustration graph of very broadband seismograph feedback module

圖7 傳感器力平衡反饋系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig. 7 Machinery of force equilibrium feedback system of sensor

地震儀的反饋電路由比例、微分、積分3條支路組成，即控制論中經(jīng)典的PID 控制。反饋地震儀輸出電壓對(duì)地動(dòng)速度的傳遞函數(shù)為式（1），自振周期T和阻尼D為式（2）：

人的自由全面發(fā)展是馬克思人的解放理論的旨?xì)w，而人的共同體則是保障人的自由全面發(fā)展的社會(huì)形式。在馬克思看來(lái)，實(shí)現(xiàn)人自身的解放只有建立在資本主義私有制被消除、舊式分工被消滅的基礎(chǔ)之上，屆時(shí)人與人才能在全面深刻的社會(huì)變革的前提下相結(jié)合，形成“自由人聯(lián)合體”即人的共同體。而人只有生活在共同體中，才能實(shí)現(xiàn)自由個(gè)性的全面發(fā)展；只有“在真正的共同體的條件下，各個(gè)人在自己的聯(lián)合中并通過(guò)這種聯(lián)合獲得自己的自由”[3]199，人的自由全面發(fā)展的最高追求才會(huì)實(shí)現(xiàn)，人才能逐步走向自由自覺(jué)的美好生活，最后通達(dá)人的解放的終極狀態(tài)。

式（1）中的常數(shù)項(xiàng)1 /EC1為寬頻帶反饋地震儀靈敏度，HHP(s)為描述寬頻帶反饋地震儀長(zhǎng)周期頻段頻率特性的單位增益二階高通濾波器傳遞函數(shù)，HLP(s)為描述高頻段頻率特性的單位增益二階低通濾波器傳遞函數(shù)。

式（2）表明，閉環(huán)反饋后，自振周期T由反饋電路參數(shù)決定，與機(jī)械擺的參數(shù)無(wú)關(guān)，只與反饋電路中的電阻和電容有關(guān)。合理選擇反饋電路中的電子元器件參數(shù)值，就可以確定地震儀的低頻截至頻率及地震儀的靈敏度。

基于模擬技術(shù)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)地震儀一經(jīng)研制，參數(shù)很難調(diào)整。引入數(shù)字反饋技術(shù)，這些參數(shù)可以通過(guò)CPU編程而改變，靈活配置地震儀的傳遞函數(shù)，改變周期和阻尼等。圖8為本項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作的井下甚寬頻帶地震儀反饋調(diào)理電路印制板（包括電容、電阻和積分器等）及電源、主控CPU、信號(hào)振動(dòng)電路與弱信號(hào)拾取電路等。

圖8 井下地震儀反饋調(diào)理電路印制電路板（PCB） Fig. 8 The printed circuit board （PCB） of feedback modulation circuit of downhole seimograph

3 井下定位定向系統(tǒng)

井下定位定向系統(tǒng)由井下部分、傳輸部分和地表部分組成。井下部分的姿態(tài)儀（羅盤(pán)、陀螺儀等）和井壁鎖內(nèi)置在密封腔體內(nèi)，地表部分由ITU、井壁鎖控制器和相應(yīng)的軟件組成（圖9）。

圖9 井下定位定向系統(tǒng)示意圖Fig. 9 Illustration graph of downhole positioning and orientation system

3.1 姿態(tài)儀

早期的井底定向采用井底安裝好一個(gè)基座，通過(guò)井下陀螺儀等方式對(duì)好基座的方位，然后將地震儀安裝在此基座上。雖然此種定向方式存在讀數(shù)誤差和測(cè)量的不方便性，但對(duì)于0—300 m以內(nèi)的觀測(cè)井，也不失為一種可行的定向方案。對(duì)于300 m以上的觀測(cè)井，目前采用集成在井下地震儀密封腔體中的電子羅盤(pán)進(jìn)行定向（圖10），定向誤差小于5°。

圖10 電子羅盤(pán)定向原理框圖Fig. 10 Block graph of the principle of electronic compass orientation

本項(xiàng)目研制的井下光纖陀螺尋北儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示。光纖陀螺儀及其控制組件將安裝在地震儀的底部，安裝尺寸不大于Ф80 mm圓柱，平臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸為圓柱體的軸心，光纖陀螺儀通過(guò)連接柱與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)連接。

真北角度的計(jì)算由總控模塊（圖11右）完成?？偪啬K與光纖模塊（圖12）的通訊可采用單向通訊，即光纖模塊連續(xù)采集當(dāng)前位置的光纖測(cè)量相位差值，并連續(xù)輸出給總控模塊。在總控模塊中，根據(jù)當(dāng)前安裝位置的經(jīng)緯度、轉(zhuǎn)盤(pán)的傾角、當(dāng)前轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)位置、加速度測(cè)量值等參數(shù)，完成真北角的綜合計(jì)算，并將結(jié)果輸送至地表。

圖11 井下光纖陀螺尋北儀結(jié)構(gòu)與總控模塊圖Fig. 11 Components structure graph and illustration graph of general control module of downhole Fiber Optical Gyroscope （FOG）north finder

圖12 井下光纖尋北儀通訊流程圖Fig. 12 Flow chart of communication for downhole Fiber Optical Gyroscope （FOG） north finder

經(jīng)中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室（第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)）對(duì)光纖陀螺儀進(jìn)行測(cè)試，井底定向精度優(yōu)于2°。性能指標(biāo)達(dá)到了考核要求。

3.2 井壁鎖

3.2.1 電路設(shè)計(jì)

3.2.1.1 使用減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的要求，減速電機(jī)的扭力要在2 N·m以上，而且要求超過(guò)電機(jī)最大力矩，電機(jī)必須堵轉(zhuǎn)，且減速箱不會(huì)損壞。因此，選擇了JGB37-520減速馬達(dá)，供電24 V，轉(zhuǎn)速12 rpm，最大力矩3.92 N·m。

3.2.1.2 自行搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流高達(dá)0.4 A，因此，選用TI公司的全橋式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最大5 A峰值，3.5 A RMS。這樣足夠的余量，保證驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作及后期的改進(jìn)空間。圖14為井鎖電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖。

圖14 井鎖電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖Fig. 14 Design of motor drive circuit for borehole locker

3.2.1.3 具有到位檢查功能

通過(guò)電位器耦合的方式，直接反應(yīng)井鎖的絕對(duì)位置狀態(tài)，以此來(lái)判斷井鎖是否已經(jīng)到位。加入簡(jiǎn)單的邏輯電路，轉(zhuǎn)化為二值信號(hào)，直接控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)（圖15）。

圖15 井鎖檢測(cè)到位電路設(shè)計(jì)圖Fig. 15 Design of position detecting circuit for borehole locker

3.2.1.4 具有到位指示功能

由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的IN1與IN2狀態(tài)，判斷電機(jī)是否在工作。電機(jī)工作時(shí)，會(huì)接通繼電器U6，使得控制盒上的電機(jī)指示燈接通點(diǎn)亮，指示電機(jī)正在工作（圖16）。

圖16 井鎖到位指示燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖Fig. 16 Design of drive circuit for position indicator of borehole locker

3.2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

3.2.2.1 采用動(dòng)密封結(jié)構(gòu)

為了方便現(xiàn)場(chǎng)操作和設(shè)備動(dòng)行的可靠性，對(duì)井鎖的旋轉(zhuǎn)控制部分采用密封罐和旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)密封的方式進(jìn)行密封處理。既簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)也方便了機(jī)械組裝，同時(shí)提高了密封性（圖17）。

圖17 井壁鎖機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig. 17 Machinery structure of borehole locker

3.2.2.2 采用不銹鋼絲桿和軸承

考慮到井鎖是長(zhǎng)期浸泡在水中，設(shè)計(jì)時(shí)采用了不銹鋼的絲桿和軸承，提高了轉(zhuǎn)動(dòng)部件的抗腐蝕性。在絲桿的底部加裝了一個(gè)不銹鋼平面軸承，使絲桿的旋轉(zhuǎn)更順滑。