CN1016569B - 高灵敏度管状压电传感器 - Google Patents

Abstract

一种管状压电传感器，具有至少一个设置在管状支承体外表面上的敏感元件，一种能大量衰减声波的物质置入其中，其余的全部体积中充以液体。该物质例如可以是玻璃纤维束或散孔泡沫塑注，液体可以是充入地震浮筒的那种液体，此时，上述管状支承体是开口的，也可以用密封盖将其两端封闭并罩于防护套之中，支承体的尺寸和制作支承体的材料选择得使压电传感器的灵敏度达到最佳。

Description

本发明涉及一种高灵敏度的管状压电传感器，其结构使得它能够构成很长的连续的水听器，并能承受相当大的流体静压力的变化。

管状压电传感器可以包括一个由具有压电特性的材料，例如聚偏氟乙烯（PVF2）类型的聚合物材料制成的管子，管子的每一面上各有一个电极。

内电极由沉积在压电管内表面上的金属薄膜形成，或者与一中央管芯相联系，当后者是用介电材料制成时，该电极通过使其外表面金属化或螺旋形缠绕的导线来形成。中央的管芯也可以由导电材料、通过含有金属粒子而变成导电的聚合物或者直线形状的金属等制成。

这类传感器在法国专利No2145099、法国专利申请No.87/09262和81/22452等中已有叙述，后者的公开号为2517155，此外，在美国专利No.4568851或PCT专利申请No.86/00757中也有描述。

上述法国专利No.2145099中描述的传感器是一种管状压电传感器，它由一中央管芯构成，管芯上螺旋形地浇有至少一种压电敏感元件，该元件由每一面上涂有一层金属膜的柔软的压电材料带构成。这一传感器结构使其有可能构成很长的水听器，它对加速度和挠曲形变不敏感，适合于多种水下用途，特别是地球物理学方面的用途，敏感元件采用较厚的压电薄膜无疑具有良好的经济效果。

发表在J.ACOUST，SOC.AM68（4）1980年10月第1025-1029页上的文章中叙述了一种圆柱形压电水听器，其中，一个管状支承体的内表面和/或其外表面上涂覆着一层压电薄膜，该支承体的两端由一硬盖封闭，支承体内部充有某种气体。这种结构使灵敏 度得到提高，因为充满气体的管状支承体会在径向施加的力的作用下变形，这就产生了机械的放大。但是在海上应用的场合，深度变化很大，这种装置就不太适用，因为其内部体积是可压缩的，管状支承体不能很好地承受急剧增加的静压力，压力增加时敏感元件的密封有泄漏以及破坏的危险，同时应该指出的是，如果长度很大的话，制作管状支承体内表面涂覆着敏感薄膜的压电传感器是十分困难的。

本发明的目的在于提供一种高灵敏度的管状压电传感器，既能获得极高的灵敏度，又具有承受大的静压力变化的能力。

根据本发明的压电传感器，包括至少一个由具有压电特性的材料制成并具有电极的敏感元件，这一敏感元件置于一个管状支承体上。

该装置的特征在于，管状支承体内含有至少一种能大量衰减声波的材料，从而对通过该管状支承体的声波形成一道声学屏障（屏蔽），以及，使上述管状支承体内的压力与该压电传感器外的静压力保持基本相等。

该管状支承体内部，例如包括至少一种浸渍液体的物质，这种浸渍液体的物质可以用纤维材料如玻璃纤维或用多孔的材料形成。

按照实施例，管状支承体具有至少一个敏感元件，形成声屏障（屏蔽）的物质安置在一个对声波透明并充有液体的密封外壳内，管状支承体的两端具有允许液体充入密封外壳的小孔。

采用能够有效地衰减管状支承体内声波的物质，在很大程度上增加了该压电传感器的灵敏度，这一物质同上述使管状支承体内外压力保持平衡的手段相结合，即与使液体浸渍纤维或多孔材料的压力基本上与外界压力相等的手段相结合，能够构成一种高灵敏度和非常坚固的压电传感器，这种传感器能够很好地应付深度变化很大的水下测量。

由于每一敏感元件可以成螺旋形地绕在管状支承体上，而且形成内部声学屏障（屏蔽）的物质易于定位，所以可以以较低的费用来制成很长的传感器，这类传感器置于充有液体的很长的外壳中，能够构成用于例如地震探测、水下听音等或其它地球物理学或海洋学作业的接收装置。

本发明的其它特点和优点将从下面结合附图对以非限制性例子的方式给出的一个实施例的描述而变得更为清楚，附图中：

图1示出了一种柔性带形的压电敏感元件，

图2是有一条绕在管状支承体上的柔性压电带的压电传感器，

图3示出的是一个实施例，其中，由管状支承体和压电带组成的压电传感器置于一个充有液体的很长的外壳中，

图4表明另一实施例，其中，管状支承体和压电带由一外壳覆盖。

图1中压电传感器所采用的敏感元件1包括一薄的基底2，该基底由经处理后获得压电性能的柔性材料制成，例如PVF2或其它类似的合成塑料产品，基底正反两面上涂覆有导电薄膜3、4以形成电极。下面的步骤如已公开的法国专利申请No2601132中所述，这一敏感元件成螺旋形地绕在一个管状支承体（图2）上，在该管状支承体的两端附近设置导电环以收集在力的作用下在电极上产生的电荷。

一种能大量衰减声波的材料6被置于管状支承体5的内部，用以对声波形成屏障（屏蔽）并注入液体以充满其余的内部空间。

在另一实施例（图3）中，这样形成的装置上有一对防护套7并置于一个充有液体的管状壳体8中，在该实施例中，用同一种液体充入管状壳体8和两端可以保持开口的管状支承体5内部，在这一柔性壳体做成一由船舶在水中拖弋的地震浮筒与水相接触的情况下，这种液体可以是原油或煤油。

在另一实施例（图4）中，包含声屏障（蔽）材料并充有液体的管状支承体5也可以在其两端用硬盖9封闭，并用保护套7简单地围住，以用于某些用途。

形成声学屏障（蔽）的材料可以是成玻璃纤维条状，液体通过毛细作用渗入其厚度中。

微孔发泡材料、多孔材料等……或其它任何物质，只要能大量衰减通过管状支承体的声波的都可以采用，应注意，声屏障（蔽）材料是均匀地分布在管状支承体5的截面上的，当充入液体时，必须确保驱出空气以得到均匀的声学屏障（蔽）。

这样形成的压电传感器无论外界施加的静压力多大时都工作得很好，完全避免了密封不良和敏感元件性能下降的风险，密封泄漏、敏感元件性能下降这种情况在支承体含有可压缩的物质如气体时是会出现的。

经验表明，液体与声学屏障（蔽）材料结合使用，相对于管状支承体只包含液体的情形来说，大大提高了传感器对动态压力变化的灵敏度，同时还观察到，声学屏障（蔽）良好的均匀性使得有可能得到平滑的频率响应曲线，一直延伸到只有几赫数量级的极低频率。

还可以通过合理选择形成压电带和管状支承体5的材料的杨氏模量及其尺寸来进一步提高压电传感器的灵敏度，如下面所要叙述的。

让我们考虑一个外径为b、厚度为（b-a）的管状支承体（图5），其表面绕有一较小厚度hp的压电薄膜，如薄膜1。敏感元件的灵敏度Mo（单位伏/巴）等于出现在其电极之间的电压e_o与所加的压力Po的比值，假定垂直于敏感元件平面沿径向X₃电场E₃在厚度hp内基本不变，因此，出现在电极之间的电压e_o等于hpE₃，电场E₃表示为沿三个轴加到敏感元件上的力T_1p、T_2p和T_3p的线性合力，即上述定义的轴X₃和在管状支承体5的切面内的轴X₁及X₂，由此可得由下列 关系式表示的敏感元件的灵敏度：

$M_O\mathrm{=\; h}{}_P\mathrm{(g}{}_{\mathrm{31}}\frac{T_{\mathrm{1P}}}{P_O}{\mathrm{+\; g}}_{\mathrm{32}}\frac{T_{\mathrm{2P}}}{P_O}{\mathrm{+\; g}}_{\mathrm{33}}\frac{T_{\mathrm{3P}}}{P_O}\mathrm{)\; (1)}$

式中，g₃₁、g₃₂和g₃₃是该基底的压电系数。

式（1）中假定沿径向轴X₃的力T_3p等于所加的压力Po。

应用虎克定律，并由合理地假定敏感元件由沿轴X₃旋加的压力Po所产生的沿切面两轴X₁、X₂的相对膨胀与管状支承体的周缘沿同样两个轴所发生的膨胀相同，可建立下面的关系式：

$\mathrm{S=}\frac{T_{\mathrm{1P}}}{P_O}=\frac{\mathrm{np}}{{\mathrm{1\; -\; n}}_P}+\frac{E_P}{E}\frac{{\mathrm{-2r}}^2{n}_P{\mathrm{(2n\; +\; 1)\; +\; r}}^2{\mathrm{(2n}}^2{}_p{\mathrm{-\; n}}_P\mathrm{+\; 2n+1\; )}}{{\mathrm{(\; 1\; -\; r}}^2{\mathrm{)\; (2n}}_P{\mathrm{-\; 1\; )\; (n}}_P{\mathrm{+\; 1)\; (1-\; n}}_P)}+$

$\frac{E_P}{E}\frac{n_P{\mathrm{(4n\; n}}_P{\mathrm{-\; 2n}}_P\mathrm{+\; 2n\; -\; 1)\; +\; 1\; -\; 2n}}{{\mathrm{(1\; -\; r}}^2{\mathrm{)\; (2n}}_P{\mathrm{-\; 1)\; (n}}_P{\mathrm{+\; 1\; )\; (1\; -\; n}}_P)}$

$\mathrm{T=}\frac{T_{\mathrm{2P}}}{P_O}=\frac{\mathrm{np}}{{\mathrm{1\; -\; n}}_P}+\frac{E_P}{E}\frac{{\mathrm{-2r}}^2{n}_P{\mathrm{(2n\; n}}_P{\mathrm{+\; n}}_P{\mathrm{-n\; -\; 1)\; +\; r}}^2{\mathrm{(\; n}}_P\mathrm{-1\; )}}{{\mathrm{(\; 1\; -\; r}}^2{\mathrm{)\; (2n}}_P{\mathrm{-\; 1\; )\; (n}}_P{\mathrm{+\; 1)\; (1-\; n}}_P)}+$

$\frac{E_P}{E}\frac{n_P{\mathrm{(4n\; n}}_P{\mathrm{-\; 2n}}_P\mathrm{+\; 2n\; -\; 1)\; +\; 1\; -\; 2n}}{{\mathrm{(1\; -\; r}}^2{\mathrm{)\; (2n}}_P{\mathrm{-\; 1)\; (n}}_P{\mathrm{+\; 1\; )\; (1\; -\; n}}_P)}$

这里，N_p和n分别表示敏感元件和管状支承体的泊松系数;

Ep和E分别表示敏感元件和管状支承体的杨氏模量;以及，

r表示管状支承体内径a与外径b之间的比值a/b。

对作为上述关系式中不同参数的函数的灵敏度Mo的变化所作的研究表明，比值Ep/E越高，比值r越接近于1，则灵敏度Mo越好。

实验得到了与上述关系式非常一致的结果，如果敏感元件1的杨氏模量比管状支承体5大得多，以及如果后者的厚度很小（r≈1）压电传感器的灵敏度可以显著提高。

使用图1至4所示的、对灵敏度有影响的各参数进行最优化的结构，可使装置的灵敏度增加至每巴几十伏特的数值（典型值50V/b），而且通频带仍下延至极低频率，且有非常平滑的频率响应。

因此，本发明的压电传感器十分适宜于在海洋地震探测工作领域用作地震接收器，或者更广泛地，用于地球物理学或海洋学测量工作。

敏感元件也可以使用与所述实施例中不同的敏感元件，例如，可采用设置在支承体外壁的管状敏感元件。但这仍在本发明的精神实质和范围之内。

Claims (11)

1、一种管状压电传感器，包括，至少一个由具有压电特性的基底制成的敏感元件和与之相联系的电极，所述敏感元件设置在一个中空管状支承体上，一种液体浸渍的材料设置在该中空管状支承体内，形成使通过该管状支承体的声波大量衰减的声学屏障，所述具有至少一个敏感元件的管状支承体设置在一个对声波透明的密封壳体中。

2、如权利要求1的传感器，其特征在于，所述材料是纤维材料。

3、如权利要求1的传感器，其特征在于，所述材料是多孔材料。

4、如权利要求2的传感器，其特征在于，所述的纤维材料由玻璃纤维制成。

5、如权利要求1的传感器，其特征在于，所述对声波透明的壳体中充有液体，所述管状支承体两端具有允许充入密封壳体的液体从中通过的小孔。

6、如权利要求1的传感器，其特征在于，所述敏感元件成薄膜状。

7、如权利要求6的传感器，其特征在于，所述敏感元件螺旋状地绕着管状支承体。

8、如权利要求6的传感器，其特征在于，两个所述敏感元件彼此以相反方向成螺旋状地绕着管状支承体。

9、如上述任一权利要求的传感器，其特征在于，形成管状支承体的材料的杨氏模量小于敏感元件基底的杨氏模量。

10、如权利要求1至8之一的传感器，其特征在于，管状支承体的内径选择得尽可能接近其外径。

11、如权利要求9的传感器，其特征在于，管状支承体的内径选择得尽可能接近其外径。

Images