用于具有光學讀出的位移傳感器的閉合環路控制技術的制作方法
【專利說明】用于具有光學讀出的位移傳感器的閉合環路控制技術
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求提交于2012年11月2日的美國臨時申請N0.61/721，903以及提交于2012年10月11日的美國臨時專利申請N0.61/712,652的權益，其所有內容通過引用在此并入。
[0003]本申請還涉及公布于2011年8月11日的美國專利公開號2011/0194711，公布于2011年8月11日的美國專利公開號2011/0194857，授權于2006年10月3日的美國專利號7，116，430，授權于2009年2月3日的美國專利號7，485，847，授權于2003年11月4日的美國專利號6，643，025以及授權于2004年6月22日的美國專利號6，753，969，所有內容通過引用在此并入。
技術領域
[0004]以下部分僅供作為信息參考之用。在本部分所包括的資料不應當被視為是本申請的現有技術。
[0005]在此公開的一些實施方式指向用于地震感測的系統、設備以及方法，例如適于用作地震檢波器。地震檢波器是一種將地面運動(位移、速度、加速度)轉換為可以被記錄在例如記錄站或是傳感器封包內的板上存儲器中的電信號(例如，電壓)的設備。所測量到的電壓較之基準線的偏離被稱為地震響應并且被分析從而確定地球的地表下結構。
【背景技術】
[0006]地震檢波器可以是無源模擬設備，其包括例如在線圈內移動用以生成電子信號的彈簧安裝的磁性物質。一些地震檢波器可以基于微機電系統(MEMS)技術，其通過用于保持一小塊硅的位置的有源反饋電路來對地面運動生成電子響應。
[0007]線圈/磁鐵地震檢波器的響應可以與地面速度成正比，而MEMS設備可以與加速度成比例地進行響應。MEMS設備可能較之線圈/磁鐵地震檢波器而言具有更高的噪音水平并由此限于使用在強烈運動或是活躍地震應用中。
[0008]地震檢波器可以使用在反射地震學中用以記錄由地下地質所反射的波能量，例如用于定位地下石油或天然氣沉積。
【發明內容】
[0009]申請人研發了在此所描述的應用了光學讀出技術來測量兩種物質相對位移的設備、裝置、系統以及方法。這些技術總體上可以被用于獲取包括例如運動速率、速度、加速度等的關于這些物體的相對和/或絕對位置和/或運動的信息。
[0010]在示例性的例子中，在此所描述的概念可以被應用在地震傳感器(例如，地震檢波器)中用以測量由于地面運動而引起的兩個質量體之間的相對位移，例如校樣質量體(慣性參考框架)以及殼體。本公開的傳感器可以被配置為例如具有可以提供相對位移的高敏感度讀出的光學探測結構的加速計或是速度傳感器。
[0011]傳感器的光學探測結構可以包括干涉儀結構，其中來自光源的光被分為至少兩個光束并且被導向沿著至少兩條不同的路徑行進。兩條不同的路徑可能具有取決于校樣質量體和殼體的相對位移的光學路徑長度差。光電探測器可以探測到通過合并所分割的光束而產生的干涉圖形從而生成指示著干涉圖形的信號。通過處理所生成的光學讀出信號，有可能是與其它信號進行合并，傳感器可以確定指示著校樣質量體和殼體的相對位移的位移信息。
[0012]各種技術(例如，閉合環路反饋技術)可以連同光學讀出一起用于提供優秀的傳感器性能。例如，傳感器的輸出可以被改變以降低噪聲、提供例如所需頻率響應曲線的期望的感測性能、增加傳感器的帶寬、動態范圍以及線性、達到臨界阻尼、降低DC偏移和功耗、在很寬的信號頻率(例如，在對于地震探索有用的低頻)上對頻率響應進行校準、穩定化以及平整、降低削波恢復時間等。本公開的一些實施方式通過對校樣質量體施加反饋力從而調整了傳感器的工作點。所述反饋力可以基于所測量到的位移信號并且可以響應于例如地面運動或是校準。
[0013]本公開的至少一個方面指向一種包括殼體的裝置。該裝置可以包括在殼體內可移動的校樣質量體。該裝置還可以包括光學傳感器。所述光學傳感器可以被配置為生成指示著校樣質量體和殼體的相對位移的位移信號。
[0014]在一個實施方式中，光學傳感器包括一個或多個光學元件。光學元件可以被配置為生成指示著校樣質量體和殼體的相對位移的光學干涉圖形。
[0015]在一個實施方式中，該裝置包括安裝在殼體和校樣質量體之一上的衍射光學元件。該裝置還可以包括在殼體和校樣質量體中的另一個之上的反射元件。該裝置還可以包括配置為照亮光學元件和鏡子的光源。該裝置還可以包括一個或多個配置為探測干涉圖形并且生成位移信號的探測器。可以通過從反射元件和衍射元件入射的合并光生成干涉圖形。
[0016]在一個實施方式中，該裝置包括配置為影響殼體和校樣質量體的相對運動的電磁設備。所述相對運動至少部分基于位移信號而被影響。
[0017]在一個實施方式中，該電磁設備包括線圈。該線圈可以形成至少部分校樣質量體。
[0018]在一個實施方式中，該裝置可以包括配置為在殼體內提供磁場的磁體。
[0019]在一個實施方式中，該磁體包括永久磁體。
[0020]在一個實施方式中，該裝置可以包括將校樣質量體耦合到殼體的懸置系統。
[0021]在一個實施方式中，該懸置系統可以包括一個或多個彈簧。
[0022]在一個實施方式中，所述一個或多個彈簧可以包括十字形彈簧。
[0023]在一個實施方式中，所述校樣質量體可以包括在核芯元件周圍放置并且可以沿著核芯元件自由滑動的繞線筒。
[0024]在一個實施方式中，所述繞線筒由基本上非導電的材料制成。
[0025]在一個實施方式中，所述反射元件和衍射元件為面對彼此放置的平面組件。
[0026]在一個實施方式中，該裝置可以包括至少一個配置為控制平面組件相對定向的致動器。
[0027]在一個實施方式中，該裝置可以包括一個或多個配置為當存在機械沖擊時防止平面組件彼此接觸的設備。
[0028]在一個實施方式中，該平面組件之間間隔距離約為光學傳感器所使用的光波長的50倍。
[0029]在一個實施方式中，該裝置可以包括至少兩個配置為生成位移信號的光學傳感器。所述位移信號可以指示著校樣質量體和殼體的相對位移。
[0030]在一個實施方式中，衍射元件配置為抑制光在反射元件和衍射元件之間多次反射。
[0031]在一個實施方式中，該裝置配置為在相對于重力方向的任何空間定向上進行操作。
[0032]本公開的至少一個方面指向一種地震節點。該地震節點可以包括至少一個地震傳感器，其可以包括該裝置的一個實施方式。
[0033]在一個實施方式中，該至少一個地震傳感器包括至少三個地震傳感器，其中每個都與其它的傳感器橫向定位。
[0034]在一個實施方式中，該地震節點為自主海底節點。
[0035]本公開的至少一個方面指向一種方法。該方法包括提供該裝置的一個實施方式并且測量校樣質量體和殼體的相對位移。
[0036]在一個實施方式中，該方法包括將殼體耦合到地面。該方法可以包括至少部分基于測量校樣質量體和殼體的相對位移而探測地震運動。
[0037]本公開的至少一個方面指向一種用于地震信號探測的系統。該系統可以包括該裝置的一個實施方式。該系統還可以包括配置為或是設計為提供電信號到線圈的電子線路。
[0038]在一個實施方式中，該系統的數字信號處理器與地震傳感器進行通信。
[0039]在一個實施方式中，輸入到線圈的電流由低頻調諧分量和動態分量組成。
[0040]在一個實施方式中，輸入到線圈的電流由所測量到的光學信號來確定。
[0041]在一個實施方式中，輸入到線圈的電流導致了與作用于線圈上的重力相反的力。
[0042]本公開的至少一個方面指向一種包括殼體以及在殼體內可移動的校樣質量體。在一些實施方式中，該裝置包括配置用以生成指示著校樣質量體和殼體的相對位移的信號的光學傳感器。該裝置可以包括配置用以影響殼體和校樣質量體的相對運動的電磁設備。該裝置可以包括配置為控制電磁設備的控制系統。該控制系統可以至少部分基于指示著校樣質量體和殼體的相對位移的信號來控制該電磁設備。
[0043]在一個實施方式中，光學傳感器包括一個或多個光學元件。所述光學元件可以被配置為生成指示著校樣質量體和殼體的相對位移的光學干涉圖形。
[0044]在一個實施方式中，該裝置包括安裝在殼體和校樣質量體之一上的衍射光學元件。該裝置可以包括在殼體和校樣質量體中另一個上安裝的反射元件。該裝置可以包括配置為照亮光學元件和鏡子的光源。該裝置可以包括一個或多個配置為探測干涉圖形并生成指示著校樣質量體和殼體的相對位移的信號的探測器。該干涉圖形可以通過從反射元件和衍射元件入射的合并光生成。
[0045]在一個實施方式中，控制系統包括閉合環路反饋控制系統。該閉合環路反饋控制系統的錯誤信號可以至少部分基于指示著校樣質量體和殼體的相對位移的信號。
[0046]在一個實施方式中，該閉合環路反饋控制系統可以包括ro控制器或是PID控制器。
[0047]在一個實施方式中，該控制系統配置為有選擇地控制電磁設備從而影響校樣質量體和殼體的相對位移。該控制系統可以影響該相對位移從而使得殼體內的校樣質量體的運動對應于過阻尼振蕩器。
[0048]在一個實施方式中，指示著校樣質量體的相對位移的信號是作為相對位移的函數的周期性信號。該周期性信號可以包括多個邊紋。該控制系統可以配置為將校樣質量體和殼體的相對位移鎖定在對應于單一邊紋的范圍內。
[0049]在一個實施方式中，單一邊紋包括最接近地對應于校樣質量體和殼體的機械零位的邊紋。
[0050]在一個實施方式中，該控制系統配置為有選擇地切換閉合環路控制系統的極性從而使得系統從鎖定到第一邊紋的第一狀態移動到鎖定到第二邊紋的第二狀態。所述第二邊紋相對于第二邊紋而言可以對應于更為接近校樣質量體和殼體系統的機械零位的位置。
[0051]在一個實施方式中，該控制系統配置為通過對電磁設備施加信號或是通過機械地致動校樣質量體來改變系統所鎖定的邊紋。
[0052]在一個實施方式中，該控制系統配置為通過掛起閉合環路控制一段時間并且接著恢復閉合環路控制來改變系統所鎖定的邊紋。
[0053]在一個實施方式中，該電磁設備可以包括形成至少部分校樣質量體的線圈。
[0054]在一個實施方式中，該裝置包括配置為在殼體內提供磁場的磁體。
[0055]在一個實施方式中，干涉圖形可以包括零階峰值以及一個或多個更高階峰值。所述一個或多個探測器可以包括配置為探測零階峰值強度的第一探測器。該裝置可以包括至少一個配置為探測第二階峰值的第二探測器。
[0056]在一個實施方式中，指示著校樣質量體和殼體的相對位移的信號至少部分基于來自第一探測器和第二探測器的信號差而生成。
[0057]在一個實施方式中，利用獨立的各個放大器對來自第一探測器和第二探測器中的每一個的信號進行放大。
[0058]在一個實施方式中，該獨立的各個放大器可以包括可變增益放大器。
[0059]在一個實施方式中，該裝置可以包括用于探測校樣質量體和殼體的相對位置的第二傳感器。該第二傳感器可以具有較光學傳感器而言小的空間解析度，然其大于光學傳感器所使用的光的波長。
[0060]在一個實施方式中，該裝置可以包括配置用以確定校樣質量體和殼體的相對定向的定向傳感器。可以基于來自定向傳感器的信號至少部分地控制光學傳感器的操作。
[0061]在一個實施方式中，該定向傳感器包括配置用以生成指示著該裝置的傾斜角的信息的傳感器。
[0062]在一個實施方式中，該裝置包括致動器。基于來自定向傳感器的信號對該致動器進行控制。所述致動器可以配置為致動校樣質量體和殼體的相對位移從而影響光學傳感器的性能。
[0063]在一個實施方式中，該裝置被配置為相應于重力方向的任意方向上工作。
[0064]在一個實施方式中，控制系統包括至少一個數字信號處理器。
[0065]本公開的至少一個方面指向一種包括至少一個包含了該裝置一個實施方式的地震傳感器的地震節點。
[0066]在該地震節點中，所述至少一個地震傳感器