CN101034156B - 可抵消机械振动信号的压电式次声波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可抵消机械振动信号的压电式次声波传感器。包括外壳、压电传感单元、放大滤波电路板。其中压电传感单元设置有两个结构和机械振动特性完全相同的第一传感单元和第二传感单元，第一传感单元用于测量声波和机械振动的叠加信号；第二传感单元与第一传感单元结构完全一样，用于测量机械振动信号；放大滤波电路板固定在壳体最上端的插座固定板上，放大滤波电路板包括前置差动放大电路、带通滤波电路，DC/DC变换电路，第一传感单元和第二传感单元输出的高阻抗电压信号与放大滤波电路板连接，通过信号相减，消除机械振动信号，仅放大输出声波信号；前置差动放大电路的输出端连接带通滤波电路，带通滤波电路输出次声波传感信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种次声波传感器，具体涉及一种可抵消机械振动的压电式次声波传感器。
背景技术
次声波由于其频率很低、振幅随时间衰减慢，可远距离传播。利用次声波传感技术，可远距离快速测量汽-液、液-固等界面的位置。世界各国的油田在采油生产过程中，基本上均采用声波法快速检测油井原油的动液面深度，而确定井下动液面位置是实现高效采油的至关重要的前提。在采用声波法测井过程中，由于油井工作环境比较恶劣，井下含有大量的腐蚀性气体，对测量装置有非常大的腐蚀作用，导致现有胶体封装园柱筒形压电传感器的寿命很低，而且该传感器灵敏度低、信噪比差，其高阻抗弱电信号需要通过长导线传输到另外的放大电路中进行放大，该传输过程特别容易受到干扰。而且，现有的声波传感器无法消除机械振动的影响，其输出是声波和机械振动的叠加信号，当地面采油设备本身振动时或受风载作用时，会导致无法测量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种机构简单、灵敏度高、抗干扰能力强的可抵消机械振动信号的压电式次声波传感器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括不锈钢外壳，在外壳的下端设置有声波输入孔，声波输入孔的上端设置有第一传感单元的铜质下极板，第一传感单元的铜质下极板与外壳电气导通，作为公共电极，第一传感单元的铜质下极板的上端设置有第一绝缘内套，第一绝缘内套内放置第一叠层压电片，第一叠层压电片的上端与铜质上极板相连接，铜质上极板与第一止旋绝缘隔板连接，第一螺纹压板固定于第一止旋绝缘隔板的上端，第一止绝缘旋隔板和第一螺纹压板的中间设有第一引线孔；第一螺纹压板的上端是第二传感单元，第二传感单元的铜质下极板与外壳连接，第二传感单元的铜质下极板与外壳电气导通，作为公共电极，第二传感单元的铜质下极板的上端设置有第二绝缘内套，第二绝缘内套内放置有第二叠层压电片，第二叠层压电片的上端与第二铜质上极板相连接，第二铜质上极板与第二止旋绝缘隔板连接，第二螺纹压板固定于第二止旋绝缘隔板的上端，第二止旋绝缘隔板和第二螺纹压板的中间设有第二引线孔；外壳上端部设有插座固定板，插座固定板连接插座，放大滤波电路板与插座固定板相连接，放大滤波电路板的前置差动放大电路的输入端分别连接第一叠层压电片和第二叠层压电片输出的高阻抗电压信号，前置差动放大电路的输出端连接带通滤波电路，DC/DC变换电路给前置差动放大电路和带通滤波电路供电；在外壳的外侧设置有橡胶密封垫。
本发明的第一叠层压电片和第二叠层压电片输出的高阻抗电压信号分别接前置差动放大电路中插座J1的第一输入端IN1和第二输入端IN2，插座J1的第一输入端IN1接仪表放大器U1的正相输入端，插座J1的第二输入端IN2接仪表放大器U1的反相输入端，仪表放大器U1的第一引脚接精密电位器P1的一端并与中间调节端短路，精密电位器P1的另一端接仪表放大器U1的第八引脚，仪表放大器U1的负电源第四引脚接-5V电源，仪表放大器U1的正电源第七引脚接+5V电源，仪表放大器U1的第五引脚接公共地，仪表放大器U1的输出端第六引脚与第一无极性电容C1连接，第一无极性电容C1的另一端分别接第二无极性电容C2和第一金属膜电阻R3的一端，第二无极性电容C2的另一端分别接运算放大器U6A的正相输入端和第二金属膜电阻R4的一端，第一金属膜电阻R3的另一端接运算放大器U6A的输出端，第二金属膜电阻R4的另一端接公共地，运算放大器U6A的反相输入端分别接第三金属膜电阻R5和第四金属膜电阻R6的一端，第三金属膜电阻R5的另一端接运算放大器U6A的输出端，第四金属膜电阻R6的另一端接公共地，运算放大器U6A的输出端与第五金属膜电阻R7连接，第五金属膜电阻R7分别接第六金属膜电阻R8和第三无极性电容C3的一端，第六金属膜电阻R8的另一端分别接运算放大器U6B的正相输入端和第四无极性电容C4的一端，第三无极性电容C3的另一端接运算放大器U6B的输出端，第四无极性电容C4的另一端接公共地，运算放大器U6B的反相输入端分别接第七金属膜电阻R9和第八金属膜电阻R10的一端，第七金属膜电阻R9的另一端接运算放大器U6B的输出端，第八金属膜电阻R10的另一端接公共地，运算放大器U6B的输出端与插座的J2的OUT端相连接，插座的J2的GND端接公共地，插座的J2的VIN端接DC-DC变换电路23的电源模块5D5的电源输入第二引脚，插座20的J2的0V端接DC-DC变换电路23的电源模块5D5的电源输入第一引脚，DC-DC变换电路的电源模块5D5的第三引脚和第五引脚分别输出与5V供电电源电气隔离的+5V和-5V电压，给电路供电，DC-DC变换电路的电源模块5D5的第四引脚接公共地。
本发明利用二个传感单元和差动放大电路，消除了机械振动信号，仅放大输出声波传感信号。敏感元件和放大滤波电路封装在一金属结构中，由于压电片输出的特别容易受到干扰的高阻抗信号不再作远距离传输，而是直接输入到同一封装结构中的放大滤波电路，所以极大地提高了抗干扰能力。本发明适用于次声波测量，频率响应范围为0.15Hz～30Hz，在信噪比、灵敏度、传输特性、耐高压抗腐蚀性等方面有了较大的提高，尤其是消除了机械振动的影响。
附图说明
图1是本发明的结构原理图；
图2是本发明放大滤波电路18的框图；
图3是本发明放大滤波电路18的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参照图1，本发明包括不锈钢外壳1，在外壳1的外侧设置有橡胶密封垫2，在外壳1的下端设置有声波输入孔3，声波输入孔3的上端连接有第一传感单元的铜质下极板4，第一传感单元的铜质下极板4与外壳1电气导通，作为公共电极，第一传感单元的铜质下极板4的上端设置有第一绝缘内套5，第一绝缘内套5内放置有第一叠层压电片6，第一叠层压电片6的上端与铜质上极板7相连接，铜质上极板7与第一止旋绝缘隔板8连接，第一螺纹压板9固定于第一止旋绝缘隔板8的上端，第一止旋绝缘隔板8和第一螺纹压板9的中间有第一引线孔10；第一螺纹压板9的上端是第二传感单元，第二传感单元的铜质下极板11与外壳1连接，第二传感单元的铜质下极板11与外壳1电气导通，作为公共电极，第二传感单元的铜质下极板11的上端设置有第二绝缘内套12，第二绝缘内套12内放置第二叠层压电片13，第二叠层压电片13的上端与第二铜质上极板14相连接，第二铜质上极板14与第二止旋绝缘隔板15连接，第二螺纹压板16固定于第二止旋绝缘隔板15的上端，第二止旋绝缘隔板15和第二螺纹压板16的中间有第二引线孔17；外壳1的上端部设有插座固定板19，插座固定板19连接插座20，放大滤波电路板18与插座固定板19相连接。放大滤波电路板18的前置差动放大电路21的输入端分别连接第一叠层压电片6和第二叠层压电片13输出的高阻抗电压信号，前置差动放大电路21的输出端连接带通滤波电路22，DC/DC变换电路23给前置差动放大电路21和带通滤波电路22供电。
参照图2、图3，前置差动放大电路21的输入端分别连接二个传感单元的叠层压电片输出的高阻抗电压信号，前置差动放大电路21的输出端连接带通滤波电路22，DC/DC变换电路23给前置差动放大电路21和带通滤波电路22供电。第一叠层压电片6和第二叠层压电片13输出的高阻抗电压信号分别接前置差动放大电路21中插座J1的第一输入端IN1和第二输入端IN2，插座J1的第一输入端IN1接仪表放大器U1的正相输入端，插座J1的第二输入端IN2接仪表放大器U1的反相输入端，仪表放大器U1的第一引脚接精密电位器P1的一端并与中间调节端短路，精密电位器P1的另一端接仪表放大器U1的第八引脚，仪表放大器U1的负电源第四引脚接-5V电源，仪表放大器U1的正电源第七引脚接+5V电源，仪表放大器U1的第五引脚接公共地，仪表放大器U1的输出端第六引脚与第一无极性电容C1连接，第一无极性电容C1的另一端分别接第二无极性电容C2和第一金属膜电阻R3的一端，第二无极性电容C2的另一端分别接运算放大器U6A的正相输入端和第二金属膜电阻R4的一端，第一金属膜电阻R3的另一端接运算放大器U6A的输出端，第二金属膜电阻R4的另一端接公共地，运算放大器U6A的反相输入端分别接第三金属膜电阻R5和第四金属膜电阻R6的一端，第三金属膜电阻R5的另一端接运算放大器U6A的输出端，第四金属膜电阻R6的另一端接公共地，运算放大器U6A的输出端与第五金属膜电阻R7连接，第五金属膜电阻R7分别接第六金属膜电阻R8和第三无极性电容C3的一端，第六金属膜电阻R8的另一端分别接运算放大器U6B的正相输入端和第四无极性电容C6的一端，第三无极性电容C3的另一端接运算放大器U6B的输出端，第四无极性电容C4的另一端接公共地，运算放大器U6B的反相输入端分别接第七金属膜电阻R9和第八金属膜电阻R10的一端，第七金属膜电阻R9的另一端接运算放大器U6B的输出端，第八金属膜电阻R10的另一端接公共地，运算放大器U6B的输出端与插座20的J2的OUT端相连接，插座20的J2的GND端接公共地，插座20的J2的VIN端接DC-DC变换电路23的电源模块5D5的电源输入第二引脚，插座20的J2的0V端接DC-DC变换电路23的电源模块5D5的电源输入第一引脚，DC-DC交换电路23的电源模块5D5的第三引脚和第五引脚分别输出与5V供电电源电气隔离的+5V和-5V电压，给电路供电，DC-DC变换电路23的电源模块5D5的第四引脚接公共地。
本发明将二组叠层压电片输出的高阻抗弱电信号输入到偏置电流极低的前置差动放大电路21，前置差动放大电路21的输出接带通滤波电路22，将直流分量及高于30Hz的信号滤掉，DC/DC变换电路23给前置差动放大电路21和带通滤波电路22供电。利用二个传感单元和差动放大电路，消除了机械振动信号，仅放大输出声波传感信号。敏感元件和放大滤波电路封装在一金属结构中，由于压电片输出的特别容易受到干扰的高阻抗信号不再作远距离传输，而是直接输入到同一封装结构中的放大滤波电路，所以极大地提高了抗干扰能力。本传感器的电压灵敏度与叠层式压电片的数量成正比，比较方便的通过增减压电片的数量来改变灵敏度大小。本发明适用于次声波测量，频率响应范围为0.15Hz～30Hz，在信噪比、灵敏度、传输特性、耐高压抗腐蚀性等方面有了较大的提高，尤其是消除了机械振动的影响。
Claims (3)
1.一种可抵消机械振动信号的压电式次声波传感器，包括不锈钢外壳(1)，在外壳(1)的下端设置有声波输入孔(3)，其特征在于：声波输入孔(3)的上端设置有第一传感单元的铜质下极板(4)，第一传感单元的铜质下极板(4)与外壳(1)电气导通，作为公共电极，第一传感单元的铜质下极板(4)的上端设置有第一绝缘内套(5)，第一绝缘内套(5)内放置第一叠层压电片(6)，第一叠层压电片(6)的上端与铜质上极板(7)相连接，铜质上极板(7)与第一止旋绝缘隔板(8)连接，第一螺纹压板(9)固定于第一止旋绝缘隔板(8)的上端，第一止旋绝缘隔板(8)和第一螺纹压板(9)的中间设有第一引线孔(10)；第一螺纹压板(9)的上端是第二传感单元，第二传感单元的铜质下极板(11)与外壳(1)连接，第二传感单元的铜质下极板(11)与外壳(1)电气导通，作为公共电极，第二传感单元的铜质下极板(11)的上端设置有第二绝缘内套(12)，第二绝缘内套(12)内放置有第二叠层压电片(13)，第二叠层压电片(13)的上端与第二铜质上极板(14)相连接，第二铜质上极板(14)与第二止旋绝缘隔板(15)连接，第二螺纹压板(16)固定于第二止旋绝缘隔板(15)的上端，第二止旋绝缘隔板(15)和第二螺纹压板(16)的中间设有第二引线孔(17)；外壳(1)的上端部设有插座固定板(19)，插座固定板(19)连接插座(20)，放大滤波电路板(18)与插座固定板(19)相连接，放大滤波电路板(18)的前置差动放大电路(21)的输入端分别连接第一叠层压电片(6)和第二叠层压电片(13)输出的高阻抗电压信号，前置差动放大电路(21)的输出端连接带通滤波电路(22)，DC/DC变换电路(23)给前置差动放大电路(21)和带通滤波电路(22)供电。
2.根据权利要求1所述的可抵消机械振动信号的压电式次声波传感器，其特征在于：所说的外壳(1)的外侧设置有橡胶密封垫(2)。
3.根据权利要求1所述的可抵消机械振动信号的压电式次声波传感器，其特征在于：所说的第一叠层压电片(6)和第二叠层压电片(13)输出的高阻抗电压信号分别接前置差动放大电路(21)中插座J1的第一输入端IN1和第二输入端IN2，插座J1的第一输入端IN1接仪表放大器U1的正相输入端，插座J1的第二输入端IN2接仪表放大器U1的反相输入端，仪表放大器U1的第一引脚接精密电位器P1的一端并与中间调节端短路，精密电位器P1的另一端接仪表放大器U1的第八引脚，仪表放大器U1的负电源第四引脚接-5V电源，仪表放大器U1的正电源第七引脚接+5V电源，仪表放大器U1的第五引脚接公共地，仪表放大器U1的输出端第六引脚与第一无极性电容C1连接，第一无极性电容C1的另一端分别接第二无极性电容C2和第一金属膜电阻R3的一端，第二无极性电容C2的另一端分别接运算放大器U6A的正相输入端和第二金属膜电阻R4的一端，第一金属膜电阻R3的另一端接运算放大器U6A的输出端，第二金属膜电阻R4的另一端接公共地，运算放大器U6A的反相输入端分别接第三金属膜电阻R5和第四金属膜电阻R6的一端，第三金属膜电阻R5的另一端接运算放大器U6A的输出端，第四金属膜电阻R6的另一端接公共地，运算放大器U6A的输出端与第五金属膜电阻R7连接，第五金属膜电阻R7分别接第六金属膜电阻R8和第三无极性电容C3的一端，第六金属膜电阻R8的另一端分别接运算放大器U6B的正相输入端和第四无极性电容C4的一端，第三无极性电容C3的另一端接运算放大器U6B的输出端，第四无极性电容C4的另一端接公共地，运算放大器U6B的反相输入端分别接第七金属膜电阻R9和第八金属膜电阻R10的一端，第七金属膜电阻R9的另一端接运算放大器U6B的输出端，第八金属膜电阻R10的另一端接公共地，运算放大器U6B的输出端与插座(20)的J2的OUT端相连接，插座(20)的J2的GND端接公共地，插座(20)的J2的VIN端接DC/DC变换电路(23)的电源模块5D5的电源输入第二引脚，插座(20)的J2的0V端接DC/DC变换电路(23)的电源模块5D5的电源输入第一引脚，DC/DC变换电路(23)的电源模块5D5的第三引脚和第五引脚分别输出与5V供电电源电气隔离的+5V和-5V电压，给电路供电，DC/DC变换电路(23)的电源模块5D5的第四引脚接公共地。
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