摘要:针对目前市场上的可控震源存在质量重、体积大、信号重复性差、精度低、操作繁琐、无法广泛应用于复杂地形微地震监测的问题，提出了一种轻便小型压电陶瓷震源的设计方法。从材料选型、工作原理及结构设计角度展开了初步研究。经野外测试表明:研制的轻便小型压电陶瓷震源具有体积小、重量轻、输出信号稳定、可重复、操作简便等优点，适合复杂地形的微地震监测。
关键词:微地震监测;轻便小型;压电陶瓷;震源;结构设计
0引言
对微地震震源进行有效可靠的定位是微地震监测技术的重要目标之一，但由于微地震震源具有不确定性，使得准确有效验证当前微地震监测技术的定位效果成为难题。目前，澳大利亚矿震研究院正在研究一种主动震源微地震监测方法，期望通过该方法采用已知位置的主动震源来实时验证当前微地震监测技术的定位效果，提高微地震监测的实时定位精度［1］。主动震源微地震监测技术的原理类似于地震勘探技术，主动震源可看作是地震勘探技术中的可控震源。现今市场上的夯击震源输出精度不高，电火花震源操作繁琐、信号重复性差，液压震源破坏环境，精密机械震源存在质量与体积过大、机动性差等问题［2～4］，都无法满足复杂地形微地震监测的要求。因此，本文旨在研究一种适用于微地震监测领域的主动震源。压电陶瓷作为现代智能材料之一［5］，具有介电与压电常数高、体积小、响应快、灵敏度高、多次撞击后输出信号不减小等优点［6］。故本文的研究对象(即主动震源)是基于压电陶瓷材料设计的一种轻便小型可控震源，与传统可控震源相比，具有重量轻、体积小、机动性强、信号重复性好、安装拆卸简便等优势。
1轻便小型压电陶瓷震源系统总体设计
轻便小型压电陶瓷震源采用模块化方式设计，由信号发生器、功率放大器与压电陶瓷激振体3个模块组成。其中，信号发生器由主控电路、D/A转换电路、低通滤波电路构成，功率放大器由主放大电路、直流供电电压、安全保护构成，压电陶瓷激振体是以压电陶瓷为基础元件，通过外部机械结构封装而成。震源的控制信号由信号发生器产生，经功率放大，使信号的电压电流达到一定阈值，从而驱动激振体振动，产生激振力。
1．1信号发生器的设计
信号发生器作为产生驱动激振体振动的信号来源［7］。chrip(线性调频)信号具有良好的稳定性、脉冲压缩性、高分辨率等优点，被广泛用作可控震源的驱动信号［8，9］。采用FPGA结合DDS技术的方案设计chrip信号发生器，由硬件电路、逻辑设计两部分构成。硬件电路模块包括FPGA与AD9767芯片，电路由电源转换、外部时钟源、复位电路、JTAG调试接口、电流/电压转换及放大、低通滤波等模块组成。逻辑设计流程:首先，使用mif_maker软件生成chrip信号的波形数据采样点文件，保存至FPGA的ROMIP中。其次，地址计数器产生有效地址位，输入ROM中。然后，判断是否改变信号的频率与相位，如需改变，分别输入频率与相位控制字，从而改变ROM中相位累加器内的频率控制字与相位调制器内的相位控制字，获取对应的chrip信号波形数据，经量化后输出;如无需改变，则直接从ROM中获取不改变频率与相位的chrip信号波形数据，经量化后输出。最后，输出信号进入D/A转换电路，再通过低通滤波电路，即得到了平滑的chrip信号。
1．2功率放大器的设计
信号发生器输出幅值为±5V的chrip信号，由于该信号的电压电流较小，无法驱动压电陶瓷激振体振动，因此，需对该信号进行放大，放大后，可驱动激振体振动产生频率、幅值可变的激振力。在信号发生器的输出端与压电陶瓷激振体的输入端之间加入功率放大器，以保证对该信号放大。功率放大器由主放大电路、直流供电电源与安全保护装置组成。功率放大器驱动的核心是激振体内部的压电陶瓷，压电陶瓷激振体工作时，内部的压电陶瓷处于动态的伸张与收缩状态，因此，设计功率放大器的各项指标与参数为:电压放大20倍，输出电压为±100V，工作电流峰值为0．8A，工作频率范围为0～200Hz。主放大电路采用两级结构设计，同时，采用电压串联负反馈方式构成了精密可控的闭环系统，如图2所示。主放大电路的作用是对信号发生器的输出信号进行放大，包括电压与电流的放大。第一级采用集成式设计，选用高压集成运放PA85为核心［10］，增加其电路的元件可将信号发生器输出的低压信号放大为高压信号，同时，也避免了分立式设计带来稳定性、可靠性差等问题。但PA85的输出电流较小，仍无法驱动激振体，故第二级需对输出信号的电流进行扩展，以B类功率放大器工作原理为参考基础设计放大电路第二级，通过4组NMOSFET与PMOSFET并联的互补推挽式连接，可实现对电流的扩展。放大电路供电电源由变压器、整流桥、滤波电容组成，由于放大电路具有较高的电源抑制比，供电电源微小的变化对输出电压几乎无影响。因此，采用C形滤波电路对电源电路进行滤波，可满足要求。根据放大电路的输出电压为±100V，并考虑到放大电路自身的压降，将供电电源设计为±150V。
1．3压电陶瓷激振体的设计
压电陶瓷是可以将电能转换成位移的功能性材料［11］。压电陶瓷质量轻、体积小，易集成，可单独使用，也可叠堆使用，将其制作成压电陶瓷叠堆使用，可减小激振体的体积与质量。压电陶瓷激振体的工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应［12，13］，将外加幅值与频率变化的电压信号转换成周期性的输出位移［14］，并产生对应的激振力输出。压电陶瓷激振体外形为低压柱形，采用圆柱形不锈钢壳体封装，内置方形压电陶瓷叠堆，顶部移动端为位移与激振力的输出端，底部有安装固定螺纹孔，便于固定激振体，同时，内部的预紧机械结构产生预紧力，使激振体可承受一定的拉力，压电陶瓷叠堆外部正负电极，分别与同轴电缆的正负极连接，便形成了压电陶瓷激振体。
2测试与结果分析
研制的轻便小型压电陶瓷震源系统实物如图5所示，经测量，震源单一模块的质量不超过10kg，总质量不超过30kg，总体积约0．018m3。在实验室中对功率放大器的主放大电路进行测试，出于安全考虑，先进行低压测试，输入电压幅值为±1V信号，用常规的直流稳压电源供电，通过示波器观察输入输出信号波形，如图6(a)，输出信号跟随放大、无失真。对其进行高压测试，信号发生器输出幅值为±5V信号作为主放大电路的输入信号，使用研制的±150V供电电源供电，通过示波器观察输入输出信号波形，如图6(b)，输出信号稳定、无失真，但测试过程中发现PA85与MOSFET发热较严重，需加入散热器与散热风扇及时散热。轻便小型压电陶瓷震源于2018年9月25日至2018年9月26日在四川省绵阳市青义镇青羊村龙山进行了野外测试，设计了对应的测试方案，在测试之前，对震源与检波器进行了合理的布置，在山顶岩石上选取一个点作为震源的工作点，另在岩石上分别选取4个点，都距离震源位置4m，布置1～4号检波器，采集震源信号数据。为测试震源的可靠性，使震源在野外环境下持续工作，每天工作时间约为5h，并对震源输入不同频率的驱动信号，采用连续触发方式，频率参数为:50，100，200Hz，对应1～4号检波器采集不同输入频率的震源信号波形如图7所示。由图7分析知，4个检波器采集到不同输入频率的震源信号波形幅值较稳定，表明震源可产生稳定的激振力。检波器采集到的信号为震源连续触发的输出信号，表明震源的输出信号可重复。同时，震源在野外环境中长时间持续工作，未出现一次故障，表明震源具有良好的可靠性。轻便小型压电陶瓷震源的机动性在野外测试中得到了充分的验证，全程只由2个人将震源与检波器搬运至山顶测试位置，并对震源与检波器进行组装，各个模块只需用信号线连接即可，组装极为简便，组装用时约15min。
3结论
采用压电陶瓷材料研制的轻便小型压电陶瓷震源，与其他震源相比，重量轻、体积小、机动性强，而且其模块化分离式设计，使其操作更加简便，可快速安装与拆卸，极大提高了工作效率。同时，轻便小型压电陶瓷震源经野外测试表明:具有良好的可靠性，可长时间连续工作;输出信号稳定、可重复，可产生稳定的激振力。因此，轻便小型压电陶瓷震源适用于复杂地形微地震监测，也为主动震源微震监测这一新方法的发展提供一定的设备支持。
参考文献:
［1］沈统，庹先国，李怀良，等．集成有主动震源的高精度三分量微地震检波器及实现方法:106199688A［P］．2016—12—07．
［2］赵春蕾，卢川，郝天珧，等．高精度组合式轻便小型可控震源的研究［J］．地球物理学报，2013，56(11):3690－3698．
［3］王洪体，庄灿涛，薛兵，等．精密主动地震监测［J］．地球物理学报，2009，52(7):1808－1815．
作者:冯文亮 李怀良 庹先国 沈统 单位:西南科技大学 成都理工大学