第1篇-3--工程勘探仪器设备简介课件.ppt

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1、安徽建筑工业学院岩土工程系3 工程地震勘探仪器设备简介3.1.1 功能原理 地 震 仪 是 将 埋 置 于 介 质 表 面 的 检 波 器 所 接 收 到的 地 震 波 信 号 进 行 放 大、显 示 并 记 录 下 来 的 专 门 仪 器，一 般 皆 具 有 滤 波、放 大、模 数 转 换 以 及 数 字 记 录 的 微机处理等功能。其功能原理见图1.3.1。3.1 工程地震仪简介图1.3.1 数字地震仪的功能原理图3.1.2 常用仪器及性能指标 常 用 于 浅 层 及 中 浅 层 地 震 勘 探 和 工 程 检 测 的 仪 器 性 能 指 标见表1.3.1。目前对地震仪的要求主要有下述几点

2、：（1）可选择、可扩展的仪器道数和激发方式；（2）较宽的通频带以及灵活多样的滤波方式；（3）采用瞬时浮点增益放大器的主放，前置放大倍数可选；（4）较 大 的 动 态 范 围，A/D 转 换 器 最 好 在12位 以 上，并 具 有 信 号增强功能；（5）范围较广的采样率，即从s 级 ms 级；（6）灵活多样的存储、记录和显示方式；（7）带微机或微处理器及实时处理系统；（8）具有一机多用的功能。安徽建筑工业学院岩土工程系表1.3.1 常用工程地震仪的技术指标 增益：即以分贝数表示的输出信号和输入信号的振幅之比。其表达式为:K(dB)20lg(A2/A1）（1.3.1）式中：A2为输出信号的振幅；

3、A2为输人信号的振幅。在主放中主要有两种增益形式，其一为固定增益，其增益值不能随信号的强弱自动跟踪变化，只能手动预置；其二为瞬时自动增益，它克服了固定增益的弱点，对强弱信号自动给予最佳的增益进行放大。A D 转换器：它是一个将来自放大系统的模拟信号转换为数字信号的装置。其输出为一系列用二进制数表示的采样值(振幅值)。其所容纳振幅值的大小由转换器提供的二进制位数决定。显然，位数越多，所能容纳的振幅值就越大。动态范围：即仪器最大允许输入信号振幅与仪器的固有噪声折合到输入端的等效输入噪声振幅之比。它表征了所能容纳信号幅值的最小至最大的范围。该值主要由主放增益和A D 转换器的位数决定。显然，该值越大

4、，信号保真度越好。模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。数字数据(Digital Data)则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。目前，ASCII 美国信息交换标准码(American Standard Code for Information Interchange)已为ISO 国际标准化组织和CCITT 国际电报电话咨询委员会所采纳，成为国际通用的信息交换标准代码，使用7 位二进制数来表示一个英文字母、数字、标点或控制符号；图形、音频与视频

5、数据则可分别采用多种编码格式。附1：模拟信号与数字信号(1)模拟信号与数字信号 不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过

6、传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点。(2)模拟信号与数字信号之间的相互转换 模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信号一般通过PCM 脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8 位编码可将模拟信号量化为28=256 个量级，实用中常采取24 位或30 位编码；数字信号一般通过对载波进行移相(Phase Shift)的方法转换为模拟信号。计算机、计算机局

7、域网与城域网中均使用二进制数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用发展前景的是数字信号。采样率：对于 连续信号进行离散采样的时间间隔，一般是从s 级到ms 级。注意主放的瞬时自动增益有两种控制形式，其一为AGC 形式，即自动增益控制，它是按输入信号的平均值自动改变仪器增益，其增益变化不确定，信号的真振幅无法得知；其二为PGC 形式，即程序增益控制，其增益按指定函数(常为指数函数)形式随时间的增加而增大。这种增益控制可通过数据处理恢复信号的真振幅。3.2.1 检波器 检 波 器 是 安 置 在 地 面、水 中 或 井 下 以 拾

8、 取大 地 振 动 的 地 震 探 测 器 或 接 收 器，它 实 质 是 将机 械 振 动 转 换 为 电 信 号 的 一 种 传 感 器。现 代 地震 检 波 器 几 乎 完 全 是 动 圈 电 磁 式(用 于 陆 地 工作）和 压 电 式(用 于 海 洋 和 沼 泽 工 作)的。这 里只介绍接收纵波的垂直检波器。安徽建筑工业学院岩土工程系3.2 辅助设备3.2.1.1 主要类型和工作原理1.动圈式地震检波器 这类检波器结构如图1 3 2 所示，其机电转换通过线圈相对磁铁往复运动而实现。线圈及线枢由一个弹簧系统支撑在永久磁铁的磁极间隙内，组成一个振动系统。巧线圈在磁极间隙中运动时线圈切割磁

9、力线，同时在线圈两端产生感应电势，感应电势的大小与线圈切割磁通量的速度成正比，也就是说，与其相对于磁铁的运动速度成正比。因此，动因式检波器也称为速度检波器。大地作垂向运动时，磁铁随之运动，但线圈由于其惯性而趋于保持固定，使线圈和磁场之间有相对运动。对于水平的运动，线圈相对于磁铁是不动的，所以，这种植波器的输出为零。而对于接收水平振动的横波检波器而言，垂直振动的信号输出为零，其工作原理与垂直检波器相同。图1.3.2 动圈式检波器结构草图2 压电式检波器 这种检波器一般用于水下一定深度接收地震波，它是用压电晶体或类似的陶瓷活化元件作为压力传感元件，当这类物质受到物理形变时（如水压变化），它们产生一

10、个与瞬水压(和地震信号有关)成正比的电压。因此，这种检波器称作压力检波器或水下检波器。还有种压力检波器通常安置在注满油的塑料软管内，油的作用是将水的压力变化传给检波器内的敏感元件。这类检波器包在海洋电缆(称拖缆)内。海洋地震勘探是在勘探船运行中不停顿地接收地震波，因之，制作了专门的带有地震检波器的电缆，称为海洋地震电缆。又称“拖缆”。现代海洋地震电缆是截面均匀的等浮力组合电缆，它由24 道或48 道组合段组成，每一组合段长约50100 米，其中并联、串联有许多地震检波器。组合段之间用密封防水的不锈钢接头连接，以便于更换或检修。整个电缆在船尾有数百米的无检波器段，有时还附设减震装置，以消除螺旋桨

11、的振动影响。在电缆尾部有50100 米长的无检波器段和定向器，以减少电缆的摆动。为使电缆具有等浮力性能，通常是在包容电缆、检波器的塑料管中充油，空气或泡沫塑料等。为了在工作中保持稳定的深度，在电缆的前部和尾部无检波器段上附以适当的负荷，并用定深器使整个电缆保持在水下57 米的深度。附2：海洋电缆 海洋电缆3 涡流地震检波器 这是日本OYO 公司1984 年研制成的一种新型检波器，其结构见图1 3 3。它是利用惯性部件和固定在机壳里的永久磁场作相对运动产生涡流，涡流又使固定在机壳里的线圈感应出电流的原理而制成。一个固定的圆柱形磁铁沿中央轴安装在机壳内，线圈困定地绕在永久磁铁的外面，非磁性可运动的

12、铜制套简内弹簧悬挂在磁铁和线圈之间构成惯性部件。当机壳被地震振动驱动时，固定在机壳里的永久磁铁和机壳一起运动，但由于弹簧悬挂着的铜制套筒因其惯性而滞后运动，于是，永久磁场和铜制套简之间的相对运动在套简中形成涡流，涡流的变化率引起变化的次生磁场，变化的磁场在固定的线圈小产生电动势而输出电压。图1.3.3 涡流地震检波器的结构图3212 特性参数1 参数 检波器的特性参数主要有3 个，即：(1)阻尼系数h，它主要与机电招合系数及阻抗有关，它决定了检波器固有振动的延续时间。(2)自然角频率0，又称为固有频率。(3)有效灵敏度a。上述3 个参数分别与检波器弹簧的弹性系数，惯性体的质量、内阻及负载阻抗，

13、机电耦合系数，摩擦系数等有关。经分析可知，当h0时，固有动减弱至失真，见图1 3 4(b)；肖h 0时，检波器的固有振动介于周期振动与非周期振动之间，惯性体在回到平衡位置后立即停止振动，具有最好的分辨力。此时称为临界阻尼状态，见图1 3 4(c)。实际工作中选择 之间。图1.3.4 阻尼系数与检波器固有振动的关系2 频率特性 在强迫振动的情况下，设地面位移为恒定的谐和振动，则定义动因式检波器的复频率特性H()为检波器输出电压频谱与地面位移速度的频谱之比，并得到：（1.3.2）其振幅频率特性：其相位特性：（1.3.3）（1.3.4）其频率特性曲线见图1.3.5。图1.3.5 动圈式检波器的频率特

14、性 振幅频率特性曲线族以h 0为参数，所有曲线都从坐标原点出发，随着频率增高振幅增大，h 0 在0 6 以下时，曲线有极大值，而当 趋于 时，所有曲线都趋于a值(检波器的灵敏度值)。因此，检波器具有高通滤波性质。从利用信息的角度，要求在有效波的频带范围内的各个频率分量都不受压制，即希望这个频带内检波器的振幅频率特性曲线为水平状，图1.3.5 中h 00.7 时就是如此，我们把h 0 0.7 的阻尼系数值叫做最佳阻尼。同样，通过建立混流检波器的运动微分方程，可求得位移输入时涡流检波器的频率特性为：式中：K 是机电耦合系数；M 是互感系数；R 是套筒的电阻；u为高截止角频率；0为自然角频率；h 为

15、阻尼系数。特性曲线见图1 36。图1.3.6 涡流检波器的频率响应特性 涡流检波器的自然频率为17Hz，在20Hz 以上频率响应随频率增高其灵敏度线性增大，因此可用于高分辨率地层勘探，实践证明这种检波器对低频干扰和面波等有较强的压制能力，对强波之间的弱反射分辨较好，但总的灵敏度低于常用的动圈式检波器，对深层反射不利。在实际工作中，主要根据工程勘探的目的和方法参照检波器的固有频率选择使用检波器。一般中浅层反射波法勘探选择使用中高频检波器，面波勘探使用4100Hz 的低频-高频检波器；而常时微动测量一般使用0 58Hz 的低频检波器。附3：常时微动 地球表层任何地点、任何建筑物的地基，都在以微小的

16、振幅不停的振动着，其振幅通常不超过数微米，振动周期一般为0.5S至数秒，这种不停的微小震动被称为常时微动。一、成因及影响因素 微动的分生源可分为自然因素和人文因素两大类，前者如风、雨、海浪、火山活动等，后者如工厂生产、交通运输、建筑施工等。地脉动观测，主要测定自然振源（风、雨、海浪、火山、交通等）引起的振幅为0.011m、频率为0.520Hz的微振动波群，又称常时微动。地基、地表和地下的微动可以反映出场地的状况，这是因为由各种振动源所产生的波动都具有各自的频率，其波动的传播特征包含了地基的固有特性。现在的研究表明，微动波是由面波和体波组合而成的，周期为1秒以下的常时微动，主要反映了场地结构的动

17、力学特性，与震源的关系不大，体波形成的理论，把常时微动看成是由地下垂直入射的SH波和P波反射叠加而形成的。这种假设可以解释很多实际观测到的现象。而波动周期在一秒以上的中长周期微动，多数情况下，可以用面波理论说明。二、常时微动的研究与应用现状 微动研究是作为工程地震学的一个科研领域而发展起来的。日本是世界上微动研究最早和最富有成果的国家。早在1908 年日本人大森就观测到了周期在1 秒以下的地基振动，并指出观测到的地基振动的周期与地震时的周期具有一定的相关性。1931 年日本科学工作者根据在东京、横滨等地的观测结果，指出了地基存在卓越周期，之后对地面微动与地基卓越周期之间关系的研究，就愈来愈受到

18、更多科学家的关注。二战以后，从五十年代开始，日本地震学家金井清教授，1957 年在日本各地进行了大量常时微动的观测工作，并且提出了根据微动观测结果来划分地基的分类方法，同时还弄清了地震发生时，地震动和常时微动均受到地基固有振动特性的支配。日本人金井清，在1957 年对微动的面波性质作了定量的分析和论述，中岛在1967 年又从体波的观点研究分析了微动观测的结果，其理论与观测的结果也比较一致。从目前观测与研究的成果来看，两种理论均可对微动现象作出令人比较满意的解释。二十世纪七十年代以来，世界范围内随着高、超高层建筑物的兴建，建筑物的抗震设计及其研究，更广泛引起人们的重视。因此在很多领域内都开展了关

19、于中长周期微动的研究工作，并取得来较大的进展。此外，从八十年代以来，日本广田教授应用长周期资料研究来推断深部地下构造的方法，也已经达到了实用阶段。我国关于常时微动的研究起步时比较晚的，是从上个世纪六十年代才开始的。在1964 年的抗震建筑设计规范中，已将尝试微动的卓越周期作为确定场地类别的一种参考指标，并为重大工程抗震设计所需要的场地烈度进行了大量的测试工作。自1966 年河北邢台地震开始，到1975 年（2 月4 日）海城地震和1976 年（7 月28）唐山大地震以来，在北京、天津、大连和长春等许多城市的地震小区划中都进行地表常时微动的观测，同时还结合地震灾害的调查，开展了常时微动与场地关系

20、的震害的研究。目前我国对微动的研究和应用，以短周期的常时微动为主。对于长周期微动的研究国内，很少有人涉足。中华人民共和国国家标准地基动力特性测试规范GB/T 50269-97 对地脉动测试已经有了明确的规定。三、常时微动的应用 常时微动的测量结果目前主要应用于地基土划分、地震小区化、地震烈度增量计算、建筑物抗震性能评价、滑坡的地质调查等方面，可为工程地质以及震害预测等提供基础性资料。3 2 2 1 炸药震源 一般工程地震勘探常用的震源为圆柱状成型TNT 或铵梯炸药震源，它具有能量强、所激发的地震波具有良好的脉冲特性等优点。激发时，由瞬发电雷管引爆，延迟时间最多仅2ms，以雷管线断开作为起爆记时

21、信号。一般可在浅坑、浅井或水中激发。为了提高激发效果，使得爆炸能量集中下传，人们研制了震源枪、聚能弹、土火箭等各种炸药震源。一般球状成型药包的效果最佳，长柱状药包的效果差一些。经分析认为，地震波的振幅A 与炸药量Q 满足下式：(1 36)当药量较小时，m1 为l1 5；当药量较大时，ml 为0.20.5；地震波视周期或主频与药量的关系为：(1 37)且药量越大，T*越大，主频越低。由此可见，并非炸药量越大越好。一般中浅层勘探药量控制在几十克至1LB 以内为宜。实践表明：爆炸能量与介质之间的锅合关系影响波的能量，一般，锅台越好，波的能量就越强；爆炸介质的性质对所激发的地震波的频率也有影响，在疏松

22、岩土介质中激发时产生的振动频率低，在坚硬岩石中激发时得到的振动频率较高，在胶泥、泥岩中或潜水面F 激发时得到的频率适中。由上可见，炸药量的多少、爆炸介质的岩性、药包形状及其与介质的锅台等因素地震波的形状、振幅以及频率等特征有重要影响。3 2 2 2 非炸药震源 锤击震源 该震源是目前工程地震勘探常用的一种简便激发方式，它特别适合于在建筑物比较密集的地区开展工作。它主要用于浅层反射和折射波法以及瞬态瑞雷波法勘探和桩基检测等领域。震源设备主要为几磅至几十镑重的铁锤，铝合金或聚氨酯塑料材料的还击板以及传递震源信号的锤击开关。该震源的主要特点是能方便地进行垂直叠加，且信号的重复性较好，但其能量有限，勘

23、探深度较浅，此外所激发的波谱在120Hz 以下有较强的能量，声波干扰相对较强。落锤法震源 该方法是把数十千克至数百千克重的物体从大约23m 的高处落到地面，撞击地面激发地震波。重物一般是专用的重锤或大铁块。该震源除产生P 波外还能产生能量较强的沿水平方向传播的面波振动。可用于浅层反射波法和瑞雷波法勘探以及桩基检测。横向击板法震源 它是一种主要用来激发SH 横波的敲击震源。用作震源的木板长23cm，宽35cm 左右，厚10cm左右。使用时，为使木板与地面紧密锅台，可在木板上装上两排细钢筋插人地面，同时在木板上压上150900kg 的重物或直接将小型汽车的前轮压在木板上代替重物。此外，为使木板两端

24、不被敲裂，应包上一圈宽约2cm 的铁皮。激发时，用几十镑重的铁锤或摆锤分别敲击震源板的两端，从而可激发出沿水平方向扳动的SH 横波。这种震源在土地基上能激发出频率范围约在3070Hz 左右的SH 横波。震源装置见图1 3 7。图1.3.7 横向击板法震源示意图 电火花震源 该震源是利用电容器进行高压储能，而后由浸在水小的电权间隙进行瞬时脉冲放电，通道放电产生的气泡形成压力脉冲并作用于大地或其他介质形成地震波。该震源可在地面和井中激发出纵波和横波，且频带较宽，重复性好，能量可调，操作安全方便。它常用于工程地震测井、桩基检测以及浅层反射波法勘探。电磁式激振器 该震源属可控震源的一种，它向地下发射的

25、不是脉冲波，而是可控制的正弦振动波。它主要用于稳态瑞雷波法勘探中产生瑞雷面波。其工作原理是由伯号源产生某一频率的电信号，经过功率放大器放大后，输入电磁激振器，推动激振器按信号源给出的频率做竖向正弦振动。振动能量通过振动板传人地下，产生能量较强的沿地表传播的瑞雷波，同时也产生其他类型的地震波。改变信号源的频率，激振器的振动频率也随之改变，则可产生不同频率成分的瑞雷波。一般扫描频率范围为几至几千赫兹，激振力的大小由输入激振器的电流来控制，一般为几十至几百千克，它决定厂信号的能量。利用该震源进行瑞雷波勘探的深度主要由信号频率(扫描频率)和激振力决定，般，频率越高，勘探深度越浅，但分辨率越高；激振力越大，勘探深度越大。该震源原理框图见图1 3 8。以上我们主要介绍了常用的炸药和非炸药震源，在实际工作中，应根据勘探目的和方法的不同以及场地条件选择合适的震源，以获得最佳效果。对于横波勘探，除横向击板法震源，炸药震源也是一种比较常用的震源，只是激发方式与激发P 波有所不同。图1.3.8 电磁式激振器产生瑞雷波原理图323其他配套设备 在地震勘探工作中，除需要有地震仪、检波器和震源外，还需有用于检波器和地震仪之间信号传输的多芯电缆，用于引爆电雷管的爆炸机和供仪器用的电源。一般工程地震仪所用电源为12V 直流电源。