NO335565B1 - Geofysisk akselerasjonssensor med justerbar støtbeskyttelse og fremgangsmåte - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte og geofysisk akselerasjonssensor for måling av seismiske data og også for å beskytte sensoren fra støt. Sensoren innbefatter et hus; en fleksibel bjelke som har en første ende fast festet til huset; et piezoelektrisk lag festet til den fleksible bjelken; en seismisk masse festet til den fleksible bjelken; og en første bevegelsesbegrensende del forbundet med huset og utformet for å begrense en bevegelse av den fleksible bjelken. En avstand mellom en spiss av den første bevegelsesbegrensende delen og den fleksible bjelken er justerbar.

Description

Teknisk område

Utførelsesformer av den oppfinnelsen som beskrives her, angår generelt sensorer for innsamling av seismiske data, og mer spesielt, mekanismer og teknikker for å få slike sensorer til å motstå støt og andre ugunstige tilstander når de er utplassert i et felt.

Diskusjon av bakgrunnen

Seismisk datainnsamling og behandling kan brukes til å generere en profil (et bilde) av den geofysiske strukturen under jorda (enten på land eller på havbunnen). Selv om denne profilen ikke tilveiebringer nøyaktig posisjon for olje- og gass-reservoarer, antyder den for de som har erfaring på området, forekomst eller fravær av slike reservoarer. Det å tilveiebringe et bilde med høy oppløsning av undergrunnen er derfor viktig, for eksempel for de som må bestemme hvor olje- og gass-reservoarer befinner seg.

En seismisk havbunnsundersøkelse blir tradisjonelt utført på følgende måte: flere seismiske sensorer blir elektrisk forbundet med hverandre og så lagret på et fartøy. Fartøyet seiler til det området som skal undersøkes, og utplasserer de seismiske sensorene på havbunnen. Under utplasseringsfasen kan imidlertid de seismiske sensorene bli utsatt for støt (for eksempel med fartøyet, kranen som håndterer sensorene, vannet, havbunnen osv.). Fordi de seismiske sensorene er konstruert for å detektere små variasjoner for en gitt parameter (for eksempel forskyvning, hastighet, akselerasjon, trykk osv.), er sensorenes interne komponenter meget følsomme for ristebevegelser eller direkte kontakt og kan skades av et utilsiktet støt.

Etter at alle de seismiske sensorene er blitt utplassert, blir én eller flere seismiske kilder utplassert og aktivert for å generere seismiske bølger som forplanter seg gjennom vannet og så gjennom havbunnen inntil de blir reflektert av forskjellige reflektorer i undergrunnen. De reflekterte bølgene forplanter seg til de seismiske sensorene hvor jordbevegelse blir registrert. Hvis imidlertid den seismiske sensoren er skadet på grunn av støt mottatt under utplassering, blir de registrerte dataene dårlige.

To konvensjonelle seismiske sensorer, geofonen og det mikroelektriske-mekaniske systemet-akselerometeret (MEMS-akselerometeret), og deres begrensninger skal nå diskuteres. Geofonteknologi er basert på elektromagnetisk induksjon. Geofonen innbefatter en magnet omsluttet av en bevegelig elektrisk spole. Bevegelse av den elektriske spolen i magnetfeltet som frembringes av magneten, induserer en spenning i spolen. Denne spenningen er en funksjon av hastigheten til spolen og dermed geofonens hastighet. En ulempe ved geofonen er dårlig respons ved lave frekvenser og forekomsten av resonans i det seismiske båndet. En annen ulempe er at magneten inne i geofonen skaper problemer for andre magnetiske anordninger slik som elektromagnetisk utstyr (EM-utstyr) og magnetiske kompass innbakt i andre sensorer for å tilveiebringe retningsinformasjon.

MEMS-akselerometeret har en mikroskopisk finger som er følsom for ethvert støt eller enhver bevegelse. Dens relative kapasitans i forhold til en referanse er proporsjonal med dens bevegelse. Når fingeren med andre ord blir utsatt for en akselerasjon, vil kapasitansen mellom fingeren og referansen endre seg på grunn av en deformasjon av fingeren. Endringen i kapasitans blir målt, og et signal blir matet tilbake til fingeren via et elektrisk felt som tvinger den kapasitive fingeren til likevekt. Endringen i kapasitans blir modulert i en digital krets og tilveiebringer dermed et utgangssignal som er proporsjonalt med akselerasjonen. Det konvensjonelle MEMS-akselerometeret har imidlertid forholdsvis høyt støynivå ved lave frekvenser.

Andre akselerometre har en piezoelektrisk komponent, og en forsterker om-former den elektriske ladningen som akkumuleres på den piezoelektriske kompo-nenten, til spenning. Disse piezoelektriske akselerometrene bygger på den piezoelektriske effekten til kvarts eller keramiske krystaller for å generere en elektrisk utgang proporsjonal med den påførte akselerasjonen. Den piezoelektriske effekten frembringer en motsatt akkumulering av ladede partikler på krystallet. Denne ladningen er proporsjonal med den påtrykte kraften eller belastningen. En kraft påtrykket gitterstrukturen til et kvartskrystall endrer innrettingen av positive og negative ladninger, noe som resulterer i en akkumulering av disse ladningene på motstående overflater. Disse ladningene akkumuleres på en elektrode som er koblet til en anordning for analyse.

En rekke forskjellige elektriske utforminger er tilgjengelige for å utføre trans-duksjonsprinsippene for et piezoelektrisk akselerometer og er definert av den måten som treghetskraften til en akselerert masse virker på det piezoelektriske materiale.

Skjærmodus-utforminger forbinder eller «laminerer» for eksempel de av-følende krystallene mellom en midtstolpe og en seismisk masse. Under akselerasjon forårsaker den seismiske massen en skjærspenning som påtrykkes det avfølende krystallet. Skjærakselerometeret er bra når det gjelder å forkaste effekter av termiske transienter og sokkelbøyning. Skjærgeometri egner seg også for liten størrelse som minimaliserer massebelastningseffekter på teststrukturen.

Et annet eksempel på et piezoelektrisk akselerometer er en bøyningsmodus-konstruksjon som benytter bjelkeformede avfølingskrystaller som er opplagret for å skape strekkspenning på krystallet når det akselereres. Krystallet kan være forbundet med en bærebjelke som øker størrelsen på strekket under akselerasjon. Denne konstruksjonen gir lav profil, lett vekt, god termisk stabilitet og lav pris. Ufølsomhet for transversal bevegelse er en iboende egenskap ved denne konstruksjonen. Bøyningsbjelke-utforminger er generelt velegnet for anvendelse ved lave frekvenser og lav gravitasjon (lav-g) slik som de som kan påtreffes under strukturell testing.

Kompresjonsmodus-akselerometeret gir en enkel struktur, høy stivhet og høy tilgjengelighet. En konstruksjon med opprett kompresjon gir høye resonans-frekvenser som resulterer i et bredt, nøyaktig frekvensresponsområde. Denne konstruksjonen er generelt robust og kan motstå støt med høye g-nivåer. Konstruk-sjoner med opprett kompresjon har imidlertid en tendens til å være mer følsomme for basisbøyning (strekk) og termiske transienteffekter. Inverterte kompresjonskonstruk-sjoner isolerer avfølingskrystallene fra monteringsunderlaget, noe som reduserer bøyningseffekter i underlaget og minimaliserer effektene ved en termisk ustabil test-struktur. Isolerte kompresjonsutforminger reduserer feilaktige utganger på grunn av underlagsstrekk og termiske transienter. Disse fordelene blir oppnådd ved å isolere avfølingskrystallene mekanisk fra monteringsunderlaget og benytte en uthulet seismisk masse som virker som en termisk isolasjonsbarriere. Disse mekaniske forbedringene muliggjør stabil ytelse ved lave frekvenser, hvor termiske transienteffekter kan skape en «signaldrift» med andre kompresjonsutforminger.

Noen av de materialene som brukes i piezoelektriske akselerometre, skal nå diskuteres. Kvarts er et naturlig materiale som vanligvis brukes i akselerometre og som oppviser langsiktig stabilitet uten sidestykke. Blyzirkonat titanat (PZT) er et vanlig materiale som brukes i akselerometre etter at de er blitt «polarisert». Høye støtnivåer eller høytemperatur-installasjoner kan forårsake endringer i utgangen fra PZT-baserte sensorer. Kvarts oppviser imidlertid overlegen temperaturstabilitet og har ingen aldringseffekter og er derfor uhyre stabile over tid. Kvartssensorer gir høy-spenningssensiviteter og krever spenningsforsterkere for å tilpasse signalet. Spenningsforsterkere med motstander med store verdier er iboende mer støyende og begrenser det minst målbare signalet, men muliggjør overvåkning ved meget høye vibrasjonsnivåer. PZT-baserte sensorer tilveiebringer en høy ladningsutgang og høy kapasitans. «Stillere» mikroelektriske ladningsforsterkere kan brukes for derved å måle vibrasjoner ved lave nivåer.

Ved valg av akselerometre må vibrasjonsspesialisten ta hensyn til tre områder: amplitudeområdet, frekvensområdet og miljøbetraktninger. Amplitudeområdet kan økes ved enten å øke nivået på tilførselsspenningen eller minske følsomheten til akselerometret. Oppløsningen (frekvensområdet) til sensoren blir bestemt av to faktorer: elektrisk støy i den interne forsterkeren og mekanisk forsterk-ningsgrad av det systemet som består av masse og det piezoelektriske elementet. Jo større den seismiske massen er, jo større blir utgangen fra sensoren forut for forsterkning. Denne høye mekaniske forsterkningsgraden forbedrer lavnivå-målinger ved å frembringe hovedsakelig elektriske signaler uten bruk av forsterkning. Frekvensresponsen til et akselerometer er beskrevet som det frekvensområdet over hvilket sensoren vil tilveiebringe en lineær respons. Den øvre ende av frekvensresponsen blir styrt av den mekaniske stivheten og størrelsen av den seismiske massen i avfølingselementet, mens det lavfrekvente området blir regulert av forsterkningsdempningen og utladningstidskonstanten. En stor seismisk masse vil også frembringe høyere mekanisk forsterkning, noe som resulterer i et akselerometer med lavere støy og med større følsomhet. En mindre seismisk masse vil frembringe lavere signaler, men vil resultere i en sensor med høyere resonansfrekvens.

Patent US 4928263 A med tittel «Hydrophones and similar devices» omhandler en akselerometerbasert hydrofon hvor det følsomme elementet er et pizoelektrisk keramisk lag. Hydrofonen har en fleksibel bjelke i form av «a short relativly small diameter neck» som tillater en masse å svinge. Det maksimale utslaget kan reguleres ved at avstanden mellom armer på massen og en støtdempende ring er justerbar med fire skruer.

Et vanlig problem med de ovenfor nevnte akselerometrene er imidlertid at over et visst kritisk strekk («den elastiske grensen»), vil et materiale deformeres plastisk med de følger at den belastede cellen vil måtte omkalibreres, eller bli skadet og eventuelt ødelagt, eller få redusert levetid. De transiente kreftene som inntreffer når en sensor kolliderer med omgivelsene, er vanskelige å styre og kan overskride den konstruksjonsmessige kraftgrensen for avfølingsbjelken. For å hindre skade fra hendelser av denne typen, blir overbelastningsbeskyttelse noen ganger konstruert inn i kraft/dreiemoment-sensorer. En anordning for overbelastningsbeskyttelse må tilveiebringe trygg bøyning av belastningscellen i alle aktive retninger uten forstyrrende krefter, men må tilveiebringe sterkt øket stivhet og styrke for bøyninger over det trygge driftspunktet.

Det er generelt behov for en løsning som tilveiebringer høy toleranse for krefter med høye g-nivåer, lavstøymålinger og tilstrekkelig lavfrekvent respons. Mer spesielt, er det behov for en løsning egnet for feltbruk ved seismiske anvendelser fordi sensorer i et marint miljø ofte blir eksponert for høye g-støt.

Oppsummering av oppfinnelsen

Ifølge et utførelseseksempel, er det tilveiebragt en geofysisk akselerasjonssensor for å bestemme en akselerasjon av et medium under en seismisk under-søkelse. Den geofysiske akselerasjonssensoren innbefatter et hus; en fleksibel bjelke med en første ende fiksert til huset; et piezoelektrisk lag festet til den fleksible bjelken; en seismisk masse festet til den fleksible bjelken; og en første bevegelsesbegrensende anordning forbundet med huset og utformet for å begrense en bevegelse av den fleksible bjelken. En avstand mellom en ende av den første bevegelsesbegrensende anordningen og den fleksible bjelken er justerbar.

I henhold til et annet utførelseseksempel, et det tilveiebragt en geofysisk akselerasjonssensor for å bestemme en akselerasjon av et medium under en seismisk undersøkelse. Den geofysiske akseleratorsensoren innbefatter et hus med to åpninger; et underlag som er festet til en åpning i huset; en fleksibel bjelke som har en første ende fast festet til underlaget; et piezoelektrisk lag festet til den fleksible bjelken; og en seismisk masse festet til en andre ende av den fleksible bjelken. Den seismiske massen begrenser bevegelse av den andre enden av den fleksible bjelken.

I henhold til nok et annet utførelseseksempel, er det tilveiebragt en fremgangsmåte for å detektere en akselerasjon av et medium generert av seismiske

bølger. Fremgangsmåten innbefatter å utplassere en geofysisk akselerasjonssensor over et undersøkelsesområde; som reaksjon på de seismiske bølgene, å oscillere en fleksibel bjelke som har en første ende fast festet til et hus; å indusere en belastning med en treghetsmasse i et piezoelektrisk lag festet til den fleksible bjelken, hvor treghetsmassen er festet til den fleksible bjelken; å generere en spenning i det piezoelektriske laget som et resultat av den induserte belastningen; og å begrense en bevegelse av den fleksible bjelken med et bevegelsesbegrensende organ forbundet med huset.

Hensikten med det patentsøkte oppnås ifølge oppfinnelsen ved en geofysisk akselerasjonssensor ifølge krav 1 slik den er definert ved ingressen av krav 1 sammen med trekkene i den karakteriserende delen av krav 1, og en fremgangsmåte for å detektere en akselerasjon ifølge krav 8 slik den er definert ved trekkene i sistnevnte krav.

Kort beskrivelse av tegningene

For å få en mer fullstendig forståelse av foreliggende oppfinnelse, vises det til den følgende beskrivelse tatt i forbindelse med de vedføyde tegningene, hvor: Figurene 1A og 1B er skjematiske diagrammer av en geofysisk akselerasjonssensor brukt ved seismiske undersøkelser ifølge et eksempel på en utførelsesform; Figur 2 er en perspektivskisse av en geofysisk akselerasjonssensor med to bevegelsesbegrensende anordninger ifølge et utførelseseksempel; Figur 3 er en skisse i tverrsnitt gjennom en annen geofysisk akselerasjonssensor ifølge et utførelseseksempel; Figur 4 er en skisse i tverrsnitt gjennom nok en annen geofysisk akselerasjonssensor med en enkelt bevegelsesbegrensende anordning ifølge et utførelses-eksempel; Figur 5 er en skisse i tverrsnitt gjennom nok en annen geofysisk akselerasjonssensor som har en fleksibel bjelke med en fri ende ifølge et utførelses-eksempel; Figurene 6A-C er skjematiske diagrammer av en annen geofysisk akselerasjonssensor i henhold til et utførelseseksempel; Figur 7 er et skjematisk diagram over nok en annen geofysisk akselerasjonssensor ifølge et utførelseseksempel; Figur 8 er et skjematisk diagram over en styringsenhet ifølge et utførelses-eksempel; Figur 9 er et flytskjema over en fremgangsmåte for bruk av en geofysisk akselerasjonssensor ifølge et utførelseseksempel; og Figur 10 er et skjematisk diagram over en beregningsanordning som kan implementere fremgangsmåten på figur 9 og/eller styringsenheten på figur 8.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Den følgende beskrivelse av utførelseseksemplene refererer til de vedføyde tegningene. De samme henvisningstall på forskjellige tegninger identifiserer det samme eller lignende elementer. På lignende tegninger kan også ett og samme element være identifisert ved hjelp av beslektede henvisningstall, for eksempel 104, 204 og 304 som indikerer det samme elementet på de respektive figurene 1, 2 og 3. En beskrivelse av elementene 204 og 304 er derfor utelatt ettersom de er identiske med det beskrevne elementet 104. Den følgende detaljerte beskrivelse begrenser ikke oppfinnelsen. Omfanget av oppfinnelsen er i stedet definert ved hjelp av de vedføyde patentkravene. De følgende utførelsesformene blir for enkelhets skyld diskutert med hensyn til terminologien og strukturen for en MEMS-akselerasjons sensor. De utførelsesformene som skal diskuteres i det følgende, er imidlertid ikke begrenset til MEMS-akselerasjonssensorer.

Referanse i beskrivelsen til «én utførelsesform» eller «en utførelsesform» betyr at et spesielt trekk, en spesiell struktur eller karakteristikk som er beskrevet i forbindelse med en utførelsesform, er inkludert i minst én utførelsesform av den utførelsen som blir beskrevet. Forekomsten av uttrykkene «i én utførelsesform» eller «i en utførelsesform» på forskjellige steder i beskrivelsen, er følgelig ikke nødven-digvis noen referanse til den samme utførelsesformen. De spesielle egenskapene, strukturene eller karakteristikkene kan videre være kombinert på en hvilken som helst passende måte i én eller flere utførelsesformer.

Ifølge et utførelseseksempel, er det tilveiebragt en geofysisk akselerasjonssensor (GAS) som har forbedrede deteksjonsegenskaper og samtidig høyere bestandighet mot uønskede og potensielt skadelige støt. GAS-anordningen har en fleksibel bjelke med én eller to ender festet til et hus og ett eller flere piezoelektriske lag anordnet på den fleksible bjelken. En treghetsmasse festet til den fleksible bjelken og/eller de piezoelektriske lagene, induserer en påkjenning eller belastning i de piezoelektriske lagene som i sin tur genererer en spenning proporsjonal med en akselerasjon av mediet. Bevegelse av treghetsmassen og/eller den fleksible bjelken og/eller det piezoelektriske laget blir begrenset langs en gitt akse ved å tilveiebringe bevegelsesbegrensende anordninger, for eksempel skruer. I en annen utførelses-form er en bevegelsesbegrensende anordning festet ved en første ende av den fleksible bjelken og er en del av treghetsmassen. Disse forskjellige utførelsesformene skal nå diskuteres mer detaljert.

Ifølge et utførelseseksempel som er illustrert på figur 1 A, innbefatter en geofysisk akselerasjonssensor 100 et hus 102 utformet for å romme et piezoelektrisk materiale. En fleksibel bjelke 104 er festet mellom to husdeler 102a og 102b i huset 102. De to husdelene 102a og 102b er permanent festet til hverandre ved hjelp av forskjellige festemidler, for eksempel bolter 106. I denne utførelsesformen er begge ender 104a og 104b av den fleksible bjelken 104 fast klemt mellom husdelene 102a og 102b. Ingen ende av den fleksible bjelken 104 er med andre ord fri til å bevege seg. Figur 1B viser et sideriss av GAS 100, og figur 2 viser en perspektivskisse av GAS 100 hvor det indre volumet 103 av huset 102 kommuniserer fritt med omgivelsene.

Det piezorlektriske materialet kan være avsatt på den fleksible bjelken 104 ved én eller flere posisjoner. Figur 1A viser foreksempel to lag 108 og 110 med piezoelektrisk materiale avsatt på begge sider av den fleksible bjelken 104. Fagkyndige på området vil imidlertid innse at GAS 100 kan virke med bare ett lag 108 eller også med mindre piezoelektrisk materiale enn laget 108. GAS 100 kan også ha det piezoelektriske materialet ved andre steder på den fleksible bjelken 104 eller under andre former enn et lag, for eksempel isolerte punkter elektrisk forbundet med hverandre.

For å tilveiebringe strekk på ett av lagene 108 og/eller 110, kan en treghetsmasse 112 være festet til den fleksible bjelken 104 eller til lagene 108 og 110, eller til både den fleksible bjelken og de piezoelektriske lagene. Massen til treghetsmassen 112 kan være forskjellig fra sensor til sensor avhengig av formålet med den seismiske undersøkelsen. Fordi massen er forbundet med størrelsen på det strekket som påføres de piezoelektriske lagene og med følsomheten til den fleksible bjelken, kan følsomheten til GAS-anordningen justeres ved å justere massen. Treghetsmassen kan være limt, festet med en klammer, eller skrudd på eller festet ved hjelp av andre midler til den fleksible bjelken og/eller de piezoelektriske lagene. Det samme gjelder for feste av de piezoelektriske lagene til den fleksible bjelken. Den fleksible bjelken kan være laget av metall eller andre fleksible materialer. I én anvendelse er den fleksible bjelken ikke-metallisk. Treghetsmassen kan være laget av et hvilket som helst materiale. I én anvendelse kan den fleksible bjelken være laget av piezoelektrisk materiale, og i så fall er det ikke noe behov for å avsette et piezoelektrisk lag.

Selv om figur 1A viser de piezoelektriske lagene 108 og 110 i kontakt med treghetsmassen 112, kan det bemerkes at de kan være atskilt med en hvilken som helst avstand som vist på figur 3. Treghetsmassen 112 kan være laget av flere deler slik som for eksempel to deler forbundet med hverandre over den fleksible bjelken og/eller de piezoelektriske lagene.

De elektriske ladningene som akkumuleres på de piezoelektriske lagene, må dirigeres til utpekt elektronikk for å estimere den akselerasjon som påføres sensoren. Av denne grunn er ledninger 114 forbundet mellom de piezoelektriske lagene 108 og 110 og en styringsanordning 120. Ledningene kommer inn gjennom husdelene 102a og 102b for å bli koblet til de piezoelektriske lagene. Hvis den fleksible bjelken 104 er laget av metall, så kan én elektrisk ledning være koblet til det øvre piezoelektriske laget 110 og den andre elektriske ledningen kan være koblet til det nedre piezoelektriske laget 108.

I en annen utførelsesform som er illustrert på figur 3, er imidlertid bare ett piezoelektrisk lag 110 anordnet på den fleksible bjelken 104, og én av ledningene 114 er direkte koblet til den fleksible bjelken. I nok et annet utførelseseksempel kan ledningen være koblet til den fleksible bjelken ved enden 104b. Hvis den fleksible bjelken er ikke-metallisk, må begge ledningene 114 være koblet til det piezoelektriske laget 110.

Det vises tilbake til figur 1A, hvor en øvre bevegelsesbegrensende anordning 130 kan være anordnet for å begrense bevegelsen av treghetsmassen 112 langs en positiv retning avZ-aksen, og en nedre bevegelsesbegrensende anordning 132 kan være anordnet for å begrense treghetsmassens bevegelse langs en negativ retning forZ-aksen. De øvre og nedre bevegelsesbegrensende anordningene kan ha skru-gjenger 130a og 132a slik at posisjonen av spissene til de bevegelsesbegrensende anordningene kan justeres i forhold til treghetsmassen etter ønske. I én anvendelse kan den bevegelsesbegrensende anordningen dreies fra utsiden av huset 102 for å justere avstanden mellom dens spiss og den fleksible bjelken og/eller treghetsmassen.

Treghetsmassens bevegelsesfrihet blir på denne måten begrenset (for eksempel styrt) langs Z-aksen, noe som reduserer effekten av en eventuell kraft med høyt g-nivå som utilsiktet blir påført den seismiske sensoren. De nye bevegelsesbegrensende anordningene kompenserer med andre ord for stivheten til den fleksible bjelken. Fordelene ved det piezoelektriske bøyningsakselerometeret blir dermed kombinert med forbedret støtbestandighet.

I et annet utførelseseksempel som er illustrert på figur 4, blir det brukt en enkelt bevegelsesbegrensende anordning 430. Posisjonene til den bevegelsesbegrensende anordningen kan endres; for eksempel kan den forskyves fra treghetsmassen langs en langsgående retning X for den fleksible bjelken for å begrense bevegelsen til den fleksible bjelken og/eller de piezoelektriske lagene.

I nok et annet utførelseseksempel som er illustrert på figur 5, har den fleksible bjelken 504 én ende, for eksempel kan enden 504b svinge fritt, og bare den andre enden 504a er fiksert mellom husdelene 502a og 502b i huset 502.

Utførelsesformen på figur 5 viser et tomt volum 531 avgrenset av innsiden av huset 502, treghetsmassen 512, den fleksible bjelken 504 og de piezoelektriske lagene 508 og/eller 510. Dette tomme volumet 531 kan være utformet for åpen kommunikasjon med omgivelsene som vist på figur 2. I en annen utførelsesform er det tomme volumet 531 hermetisk forseglet fra omgivelsene. I nok en annen utførelsesform kan det tomme volumet 531 ha et lavere trykk enn omgivelsene eller kan ha hovedsakelig null trykk. I nok en annen utførelsesform kan det tomme volumet 531 være fylt med en ønsket gass.

Ifølge et annet utførelseseksempel som er illustrert på figurene 6A-C, har en GAS 600 en utkraget, støtbeskyttet struktur. GAS 600 har en basis 602 som kan være skrudd inn i en beskyttende sylinder 604. Figur 6A viser basisen 602 med gjenger 602a som er koblet til motsvarende gjenger 604a i den beskyttende sylinderen 604. En fleksibel bjelke 606 kan være festet med én ende 606a til basisen 602, mens den andre enden 606b kan svinge fritt. Ett eller flere piezoelektriske lag 608 og 610 kan være festet til den fleksible bjelken 606 som diskutert i forbindelse med tidligere utførelsesformer. Ledninger 614 forbinder de piezoelektriske lagene 608 og 610 med en styringsanordning (ikke vist, men lik de i de foregående utførelsesformene). En treghetsmasse 620 kan være forbundet med den frie enden 606b til den fleksible bjelken. Legg merke til at treghetsmassen 620 har en ytre diameter D som er mindre enn den indre diameteren d til den beskyttende sylinderen 604. Den frie enden 606b til den fleksible bjelken 606, kan dermed likevel svinge når treghetsmassen 620 er tilfestet.

I én anvendelse har treghetsmassen 620 én eller to utvidede deler 622a og 622b som er festet til de piezoelektriske lagene og/eller den fleksible bjelken 606. De utvidede delene kan være festet til de piezoelektriske lagene og/eller den fleksible bjelken som diskutert ovenfor, eller ved å bruke andre kjente midler. De utvidede delene kan helt eller delvis dekke de piezoelektriske lagene. De utvidede delene 622a og 622b er festet til en bevegelsesbegrensende del 624. Den bevegelsesbegrensende delen 624 kan være et Malteserkors som illustrert på figur 6B. Figur 6C viser en oversikt over de to utvidede partiene 622a og 622b og den bevegelsesbegrensende delen 624. Figur 6A viser også at en ende 604b av den beskyttende sylinderen 604 er åpen mot omgivelsene.

På grunn av formen til den bevegelsesbegrensende delen 624, er luftkanaler 624a dannet inne i den beskyttende sylinderen 604 som videre kan dempe eventu-elle støt som påføres GAS 600. Kanalene er der for å hindre demping slik at luften kan strømme fritt når treghetsmassen beveger seg.

Ifølge et annet utførelseseksempel som er illustrert på figur 7, kan en GAS 700 fremdeles ha en beskyttende sylinder 704, en basis 702 som er forbundet med sylinderen 704 gjennom forskjellige midler (for eksempel gjenger 704a og 702a), en fleksibel bjelke 706 med en ende 706a som er festet til basisen 702, ett eller to piezoelektriske lag 708 og 710 festet til den fleksible bjelken 706 og en seismisk masse 720 festet til en fri ende 706b av den fleksible bjelken. Til forskjell fra den utførelsesformen som er illustrert på figurene 6A-C, har imidlertid den seismiske massen 720 et rundt utvidet parti 722a og et flatt utvidet parti 722b som direkte er forbundet med den fleksible bjelken 706.1 en anvendelse, er det utvidede partiet 722b og den fleksible bjelken 706 i ett stykke. Det utvidede partiet 722b, som er en del av den svingende massen, kan inneholde de piezoelektriske lagene 710 og 708. Disse piezoelektriske lagene kan være utvidet for å være nærmere 722a og dermed skaffe et lengre piezoelement og høyere følsomhet. I en anvendelse er det flate utvidede partiet 722b i flukt med de første og andre piezoelektriske lagene 708 og 710. Det runde utvidede partiet 722a, det flate utvidede partiet 722b og den fleksible bjelken 706 kan være laget som et enkelt stykke, eller de kan være fremstilt separat og så festet til hverandre. En bevegelsesbegrensende del 724 kan være forbundet med det runde utvidede partiet 722a og kan ha form av et Malteserkors. Ledninger 714 er koblet til de piezoelektriske lagene 708 og/eller 710, og også til en styringsanordning (ikke vist).

Når det gjelder funksjonaliteten til GAS når denne blir utsatt for akselerasjon, vil tregheten til treghetsmassen bøye det piezoelektriske materialet og den fleksible bjelken, og dermed blir det produsert en spenning som er en funksjon av akselerasjonen, produsert i de elektriske ledningene. Når GAS utsettes for uventede støt, begrenser imidlertid de bevegelsesbegrensende delene den frie bevegelsen av den fleksible bjelken og hindrer dermed skade på denne.

Figur 8 viser et eksempel på en styringsanordning 800 som svarer til styrings-anordningene 120, 420 eller 520. Styringsanordningen 800 kan være, eller kan innbefatte, en forsterker 802 forbundet med ledninger 814 til GAS 100. Forsterkeren 802 forsterker signalet fra GAS 100 og leverer det forsterkede signalet ved klemmer 804a og 804b. Forsterkeren 802 kan være en hvilken som helst kjent forsterker. Styringsanordningen 800 kan innbefatte en grensesnittanordning 810 som kommuniserer med en prosessor 812. Den målte spenningen kan på denne måten overføres til prosessoren 812 foranalyse. Prosessoren 812 har tilgang til en lagringsanordning 814, og disse to elementene er forbundet med hverandre ved hjelp av en databuss 816. Prosessoren kan også kommunisere med en kombinert sender/mottaker (transceiver) 818 slik at målte seismiske data kan sendes til en sentralenhet 820 for seismisk behandling. I stedet for, eller i tillegg til transceiveren 818, kan prosessoren kommunisere over en ledning (ikke vist) med sentralenheten.

Den sensoren som er diskutert i forbindelse med figur 7, kan ha en seismisk masse som innbefatter et flatt utvidet parti som er festet til det piezoelektriske laget; et rundt utvidet parti som er festet til det utvidede partiet og en bevegelsesbegrensende del som er forbundet med det runde utvidede partiet. Et hus i sensoren kan ha en sylindrisk form, og en indre diameter d for huset er større enn en ytre diameter D for den bevegelsesbegrensende delen, slik at den andre enden av den fleksible bjelken kan svinge innenfor et forutbestemt område. Den bevegelsesbegrensende delen kan være et Malterserkors. Bunnen kan være skrudd inn i huset. Sensoren kan videre innbefatte et annet piezoelektrisk lag festet til den fleksible bjelken på motsatt side av det første piezoelektriske laget og elektriske ledninger, der én er forbundet med det første piezoelektriske laget og den andre er forbundet med det andre piezoelektriske laget. Den bevegelsesbegrensende delen innbefatter luftkanaler for å tillate luft og bevege seg fritt forbi den bevegelsesbegrensende delen.

I et utførelseseksempel som er illustrert på figur 9, er det vist en fremgangsmåte for å detektere akselerasjon av et medium generert av seismiske bølger. Fremgangsmåten innbefatter et trinn 900 med utplassering av en geofysisk akselerasjonssensor over et leteområde; et trinn 902 for å oscillere, som respons på de seismiske bølgene, en fleksibel bjelke med en første ende fast festet til et hus; et trinn 904 for å indusere en belastning med en treghetsmasse i et piezoelektrisk lag festet til den fleksible bjelken, hvor treghetsmassen er festet til den fleksible bjelken; et trinn 906 for å generere en spenning i det piezoelekriske laget som et resultat av den induserte belastningen; og et trinn 908 for å begrense bevegelsen av den fleksible bjelken med en bevegelsesbegrensende del forbundet med huset.

Den ovennevnte fremgangsmåten og andre, kan være implementert i et beregningssystem spesielt utformet for å motta og/eller behandle dataene fra den geofysiske akselerasjonssensoren. Et eksempel på et representativt beregningssystem som er i stand til å utføre operasjoner i samsvar med utførelseseksempelet, er illustrert på figur 10. Maskinvare, fastvare, programvare eller en kombinasjon av disse kan brukes til å utføre de forskjellige trinnene og operasjonene som er beskrevet her. Beregningssystemet kan være en del av styringsanordningen 120 eller kan være en del av sentralenheten 820.

Eksempelet på et beregningssystem 1000 som er egnet for å utføre aktiviteter som beskrevet i utførelseseksempelet, kan innbefatte en server 1001. En slik server 1001 kan innbefatte en sentralenhet (CPU) 1002 koblet til et direkte lager (RAM) 1004 og til et leselager (ROM) 1006. Leselageret 1006 kan også være andre typer lagringsmedia for å lagre programmer, slik som et programmerbart ROM (PROM), et slettbart PROM (EPROM), osv. Prosessoren 1002 kan kommunisere med andre interne og eksterne komponenter gjennom inn/ut-kretser (l/O-kretser) 1008 og en buss 1010 for å tilveiebringe styresignaler og lignende. Prosessoren 1002 utføreren rekke forskjellige funksjoner som er kjent på området, som bestemt ved hjelp av programvare- og/eller fastvareinstruksjoner.

Serveren 1001 kan også innbefatte én eller flere datalagringsanordninger innbefattende en harddisk-stasjon 1012, CD-ROM-stasjoner 1014 og annen maskinvare egnet for lesing og/eller lagring av informasjon, slik som DVD osv. I en utførelses-form kan programvare for å utføre de ovenfor diskuterte trinnene være lagret og distribuert på en CD-ROM 1016, et flyttbart lager 1018 eller en annen form for media som er i stand til å bære lagret informasjon. Disse lagringsmediene kan settes inn i, og leses av, anordninger slik som CD-ROM-stasjonen 1014, platestasjonen 1012 osv. Serveren 1001 kan være koblet til en visningsanordning 1020, som kan være en visningsanordning eller en presentasjonsskjerm av en hvilken som helst kjent type, slik som LCD-, LED-skjermer, plasmaskjermer, katodestrålerør (CRT) osv. Et bruker-innmatingsgrensesnitt 1022 er tilveiebragt, innbefattende én eller flere brukergrense-snittmekanismer slik som en mus, et tastatur, en mikrofon, en berøringspute, en berøringsskjerm, et talegjenkjenningssystem osv.

Serveren 1001 kan være koblet til andre beregningsanordninger, slik som over en landlinje og/eller trådløse terminaler via et nett. Serveren kan være en del av en større nettkonfigurasjon i et globalt områdenett (GAN) slik som internett 1028, som muliggjør endelig tilkobling til de forskjellige landlinje- og/eller mobilklient-anordningene. Beregningsanordningen kan være implementert på et kjøretøy som utfører en seismisk undersøkelse på land.

De beskrevne utførelseseksemplene tilveiebringer et system og en fremgangsmåte for mekanisk å utplassere geofoner. Det skal bemerkes at denne beskrivelsen ikke er ment å begrense oppfinnelsen. Utførelseseksemplene er tvert imot ment å dekke alternativer, modifikasjoner og ekvivalenter som er innbefattet innenfor rammen av oppfinnelsen slik den er definert i de vedføyde patentkrav. I den detaljerte beskrivelse av utførelseseksemplene, er det videre angitt mange spesielle detaljer for å tilveiebringe en fullstendig forståelse av den patentsøkte oppfinnelsen. En fagkyndig på området vil imidlertid forstå at forskjellige utførelsesformer kan praktiseres uten slike spesifikke detaljer.

Selv om trekkene og elementene i de foreliggende utførelseseksemplene er beskrevet i kombinasjoner i spesielle eksempler, kan hvert trekk eller element brukes alene uten de andre trekkene og elementene i utførelsesformene, eller i forskjellige kombinasjoner med eller uten andre trekk og elementer som beskrevet her.

Denne skrevne beskrivelsen bruker eksempler på den beskrevne oppfinnelsen for å gjøre det mulig for en fagkyndig på området å praktisere denne, innbefattende å lage og bruke alle anordninger eller systemer og å utføre alle inn-befattede fremgangsmåter. Det patenterbare omfanget av oppfinnelsen er definert i patentkravene, og kan innbefatte andre eksempler som kan finnes av fagkyndige på området. Slike andre eksempler er ment å være innenfor rammen av patentkravene.

Claims (8)

1. Geofysisk akselerasjonssensor for å bestemme en akselerasjon av et medium under en seismisk undersøkelse, hvor den geofysiske akselerasjonssensoren (100) omfatter: et hus (102); en fleksibel bjelke (104) med en første ende fast festet til huset (102); et piezoelektrisk lag (108,110) festet til den fleksible bjelken (104); en seismisk masse (112) festet til den fleksible bjelken (104); og en første bevegelsesbegrensende del (130) forbundet med huset (102) og utformet for å begrense en bevegelse av den fleksible bjelken (104), hvor en avstand mellom en spiss av den første bevegelsesbegrensende delen (130) og den fleksible bjelken (104) er justerbar; karakterisert vedat sensoren (100) videre omfatter: en andre bevegelsesbegrensende del (132) forbundet med huset (102) og utformet for å begrense bevegelsen av den fleksible bjelken (104), hvor den fleksible bjelken (104) befinner seg mellom de første og andre bevegelsesbegrensende delene (130,132) slik at et utsving av den fleksible bjelken (104) mot én av de bevegelsesbegrensende delene (130,132) blir regulert.

2. Sensor ifølge krav 1, hvor den første bevegelsesbegrensende delen (130) er skrudd gjennom huset (102), og hvor den første bevegelsesbegrensende delen (130) blir rotert fra utsiden av huset (102) for å justere avstanden mellom spissen og den fleksible bjelken (104).

3. Sensor ifølge krav 1, hvor huset innbefatter to husdeler (102a, 102b) som klemmer begge ender av den fleksible bjelken (104) mellom seg.

4. Sensor ifølge krav 3, hvor de to husdelene (102a, 102b) er forbundet med hverandre med skruer.

5. Sensor ifølge krav 1, hvor den første bevegelsesbegrensende delen (130) er skrudd gjennom en første husdel (102a) i huset (102), den andre bevegelsesbegrensende delen (132) er skrudd gjennom en andre husdel (102b) av huset (102), og de første og andre bevegelsesbegrensende delene (130,132) blir rotert fra utsiden av huset (102) for å justere avstander mellom spisser av de første og andre bevegelsesbegrensende delene (130, 132) og den fleksible bjelken (104).

6. Sensor ifølge krav 1, videre omfattende: et andre piezoelektrisk lag (108) festet til den fleksible bjelken (104) på motsatt side av det første piezoelektriske laget (110).

7. Sensor ifølge krav 6, videre omfattende: elektriske ledninger (114), én koblet til det første piezoelektriske laget (110) og én annen koblet til det andre piezoelektriske laget (108).

8. Fremgangsmåte for å detektere en akselerasjon av et medium generert av seismiske bølger, idet fremgangsmåten omfatter: å utplassere en geofysisk akselerasjonssensor (100) ifølge krav 1 over et leteområde; å oscillere, som respons på de seismiske bølgene, en fleksibel bjelke (104) som har en første ende fast festet til et hus (102); å indusere en belastning med en seismisk masse (112) i et piezoelektrisk lag festet til den fleksible bjelken (104), idet den seismiske massen (112) er festet til den fleksible bjelken (104); å generere en spenning i det piezoelektriske laget (110) som et resultat av den induserte belastningen; og å begrense en bevegelse av den fleksible bjelken (104) med en bevegelsesbegrensende del forbundet med huset (102).