用于石油地震勘探的高精度检波器弹性系统.pdf

石油仪器 P E T R oL E U M I N S T RU ME N I S 2 0 1 2年 1 0月 开发设计 用于石油地震勘探的高精度检波器弹性系统 常 珍 1 ． 大庆八百垧钻井工程技术研究院大庆 2 王 斌 克拉玛依市金牛工程建设有限责任公司新疆 摘 要论述 了一种新型适合高分辨率地震勘探 的高灵敏度、低失真度的高精度地震检波器，主要对这种检波 器弹性系 统进行 了研 究，包括 弹性 系统 的动 力 学特征 和 阻尼特 性 ，对 所设 计的弹 簧 片进 行 了疲劳 强度 校 核 。实验 表 明 所 设计 的 弹 性 系统对加速度的变化有 良好线性响应 ，其工作频率为 1 0 Hz ，基于此弹性 系统的检波 器特性参数为频率厂 1 0 Hz i 2 ． 5 ％， 灵敏度S 2 8 0 mV ／ c m 2 ． 5 ％，阻尼b 0 ． 7 ，失真度d0 ；∞为弹簧震动角频率 。由于8 值很 小 ， 近似计算时 ， 傅里叶级数展开只取 s i n n c o t ， 故有 F一 s x s i n n c o t F a F b 2 式中， 为弹簧所受的线性力， k x ；F b 为弹 簧所 受的非线性力 ，F b s x s i n n c o t 。 。 弹簧力与位移关系曲线如图 3所示 ，其中F为弹 性恢复力 ； X 为弹簧外圈的位移 ； 口 为线性力的最小位 移 ；0 为弹簧 内、外圈处于同一平面时的位移 ；6 为线 性力的最大位移 。 图3 弹簧力一 位移关系曲线 在口 ～6 范 围内，F 与X 成正比。实验证明，当 1 s 2 ，且臂的最小宽度b 2 mm，能较好地 降低非线 性力的影响。 所设计的弹簧片其结构如图 4所示 。 根据本次设 计的具体需要，设计弹簧片的厚度为 2 mm，外圈直 径为 6 0 mm，内圈直径为 1 4 mm。另外，根据专利可 知制作弹簧片的材料为铍青铜 QB e 。经查阅 机械设 计手册 I6 ] ，得到铍青铜材料的杨 氏模量及泊松比见 表 1 。 表 1 铍青铜的弹性模量及泊松比 ◎ 图 4 复合臂弹簧片结构示意图 2 ． 2 弹簧片与线架构成的弹性系统的机械阻抗 线架作 为该系统的质量块， 不但具有质量块本身 的机械阻抗 ， 而且由于线圈架为一铝质线架 ， 在磁间 隙中其作 用就好像是一单匝短路线圈，切割磁 力线 ， 产生反电动势从而形成电阻尼l 7 ] ， 在磁环式检波器 中， 以这种方式获得的阻尼量为临界值的 0 - 3倍左右 ，即 为检波器 的开路阻尼 ， 综合弹簧片线架的阻尼组成情 况情况 。 该悬挂系统为较为典型的弹簧 ， 质量和阻尼 器构成的并联系统 ，由机械阻抗定义，可得弹簧片本 身的机械阻抗 Z k Zk一 一鲁一 击一 一 一 百一 一 一 J 由式 3 分析 弹簧片的机械阻抗除与作用于 其上的力有关外 ， 还与其本身的刚度有关，从机械阻 抗的绝对值分析 ，其值大小与刚度k 值成正比【 1 ，而k 一 ，其 中 一 1 - - b h ， 式 中 6 为 弹 簧 片 悬 臂 宽 度 ， h 为弹簧片悬臂厚度， ， 是弹簧悬臂长度， E 为弹性模量 ， 为截面极惯性矩。 故 3 E b h 3 4 【 斗 J 对于磁环式检波器的弹簧片而言 ， 它属于低频薄 片 ，从式 4 可以看出，只有综合考虑弹簧片的b ， h ，， 三个参数，才能达到较佳的值，从而满足检波器 对弹簧片机械阻抗的要求。 机械阻抗为一复数 ，其绝对值和相位角分别为 Ig √ c 2 一 去 √ “ 2 咖一 5 6 石油仪器 P E T R oL E U M I NS T R U ME N I S 2 0 1 2年 1 0月 g 一 k ㈤ 式中，c 为阻尼系数 ；∞为检波器振动角频率 ； f 为检波器振动频率 ；m为弹簧片质量。 由式 5 式 6 结合检波器分析 当激振力为 低频谐振 力时，也就是说地震信号为低频信号时，检 波器的机械阻抗为弹簧片的阻抗 ， 随着信号频率的逐 渐增加 ， 弹簧片的影响递减，而当频率等于共振频率 时，检波器机械阻抗等于阻尼器阻抗，此时整个机械 阻抗其值最4 , E 、 。 2 ． 3 弹簧片强度校核 弹簧片在检波器中的受力情况是复杂的， 但最主 要还是受线架重力的作用， 其受力可看成是一端 固定 的梁 ，如图 5 所示。 图5 弹簧片臂受力示意图 以一臂的受力分析则固定端的最大正应力 言 ax a x 一 ■一 式中 ， 为抗弯截面系数 ； 为截面最大弯矩 b h 3 去 旱 一 2 Mma xF X， mg ， 吉 f ax一 1 x 5x 9 ． 8 x 1 0 3 x 1 0 x 1 0 3 0 ． 3 x 1 0 3 X f 0 ． 0 7 x 1 0 3 2 3 ． 3 3 1 08 n ／ m 3 3 3 M Pa 其最大切应力为 3 F a x 一 丽 3 5 9 ． 8l 0 一 面 3． 5 X 1 0 6 n ／ m23 ．5 M Pa 式中，F 为弹簧片所 受的力；6 为弹 簧片悬臂宽 度 ； 为弹簧片悬臂厚度；f 为弹簧片悬臂长度。 所选弹簧片材料为 QB e 1 ． 9铍青铜 ] ，经过热处 理变形后 ， 弹簧在其变形范围内工作 ，其弹簧工作 阶 段为弹性阶段 。 在此阶段为线性变化区， 材料保持弹 性变形的极限应力为 。由资料可知 O -e 9 3 1 MP a ， 材料的安全系数取值为 2 ． 0 ，则其许用应力 粤 4 6 5 ． 5 M P a 考虑到弹簧片在野外施工的恶劣状况造成的弹簧 片受力较多， 应力状态较为复杂，故最大主应力按第 四强度理论计算 √ 3 a x 一 ／ 3 3 3 2 3 x 3 ． 5 3 3 3 ． 0 5 MP a 满足 故 弹簧片的设计是满足强度要求的。 3 检波器特性 基于以上弹性系统设计与分析 ， 设计 了高精度检 波器 ， 并对其特性进行了分析 ，图 6为理论计算出的 磁环检波器的幅频特性曲线 。 图6 检波器的幅频特性曲线 可以看出磁环检波器幅频特性曲线在 f 1 2 Hz 以后较好地展平了频带 ， 对信号的响应频带较宽。由 此可以得出，适当的阻尼选择，能使检波器的幅频特 性在 固有频率点后很快趋于平坦 。 4 结论 弹性悬挂系统为磁环检波器的敏感器件 ， 敏感器 件对激励的响应好坏直接影响传感器本身的性能。 本 文对磁环检波器 的弹簧片， 首先分析它在检波器中的 受力情况 ， 建立弹簧片的受力方程 ，计算出弹簧片在 理想状态下的变形量。由于机械结构的原因，其变形 量还受其他各部件以及装配 的影响，通过反复 的实 验 ，确定出综合影响系数 ，再用有限元的分析方法 ， 对设计出的弹簧片进行模拟计算 ， 这样设计出的弹簧 片达到了设计指标。同时，检波器野外使用条件极其 恶劣 ， 对弹簧片的使用寿命要求较高，通过对弹簧片 疲劳强度的理论校核和野外的实验考核 ， 验证了所设 计的弹簧片完全满足设计要求。 下转 第 9页 巫 2 0 I 2年 第 2 6卷 第 5期 曾祥斌等 井架起放记录仪的研制 操作系统具有小巧、性能稳定 、开源等众多优点。后 台计算机采用 Wi n d o wX P 系统作 为开发平台 ，使用 V B语言进行软件开发。 A R M 单片机软件设计 该软件实现前端仪表控 制箱的全部功能 该软件采用模块化设计 ，将前端处 理电路处理后的信号进行采样 后通过刻度的工程量 来进行计算得出准确 的悬重参数 。 同时将参数用液晶 显示出来并和时间一起存储到电子盘中。 如监测到 U 盘或后台计算机连接上时， 将存储 的数据拷贝到 U盘 或后台计算机 。其结构图如图 5所示 。 图 5 软件结构图 按键处理 该任务的主要功能是实时扫描键盘 。 当扫描有效按键时立马对其进行响应。 其 目的是输人 仪表所需的刻度参数和时间， 便于软件计算悬重工程 量和存储文件所需时间参数。 数据采集 该任务的主要功能是采集前端处理后 的信号 。 先读出 A ／ D转换器转换的电压量 。 然后用刻 度的工程量进行计算得出所需的悬重参数 。 其计算公 式如下 I f xi ≤X≤X i 1 Y i 1 二 -- Y i X--X i i 式中， 为采样电阻采集到的电压值 ； X i 为多点刻 度的电压值 ； Y 为钻井参数当前值 ； Y i 为多点刻度的钻 井参数工程量。 显示存储 该任务的主要功能是将软件计算出来 上接 第 6页 参 考 文 献 、 0 ≯ ≯ ； [ 1 】唐东，林梁政，陈浩． 用于地震勘探的新型高精度地 震检波器研究 [ J ] ．振动与冲击，2 0 0 8 ，2 7 2 [ 2 】汉泽西，李彪，邵媛． 郭正虹地震检波器发展初探 [ J ] _ 石油仪器，2 0 0 6 ，2 0 6 [ 3 ]刘仲一地 震勘探仪器原理[ M] ． 北京 石油工业出版社， 1 9 8 6 [ 4 】胡时岳． 涡流检波器特性测量与参数识别 [ J ] ．应用力学学 报 ，1 9 9 1 ，8 4 [ 5 】【 美】M． B多布林． 地球物理勘探概论 [ M】 ． 北京石油工 业 出版社， 1 9 8 3 的悬重工程量用段式液晶显示模块显示出来。 同时如 果悬重工程量超过设定值时 ， 将悬重工程量和当前时 间写入电子盘中存储起来 。 并且检测其电子盘可用空 间。如可用空间不够的话 ，将删除时间最前的数据 。 以保证数据能实时滚动存储。 通讯处理 该任务的实时扫描 US B通讯 口或无 线通讯接 口。 一但发现连接上 U盘或后台计算机 ， 立 即将电子盘中的数据文件拷贝到后台计算机或U盘中。 后台计算机软件 要功能是对拷 贝到 U盘中的数 据或接收到的数据进行曲线显示和回放， 并可以打印 出来。同时也能对数据备份存储。施工作业人员可对 数据进行分析，以减少安全事故的发生 。 本软件采用 Wi n d o ws X P系统和 VB 6 ． 0语言进行编写 。 4 结束语 该仪表是以 AR M 单片机 为核心的小型数据采集 系统 。系统 由毫伏级压力变送器、采集与显示系统、 US B通讯系统等组成， 并对危险区域进行了苯安防爆 处理。软件采用多线程技术 ， 可高效地对数据进行处 理 。全套仪表具有较 高技术水平和较好的二次扩展 性 ，并在拥有 良好的安全性和可靠性 。 参 考 文 献 【 1 ]康华光． 电子技术基础模拟部分 [ M] ． 北京高等教育出版 社，2 0 0 2 [ 2 ]谢佳奎．电子线路非线性部分 【 M】 ．北京高等教育出版 社，2 0 0 1 [ 3 ]澎介华． 电子技术课程设计指导 [ M】 ． 北京高等教育出版 社，2 0 0 1 [ 4 ]周立功． 深入潜出 A R M7 一 L P C 2 3 0 0[ M】 ．广州广州致远 电子有限公司，2 0 0 8 [ 5 ]陈汝权，林水生，夏利． 微机与单片机控制技术 [ M] ． 成 都电子科技大学出版社，1 9 9 9 收稿日期 2 0 1 2 - 0 4 0 2 编辑高红霞 ≯＼ ≯ ≯ [ 6 ]6 机械工程手册 [ M】 ． 北京机械工业出版社，1 9 8 3 [ 7 】H I G H R E S O L U T I O N G E O P H ON E U． S P a t e n t No v ． 2 1 ， 1 99 5 s he e t 3 o f6 5， 46 9， 408 【 8 】纪维常．材料力学 [ M] ． 长春吉林大学出版社，1 9 9 0 [ 9 ]9 董生智． 永磁体空间磁场分布系统． 钢铁研究总院功能材料 所． 2 0 0 0 资料 [ 1 0 ]田荣璋，王祝堂． 铜合金及其加工手册 [ M] ． 长沙中南 大学出版社，2 0 0 2 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 1 4 编辑 高红霞