一種幅值和相位自校準的低頻巖石物理測量方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種幅值和相位自校準的低頻巖石物理測量方法及系統(tǒng)。本發(fā)明模擬地層環(huán)境，以放置巖石的金屬支撐臺作為參考基準，分別在巖石和金屬支撐臺的側面多點布置傳感器；在2Hz～2kHz頻率范圍內選取多個頻率點，分別將對應這些不同頻率但相同相位和幅值的交變電壓信號，將交變電壓信號作為標定和測量模式的激勵源，采用實時標定和測量的方式，對測量得到的電壓幅值和相位進行自校準，最后依據(jù)自校準后的幅值和相位計算巖石彈性參數(shù)和非彈性參數(shù)。系統(tǒng)主要由信號激勵模塊、機械模塊、標定與測量切換模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊構成。本發(fā)明能消除環(huán)境參數(shù)變化帶來電子測量系統(tǒng)幅值和相位的漂移，提高系統(tǒng)幅值和相位測量精度。
【專利說明】一種幅值和相位自校準的低頻巖石物理測量方法及系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于巖石物理特性分析【技術領域】，具體涉及一種幅值和相位自校準的低頻巖石物理測量系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]巖石物理特性研究的重要性在于它能很好地解釋地表地球物理觀測結果，為地質正反演提供科學的數(shù)據(jù)資料，標度地球物理參數(shù)。巖石的物理性質主要是由組成巖石礦物的性質、巖石所處的熱力學環(huán)境(溫度和壓力)以及巖石微構造(孔隙、裂紋)三類因素所決定的。通過對巖石樣品物理性質的測量，就能獲得地下巖層的整體性質，就能獲得地層下油氣、礦物和兀素分布的信息。
[0003]迄今為止，基于巖石中波傳播性質的地震方法是目前地球物理勘探中最主要的方法。巖石中可能產(chǎn)生兩類彈性波(頻率在2kHz以下)，一類是縱波，也就作P波，其質點運動方向與波傳播方向平行；另一類是橫波，也叫S波,它的質點運動方向與波傳播方向垂直。巖石受到外力而在與該力平行和垂直的兩個方向上發(fā)生的形變就是P波和S波在巖石中傳播的宏觀體現(xiàn)。
[0004]實驗室測量P波和S波以及波速衰減的方法很多，但各種方法能夠測量的頻率范圍不同，每種方法只適用于一定的頻率范圍。 [0005]描述巖石彈性參數(shù)的量有拉梅常數(shù)λ ,剪切模量μ ,體積模量K,楊氏模量Ε,泊松比Y，彈性波波速VP、Vs等。事實上，這些參數(shù)中只有兩個量是相互獨立的，并且他們均可以由應力O、縱向應變ε丄和橫向應變^ll三個量推導出。因此，巖石彈性參數(shù)的測量就轉化為應力、縱向應變和橫向應變的測量。
[0006]由于巖石并不是理想的彈性體，它還表現(xiàn)出一定的非彈性性質。采用巖石的品質因子Q (與衰減系數(shù)α成反比)來表征巖石的非彈性性，Q值越小，非彈性特性就越突出，對于完全彈性體，Q=⑴。在低頻巖石物理測量中，我們給巖石施加的并非一個恒定的壓力，而是一個交變的應力，g卩O =O pin cot。巖石的非彈性特征就通過縱向應變或橫向應變與應力σ之間的相位差Θ表現(xiàn)出來。因此，巖石非彈性參數(shù)的測量就化為應力與應變(縱向或橫向均可)之間相位差的測量。
[0007]現(xiàn)有的巖石應力-應變測量方法沒有考慮電子系統(tǒng)在測量一個信號的幅值和相位時，往往會受諸多因素影響，如溫度、時間以及信號頻率的改變都會導致測量值與真實值有很大偏差。休斯頓大學巖石物理研究所關于低頻巖石物理測量的實驗結果表明，固定一個信號的幅值和相位，當信號頻率變化時，電路部分實際測量的幅值和相位也隨之變化，尤其是相位甚至發(fā)生了反轉。

【發(fā)明內容】

[0008]針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明的目的是在于提供了一種幅值和相位自校準的低頻巖石物理測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能消除環(huán)境參數(shù)變化帶來電子測量系統(tǒng)幅值和相位的漂移，提高系統(tǒng)幅值和相位測量精度。
[0009]一種幅值和相位自校準的低頻巖石物理測量方法，具體為:
[0010](1)搭建測量環(huán)境步驟:
[0011]將圓柱形巖石置于金屬支撐臺上并處于圍壓容器內，向圍壓容器內泵入傳壓介質，分別在巖石的側面縱向和橫向多點布置傳感器；金屬支撐臺的上部分為截面直徑與巖石相同的圓柱形，在金屬支撐臺的圓柱形側面縱向多點布置傳感器；
[0012](2)標定步驟:
[0013]在2Hz~2kHz頻率范圍內選取多個頻率點，分別將對應這些不同頻率但相同相位和幅值的交變電壓信號輸入各位移傳感器，米集各位移傳感器的輸出交變電壓信號，對輸出交變電壓信號放大、模數(shù)轉換得到標定電壓信號；針對每一個位移傳感器，計算各頻率對應的標定電壓信號幅值V1和相位Θ 17構建標定步驟頻率點與標定電壓信號幅值和相位間的映射關系；
[0014](3)測量步驟:
[0015]向各位移傳感器輸入直流電壓信號，采用標定步驟所用的多個交變電壓信號作為激振信號產(chǎn)生交變力，將交變力施加到巖石上，巖石產(chǎn)生形變，各位移傳感器采集巖石形變量并轉換為測量電壓信號，對測量電壓信號進行放大和模數(shù)轉換；所述交變力的頻率、幅值和相位與標定步驟所用的交變電壓信號相同；針對每一個位移傳感器，計算各頻率對應的測量電壓信號幅值V2和相位θ 2，構建測量步驟頻率點與測量電壓信號幅值和相位間的映射關系；
[0016](4)幅值和相位自校準步驟:
[0017]對于每一個傳感器，計算其對應的校準后交變電壓信號的幅值Vin = VrefV2V1及相位0in= Q2-Gjeref,其中，vMf和θ 為交變電壓信號的幅值和相位；
[0018](5)巖石屬性參數(shù)計算步驟:
[0019]依據(jù)校準后交變電壓信號的幅值和相位計算巖石彈性參數(shù)和非彈性參數(shù)。
[0020]進一步地，所述步驟(5)巖石屬性參數(shù)計算步驟具體為:
[0021]計算幅值和相位均值:計算金屬支撐臺的多個傳感器校準后幅值均值--和相位均值I巖石側面縱向設置的多個傳感器校準后幅值均值Vv:和相位均值&，巖石側面橫向設置的多個傳感器校準后幅值均值71和相位均值& ；
[0022]計算巖石彈性參數(shù):巖石楊氏模量民=EmVv/Vln，巖石泊松比=Vh/Vv，巖石體積模量Kr = Er3 (1-2 λ r)，巖石拉梅常數(shù)Y r = Er λ r (1+ λ r) (1_2 λ r)，巖石縱波速度
【權利要求】
1.一種幅值和相位自校準的低頻巖石物理測量方法，具體為: (1)搭建測量環(huán)境步驟: 將圓柱形巖石置于金屬支撐臺上并處于圍壓容器內，向圍壓容器內泵入傳壓介質，分別在巖石的側面縱向和橫向多點布置傳感器；金屬支撐臺的上部分為截面直徑與巖石相同的圓柱形，在金屬支撐臺的圓柱形側面縱向多點布置傳感器； (2)標定步驟: 在2Hz~2kHz頻率范圍內選取多個頻率點，分別將對應這些不同頻率但相同相位和幅值的交變電壓信號輸入各位移傳感器，米集各位移傳感器的輸出交變電壓信號，對輸出交變電壓信號放大、模數(shù)轉換得到標定電壓信號；針對每一個位移傳感器，計算各頻率對應的標定電壓信號幅值V1和相位Θ i，構建標定步驟頻率點與標定電壓信號幅值和相位間的映射關系； (3)測量步驟: 向各位移傳感器輸入直流電壓信號，采用標定步驟所用的多個交變電壓信號作為激振信號產(chǎn)生交變力，將交變力施加到巖石上，巖石產(chǎn)生形變，各位移傳感器米集巖石形變量并轉換為測量電壓信號，對測量電壓信號進行放大和模數(shù)轉換；所述交變力的頻率、幅值和相位與標定步驟所用的交變電壓信號相同；針對每一個位移傳感器，計算各頻率對應的測量電壓信號幅值V2和相位Θ 2，構建測量步驟頻率點與測量電壓信號幅值和相位間的映射關系; (4)幅值和相位自校準步驟: 對于每一個傳感器，計算其對應的校準后交變電壓信號的幅值Vin = VrefV2V1及相位Θ in = θ 2- θ 1+ Θ %，其中，和Θ ref為交變電壓信號的幅值和相位； (5)巖石屬性參數(shù)計算步驟: 依據(jù)校準后交變電壓信號的幅值和相位計算巖石彈性參數(shù)和非彈性參數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的低頻巖石物理測量方法，其特征在于，所述步驟(5)巖石屬性參數(shù)計算步驟具體為: 計算幅值和相位均值:計算金屬支撐臺的多個傳感器校準后幅值均值?v?和相位均值Θ 豈石側面縱向設置的多個傳感器校準后幅值均值Vv和相位均值&，巖石側面橫向設置的多個傳感器校準后幅值均值Vh和相位均值ih;計算巖石彈性參數(shù):巖石楊氏模量Er = EmVvZVm，巖石泊松比\ =Vh/Vv，巖石體積模量Kr = Er3(l-2 λ J，巖石拉梅常數(shù)Y r = λ y (1+ λ J (1_2 λ r)，巖石縱波速度
3.根據(jù)權利要求1或2所述的低頻巖石物理測量方法，其特征在于，所述步驟(1)測量環(huán)境步驟中位移傳感器設置方式具體為:在巖石側壁縱向和橫向分別均勻布置四個位移傳感器，在金屬支撐臺的圓柱形側壁縱向均勻布置四個位移傳感器。
4.一種實現(xiàn)權利要求1至3任意一項所述方法的低頻巖石物理測量系統(tǒng)，包括信號激勵模塊，其輸入端連接數(shù)據(jù)采集處理模塊的信號控制輸出端，其輸出端連接標定與測量切換模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊的輸入端，用于接收來自數(shù)據(jù)采集處理模塊的頻率相位幅值控制信號，產(chǎn)生相應的交變電壓信號，并輸出給標定與測量切換模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊； 機械模塊，包括金屬支撐臺、圍壓容器、位移傳感器和激振器，金屬支撐臺用于支撐巖石，圍壓容器用于為巖石和金屬支撐臺提供密閉帶壓空間，巖石側壁縱向和橫向多點布置有位移傳感器，金屬支撐臺側壁縱向多點布置有位移傳感器，激振器的激勵端連接標定與測量切換模塊的輸出端；在標定模式下，位移傳感器接收來自信號激勵模塊的交變電壓信號，將其作為標定電壓信號輸出給數(shù)據(jù)采集處理模塊；在測量模式下，激振器以來自信號激勵模塊的交變電壓信號為激勵源產(chǎn)生交變應力作用在巖石和金屬支撐臺上，傳感器采集表征巖石形變量信號并轉換為測量電壓信號傳送給數(shù)據(jù)采集處理模塊； 標定與測量切換模塊，其輸入端連接信號激勵模塊的輸出端，其控制端連接數(shù)據(jù)采集處理模塊的模式選擇輸出端，用于接收來自采集處理模塊輸出的模式選擇信號，以使得機械模塊在標定模式和測量模式間切換； 數(shù)據(jù)采集處理模塊，其輸入端連接機械模塊的傳感器的輸出端，其信號控制輸出端連接信號激勵模塊的輸入端，其模式選擇輸出端連接標定與測量切換模塊的控制端，用于向信號激勵模塊傳送頻率相位幅值控制信號，向標定與測量切換模塊傳送模式選擇信號，用于接收來自機械模塊的標定電壓信號或測量電壓信號；在標定模式下，對于每個傳感器，構建標定模式頻率點與標定電壓信號幅值和相位間的映射關系；在測量模式下，對于每個傳感器，構建測量模式下頻率點與測量電壓信號對應幅值和相位間的映射關系，結合標定模式和測量模式下構建的映 射關系進行幅值和相位的自校準，并依據(jù)自校準結果計算巖石屬性參數(shù)。
5.根據(jù)權利要求4所述的低頻巖石物理測量系統(tǒng)，其特征在于，所述標定與測量切換模塊包括電池、繼電器驅動模塊和兩個繼電器；電池的輸出端連接第一繼電器的輸入端，第一繼電器的輸出端連接位移傳感器的輸入端；第二繼電器為雙刀雙擲式，其第一輸出端連接位移傳感器的輸入端，其第二輸出端連接激振器的輸入端，其輸入端連接取信號激勵模塊的輸出端；兩繼電器的控制端均連接繼電器驅動模塊的繼電器控制信號輸出端，繼電器驅動模塊的控制端連接數(shù)據(jù)采集處理模塊的模式選擇輸出端。
6.根據(jù)權利要求4所述的低頻巖石物理測量系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集處理模塊包括依次連接的前置放大電路、模數(shù)轉換電路、FPGA和計算機；前置放大電路的第一輸入端連接信號激勵模塊的輸出端，前置放大電路的第二輸入端連接位移傳感器的輸出端，F(xiàn)PGA的模式選擇輸出端連接標定與測量切換模塊的控制端，F(xiàn)PGA的信號控制輸出端連接信號激勵模塊的輸入端。
7.根據(jù)權利要求6所述的低頻巖石物理測量系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機內加載有計算系統(tǒng)，計算系統(tǒng)包括 標定映射關系構建模塊，用于在標定模式下，對于每個傳感器，計算各頻率對應的標定電壓信號幅值V1和相位Θ i,構建標定模式頻率點與標定電壓信號幅值和相位間的映射關系; 測量映射關系構建模塊，用于在測量模式下，對于每個傳感器，計算各頻率對應的測量電壓信號幅值V2和相位θ 2，構建測量模式頻率點與測量電壓信號幅值和相位間的映射關系; 幅值和相位自校準模塊，用于對于每一個傳感器，計算其對應的校準后交變電壓信號的幅值Vin = VrefV2V1及相位Θ in = θ 2- Θ1+ Θ Mf，其中，Vref和θ ref為交變電壓信號的幅值和相位； 巖石屬性參數(shù)計算模塊，包括 幅值和相位均值計算子模塊，用于計算金屬支撐臺的多個傳感器校準后幅值均值?和相位均值，巖石側面縱向設置的多個傳感器校準后幅值均值Vv和相位均值I，巖石側面橫向設置的多個傳感器校準后幅值均值和相位均值; 巖石彈性參數(shù)計算子模塊，用于計算巖石楊氏模量
【文檔編號】G01N3/40GK103760046SQ201310459288
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權日:2013年9月30日
【發(fā)明者】周凱波, 陳寰, 黃臻, 劉頡, 曹攀輝 申請人:華中科技大學