用于具有光學(xué)讀出的位移傳感器的閉合環(huán)路控制技術(shù)的制作方法
【專利說明】用于具有光學(xué)讀出的位移傳感器的閉合環(huán)路控制技術(shù)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求提交于2012年11月2日的美國臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/721，903以及提交于2012年10月11日的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/712,652的權(quán)益，其所有內(nèi)容通過引用在此并入。
[0003]本申請(qǐng)還涉及公布于2011年8月11日的美國專利公開號(hào)2011/0194711，公布于2011年8月11日的美國專利公開號(hào)2011/0194857，授權(quán)于2006年10月3日的美國專利號(hào)7，116，430，授權(quán)于2009年2月3日的美國專利號(hào)7，485，847，授權(quán)于2003年11月4日的美國專利號(hào)6，643，025以及授權(quán)于2004年6月22日的美國專利號(hào)6，753，969，所有內(nèi)容通過引用在此并入。
技術(shù)領(lǐng)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(yīng)當(dāng)被視為是本申請(qǐng)的現(xiàn)有技術(shù)。
[0005]在此公開的一些實(shí)施方式指向用于地震感測(cè)的系統(tǒng)、設(shè)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(yùn)動(dòng)(位移、速度、加速度)轉(zhuǎn)換為可以被記錄在例如記錄站或是傳感器封包內(nèi)的板上存儲(chǔ)器中的電信號(hào)(例如，電壓)的設(shè)備。所測(cè)量到的電壓較之基準(zhǔn)線的偏離被稱為地震響應(yīng)并且被分析從而確定地球的地表下結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0006]地震檢波器可以是無源模擬設(shè)備，其包括例如在線圈內(nèi)移動(dòng)用以生成電子信號(hào)的彈簧安裝的磁性物質(zhì)。一些地震檢波器可以基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，其通過用于保持一小塊硅的位置的有源反饋電路來對(duì)地面運(yùn)動(dòng)生成電子響應(yīng)。
[0007]線圈/磁鐵地震檢波器的響應(yīng)可以與地面速度成正比，而MEMS設(shè)備可以與加速度成比例地進(jìn)行響應(yīng)。MEMS設(shè)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(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)或是活躍地震應(yīng)用中。
[0008]地震檢波器可以使用在反射地震學(xué)中用以記錄由地下地質(zhì)所反射的波能量，例如用于定位地下石油或天然氣沉積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]申請(qǐng)人研發(fā)了在此所描述的應(yīng)用了光學(xué)讀出技術(shù)來測(cè)量兩種物質(zhì)相對(duì)位移的設(shè)備、裝置、系統(tǒng)以及方法。這些技術(shù)總體上可以被用于獲取包括例如運(yùn)動(dòng)速率、速度、加速度等的關(guān)于這些物體的相對(duì)和/或絕對(duì)位置和/或運(yùn)動(dòng)的信息。
[0010]在示例性的例子中，在此所描述的概念可以被應(yīng)用在地震傳感器(例如，地震檢波器)中用以測(cè)量由于地面運(yùn)動(dòng)而引起的兩個(gè)質(zhì)量體之間的相對(duì)位移，例如校樣質(zhì)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(duì)位移的高敏感度讀出的光學(xué)探測(cè)結(jié)構(gòu)的加速計(jì)或是速度傳感器。
[0011]傳感器的光學(xué)探測(cè)結(jié)構(gòu)可以包括干涉儀結(jié)構(gòu)，其中來自光源的光被分為至少兩個(gè)光束并且被導(dǎo)向沿著至少兩條不同的路徑行進(jìn)。兩條不同的路徑可能具有取決于校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移的光學(xué)路徑長度差。光電探測(cè)器可以探測(cè)到通過合并所分割的光束而產(chǎn)生的干涉圖形從而生成指示著干涉圖形的信號(hào)。通過處理所生成的光學(xué)讀出信號(hào)，有可能是與其它信號(hào)進(jìn)行合并，傳感器可以確定指示著校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移的位移信息。
[0012]各種技術(shù)(例如，閉合環(huán)路反饋技術(shù))可以連同光學(xué)讀出一起用于提供優(yōu)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(yīng)曲線的期望的感測(cè)性能、增加傳感器的帶寬、動(dòng)態(tài)范圍以及線性、達(dá)到臨界阻尼、降低DC偏移和功耗、在很寬的信號(hào)頻率(例如，在對(duì)于地震探索有用的低頻)上對(duì)頻率響應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)、穩(wěn)定化以及平整、降低削波恢復(fù)時(shí)間等。本公開的一些實(shí)施方式通過對(duì)校樣質(zhì)量體施加反饋力從而調(diào)整了傳感器的工作點(diǎn)。所述反饋力可以基于所測(cè)量到的位移信號(hào)并且可以響應(yīng)于例如地面運(yùn)動(dòng)或是校準(zhǔn)。
[0013]本公開的至少一個(gè)方面指向一種包括殼體的裝置。該裝置可以包括在殼體內(nèi)可移動(dòng)的校樣質(zhì)量體。該裝置還可以包括光學(xué)傳感器。所述光學(xué)傳感器可以被配置為生成指示著校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移的位移信號(hào)。
[0014]在一個(gè)實(shí)施方式中，光學(xué)傳感器包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件。光學(xué)元件可以被配置為生成指示著校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移的光學(xué)干涉圖形。
[0015]在一個(gè)實(shí)施方式中，該裝置包括安裝在殼體和校樣質(zhì)量體之一上的衍射光學(xué)元件。該裝置還可以包括在殼體和校樣質(zhì)量體中的另一個(gè)之上的反射元件。該裝置還可以包括配置為照亮光學(xué)元件和鏡子的光源。該裝置還可以包括一個(gè)或多個(gè)配置為探測(cè)干涉圖形并且生成位移信號(hào)的探測(cè)器?？梢酝ㄟ^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(gè)實(shí)施方式中，該裝置包括配置為影響殼體和校樣質(zhì)量體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的電磁設(shè)備。所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)至少部分基于位移信號(hào)而被影響。
[0017]在一個(gè)實(shí)施方式中，該電磁設(shè)備包括線圈。該線圈可以形成至少部分校樣質(zhì)量體。
[0018]在一個(gè)實(shí)施方式中，該裝置可以包括配置為在殼體內(nèi)提供磁場的磁體。
[0019]在一個(gè)實(shí)施方式中，該磁體包括永久磁體。
[0020]在一個(gè)實(shí)施方式中，該裝置可以包括將校樣質(zhì)量體耦合到殼體的懸置系統(tǒng)。
[0021]在一個(gè)實(shí)施方式中，該懸置系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)彈簧。
[0022]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述一個(gè)或多個(gè)彈簧可以包括十字形彈簧。
[0023]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述校樣質(zhì)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(dòng)的繞線筒。
[0024]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述繞線筒由基本上非導(dǎo)電的材料制成。
[0025]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述反射元件和衍射元件為面對(duì)彼此放置的平面組件。
[0026]在一個(gè)實(shí)施方式中，該裝置可以包括至少一個(gè)配置為控制平面組件相對(duì)定向的致動(dòng)器。
[0027]在一個(gè)實(shí)施方式中，該裝置可以包括一個(gè)或多個(gè)配置為當(dāng)存在機(jī)械沖擊時(shí)防止平面組件彼此接觸的設(shè)備。
[0028]在一個(gè)實(shí)施方式中，該平面組件之間間隔距離約為光學(xué)傳感器所使用的光波長的50倍。
[0029]在一個(gè)實(shí)施方式中，該裝置可以包括至少兩個(gè)配置為生成位移信號(hào)的光學(xué)傳感器。所述位移信號(hào)可以指示著校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移。
[0030]在一個(gè)實(shí)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(gè)實(shí)施方式中，該裝置配置為在相對(duì)于重力方向的任何空間定向上進(jìn)行操作。
[0032]本公開的至少一個(gè)方面指向一種地震節(jié)點(diǎn)。該地震節(jié)點(diǎn)可以包括至少一個(gè)地震傳感器，其可以包括該裝置的一個(gè)實(shí)施方式。
[0033]在一個(gè)實(shí)施方式中，該至少一個(gè)地震傳感器包括至少三個(gè)地震傳感器，其中每個(gè)都與其它的傳感器橫向定位。
[0034]在一個(gè)實(shí)施方式中，該地震節(jié)點(diǎn)為自主海底節(jié)點(diǎn)。
[0035]本公開的至少一個(gè)方面指向一種方法。該方法包括提供該裝置的一個(gè)實(shí)施方式并且測(cè)量校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移。
[0036]在一個(gè)實(shí)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(cè)量校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移而探測(cè)地震運(yùn)動(dòng)。
[0037]本公開的至少一個(gè)方面指向一種用于地震信號(hào)探測(cè)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包括該裝置的一個(gè)實(shí)施方式。該系統(tǒng)還可以包括配置為或是設(shè)計(jì)為提供電信號(hào)到線圈的電子線路。
[0038]在一個(gè)實(shí)施方式中，該系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理器與地震傳感器進(jìn)行通信。
[0039]在一個(gè)實(shí)施方式中，輸入到線圈的電流由低頻調(diào)諧分量和動(dòng)態(tài)分量組成。
[0040]在一個(gè)實(shí)施方式中，輸入到線圈的電流由所測(cè)量到的光學(xué)信號(hào)來確定。
[0041]在一個(gè)實(shí)施方式中，輸入到線圈的電流導(dǎo)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(gè)方面指向一種包括殼體以及在殼體內(nèi)可移動(dòng)的校樣質(zhì)量體。在一些實(shí)施方式中，該裝置包括配置用以生成指示著校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移的信號(hào)的光學(xué)傳感器。該裝置可以包括配置用以影響殼體和校樣質(zhì)量體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的電磁設(shè)備。該裝置可以包括配置為控制電磁設(shè)備的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以至少部分基于指示著校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移的信號(hào)來控制該電磁設(shè)備。
[0043]在一個(gè)實(shí)施方式中，光學(xué)傳感器包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件。所述光學(xué)元件可以被配置為生成指示著校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移的光學(xué)干涉圖形。
[0044]在一個(gè)實(shí)施方式中，該裝置包括安裝在殼體和校樣質(zhì)量體之一上的衍射光學(xué)元件。該裝置可以包括在殼體和校樣質(zhì)量體中另一個(gè)上安裝的反射元件。該裝置可以包括配置為照亮光學(xué)元件和鏡子的光源。該裝置可以包括一個(gè)或多個(gè)配置為探測(cè)干涉圖形并生成指示著校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移的信號(hào)的探測(cè)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(gè)實(shí)施方式中，控制系統(tǒng)包括閉合環(huán)路反饋控制系統(tǒng)。該閉合環(huán)路反饋控制系統(tǒng)的錯(cuò)誤信號(hào)可以至少部分基于指示著校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移的信號(hào)。
[0046]在一個(gè)實(shí)施方式中，該閉合環(huán)路反饋控制系統(tǒng)可以包括ro控制器或是PID控制器。
[0047]在一個(gè)實(shí)施方式中，該控制系統(tǒng)配置為有選擇地控制電磁設(shè)備從而影響校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移。該控制系統(tǒng)可以影響該相對(duì)位移從而使得殼體內(nèi)的校樣質(zhì)量體的運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于過阻尼振蕩器。
[0048]在一個(gè)實(shí)施方式中，指示著校樣質(zhì)量體的相對(duì)位移的信號(hào)是作為相對(duì)位移的函數(shù)的周期性信號(hào)。該周期性信號(hào)可以包括多個(gè)邊紋。該控制系統(tǒng)可以配置為將校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移鎖定在對(duì)應(yīng)于單一邊紋的范圍內(nèi)。
[0049]在一個(gè)實(shí)施方式中，單一邊紋包括最接近地對(duì)應(yīng)于校樣質(zhì)量體和殼體的機(jī)械零位的邊紋。
[0050]在一個(gè)實(shí)施方式中，該控制系統(tǒng)配置為有選擇地切換閉合環(huán)路控制系統(tǒng)的極性從而使得系統(tǒng)從鎖定到第一邊紋的第一狀態(tài)移動(dòng)到鎖定到第二邊紋的第二狀態(tài)。所述第二邊紋相對(duì)于第二邊紋而言可以對(duì)應(yīng)于更為接近校樣質(zhì)量體和殼體系統(tǒng)的機(jī)械零位的位置。
[0051]在一個(gè)實(shí)施方式中，該控制系統(tǒng)配置為通過對(duì)電磁設(shè)備施加信號(hào)或是通過機(jī)械地致動(dòng)校樣質(zhì)量體來改變系統(tǒng)所鎖定的邊紋。
[0052]在一個(gè)實(shí)施方式中，該控制系統(tǒng)配置為通過掛起閉合環(huán)路控制一段時(shí)間并且接著恢復(fù)閉合環(huán)路控制來改變系統(tǒng)所鎖定的邊紋。
[0053]在一個(gè)實(shí)施方式中，該電磁設(shè)備可以包括形成至少部分校樣質(zhì)量體的線圈。
[0054]在一個(gè)實(shí)施方式中，該裝置包括配置為在殼體內(nèi)提供磁場的磁體。
[0055]在一個(gè)實(shí)施方式中，干涉圖形可以包括零階峰值以及一個(gè)或多個(gè)更高階峰值。所述一個(gè)或多個(gè)探測(cè)器可以包括配置為探測(cè)零階峰值強(qiáng)度的第一探測(cè)器。該裝置可以包括至少一個(gè)配置為探測(cè)第二階峰值的第二探測(cè)器。
[0056]在一個(gè)實(shí)施方式中，指示著校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移的信號(hào)至少部分基于來自第一探測(cè)器和第二探測(cè)器的信號(hào)差而生成。
[0057]在一個(gè)實(shí)施方式中，利用獨(dú)立的各個(gè)放大器對(duì)來自第一探測(cè)器和第二探測(cè)器中的每一個(gè)的信號(hào)進(jìn)行放大。
[0058]在一個(gè)實(shí)施方式中，該獨(dú)立的各個(gè)放大器可以包括可變?cè)鲆娣糯笃鳌?br>[0059]在一個(gè)實(shí)施方式中，該裝置可以包括用于探測(cè)校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位置的第二傳感器。該第二傳感器可以具有較光學(xué)傳感器而言小的空間解析度，然其大于光學(xué)傳感器所使用的光的波長。
[0060]在一個(gè)實(shí)施方式中，該裝置可以包括配置用以確定校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)定向的定向傳感器?？梢曰趤碜远ㄏ騻鞲衅鞯男盘?hào)至少部分地控制光學(xué)傳感器的操作。
[0061]在一個(gè)實(shí)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(gè)實(shí)施方式中，該裝置包括致動(dòng)器?；趤碜远ㄏ騻鞲衅鞯男盘?hào)對(duì)該致動(dòng)器進(jìn)行控制。所述致動(dòng)器可以配置為致動(dòng)校樣質(zhì)量體和殼體的相對(duì)位移從而影響光學(xué)傳感器的性能。
[0063]在一個(gè)實(shí)施方式中，該裝置被配置為相應(yīng)于重力方向的任意方向上工作。
[0064]在一個(gè)實(shí)施方式中，控制系統(tǒng)包括至少一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器。
[0065]本公開的至少一個(gè)方面指向一種包括至少一個(gè)包含了該裝置一個(gè)實(shí)施方式的地震傳感器的地震節(jié)點(diǎn)。
[0066]在該地震節(jié)點(diǎn)中，所述至少一個(gè)地震傳感器