專利名稱：智能地震剖面勘探系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對表面以下的介質(zhì)進(jìn)行非侵入測試的領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明涉及能獲得表面以下介質(zhì)的機(jī)械特性的智能剖面勘測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
例如在地質(zhì)勘探領(lǐng)域，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了非侵入技術(shù)，并由于這些技術(shù)是非破壞性的，因此將其發(fā)展為包括鉆探在內(nèi)的傳統(tǒng)實(shí)地測試技術(shù)的補(bǔ)充或代用技術(shù)。在某些不可能鉆探的情況下，例如在粒狀土情況下，該非侵入技術(shù)是探測地下的唯一方式。另外，它們通常是比較節(jié)約成本的。
非侵入技術(shù)還可用于探測位于表面以下介質(zhì)的各類其它領(lǐng)域中，例如用于評價(jià)道路、橋梁、建筑物的板材結(jié)合點(diǎn)、混凝土墻等的磨損情況，或在采礦或軍事應(yīng)用領(lǐng)域中用于檢測地下洞穴。
有趣的是，在非侵入測試領(lǐng)域中，表面波、尤其是Rayleigh波非常有用。該技術(shù)的一種已知方法例如是表面波波譜分析(“SASW”)，它利用表面波在不侵入的情況下確定地下的剪切速度分布圖。該方法包括一對傳感器、至少一個(gè)脈沖源、以及信號處理系統(tǒng)。
盡管這種采用表面波的技術(shù)可通過改變兩傳感器之間的距離、利用不同的脈沖源探測厚度范圍很寬的土壤，但在上面舉例討論SASW的情況下，為了在調(diào)查研究中獲得地下介質(zhì)的有用信息，其操作通常要求本領(lǐng)域非常有經(jīng)驗(yàn)的專家來參與。
因此，盡管本領(lǐng)域已經(jīng)作了一些努力，但仍需要一種能對表面以下的介質(zhì)進(jìn)行剖面勘探的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器，脈沖發(fā)生器和用戶計(jì)算接口，它能收集、分析和處理數(shù)據(jù)，以供顯示和非專業(yè)人士使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的剖面勘探系統(tǒng)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明包括一種可獲得表面以下介質(zhì)特征的剖面勘探系統(tǒng)。該剖面勘探系統(tǒng)包括多個(gè)可通過通信接口交換消息的系統(tǒng)部件。這些系統(tǒng)部件包括能量脈沖發(fā)生器、傳感組件、以及用戶計(jì)算接口。用于向表面發(fā)送能量脈沖的發(fā)生器包括可與其它系統(tǒng)部件交換消息的發(fā)生器通信裝置。傳感組件包括傳感器。每個(gè)傳感器都包括用于檢測表面上由能量脈沖產(chǎn)生的加速度、并產(chǎn)生代表該加速度的信號的加速度計(jì)。每個(gè)傳感器還包括接口通信裝置，用以通過通信接口發(fā)送代表加速度的信號，并與其它系統(tǒng)部件交換消息。用戶計(jì)算接口包括接口通信裝置，用以接收代表加速度的信號，并通過通信接口與其它系統(tǒng)部件交換消息。用戶計(jì)算接口包括接口通信裝置，用以接收代表加速度的信號，并通過通信接口與其它系統(tǒng)部件交換消息。用戶計(jì)算接口還包括接口處理器，用以處理接收到的代表加速度的信號，形成表面以下介質(zhì)的特征。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種用于檢測表面上加速度的傳感器。該傳感器通過通信接口與計(jì)算裝置交換消息。該傳感器包括用于輸出代表加速度的信號的加速度計(jì)和包括發(fā)送電路的接口單元。接口單元接收代表加速度的信號，對該信號進(jìn)行調(diào)制，以供發(fā)送給計(jì)算裝置。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種用于檢測表面上的加速度的傳感器。該傳感器通過通信接口與計(jì)算裝置交換消息。傳感器包括基板，基板包括用于輸出代表加速度的信號的加速度計(jì)。傳感器還包括與基板相結(jié)合的質(zhì)量塊。質(zhì)量塊響應(yīng)加速度而移動。傳感器還包括這里要描述的接口單元。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種用于向表面發(fā)送能量脈沖的能量脈沖發(fā)生器。發(fā)生器通過通信接口與計(jì)算裝置交換消息。發(fā)生器包括外殼。發(fā)生器還包括在外殼內(nèi)以可移動方式至少安裝在靜止位置、鎖定位置和沖擊位置之間的沖擊組件。沖擊組件在沖擊位置向表面發(fā)送能量脈沖。發(fā)生器還包括與沖擊組件相結(jié)合的能量存儲裝置。能量存儲裝置在鎖定位置上能向脈沖組件釋放特定量的能量，這樣一旦該特定量的能量釋放出來，沖擊組件就從鎖定位置移到?jīng)_擊位置，然后回到靜止位置。計(jì)算裝置控制著向沖擊組件釋放特定量的能量。


附圖中圖1是依照本發(fā)明實(shí)施例的剖面勘探系統(tǒng)的示意圖；圖2是圖1的剖面勘探系統(tǒng)中使用的位移傳感器的透視圖；圖3是圖2的位移傳感器的俯視圖；圖4是沿圖3的剖面線4-4剖開的剖視圖；圖5是圖2的位移傳感器的基板的俯視圖；圖6是圖5的位移傳感器的等效電路圖；圖7是圖1的剖面勘探系統(tǒng)中使用的能量脈沖發(fā)生器的示意性剖視圖；以及圖8是依照本發(fā)明另一實(shí)施例的傳感器的方框圖。
具體實(shí)施例方式
概括而言，本發(fā)明的系統(tǒng)能夠非侵入地物理分析位于表面以下介質(zhì)的機(jī)械特征，并顯示其結(jié)果。
這種通過表面分隔而不能被直接勘探的介質(zhì)可以是地下、混凝土墻厚度、連接板厚度等。為了說明目的，將采用涉及地質(zhì)測試的實(shí)施例來描述本發(fā)明。因此，下面要研究的介質(zhì)是通過該表面的地下的地表下區(qū)域。
更確切地說，本發(fā)明的系統(tǒng)利用傳感器檢測地面下區(qū)域的剪切波速度，該剪切波是通過脈沖發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)的方式而引起的。
現(xiàn)參見附圖中的圖1描述依照本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)。
主要說來，系統(tǒng)10包括三個(gè)單元或系統(tǒng)部件傳感組件12；能量脈沖發(fā)生器14，(下面稱之為EIG)；以及用戶計(jì)算接口16(下面稱之為UCI)。
如圖1所示，傳感組件12包括位于表面20的不同位置上的位移傳感器18。傳感組件12包括許多傳感器18，這些傳感器包括依次位于不同位置上的一個(gè)或多個(gè)傳感器18。在依照本發(fā)明的系統(tǒng)10的特定實(shí)施例中，傳感組件12包括四個(gè)傳感器。顯然，其它傳感器數(shù)量也是可行的。傳感器18的作用是檢測表面20上響應(yīng)能量脈沖發(fā)生器14產(chǎn)生的沖擊脈沖串的位移。
傳感組件12的每個(gè)位移傳感器18和能量脈沖發(fā)生器14都通過通信接口21與用戶計(jì)算接口16相連?？刹捎枚喾N不同的技術(shù)將傳感器18與用戶計(jì)算接口16連接起來。例如，通信接口21可包括光纜、同軸電纜、多芯電纜、光鏈路、RF鏈路，圖1中用標(biāo)記22表示?？梢赃x擇的是，可考慮將多路復(fù)用裝置用于通信接口21。通信接口21用于在系統(tǒng)部件之間傳遞包括指令和/或數(shù)據(jù)在內(nèi)的消息。
如圖2到4所示，傳感器18護(hù)在外殼內(nèi)。外殼可包括板27和用頂蓋25封閉的罩殼24。如果表面20不太硬，位移傳感器18可通過安裝在板27上的螺紋連接26與表面20結(jié)合，罩殼24可插在板27上，并通過板27的邊緣28固定(參見圖2a)?？梢赃x擇的是，在表面20太硬的情況下，板27可通過粘結(jié)劑29固定在表面20上(參見圖2b)，或者甚至簡單地放在表面20上。
罩殼24設(shè)有通信連接器30(參見圖3)，用以通過與通信接口21的連接22與用戶計(jì)算接口16相連(參見圖1)。
要注意的是，頂蓋25還支撐著震動吸收元件32和阻尼元件34，它們與罩殼24上結(jié)合的震動吸收元件32’和阻尼元件34’對稱設(shè)置，頂蓋25支撐著任選的通信天線36或擴(kuò)散器(未示出)。
如圖4的剖面圖所示，半導(dǎo)體基板42護(hù)在罩殼24內(nèi)。在支撐著應(yīng)變儀44和電阻46、48(如圖5所示)的半導(dǎo)體基板42的開口40內(nèi)支撐著質(zhì)量塊38。質(zhì)量塊38可響應(yīng)加速度而移動。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解的是，由于表面20下方的表面下區(qū)域中產(chǎn)生的剪切波引起的質(zhì)量塊38的移動，引起了半導(dǎo)體基板42上的應(yīng)變。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員要理解的是，半導(dǎo)體基板42及其所支撐的元件(質(zhì)量塊38，應(yīng)變儀44，電阻46等)概括稱為加速度計(jì)或加速度計(jì)組件或單元?？蓪⒓铀俣扔?jì)概括定義為這樣一種裝置它的響應(yīng)與它所接觸的物質(zhì)(例如該情況下是表面)的加速度呈線性比例關(guān)系。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解的是，加速度計(jì)或傳感器18無需直接與表面接觸。也可以考慮與其它中間元件或介質(zhì)接觸。
如圖6所示，位移傳感器18的等效電路包括四個(gè)應(yīng)變儀44和兩個(gè)電阻46，它們形成了惠斯登電橋。該電橋的一條對角線與DC電壓源50相連，而電橋的另一對角線用作應(yīng)變敏感電路的輸出，它與放大單元52相連。按照下面要解釋的，應(yīng)變儀44用作將半導(dǎo)體基板42上的機(jī)械形變轉(zhuǎn)換成電信號(或其它類型的信息承載信號)的傳感器。按照下面要描述的，電阻48用于校正目的。
應(yīng)變儀44用于記錄測試過程中表面下區(qū)域的移動，并通過質(zhì)量塊38傳送給位移傳感器18。可通過匹配電阻46對它們實(shí)施溫度補(bǔ)償。要注意的是，圖5的傳感電路的高度對稱性因惠斯登電橋在一定溫度范圍上的衡平性也有助于溫度補(bǔ)償。
應(yīng)變儀44可粘在半導(dǎo)體基板42的頂部，通過沉積設(shè)置在基板42上，直接刻在上面。通過本領(lǐng)域的公知技術(shù)直接刻蝕半導(dǎo)體基板42保證了應(yīng)變儀44的最優(yōu)位置以及溫度失配最小，于是使得應(yīng)力集中最小，從而可以制造出高度靈敏的位移傳感器18。
位移傳感器18還包括接口板53(在此還稱為接口單元)，如圖4中所示，它支撐著與通信連接器30和/或天線36相結(jié)合的所需通信電路。通信電路的一個(gè)功能是調(diào)制代表表面加速度的信號(例如由惠斯登電橋獲得的信號)。調(diào)制包括對信號的所有變換，以備借助通信接口21發(fā)送。如圖6所示，位移傳感器18還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器47、發(fā)射電路49(也稱為傳感器通信裝置)和控制電路57。控制裝置57用于電源管理，以便在校正過程中將放大單元52的放大電平和殘留誤差調(diào)整到預(yù)定值。在基板42上可添加頻率濾波裝置(未示出)、補(bǔ)償與線性化裝置(未示出)，用以改變惠斯登電橋的電信號。在本發(fā)明的實(shí)施例中，基板42還包括存儲器裝置和處理器(圖2-6中都未示出)?？刂齐娐?7還可設(shè)定模數(shù)轉(zhuǎn)換器47的動態(tài)范圍。
當(dāng)然，電路類型還部分取決于位移傳感器18和用戶計(jì)算接口16之間的通信接口21的通信22的類型。
位移傳感器18既可以由外部供電，也可以通過集成的電源54、如位于半導(dǎo)體基板42底下的電池內(nèi)部供電(參見圖4)。為了方便，這些電池可位于罩殼內(nèi)，或者甚至放在位于罩殼24外部的額外罩殼內(nèi)。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，傳感器18可通過射頻信號外部供電。
按照上面相對圖2a和2b所解釋的，每個(gè)位移傳感器18都簡單地放在表面20上，或者通過粘接劑29固定在表面20上(圖2b)，或者通過螺紋連接26固定在表面20上(圖2a)。
結(jié)合在頂蓋25上的阻尼元件34以及結(jié)合在罩殼24上的對應(yīng)阻尼元件34’可由彈性或類凝膠材料制成。通過保證在一定溫度范圍上對能量的恒定吸收，并假設(shè)它們由耐疲勞的材料如氯丁橡膠或硅樹脂制成，它們可優(yōu)化阻尼因子，并有助于讓信號質(zhì)量最優(yōu)。
實(shí)際上，如果在振幅和相位失真的意義上進(jìn)行評估，位移傳感器18的性能主要取決于裝置的放大因子和阻尼因子。
震動吸收墊32和32’在保護(hù)位移傳感器18不受例如處理過程中的過度震動方面很有效。
為了密封位移傳感器18和保護(hù)其不受不利環(huán)境影響，在蓋25和罩殼24之間設(shè)置了熱塑性的彈性密封制品或橡膠接頭55(見圖4)。
需要指出的是，本發(fā)明的位移傳感器18包括集成了應(yīng)變儀44、放大器52和控制電路57的半導(dǎo)體基板42，它能降低噪信比，因此也減少了向UIC 16發(fā)送過程中的信號污染。倘若需要，位移傳感器18還可包括模數(shù)倒相器47，它也有助于降低發(fā)送過程中的噪信比。
此外，本領(lǐng)域的人可以認(rèn)識到，利用半導(dǎo)體應(yīng)變儀44可以比利用傳統(tǒng)箔式應(yīng)變儀獲得更優(yōu)的增益。
還要強(qiáng)調(diào)的是，利用質(zhì)量塊38有助于提高響應(yīng)性，因此也提高了應(yīng)變儀組件的測量能力。
本領(lǐng)域公知的是，依照該公開的位移傳感器18可這樣操作在沒有加速度的情況下向電路供電時(shí)，基板42不產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變儀44的電阻維持在其原始電平，從而電路的輸出信號為零。在產(chǎn)生了加速度時(shí)，有外力施加在質(zhì)量塊38上，這使得基板42發(fā)生形變，由于基板42使應(yīng)變儀44彎曲變形，從而導(dǎo)致電阻元件的電阻值變化。該形變改變了應(yīng)變儀44的標(biāo)稱電阻，使得惠斯登電橋的平衡條件被打破，電路產(chǎn)生電壓輸出。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解的是，通過對該輸出電壓的分析可以獲得測試過程中表面下區(qū)域的特征。
現(xiàn)在參照附圖7描述能量脈沖發(fā)生器14。
能量脈沖發(fā)生器14包括彈簧60，該彈簧被設(shè)定成受電動機(jī)組件62的壓制以便存儲能量，并通過卡鎖66拉緊沖擊頭組件64?？赏ㄟ^觸發(fā)拉住卡鎖66的電磁閥68來釋放沖擊頭組件64，由此釋放沖擊頭組件64，使得彈簧60拉伸。
顯然，彈簧的動力源(在此舉出電動機(jī)組件62來說明)可以是氣動、液壓、電動或機(jī)械源。
彈簧60反作用于沖擊頭組件64的慣性，并在沖擊時(shí)給出脈沖，它也用作沖擊頭組件64的制動裝置，用以避免沖擊頭組件在沖擊后回彈。
位于例如卡鎖66上的應(yīng)變儀電路(更概括地說，也稱為應(yīng)變測量裝置)或位于沖擊頭組件64上的加速度計(jì)67用于通過與從UCI 16發(fā)給EIG14控制電路的能量命令作比較來監(jiān)測存儲到彈簧60中的能量。
設(shè)置阻尼器72來吸收該組件上產(chǎn)生的震動，同時(shí)能量脈沖發(fā)生器14通過沖擊頭組件64沖擊所要分析的元件而發(fā)出能量脈沖。
控制電路(未示出)可以監(jiān)控EIG 14釋放的能量和整個(gè)操作。EIG 14還可包括其它電路(未示出)，例如操縱和管理EIG 14的處理器；以及存儲器裝置。存儲器裝置包括各類存儲器，如隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)等。RAM可用在計(jì)算過程，用于數(shù)據(jù)存儲和時(shí)間戳記錄(從處理器84或傳感器單元開始到被發(fā)射或傳遞)。ROM包括初始化編碼、起始序列等。EEPROM包括操作算法、圖表、傳感器標(biāo)識等。EEPROM數(shù)據(jù)可通過通信接口21來接收。
設(shè)置電源組件65用于容納電池。它也為EIG 14的整個(gè)結(jié)構(gòu)增加了重量。電源組件65包括可充電電池。電池可通過接觸或不接觸(例如通過RF)方式充電。通過直接電纜饋電供應(yīng)電力是任選的。
EIG 14利用螺紋連接26或其它與用于位移傳感器18的連接方式以及上述連接方式相類似的結(jié)合方式固定到表面20上。結(jié)合裝置的其它例子包括砝碼、磁性材料、粘結(jié)材料、“Ramset”或爆裂驅(qū)動型錨定裝置等?？梢岳斫獾氖?，這類結(jié)合裝置也可用于傳感器18。
用于激勵(lì)上述沖擊發(fā)生過程的能量可通過由用戶計(jì)算接口16(UCI)發(fā)出的命令釋放，并通過電纜、光學(xué)信號或射頻信號發(fā)送給EIG 14。該命令觸發(fā)了該機(jī)構(gòu)的負(fù)荷與卸荷，于是EIG 14輸出能量脈沖。
圖1列舉的用戶計(jì)算接口(UCI)16包括許多子系統(tǒng)用戶接口系統(tǒng)，包括鍵盤、電源和功能鍵，顯示屏和/或觸摸屏和/或語音識別裝置；設(shè)備接口，它與其它輸出裝置如打印機(jī)(未示出)相連；具有IEG的接口系統(tǒng)；信號收集系統(tǒng)，用以從傳感組件12的位移傳感器18收集數(shù)據(jù)；處理系統(tǒng)，它進(jìn)行計(jì)算，并一起管理各個(gè)接口；以及與其它計(jì)算機(jī)連接的計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)。
當(dāng)然，UCI 16存儲著程序或算法，它們例如能控制能量脈沖發(fā)生器14和位移傳感器18，并從傳感組件12的位移傳感器18收集和存儲數(shù)據(jù)。此外，該程序還分析收集到的數(shù)據(jù)，以計(jì)算出表面以下介質(zhì)的某些性質(zhì)和特征，并將它們顯示出來。
要注意的是，每個(gè)不同的組件都能以自主方式操作，或者可通過中央單元供電。
更令人感興趣的是，如果UCI 16內(nèi)存儲的程序和軟件適當(dāng)，本發(fā)明的系統(tǒng)可用于各種用途。
例如，在地質(zhì)測試領(lǐng)域，本發(fā)明的系統(tǒng)可用于采礦業(yè)中檢測地下的礦囊或缺陷。舉一個(gè)進(jìn)一步的例子，在軍事領(lǐng)域，本發(fā)明的系統(tǒng)可用于研究地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，以便有效地進(jìn)行定向爆破或者揭開隱匿處。本發(fā)明可用于向所謂的“JTIDS”(“Joint Tactical Information DistributionSystem”)之類的系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。
另外，本領(lǐng)域的人們可以預(yù)見到，可加上GPS或陀螺儀系統(tǒng)為傳感組件12的每一個(gè)位移傳感器18和EIG 14定位。一個(gè)可能的應(yīng)用涉及識別地下洞穴并確定其空間坐標(biāo)?？蔀閁CI 16引入一種能利用全球定位系統(tǒng)(GPS)繪制用于地下隱藏的掩蔽所、設(shè)備等體積的算法。尤其在軍事應(yīng)用中，該算法還能檢測所有結(jié)構(gòu)缺陷，以便為了對洞穴或地下隱藏區(qū)域造成最大損害而為戰(zhàn)斗裝藥的戰(zhàn)略性投放制訂計(jì)劃。
假設(shè)為UCI 16引入了適當(dāng)算法，可采用本發(fā)明的系統(tǒng)10的另一可行應(yīng)用是通信領(lǐng)域，其利用了低頻剪切波在長距離或大深度上傳播的性質(zhì)。該專用的用戶計(jì)算接口16可在地面上執(zhí)行單向或雙向通信、檢測、識別和定位位移。在這種應(yīng)用中，系統(tǒng)10用作發(fā)射機(jī)機(jī)電裝置，它將各種頻率的能量引到地上，產(chǎn)生地波。由于低頻率的剪切波可深深傳到地中，并可長距離傳播，而高頻波只能短距離傳播，因此通信信號由按照頻率和相對幅度調(diào)制的能量信號組成，它能啟動、傳送和終止預(yù)定的通信協(xié)議。由于復(fù)雜地球物理環(huán)境引起的各種影響，發(fā)出的信號在其穿過的途中時(shí)域和頻域(frequency domain)受到干擾。在接收端使用的傳感組件12與UCI16一起還原該信號，以便重建該頻域及其隨時(shí)間的變化。它的高頻成分用作可靠地定位信號源的工具。
另外，位移傳感器18的分布能定位發(fā)射機(jī)或由軍隊(duì)、運(yùn)動的汽車或地面上的沖擊產(chǎn)生的任何信號源的三角測量。重建輸入信號以后，UCI 16可以處理模式識別數(shù)據(jù)庫，以便進(jìn)行特征匹配，并識別發(fā)射源。
圖8示出了依照本發(fā)明的另一實(shí)施例的傳感器80。傳感器80包括加速度計(jì)88，它的響應(yīng)相關(guān)于與傳感器80接觸的表面20。加速度計(jì)88包括應(yīng)變儀、電容器、或壓電裝置。于是加速度計(jì)88是傳統(tǒng)型的加速度計(jì)，但也可以采用其它技術(shù)，例如Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)或Nano Electrical Mechanical Systems(NEMS)。
將加速度計(jì)88產(chǎn)生的代表加速度的信號(電或其它等效信息承載型信號)饋送給放大器90。在列舉的實(shí)施例中，放大器90是自動增益放大器。所以放大器90用于增大傳感器80的動態(tài)范圍。放大器90的增益?zhèn)鹘o處理器84，進(jìn)而它將影響RF通信電路102發(fā)出的信號。
信號經(jīng)過放大器90后傳給低通濾波器92。低通濾波器92消除了在頻域中的頻譜混疊和時(shí)域中的失真。然后采樣和保持裝置94接收信號，對其采樣，并將其保持到足以讓模數(shù)轉(zhuǎn)換器96實(shí)施模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換的時(shí)間。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解的是，可以增加第二組的加速度計(jì)(未示出)、放大器(未示出)和低通濾波器(未示出)，第二組與前面描述的第一組并行，并向采樣和保持裝置94饋送信號。上述傳感器80用作簡單的加速度計(jì)。由于第二加速度計(jì)被布置成能拾取在垂直于加速度計(jì)88的軸線的軸線上的加速度，傳感器80成為測斜儀。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，傳感器80包括第三組的加速度計(jì)(未示出)、放大器(未示出)和低通濾波器(未示出)，它與前述的第一和第二組并行，并向采樣和保持裝置94饋送信號。由于第三加速度計(jì)被布置成能拾取在垂直于加速度計(jì)88和第二加速度計(jì)的軸線的軸線上的加速度，傳感器80成為陀螺儀。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解的是，可利用加速度計(jì)88輸出的代表加速度的信號在時(shí)間上的積分計(jì)算速度。人們可以通過速度對時(shí)間的積分計(jì)算距離。這些計(jì)算可在處理器84內(nèi)進(jìn)行。
參見圖8所示的實(shí)施例，模數(shù)轉(zhuǎn)換器96的信號發(fā)送給低通濾波器98，它將去掉不想要的頻率。低通濾波器98還可被包括在模數(shù)轉(zhuǎn)換器96中。為了去除(振幅或相位上的)所有失真，可在補(bǔ)償和線性化裝置100內(nèi)對信號進(jìn)行補(bǔ)償和線性化。補(bǔ)償和線性化裝置100將信號線性化，以保證頻率成分的性能均一，線性化裝置100還可擴(kuò)展信號的頻譜。
最終信號發(fā)送給通信電路102。通信電路102通過通信接口21接收消息，并向UCI 16或與傳感器組件12類似的傳感組件中的其它傳感器80(未示出)發(fā)送消息，消息包括指令和/或數(shù)據(jù)消息。典型的指令包括重置；初始化；下載；新算法；線性化；補(bǔ)償和識別參數(shù)(發(fā)送或下載)；校正；傳輸方式(例如直接，網(wǎng)絡(luò))；啟動采樣；能量保存等。在網(wǎng)絡(luò)模式中，通信協(xié)議將建立把傳感器的數(shù)據(jù)傳送給傳感器、最終傳給UCI 16的最佳路徑。由此傳感器80就用作數(shù)據(jù)中繼?？杀Ｗo(hù)通信電路102不受電磁干擾。在本發(fā)明的實(shí)施例中，每個(gè)傳感器80都有其自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(Internet Protocol-IP)地址，由此可以訪問它們。
傳感器80還包括能操縱并管理傳感器80的處理器84。傳感器80包括存儲器裝置86。存儲器裝置86包括各類存儲器，例如隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、電可擦可編程ROM(EEPROM)等。RAM可用在計(jì)算過程中，用于數(shù)據(jù)存儲、以及時(shí)間戳記錄(從處理器84或另一傳感器80開始，到被發(fā)送或傳遞)。ROM包括初始化編碼、起始序列等。EEPROM包括操作算法、圖表、傳感器標(biāo)識等。EEPROM數(shù)據(jù)可通過通信接口21接收。
傳感器80的電力可由電源82提供。電源82包括可再充電的電池。電池可通過接觸或不接觸(例如通過RF)方式再充電。通過直接電纜饋電的供電方式也是一種選擇。
任選的是，傳感器80還包括定位電路(未示出)，例如電子陀螺儀或全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，外殼104包括三個(gè)部分。外殼104被氣密地密封，以保護(hù)其所有部件不受外部元件影響。第一部分106保持著電池和功率調(diào)整電路。第二部分108保持著零件84-100以及定位電路(未示出)。第三部分110保持著通信電路102。第三部分110的表面是導(dǎo)電的，由此提供了電磁屏障，用以保護(hù)通信電路102不受電磁干擾(EMI)。
盡管上面通過優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但在不脫離所附權(quán)利要求限定的主題發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)范圍的情況下，可對其進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.一種用于獲得表面以下介質(zhì)的特征的剖面勘探系統(tǒng)，所述剖面勘探系統(tǒng)包括多個(gè)系統(tǒng)部件，這些部件通過通信接口交換消息，所述系統(tǒng)部件包括a.能量脈沖發(fā)生器，用以向所述表面發(fā)送能量脈沖，它包括發(fā)生器通信裝置，用以與其它系統(tǒng)部件交換所述消息。b.包括傳感器的傳感組件，每個(gè)所述傳感器都包括加速度計(jì)，用以檢測所述表面上的由所述能量脈沖引起的加速度，并產(chǎn)生表示所述加速度的信號，每個(gè)所述傳感器都包括接口通信裝置，用以發(fā)送所述代表所述加速度的信號，并通過所述通信接口與其它系統(tǒng)部件交換消息；以及c.用戶計(jì)算接口，它包括接口通信裝置，用以接收所述代表所述加速度的信號，并通過所述通信接口與其它系統(tǒng)部件交換所述消息；以及接口處理器，用以對所述接到的代表所述加速度的信號進(jìn)行處理，產(chǎn)生所述表面以下的所述介質(zhì)的所述特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的剖面勘探系統(tǒng)，其中每一個(gè)所述系統(tǒng)部件都包括用于產(chǎn)生消息的處理器，其中各個(gè)系統(tǒng)部件中的通信裝置能夠直接將所述消息從每個(gè)所述傳感器和所述脈沖發(fā)生器傳遞給所述用戶計(jì)算接口，反之亦然。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的剖面勘探系統(tǒng)，其中每個(gè)所述系統(tǒng)部件都包括用于產(chǎn)生消息的處理器，其中各個(gè)系統(tǒng)部件中的通信裝置能夠向其它系統(tǒng)部件傳遞所述消息。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的剖面勘探系統(tǒng)，其中各個(gè)系統(tǒng)部件中的通信裝置能夠與所述剖面勘探系統(tǒng)外部的通信裝置通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的剖面勘探系統(tǒng)，其中各系統(tǒng)部件中的通信裝置包括天線、光學(xué)收發(fā)器、與通信電纜相連的連接器中的至少一個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的剖面勘探系統(tǒng)，其中所述用戶計(jì)算接口包括接口處理器，用以產(chǎn)生包括指令和數(shù)據(jù)中的至少一種的消息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的剖面勘探系統(tǒng)，其中每個(gè)所述傳感器都包括傳感器處理器，所述脈沖發(fā)生器包括發(fā)生器處理器，所述傳感器和發(fā)生器處理器用來處理所述來自所述用戶計(jì)算接口的所述消息。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的剖面勘探系統(tǒng)，其中每個(gè)所述系統(tǒng)部件包括與其各處理器相連的存儲器裝置，用以存儲指令和數(shù)據(jù)中的至少一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的剖面勘探系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)包括唯一的系統(tǒng)部件標(biāo)識。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的剖面勘探系統(tǒng)，其中每個(gè)所述系統(tǒng)部件都包括電源。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的剖面勘探系統(tǒng)，其中每個(gè)所述系統(tǒng)部件還包括與其各自的處理器相連的定位電路。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的剖面勘探系統(tǒng)，其中所述定位電路包括陀螺儀和全球定位系統(tǒng)中的至少一種。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的剖面勘探系統(tǒng)，其中所述用戶計(jì)算接口還包括顯示器，用以顯示所述表面以下的所述介質(zhì)的所述特征。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的剖面勘探系統(tǒng)，其中所述用戶計(jì)算接口還包括用于接收來自用戶指令的用戶輸入裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的剖面勘探系統(tǒng)，其中所述輸入裝置包括鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、和語音識別裝置中的至少一種。
16.一種用于檢測表面上的加速度的傳感器，所述傳感器通過通信接口與計(jì)算裝置交換消息，所述傳感器包括a.加速度計(jì)，用以輸出代表所述加速度的信號；以及b.包括發(fā)射電路的接口單元，所述接口單元接收代表所述加速度的信號，并對其進(jìn)行調(diào)制，以便向所述計(jì)算裝置發(fā)送。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述加速度計(jì)包括半導(dǎo)體基板。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中所述半導(dǎo)體基板包括應(yīng)變儀、電容器和壓電裝置中的至少一種。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述接口單元還包括用于放大所述電信號的放大單元。
20.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述代表所述加速度的信號包括模擬電信號，其中所述接口單元還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用以將所述模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
21.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其中所述接口單元還包括控制電路，用以控制所述放大單元的放大電平和所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍中的至少一個(gè)。
22.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其中所述接口單元還包括頻率濾波器，用以對所述模擬的電信號進(jìn)行濾波。
23.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，還包括電源，用以向所述基板和所述接口單元供電。
24.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其中向所述基板和所述接口單元供電的電源設(shè)置在所述傳感器外部。
25.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中所述的半導(dǎo)體基板包括直接刻蝕在所述半導(dǎo)體基板上的應(yīng)變儀、沉積放置在所述半導(dǎo)體基板上的應(yīng)變儀、以及粘結(jié)在所述半導(dǎo)體基板上的應(yīng)變儀的至少一種。
26.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中所述半導(dǎo)體基板包括兩個(gè)應(yīng)變儀組件和兩個(gè)匹配電阻，它們構(gòu)成了惠斯登電橋，所述兩個(gè)應(yīng)變儀組件位于所述惠斯登電橋的兩個(gè)相對支路上，所述兩個(gè)匹配電阻位于所述惠斯登電橋的另外兩個(gè)相對支路上。
27.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其中兩個(gè)所述應(yīng)變儀組件中的每一個(gè)都包括兩個(gè)并聯(lián)連接的應(yīng)變儀。
28.根據(jù)權(quán)利要求12所述的傳感器，其中所述基板包括與所述兩個(gè)匹配電阻之一并聯(lián)設(shè)置的校正電阻。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述發(fā)射電路包括天線、和光學(xué)收發(fā)器中的至少一個(gè)，用以傳遞通過所述通信接口的所述調(diào)制信號和消息中的至少一種。
30.根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳感器，它還包括與所述加速度計(jì)和所述接口單元相連的處理器，用以對它們進(jìn)行控制和管理。
31.根據(jù)權(quán)利要求15所述的傳感器，它還包括與所述處理器相連的存儲器裝置，用以存儲代表所述加速度的所述信號采樣和用于操縱所述處理器的指令中的至少一種。
32.根據(jù)權(quán)利要求16所述的傳感器，其還包括與所述處理器裝置相連的定位電路。
33.根據(jù)權(quán)利要求17所述的傳感器，其中所述定位電路包括陀螺儀和全球定位系統(tǒng)中的至少一種。
34.一種傳感組件，它至少包括兩個(gè)如權(quán)利要求16所述的傳感器。
35.根據(jù)權(quán)利要求19所述的傳感組件，其中所述至少兩個(gè)傳感器彼此相通信。
36.根據(jù)權(quán)利要求20所述的傳感器組件，其中所述存儲器裝置存儲著所述至少兩個(gè)傳感器的每一個(gè)的唯一標(biāo)識符。
37.一種用于檢測表面上的加速度的傳感器，所述傳感器通過通信接口與計(jì)算裝置交換消息，所述傳感器包括a.包括加速度計(jì)的基板，所述加速度計(jì)用于輸出代表所述加速度的信號；b.與所述基板相結(jié)合的質(zhì)量塊，所述質(zhì)量塊響應(yīng)所述加速度而移動；以及c.包括發(fā)射電路的接口單元，所述接口單元接收代表所述位移的所述信號，并對它進(jìn)行調(diào)制，以便發(fā)送給所述計(jì)算裝置。
38.根據(jù)權(quán)利要求22所述的傳感器，其中所述加速度計(jì)包括半導(dǎo)體基板。
39.根據(jù)權(quán)利要求23所述的傳感器，其中所述半導(dǎo)體基板包括一開口，開口中支持著所述質(zhì)量塊。
40.根據(jù)權(quán)利要求22所述的傳感器，它還包括a.支持著所述半導(dǎo)體基板的外殼；以及b.安裝在所述外殼和所述質(zhì)量塊之間的阻尼裝置。
41.根據(jù)權(quán)利要求25所述的傳感器，其中所述阻尼裝置包括耐疲勞材料。
42.根據(jù)權(quán)利要求26所述的傳感器，其中所述耐疲勞材料至少包括氯丁橡膠和硅樹脂中的一種。
43.根據(jù)權(quán)利要求27所述的傳感器，它還包括位于所述阻尼裝置和所述外殼之間的震動吸收元件。
44.根據(jù)權(quán)利要求25所述的傳感器，其中所述外殼包括底板，該底板提供了所述傳感器和所述表面之間的物理界面。
45.根據(jù)權(quán)利要求29所述的傳感器，其中所述外殼還包括安裝在所述底板上的罩殼。
46.根據(jù)權(quán)利要求31所述的傳感器，其中所述外殼還包括密封地安裝在所述罩殼上的頂蓋。
47.根據(jù)權(quán)利要求29所述的傳感器，其中所述底板包括將所述傳感器與所述表面結(jié)合起來的結(jié)合裝置。
48.根據(jù)權(quán)利要求32所述的傳感器，其中所述結(jié)合裝置包括螺紋連接、粘接劑、砝碼、磁性材料裝置、以及爆裂驅(qū)動型錨定裝置中的至少一種。
49.根據(jù)權(quán)利要求33所述的傳感器，其中所述外殼包括導(dǎo)電表面，用于基本屏蔽所述傳感器不受電磁干擾。
50.根據(jù)權(quán)利要求34所述的傳感器，其中所述發(fā)射電路包括天線、IR擴(kuò)散器中的至少一個(gè)，用以傳遞所述通過所述通信接口的調(diào)制信號和消息中的至少一種。
51.根據(jù)權(quán)利要求33所述的傳感器，它還包括與所述加速度計(jì)和所述接口相連的處理器，用以對它們進(jìn)行控制和管理。
52.根據(jù)權(quán)利要求36所述的傳感器，它還包括與所述處理器相連的存儲器裝置，用以存儲采集的所述電信號和操縱所述處理器的指令中的至少一種。
53.根據(jù)權(quán)利要求37所述的傳感器，它還包括與所述處理器裝置相連的定位電路。
54.根據(jù)權(quán)利要求38所述的傳感器，其中所述定位電路至少包括陀螺儀和全球定位系統(tǒng)中的一種。
55.一種至少包括兩個(gè)如權(quán)利要求22所述的傳感器的傳感組件。
56.根據(jù)權(quán)利要求40所述的傳感組件，其中所述至少兩個(gè)傳感器是彼此通信聯(lián)系的。
57.根據(jù)權(quán)利要求41所述的傳感組件，其中所述存儲器裝置存儲著所述至少兩個(gè)傳感器的每一個(gè)的唯一標(biāo)識符。
58.用于檢測表面上的位移的傳感器，所述傳感器與計(jì)算裝置通信聯(lián)系，它包括半導(dǎo)體基板，該基板集成了用于輸出代表所述位移的電信號的半導(dǎo)體應(yīng)變儀；放大器單元，用以放大所述電信號；以及控制電路，用以控制放大電平。
59.根據(jù)權(quán)利要求43所述的傳感器，其中所述電信號包括模擬電信號，其中所述半導(dǎo)體基板還集成了將所述模擬電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中所述控制電路控制著所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍。
60.用于向表面發(fā)送能量脈沖的能量脈沖發(fā)生器，所述發(fā)生器通過通信接口與計(jì)算裝置交換消息，所述發(fā)生器包括a.外殼；b.在所述外殼內(nèi)以可移動方式至少安裝在靜止位置、鎖定位置和沖擊位置之間的沖擊組件，借此，所述沖擊組件在所述沖擊位置向所述表面發(fā)送所述能量脈沖；以及c.與所述沖擊組件相結(jié)合的能量存儲裝置，借此，所述能量存儲裝置在所述鎖定位置能向所述沖擊組件釋放特定量的能量，由此所述特定量的能量一釋放出來，所述沖擊組件就從所述鎖定位置移到所述沖擊位置，然后回到所述靜止位置；其中所述計(jì)算裝置控制著所述特定量能量向所述沖擊組件的釋放。
61.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，它還包括安裝在所述外殼內(nèi)的電源，所述電源向所述能量存儲裝置提供特定量的能量。
62.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)生器，其中所述計(jì)算裝置控制著所述電源，由此也控制著特定量的能量。
63.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)生器，其中所述電源包括電動機(jī)組件。
64.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)生器，所述電動機(jī)組件包括氣動機(jī)、液壓機(jī)、電動機(jī)、和機(jī)械機(jī)中的至少一種。
65.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，它還包括安裝在所述外殼內(nèi)的釋放機(jī)構(gòu)，用以在所述計(jì)算裝置的控制下以可釋放的方式鎖定所述沖擊組件。
66.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)生器，其中所述釋放機(jī)構(gòu)還包括與所述沖擊組件接觸、并且可在鎖定位置和未鎖定位置之間移動的卡鎖。
67.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)生器，其中所述釋放機(jī)構(gòu)還包括與所述卡鎖結(jié)合的電磁閥，用以控制所述卡鎖的移動。
68.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)生器，其中所述卡鎖還包括應(yīng)變測量裝置和用于監(jiān)測所述能量存儲裝置中存儲的能量的加速度計(jì)中的至少一個(gè)。
69.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，其中所述能量存儲裝置包括偏置裝置。
70.根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)生器，其中所述偏置裝置包括彈簧。
71.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)生器，其中所述沖擊組件包括安裝在一個(gè)軸部件上的沖擊頭，其中所述彈簧安裝在所述沖擊頭和所述外殼之間。
72.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，它還包括安裝在所述外殼上的結(jié)合裝置，用以實(shí)現(xiàn)所述發(fā)生器與所述表面的結(jié)合。
73.根據(jù)權(quán)利要求14所述的發(fā)生器，其中所述結(jié)合裝置包括螺紋連接、粘接劑、砝碼、磁性材料和爆裂驅(qū)動型錨定裝置中的至少一種。
74.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，其中所述沖擊組件包括安裝在軸部件上的沖擊頭。
75.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，它還包括安裝在所述外殼內(nèi)的發(fā)生器通信裝置，所述通信裝置可通過所述通信接口與所述計(jì)算裝置交換消息。
76.根據(jù)權(quán)利要求16所述的發(fā)生器，其中所述通信裝置包括天線和光學(xué)收發(fā)器中的至少一種。
77.根據(jù)權(quán)利要求17所述的發(fā)生器，其中所述外殼包括導(dǎo)電表面，用以基本屏蔽所述通信裝置不受電磁干擾。
78.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，它還包括安裝在外殼內(nèi)的控制電路，用以監(jiān)測所述能量存儲裝置釋放出的實(shí)際量的能量。
79.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)生器，它還包括安裝在所述外殼內(nèi)的釋放結(jié)構(gòu)，用以在所述計(jì)算裝置的控制下以可釋放的方式鎖定所述沖擊組件。
80.根據(jù)權(quán)利要求20所述的發(fā)生器，它還包括與所述電源和所述釋放機(jī)構(gòu)中的至少一個(gè)相連的處理器，用以對它們進(jìn)行控制和管理。
81.根據(jù)權(quán)利要求21所述的發(fā)生器，其中所述釋放機(jī)構(gòu)還包括用于監(jiān)測所述能量存儲裝置中存儲的能量的應(yīng)變測量裝置。
82.根據(jù)權(quán)利要求22所述的發(fā)生器，它還包括與所述處理器相連的存儲器裝置，用以存儲在所述能量存儲裝置內(nèi)存儲的能量采樣和用于操縱所述處理器的指令中的至少一種。
83.根據(jù)權(quán)利要求25所述的發(fā)生器，其中所述存儲器存儲了所述發(fā)生器的唯一標(biāo)識符。
84.根據(jù)權(quán)利要求21所述的發(fā)生器，它還包括與所述處理器相連的存儲器，用以存儲所述能量存儲裝置中存儲的能量采樣和用于操縱所述處理器的指令中的至少一種。
85.根據(jù)權(quán)利要求25所述的發(fā)生器，其中所述存儲器存儲著所述發(fā)生器的唯一標(biāo)識符。
86.根據(jù)權(quán)利要求26所述的發(fā)生器，其中所述發(fā)生器與其它裝置是通信聯(lián)系的。
87.根據(jù)權(quán)利要求21所述的發(fā)生器，它還包括與所述處理器相連的定位電路。
88.根據(jù)權(quán)利要求28所述的發(fā)生器，其中所述定位電路包括陀螺儀和全球定位系統(tǒng)中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種對表面以下的介質(zhì)進(jìn)行非侵入式物理分析、并顯示出結(jié)果的綜合性系統(tǒng)。該系統(tǒng)檢測剪切波的速度，對它們進(jìn)行分析，并顯示出結(jié)果。該系統(tǒng)包括三個(gè)單元傳感組件，能量脈沖發(fā)生器和用戶計(jì)算接口。
文檔編號G01V1/22GK1618029SQ02827855
公開日2005年5月18日 申請日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月20日
發(fā)明者丹尼爾·里烏 申請人:環(huán)球易邦公司