CN102023309A - 一种磁悬浮电磁感应检波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁悬浮电磁感应检波器，它由支撑磁体、悬浮磁体、抗磁导轴、轴承、牵引铁磁体和线圈组成。感应振动的磁体悬浮于与其磁极相反的支撑磁体之上。线圈的轴向与悬浮磁体的振动方向平行，当检波器感应外部振动时悬浮磁体相对于支撑磁体发生相对运动。由于悬浮磁体的上下振动，通过线圈的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，线圈产生随振动速度呈正比的感应电动势。磁悬浮电磁感应检波器由于无需固定悬浮磁体的金属簧片和弹簧，结构简单紧凑，感应的振动频谱范围广泛，为一种新型无源速度型检波器。

Description

一种磁悬浮电磁感应检波器

技术领域

本发明涉及一种基于磁悬浮原理的电磁感应检波器，磁悬浮电磁感应检波器在石油地震勘探及天然地震监测方面具有特殊用途，也可广泛用于如机械振动、声波及超声波测量及水声监测和声纳方面。此外，该装置还可应用于地质灾害监测，包括地震、海啸、山体滑坡以及高边坡工程稳定性的监测以及大型建筑的振动安全监测。

背景技术

振动是工程技术以及科学研究中广泛涉及的一个研究课题，如石油天然气地震勘探、机械振动以及声波、超声波测量等方面。振动测量包括位移、频率、位相以及振动速度和加速度等物理量。目前传统的振动测量方法有机械式、电感式、电容式、压敏电阻式、压电式等传感器件。这些传统传感器件的局限在于灵敏度低，抗电磁干扰能力较差，测量频带较窄，对环境要求苛刻等。而目前在许多领域，例如在石油地震勘探方面，由于对地质深部构造的探测及相应的分辨率有很高的要求，迫切需要高灵敏度及宽频带的振动传感器，因此新型振动传感器的研制就成为许多工程领域迫切需要解决的技术问题。

目前石油地震勘探数据采集和处理普遍采用24位Δ-∑技术，动态记录范围可达120dB，同时在国内外石油物探行业广泛使用的是传统的“活动线圈速度型检波器”，可记录的最大动态范围仅为60dB，接收信号的畸变大，响应频带窄，需几个至几十个检波器组合以降低噪音干扰，这样加大了油气勘探的成本。随着勘探目的层深度的加大，深部石油地震反射信号中的高频信号衰减快，主要表现为低频特征，而传统“活动线圈速度型检波器”却对低频信号(特别是小于6Hz的信号)接收能力差。同时，传统检波器的高频响应能力也差，不利于高分辨率勘探，因此检波器技术成为高精度和深部地震勘探技术的一瓶颈环节。

高分辨率地震勘探要求检波器类型从单分量向多分量发展；从模拟型向数字型发展；从低灵敏度、小动态范围向高灵敏度大动态范围发展；从检波器组合接收方式向单点接收方式发展(即单道单只检波器接收信号)；检波器施工方法由大道距多只检波器串并组合方式向单道单只小道距接收方式发展。

用于石油物探的“活动线圈速度型检波器”是将活动的线圈固定在与磁铁同轴的弹簧上，通过感应外部振动使弹簧和线圈相对于磁铁产生移动而由线圈产生感应电动势。由于弹簧的固有频率，因此“活动线圈速度型检波器”的探测频带很窄，不足以探测由人工爆炸产生的全部宽频带弹性波。而且这类传统的速度型检波器噪音干扰较大，为了压制噪音，必须采用几个至几十个的串并组合。

传统振动传感器的数学模型均基于配重物受振动而使承受配重物体的弹簧或簧片产生振动。并将这种弹性振动转变成可测的物理量。因此弹簧或簧片的固有频率及阻尼是两个十分重要的物理量。由于成千上万只用于石油物探的速度型检波器的一致性要求很高，对弹簧的刚性系数及加工工艺要求也很高，因此寻找替换弹簧震动的新技术是研制新型振动传感器的关键。

本申请人于2005年申请名为“一种基于磁悬浮原理的振动传感器”的发明专利(专利号：2005101118938)，在该专利的技术方案中，如图2所示，由于结构设计限制，此技术不能将悬浮磁体的振动局限在沿线圈轴向的上下方向，悬浮磁体与线圈套管的内壁发生磨擦，抵消悬浮磁体的上下振动，导致悬浮磁体的振动不连续，灵敏度的幅频特性不光滑。此外，该技术方案中磁场方向不能约束在线圈轴向，通过线圈的磁通量较小，灵敏度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁悬浮电磁感应检波器。

本发明的目的是通过如下途径实现的：一种磁悬浮电磁感应检波器，感应振动的磁体悬浮于与其磁极相反的支撑磁体之上，线圈的轴向与磁体的振动方向平行；磁体固定在抗磁导轴上，抗磁导轴两端穿过两个轴承的中心孔。

更进一步的，磁体与支撑磁体相对的顶端装有牵引铁磁体。

更进一步的，所述的牵引铁磁体为铁磁材料或永磁材料制成。

更进一步的，所述的抗磁导轴为金属弹簧。

本发明提供的一种宽频带高灵敏度的磁悬浮电磁感应检波器，与前述的专利号为2005101118938的技术方案(以下简称原技术)相比，在结构上有了根本性的改变，在效果上也有显著提升。从原理和效果上本发明与原技术有以下不同：

结构上本技术发明包含牵引铁磁体、抗磁导轴和轴承，原技术没有。

由于原技术不包含抗磁导轴和轴承，故不能将悬浮磁体的振动局限在沿线圈轴向的上下方向，悬浮磁体与线圈套管的内壁发生磨擦，抵消悬浮磁体的上下振动。因此原技术中悬浮磁体的振动不连续，灵敏度的幅频特性不光滑。

由于原技术不包含牵引铁磁体，故磁场方向不能约束在线圈轴向，通过线圈的磁通量较小，灵敏度较低。

基于以上结构上的差异，本技术发明在技术效果上相对于原技术有显著的改善。图3为不同振动频率下磁悬浮电磁感应检波器的速度灵敏度。图4为原技术振动传感器的灵敏度幅频特性。图4与图3相比，幅频特性不光滑。本发明的结构包含牵引铁磁体、抗磁导轴和轴承，克服了原技术的缺陷，为高精度石油地震勘探提供一种高灵敏度225[V/(ms^-1)]、宽动态范围(113dB)的新型磁悬浮电磁感应检波器。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明磁悬浮电磁感应检波器的结构示意图；

图2为原技术振动传感器(专利号：2005101118938)的结构示意图；

图3为本发明磁悬浮电磁感应检波器在不同振动频率下的速度灵敏度示意图；

图4为原技术振动传感器(专利号：2005101118938)在不同振动频率下的速度灵敏度示意图；

图5为单只单道磁悬浮电磁感应检波器接收资料叠加剖面图；

图6为一道24只传统动圈式检波器的组合接收资料叠加剖面图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种磁悬浮电磁感应检波器，感应振动的磁体2悬浮于与其磁极相反的支撑磁体1之上，线圈6的轴向与磁体2的振动方向平行；磁体2固定在抗磁导轴3上，抗磁导轴3两端穿过两个轴承4的中心孔，抗磁导轴3为金属弹簧，轴承4为固定弹簧的面板。磁体2与支撑磁体1相对的顶端装有牵引铁磁体5，牵引铁磁体5为铁磁材料或永磁材料制成。

本发明的原理如下：

将一块永久磁体2磁铁和钕铁硼材料等置于另一块磁体1上方，如图1所示，如果两块永久磁体的磁场方向相反，而且两磁场的相互作用力μH²A/2大于上方磁体的重力mgμ：磁体的磁导率；H：磁场强度；A：相互平行的两磁体的平面面积；m：上方磁体质量即：μH²A/2＞mg，则磁体2悬浮于磁体1之上。牵引铁磁体5由铁磁材料和永磁材料构成。如牵引铁磁体5由磁性较弱的永磁材料构成，则牵引铁磁体5下端的磁场方向与悬浮磁体2顶端的磁场方向相同。牵引铁磁体5的功能之一是将悬浮磁柱体2的轴向牵引保持在线圈6的轴向；功能之二是将悬浮磁体2的磁场方向保持在线圈6的轴向，使通过线圈6的磁通量为最大。抗磁导轴3固定于悬浮磁体2的轴向，其两端穿过上下轴承4的中心孔。抗磁导轴3的作用是将悬浮磁体2振动局限在沿线圈轴向的上下振动。轴承4由摩擦系数小，且具有自润滑作用的聚四氟乙烯制成。

将支撑磁体1固定于被测振动体上并感应外部振动时，则悬浮磁体2在重力和磁力作用下相对于支撑磁体1产生反向振动。线圈6固定于振动传感器上，由于悬浮磁体2的上下振动，通过线圈6的磁通量Φ＝BA，B为悬浮磁体的磁感应强度发生变化，根基法拉第电磁感应定律，线圈两端产生感应电动势u。感应电动势u的大小正比于磁通量Φ对时间t的导数，即：

$u=-N\frac{\∂\mathrm{\Φ}}{\∂t}=-\mathrm{NBA\υ},$

这里υ为振动速度，N为线圈的匝数。感应电动势与振动速度呈正比。因此本磁悬浮电磁感应检波器为速度型检波器。线圈的长度尽可能与悬浮磁体长度相等，并将悬浮磁体一个端面置于线圈中间位置。为了改善传感器的线性度和提高灵敏度，采用两组线圈形成如图1所示的差分联接方式。在相同振动条件下，串联两组线圈产生的感应电动势是一组线圈的两倍，并且速度传感的线性度大为提高。如图1所示的差分联接方式可抗外部的电磁干扰，包括50Hz的公频干扰。

磁悬浮电磁感应检波器的支撑磁体1和悬浮磁体2可由永久磁体如磁铁和钕铁硼磁性材料等制成；牵引铁磁体5由铁磁材料Fe，Co，Ni金属和其合金和磁铁构成。

在同等磁场条件下，磁悬浮电磁感应检波器的固有频率随两磁体间的距离呈指数衰减关系，并随悬浮磁体重量的增加而减小。由于悬浮磁体与支撑磁体的相对运动而在磁体表面产生涡流，这一涡流可阻尼悬浮磁体的振动。因此本磁悬浮振动传感器的特征为无需弹簧或弹簧片支撑，并且具有自动阻尼作用。这种磁悬浮电磁感应检波器具有结构简单，紧凑，灵敏度高，稳定性及一致性好以及便于组装的特点。由于悬浮磁体无需机械支撑，经受碰撞和冲击之后自动恢复原位，没有机械疲劳的影响因素，因此磁悬浮电磁感应检波器可应用于环境比较恶劣的野外作业。

磁悬浮电磁感应检波器具有高灵敏度、宽频带的特点。磁悬浮振动传感器接收的高频信息比传统检波器丰富，这为高精度的石油地震勘探提供了一种新技术。

本发明磁悬浮电磁感应检波器，采用中国计量科学院的标准振台对磁悬浮电磁感应检波器进行了标定。图3为本发明磁悬浮电磁感应检波器不同振动频率下磁悬浮电磁感应检波器的速度灵敏度。磁悬浮电磁感应检波器的固有频率为3.2Hz，速度灵敏度为225[V/(ms^-1)]，大大高于传统的“活动线圈速度型检波器”。传统“活动线圈速度型检波器”速度灵敏度约为20[V/(ms^-1)]。图4为原技术振动传感器(专利号：2005101118938)的灵敏度幅频特性。图4与图3相比，幅频特性不光滑。这是由于原技术结构中不包含牵引铁磁体5、抗磁导轴3和轴承4，因此原技术不能将悬浮磁体2的振动局限在沿线圈轴向的上下方向，悬浮磁体与线圈套管的内壁发生磨擦。本发明的结构包含牵引铁磁体5、抗磁导轴3和轴承4，克服了原技术的缺陷。经过中国地震局地震预测研究所测定，磁悬浮电磁感应检波器的动态范围为113dB，大大高于传统“活动线圈速度型检波器”可记录的最大动态范围(约为60dB)。

采用1000只磁悬浮电磁感应检波器的单只单道接收与传统动圈式24只检波器的组合接收在贵州凯里碳酸盐岩地区进行了剖面段对比试验。图5为单只单道磁悬浮振动检波器接收资料叠加剖面图；图6为一道24只传统动圈式检波器的组合接收资料叠加剖面图。可以看出，本磁悬浮检波器用于石油地震勘探的分辨率高于传统动圈式检波器的组合接收，并可实现由单只单道检波器接收石油地震勘探信号，降低油气勘探的成本。本电磁感应检波器接收的高频信息比传统检波器丰富，为高精度的石油地震勘探提供了一种新的技术手段。

Claims (4)

1.一种磁悬浮电磁感应检波器，感应振动的磁体(2)悬浮于与其磁极相反的支撑磁体(1)之上，线圈(6)的轴向与磁体(2)的振动方向平行；其特征在于：磁体(2)固定在抗磁导轴(3)上，抗磁导轴(3)两端穿过两个轴承(4)的中心孔。

2.如权利要求1所述的一种磁悬浮电磁感应检波器，其特征在于：磁体(2)与支撑磁体(1)相对的顶端装有牵引铁磁体(5)。

3.如权利要求2所述的一种磁悬浮电磁感应检波器，其特征在于：所述的牵引铁磁体(5)为铁磁材料或永磁材料制成。

4.如权利要求1所述的一种磁悬浮电磁感应检波器，其特征在于：所述的抗磁导轴(3)为金属弹簧。

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