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【摘要】地震勘探技术是石油领域中的一项重要技术，对于探测石油的储量具有非常重要的作用。可以这样说，地震勘探技术的发展，关乎整个石油行业的发展，地震勘探技术为石油行业提供有力的技术支持，保证了探测石油储量成为现实。伴随着地震勘探的发展，特别是微电子技术和计算机技术的飞速发展，检波器的发展也达到了一定的高度，MEMS三分量数字检波器更是引起了大家的高度关注，本文将较为全面地介绍检波器的发展历史以及不同检波器的特点，以便大家对检波器有更进一步的认识。
【关键词】检波器 发展 MEMS三分量
地震勘探技术在实际的石油勘探中应用的十分广泛，是目前石油勘探的主要技术之一，在许多的石油勘探中都有应用。勘探技术的发展也推动了检波器技术的发展，检波器从最初的灵敏度低、频带窄发成现在动态范围更大、频带更宽、失真度更低、适合高分辨率勘探的高精度地震检波器。一般认为国内外地震检波器的发展已经经历了四个阶段：
第一阶段为70年代以前：该阶段地震仪器使用模拟纪录，道数少（20-50道）。地震检波器特点是频带窄（14-60Hz）、低灵敏度（3-5v/m/s）、动态范围小（30dB）、型号单一。
第二阶段为80年代中期：地震仪器实现了数字化，计算机数据处理技术也相继发展，更重要的是三维地震勘探、高分辨率地震勘探的出现，地震勘探领域扩大到山地、戈壁、沙漠、滩海及海上，地震检波器在性能及型号上发生了较大的变化。一大批高性能技术指标的检波器相继出现，检波器的灵敏度、自然频率、失真系数、假频等技术指标都得到较大改进，更加适用于地震勘探的需求。
第三阶段为90年代：国内部分检波器生产厂家，引进了国外的检波器生产线，经过消化吸收，其检波器技术水平达到了国际发达国家水平。随着高精度地震勘探的推广，检波器向三高（高保真、高灵敏度、高分辨）方向发展，检波器的型号和品种也越来越多，例如：不同型号超级检波器、涡流检波器、高性能压电检波器等。
第四阶段：21世纪始：随着传感器技术、电子技术、计算机技术、数据传输技术等技术的发展。现在高分辨地震数据采集，要求采集的地震数据达到高精确度、高信噪比、高矢量保真度，因此这个阶段相继出现了精度更高的检波器。新型检波器发展的特点主要表现在：
（1）采用新的检测原理。光纤传感技术、微电子机械传感技术、高性能压电材料、电容传感器等一批高新技术进入地震勘探检波器领域；
（2）检波器内全面实现数字化，减少了信号的模拟传输部分；
（3）检波器的动态范围、灵敏度、失真等技术指标大幅度提高，抗电磁干扰能力大幅度增强
1 传统的地震检波器按工作原理分为：动圈式、压电式和涡流式检波器
1.1 动圈式检波器
动圈式检波器是目前地震中最常用的检波器，它是基于电磁感应原理。利用上、下两个线圈绕制在铝制线圈架上，组成一个惯性体，由弹簧片悬挂在永久磁铁产生的磁场中，永久磁铁与检波器外壳固定在一起。当检波器外壳随地面震动时，引起线圈相对于永久磁铁运动，两线圈产生感应电动势，随着检波器外壳振动的大小变化，感应电动势也随之变化，速度越大，感应电势也大，检波器震动时，在检波器的输出端输出相应的电信号，传输给地震仪器。为了提高检波器的机电转换效率，使磁钢的两个磁极都起作用，即在两极磁场中都有线圈在工作，并使两个线圈产生的感应电动势相加，提高检波器的灵敏度。为了实现这一目的，在绕制线圈时，一个线圈正绕另一线圈反绕，并把上线圈的终端与下线圈的起端联在一起（反向连接），把上下线圈的另外两个端头做为输出端。当线圈相对磁钢运动时，由于两线圈的磁场方向相反，所以连接的两线圈的感应电势是同向相加的。对于外界磁场干扰，反向连接的两线圈的感应电势是反向抵消的，这样就提高了抗干扰能力（如图1）。
1.2 压电检波器
由于新型压电材料的进步，基于压电原理的检波器也日益受到地震仪器专业人员的重视。压电检波器的原理是利用某些强电介质晶体受外力作用后，其分子内部产生极化现象导致正负电荷分离，使其两个表面上产生符号相反的电荷，即产生了电动势，它是一种自发电式传感器，由于电荷电量没有驱动能力，一般需要与其配套的检测放大电路。该电路主要有二个主要作用：一是放大压电元件的微弱信号；二是阻抗变换，把高输入阻抗变为与地震仪器配套的低输入阻抗。通常由电压放大器和电荷放大器二种形式。陆用压电检波器具有高灵敏度、宽频带、大动态范围、谐波失真小和相位一致性好的优良性能。但是，由于陆用压电检波器是一种有源检波器，也就是使用时必须每个检波器需要供电电源，不利于施工，且采集的地震信号多集中在100Hz左右，所以在低频段，非常容易造成信号的失真。
1.3 涡流式检波器
涡流检波器也是应用电磁感应原理制成的。把一块金属导体放在磁场中，使其在固定磁场中运动时，在金属导体中会感应出相互闭合的电流，称为涡流。非磁性的导体在永久磁场中运动会产生涡流，利用这一原理制成的地震检波器，称为涡流检波器。涡流检波器是将一个非磁场性的铜质圆筒作为惯性体，圆筒通过弹簧片与外壳连接，然后使其处于磁钢、极靴、线圈及外壳构成的磁通回路的间隙中。线圈固定在外壳上，并与接线柱连接。当外壳运动时，铜圆筒对外壳及磁钢作相对运动而切割磁力线，在圆筒导体中将产生感应电动势。由于内部结构与普通电动式检波器不同，感应电势的幅值与圆筒、磁钢和外壳的相对运动速度成正比，所以它是一种加速度型检波器。由于加速度检波器的输出信号与振动激励信号的加速度成正比，因而具有随着振动频率的升高，检波器的输出也随着增高的特点。涡流检波器有利于压制面波，其电压输出灵敏度是随着激振频率的增高而线性增加的。频率响应曲线在自然频率处形成拐点。在拐点左边以18dB/ oct的陡度下降，对低频干扰的抑制能力比常规的动圈式检波器要强50%，有利于压制面波。有利于高频信号。在拐点左边以6 dB/oct的陡度上升，高频信号的电压灵敏度，随着激振频率的升高呈线性上升特性，这一优点对大地衰减吸收的地震波高频信号是一个很重要的补偿，有利于高频信号。 2 MEMS数字检波器
随着数字信息技术的发展，所有的仪器、传感器由模拟化向数字化过渡。由于数字检波器有模拟检波器无以伦比显著的优点，地震检波器经历了长时间的模拟时代后，开始向数字检波器发展，国外较先进的地震勘探仪器可以兼容数字检波器也推动了数字检波器的发展。法国SERCEL公司生产的DSU3数字检波器已经在大范围的推广应用。美国I/O公司生产的VECTORSEIS数字检波器也开始应用。据有关信息，虽着石油资源的需求量日益紧张，油气勘探难度和力度也在加大。各国都在为大规模提高石油勘探装备水平做准备。几个地震仪器制造公司都在垄断其现有特色技术。不远的将来，传统的地震仪器将逐渐退出地震勘探市场，在国外的勘探市场上，国外数字检波器的实验阶段已经结束，正在逐渐大规模的推广应用，数字检波器将在未来世界石油勘探中起重要作用。目前，国内数字检波器的应用还限制在很小的范围之内，物探局、胜利油田等较大的物探公司相继从国外引进数字检波器，特别是胜利油田已经用数字检波器完成了几个采集项目，采集资料主频高、频带宽，所获得的单炮记录中高频成分的能量明显增强，各种性能均优于模拟检波器，更适合高分辨率地震数据采集。但在国内对数字检波器的开发研究刚刚起步，技术水平落后于国外水平，现在还处于实验开发阶段，大家都看好了石油资源勘探这个市场，很多科学研究机构包括一些石油公司参与到了数字检波器的研究领域，据有关资料报道，在国内北京大学的青鸟微电子研究所自2008年开始研发MEMS加速度传感器，正在做数字检波器的转换工作。中科院上海微系统所研制出了石油勘探MEMS加速度传感器，目前进行了野外试验。南京地球物理勘探研究所对数字检波器的研究较早，也开始了数字检波器的实验工作。另外，石油大学有关研究人员也在两年前开始了数字检波器的研究，威海双丰电子有限公司、中石油下属的石油仪器厂，也把数字检波器列为其主导研发产品。胜利物探公司也开展了数字检波器的研究工作。种种迹象表明，数字检波器的发展在地震勘探领域将是一个必然的趋势。
三分量数字检波器的主要性能指标：
（1）数字检波器内部经过MEMS传感器和ADC电路，直接输出24位数字信号；
（2）动态范围可达到120dB，比传统检波器的动态范围至少高出50dB-60dB；
（3）谐波畸变指标小于0.003%，比传统检波器的谐波畸变至少低一个数量级；
（4）数字检波器输出的幅频特性十分平坦，在1Hz-800 Hz范围内，始终保持平直，而输出相位为零相位；
（5）超低噪音特性、极高的向量保真度、不受外界电磁信号干扰的影响，如天电、工业高压线或地下电缆等干扰。
参考文献
[1] 付清锋，周明.地震检波器的进展[J].石油仪器，2000，14（2）
[2] 宋玉龙，压电加速度地震检波器及其频率响应特性分析[J].石油仪器，2004，18（4）
[3] 428 training course，Sercel，2010
[4] 张威，张大成，万阳元.MEMS概况及其发展趋势[J].微纳电子技术，2002，1
【关键词】检波器 发展 MEMS三分量
地震勘探技术在实际的石油勘探中应用的十分广泛，是目前石油勘探的主要技术之一，在许多的石油勘探中都有应用。勘探技术的发展也推动了检波器技术的发展，检波器从最初的灵敏度低、频带窄发成现在动态范围更大、频带更宽、失真度更低、适合高分辨率勘探的高精度地震检波器。一般认为国内外地震检波器的发展已经经历了四个阶段：
第一阶段为70年代以前：该阶段地震仪器使用模拟纪录，道数少（20-50道）。地震检波器特点是频带窄（14-60Hz）、低灵敏度（3-5v/m/s）、动态范围小（30dB）、型号单一。
第二阶段为80年代中期：地震仪器实现了数字化，计算机数据处理技术也相继发展，更重要的是三维地震勘探、高分辨率地震勘探的出现，地震勘探领域扩大到山地、戈壁、沙漠、滩海及海上，地震检波器在性能及型号上发生了较大的变化。一大批高性能技术指标的检波器相继出现，检波器的灵敏度、自然频率、失真系数、假频等技术指标都得到较大改进，更加适用于地震勘探的需求。
第三阶段为90年代：国内部分检波器生产厂家，引进了国外的检波器生产线，经过消化吸收，其检波器技术水平达到了国际发达国家水平。随着高精度地震勘探的推广，检波器向三高（高保真、高灵敏度、高分辨）方向发展，检波器的型号和品种也越来越多，例如：不同型号超级检波器、涡流检波器、高性能压电检波器等。
第四阶段：21世纪始：随着传感器技术、电子技术、计算机技术、数据传输技术等技术的发展。现在高分辨地震数据采集，要求采集的地震数据达到高精确度、高信噪比、高矢量保真度，因此这个阶段相继出现了精度更高的检波器。新型检波器发展的特点主要表现在：
（1）采用新的检测原理。光纤传感技术、微电子机械传感技术、高性能压电材料、电容传感器等一批高新技术进入地震勘探检波器领域；
（2）检波器内全面实现数字化，减少了信号的模拟传输部分；
（3）检波器的动态范围、灵敏度、失真等技术指标大幅度提高，抗电磁干扰能力大幅度增强
1 传统的地震检波器按工作原理分为：动圈式、压电式和涡流式检波器
1.1 动圈式检波器
动圈式检波器是目前地震中最常用的检波器，它是基于电磁感应原理。利用上、下两个线圈绕制在铝制线圈架上，组成一个惯性体，由弹簧片悬挂在永久磁铁产生的磁场中，永久磁铁与检波器外壳固定在一起。当检波器外壳随地面震动时，引起线圈相对于永久磁铁运动，两线圈产生感应电动势，随着检波器外壳振动的大小变化，感应电动势也随之变化，速度越大，感应电势也大，检波器震动时，在检波器的输出端输出相应的电信号，传输给地震仪器。为了提高检波器的机电转换效率，使磁钢的两个磁极都起作用，即在两极磁场中都有线圈在工作，并使两个线圈产生的感应电动势相加，提高检波器的灵敏度。为了实现这一目的，在绕制线圈时，一个线圈正绕另一线圈反绕，并把上线圈的终端与下线圈的起端联在一起（反向连接），把上下线圈的另外两个端头做为输出端。当线圈相对磁钢运动时，由于两线圈的磁场方向相反，所以连接的两线圈的感应电势是同向相加的。对于外界磁场干扰，反向连接的两线圈的感应电势是反向抵消的，这样就提高了抗干扰能力（如图1）。
1.2 压电检波器
由于新型压电材料的进步，基于压电原理的检波器也日益受到地震仪器专业人员的重视。压电检波器的原理是利用某些强电介质晶体受外力作用后，其分子内部产生极化现象导致正负电荷分离，使其两个表面上产生符号相反的电荷，即产生了电动势，它是一种自发电式传感器，由于电荷电量没有驱动能力，一般需要与其配套的检测放大电路。该电路主要有二个主要作用：一是放大压电元件的微弱信号；二是阻抗变换，把高输入阻抗变为与地震仪器配套的低输入阻抗。通常由电压放大器和电荷放大器二种形式。陆用压电检波器具有高灵敏度、宽频带、大动态范围、谐波失真小和相位一致性好的优良性能。但是，由于陆用压电检波器是一种有源检波器，也就是使用时必须每个检波器需要供电电源，不利于施工，且采集的地震信号多集中在100Hz左右，所以在低频段，非常容易造成信号的失真。
1.3 涡流式检波器
涡流检波器也是应用电磁感应原理制成的。把一块金属导体放在磁场中，使其在固定磁场中运动时，在金属导体中会感应出相互闭合的电流，称为涡流。非磁性的导体在永久磁场中运动会产生涡流，利用这一原理制成的地震检波器，称为涡流检波器。涡流检波器是将一个非磁场性的铜质圆筒作为惯性体，圆筒通过弹簧片与外壳连接，然后使其处于磁钢、极靴、线圈及外壳构成的磁通回路的间隙中。线圈固定在外壳上，并与接线柱连接。当外壳运动时，铜圆筒对外壳及磁钢作相对运动而切割磁力线，在圆筒导体中将产生感应电动势。由于内部结构与普通电动式检波器不同，感应电势的幅值与圆筒、磁钢和外壳的相对运动速度成正比，所以它是一种加速度型检波器。由于加速度检波器的输出信号与振动激励信号的加速度成正比，因而具有随着振动频率的升高，检波器的输出也随着增高的特点。涡流检波器有利于压制面波，其电压输出灵敏度是随着激振频率的增高而线性增加的。频率响应曲线在自然频率处形成拐点。在拐点左边以18dB/ oct的陡度下降，对低频干扰的抑制能力比常规的动圈式检波器要强50%，有利于压制面波。有利于高频信号。在拐点左边以6 dB/oct的陡度上升，高频信号的电压灵敏度，随着激振频率的升高呈线性上升特性，这一优点对大地衰减吸收的地震波高频信号是一个很重要的补偿，有利于高频信号。 2 MEMS数字检波器
随着数字信息技术的发展，所有的仪器、传感器由模拟化向数字化过渡。由于数字检波器有模拟检波器无以伦比显著的优点，地震检波器经历了长时间的模拟时代后，开始向数字检波器发展，国外较先进的地震勘探仪器可以兼容数字检波器也推动了数字检波器的发展。法国SERCEL公司生产的DSU3数字检波器已经在大范围的推广应用。美国I/O公司生产的VECTORSEIS数字检波器也开始应用。据有关信息，虽着石油资源的需求量日益紧张，油气勘探难度和力度也在加大。各国都在为大规模提高石油勘探装备水平做准备。几个地震仪器制造公司都在垄断其现有特色技术。不远的将来，传统的地震仪器将逐渐退出地震勘探市场，在国外的勘探市场上，国外数字检波器的实验阶段已经结束，正在逐渐大规模的推广应用，数字检波器将在未来世界石油勘探中起重要作用。目前，国内数字检波器的应用还限制在很小的范围之内，物探局、胜利油田等较大的物探公司相继从国外引进数字检波器，特别是胜利油田已经用数字检波器完成了几个采集项目，采集资料主频高、频带宽，所获得的单炮记录中高频成分的能量明显增强，各种性能均优于模拟检波器，更适合高分辨率地震数据采集。但在国内对数字检波器的开发研究刚刚起步，技术水平落后于国外水平，现在还处于实验开发阶段，大家都看好了石油资源勘探这个市场，很多科学研究机构包括一些石油公司参与到了数字检波器的研究领域，据有关资料报道，在国内北京大学的青鸟微电子研究所自2008年开始研发MEMS加速度传感器，正在做数字检波器的转换工作。中科院上海微系统所研制出了石油勘探MEMS加速度传感器，目前进行了野外试验。南京地球物理勘探研究所对数字检波器的研究较早，也开始了数字检波器的实验工作。另外，石油大学有关研究人员也在两年前开始了数字检波器的研究，威海双丰电子有限公司、中石油下属的石油仪器厂，也把数字检波器列为其主导研发产品。胜利物探公司也开展了数字检波器的研究工作。种种迹象表明，数字检波器的发展在地震勘探领域将是一个必然的趋势。
三分量数字检波器的主要性能指标：
（1）数字检波器内部经过MEMS传感器和ADC电路，直接输出24位数字信号；
（2）动态范围可达到120dB，比传统检波器的动态范围至少高出50dB-60dB；
（3）谐波畸变指标小于0.003%，比传统检波器的谐波畸变至少低一个数量级；
（4）数字检波器输出的幅频特性十分平坦，在1Hz-800 Hz范围内，始终保持平直，而输出相位为零相位；
（5）超低噪音特性、极高的向量保真度、不受外界电磁信号干扰的影响，如天电、工业高压线或地下电缆等干扰。
参考文献
[1] 付清锋，周明.地震检波器的进展[J].石油仪器，2000，14（2）
[2] 宋玉龙，压电加速度地震检波器及其频率响应特性分析[J].石油仪器，2004，18（4）
[3] 428 training course，Sercel，2010
[4] 张威，张大成，万阳元.MEMS概况及其发展趋势[J].微纳电子技术，2002，1