CN103547895A - 用于感测水下信号的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了结合地球物理勘测，辅助感测水下信号的方法和设备。一实施例涉及一种换能器，换能器包括联接到基体的悬臂。悬臂可包括梁和相对于梁有角度地定向的第一联接表面，并且该基体可包括相对于梁有角度地定向并且基本上与悬臂的第一联接表面平行的第二联接表面。换能器还可包括联接于悬臂的第一联接表面与基体的第二联接表面之间的感测材料。

Description

用于感测水下信号的方法和设备
本专利合作条约专利申请要求保护在2011年2月7日提交的名称为“An Underwater Vector Sensor by Using Batch Fabricated Precision Capacitive Accelerometer”的美国临时申请No. 61 /462,617的优先权和在2011年2月7日提交的名称为“Underwater Vector Sensor by Using Piezoelectric Flexible Shear Mode Sensor”美国临时申请No. 61 /462,656的优先权，这些专利申请以其全文引用的方式结合到本文中。
技术领域
本公开大体而言涉及换能器，并且更特定而言涉及用于感测水下信号例如声信号的换能器。
背景技术
例如油气等石化产品在社会中普遍存在并且从汽油到儿童玩具随处可见。因此，对于油气的需求仍然很高。为了满足这种高需求，重要的是找到地球中的油气储备。科学家和工程师执行“勘测”，利用地震和其它波勘探技术等来找到地球中的油气储层。这些地震勘探技术常常包括利用地震能源(例如，炸药、气枪、振动器等)控制地震能量到地球内的发射并且利用一个或多个接收器(其可各包括一个或多个用作传感器的换能器，例如加速度计、水听器等)监视地球对于地震源的响应。通过在勘测期间观察由接收器所检测的反射地震信号，可采集与反射的信号有关的地球物理数据并且这些信号可用于形成指示勘测位置附近的地球组成的图像。
常规接收器可包括一个或多个换能器，用作加速度计以测量振动、粒子运动、加速度等。例如，三维接收器可包括三个正交定向的换能器。每个换能器可包括柔性悬臂梁和结合到梁上的一个或多个压电元件，以及附连到梁的一端的校验质量。当力施加到校验质量上时，校验质量和所附连的悬臂梁偏转，造成压电元件应力。压电元件的这种应力导致由形成这些元件的压电材料所生成的电荷或电压的可测量的变化，可测量这种变化以确定校验质量偏转的方向和量值。典型电压输出可从数mV至数百mV。
常规换能器设计常常利用最适合于感测授予给压电材料法向应力的压电材料。这样的材料特别适合于检测某些信号，但对于检测其它信号可能低效，例如在地震成像期间可能需要检测的低水平信号。因此，需要一种允许检测低水平信号(例如，低频信号)的换能器，其克服了常规方案的局限性中的一个或多个局限性。
发明内容
本公开针对于一种用于感测信号并且特别地应用于感测水下声和振动信号的设备和方法。
在一实施例中，本公开涉及一种换能器，其包括联接到基体的悬臂。悬臂可包括梁和相对于梁有角度地定向的第一联接表面，并且基体可包括相对于梁有角度地定向并且基本上平行于悬臂的第一联接表面的第二联接表面。换能器还可包括联接于悬臂的第一联接表面与基体的第二联接表面之间的感测材料。
在某些实施例中，悬臂的第一联接表面可相对于梁成钝角定向。在其它实施例中，悬臂的第一联接表面可相对于梁成锐角定向。在另一实施例中，感测材料可包括第一表面和第二表面并且感测材料可被配置成以剪切模式操作。
在另一实施例中，感测材料的表面可与悬臂的第一联接表面接触并且感测材料的第二表面可与基体的第二联接表面接触。在另一实施例中，感测材料可具有矩形截面。在一实施例中，换能器可包括将悬臂联接到基体的尖头。在另一实施例中，尖头可被配置成减小换能器的横向轴线敏感性并且增强施加到感测材料上的剪切应力。在某些实施例中，悬臂可限定尖头并且尖头可延伸到基体中的空隙内。在另一实施例中，基体可限定尖头并且尖头可延伸到悬臂中的空隙内。
在另一实施例中，换能器还可包括校验质量。在某些实施例中，校验质量可为单独形式，但联接到梁。在其它实施例中，校验质量可与梁为一体的。在另一实施例中，感测材料可包括压电元件。但在其它实施例中，感测材料可包括压电电阻元件或者不同类型的剪切模式感测材料。
在某些实施例中，悬臂、基体和感测材料可一起形成第一加速度计并且换能器还可包括第二加速度计和第三加速度计，并且第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计安装于外壳中并且一起形成矢量传感器。
本发明的另一实施例可涉及一种传感器，其包括联接到基体的悬臂。悬臂可包括梁，并且感测材料可嵌入于悬臂的梁内。感测材料可包括相对于梁有角度地定向的第一表面和第二表面。
在另一实施例中，感测材料可包括嵌入于梁内的第一压电元件和第二压电元件。第二压电元件可包括相对于梁有角度地定向的第三表面和第四表面。在另一实施例中，第三压电元件和第四压电元件可嵌入于梁内。第三压电元件可平行于压电元件定向并且第四压电元件可平行于第二压电元件定向。在另一实施例中，感测材料可包括压电剪切模式元件。在另一实施例中，感测材料可具有平行四边形截面。
在再一实施例中，悬臂可在悬臂的第一端联接到基体并且可包括联接到悬臂的第二端的校验质量。此外，悬臂可在悬臂的第一端联接到基体并且感测材料可在悬臂的第一端附近嵌入于悬臂中。在另一实施例中，梁可限定凹槽，凹槽具有第一内壁、第二内壁和第三内壁，其中第三内壁基本上平行于第一内壁，并且感测材料嵌入于凹槽内。在另一实施例中，感测材料可结合第一内壁与第三内壁但并不结合第二内壁。
本公开的另一实施例可涉及一种方法。该方法可包括从联接到主体的换能器采集数据的行为。换能器可包括悬臂，悬臂联接到基体并且包括限定至少一个联接表面的梁。换能器还可包括联接到至少一个联接表面的至少一个感测元件。感测元件可为剪切模式压电元件。该方法的某些实施例还可包括处理来自换能器的数据以确定主体在至少一个方向分量上的声加速度。
本公开的另一实施例可涉及另一方法。该方法可包括从联接到主体的换能器采集数据的行为。换能器可包括悬臂，悬臂联接到基体并且包括限定至少一个联接表面的梁，至少一个联接表面相对于梁的纵向轴线有角度地定向。矢量传感器还可包括联接到至少一个联接表面的至少一个感测元件。在梁相对于基体偏转时，感测元件可经受剪切应力。在某些实施例中，该方法还可包括处理来自换能器的数据以确定主体在至少一个方向分量上的声加速度的行为。
虽然公开了多个实施例，但对于本领域技术人员而言，通过下文的详细描述，本公开的其它实施例将会变得显然，下文的详细描述示出并且描述了本发明的说明性实施例。应认识到，本公开的各种实施例能够在各种明显方面做出修改，全都不偏离本公开的精神和范围。因此，附图和详细描述被认为在本质上是说明性的而不是限制性的。
附图说明
图1示出了拖曳地震源和多个地震接收器的船只的测试图，地震源和多个地震接收器定位于在船只后方拖曳的拖缆上。
图2示出了换能器的一实施例的截面图。
图3为与图2所示的换能器的实施例相关联的电连接中的某些的示意图。
图4示出了换能器的另一实施例的截面图。
图5示出了换能器的另一实施例的截面图。
图6示出了换能器的另一实施例的截面图。
图7示出了换能器的另一实施例的前部透视图。
图8示出了换能器的另一实施例的截面图。
图9示出了换能器的另一实施例的截面图。
图10示出了封装的地震接收器的一实施例的截面图。
图11示出了计算机系统的一实施例，计算机系统能够存储和/或处理从一个或多个换能器所接收的航行和地震数据，例如以确定主体在至少一个方向分量上的声加速度。
具体实施方式
科学家和工程师执行“勘测”，利用地震和其它波勘探技术等找到地球中的油气储层。这些地震勘探技术常常包括利用地震能源(例如，炸药、气枪、振动器等)控制地震能量到地球内的发射并且利用一个或多个接收器监视地球对于地震源的响应。通过在勘测期间观察由接收器所检测的反射的地震信号，可采集与反射的信号有关的地球物理数据并且这些信号可用于形成指示勘测位置附近的地球组成的图像。
图1示出了在船只101的后方的拖缆上拖曳源102和若干接收器103的船只101的侧视图。如图所示，接收器103可定位于水面略下方。为了易于讨论，图1所描绘的实施例示出了源和接收器由同一船只拖曳，但其它组合也是可能的。例如，在其它实施例中，源和/或接收器可由单独船只拖曳和/或可实施于陆基采集系统中。在另外的实施例中，源和/或接收器可为固定的，而另一个在船只后方拖曳。在其它的实施例中，接收器103可定位于水中更深处，例如通过使用拖缆转向装置，例如可购自ION Geophysical Corporation 的DigiBIRD®和DigiFIN®品牌的转向装置。在其它实施例中，也可使用多个源。而且，可使用任何类型的(多个)源或(多个)接收器，包括例如一维、二维或三维源或接收器。
在操作期间，源102可发射地震能量(例如，利用气枪)，其能在地球104的各个部分反射并且可由接收器103收回(如由图1中的传播地震波所示)。如将在下文中进一步展开描述，每个接收器103可包括一个或多个换能器(在图1中并未具体地示出)，用作加速度计以测量反射的地震能量的量值和方向。接收器还可包括其它传感器和/或传送装置，例如压力传感器或麦克风。在接收器103处接收并处理的信号可提供适用于确定在反射信号的位置附近的地球104的各个部分的组成的数据，这些部分可包括油和/或气储层105。如果在储层105中的油和/或气随着时间耗尽，那么随后在与第一勘测基本上相同位置所进行的勘测可指示这种耗尽的各种性质，例如：减小的孔隙压力、油/水的迁移和/或气体/水接触、声阻抗降低等。
图2示出了换能器200的一实施例，其可用作单轴线加速度计(并且在某些实施例中，其可与其它换能器200组合以形成三轴线加速度计或矢量传感器)。如图所示，换能器200可包括悬臂202，悬臂202包括梁204，梁204限定联结到基体结构201的前端206和联结到校验质量210的后端208。在一实施例中，梁204的前端206可经由联结到基体结构201的舌部218或尖头而锚固到基体结构201上。尖头或舌部218可用于将梁204联接到基体结构201，并且还可用于减小换能器200的横向轴线敏感性和/或改进感测元件22中的输出信号。尖头218可降低换能器200的横向轴线敏感性和/或改进输出信号，因为尖头218可增加横向轴线的抗弯刚度并且在弯曲期间为梁204提供支点。
在一实施例中，舌部218可为从梁204的前端206向前延伸到由基体结构201所限定的接纳空隙或槽212内的材料条带。在一实施例中，舌部218的前端可使用粘合剂，例如环氧树脂粘合剂而联结到基体结构204。在其它实施例中，舌部218可以以其它方式联结到基体结构201。例如，舌部218可键接，并且基体结构201可限定相对应的凹槽使得舌部218与基体结构201限定的凹槽配合将舌部218固定到基体201上。在另外的实施例中，基体结构201和梁204可由单件材料形成。替代地，舌部218可与基体结构201为一体的，并且可延伸到悬臂202中的槽或空隙内。
在某些实施例中，梁204可由柔性材料形成，在校验质量210由外力(例如，来自地震能量、振动等)相对于基体结构204略微移位时，柔性材料允许梁204略微弯曲。舌部218可由与梁204相同的材料形成(即，使得梁204和舌部218由单件材料形成)或者可由不同材料形成。在某些实施例中，在校验质量210由于外力移位时，舌部218也可略微弯曲。如图2所示，舌部218可具有比梁214更小的厚度，或者可具有与梁204相同的厚度。在某些实施例中，舌部可具有充分厚度以支承校验质量201的重量使得梁204在仅悬臂202的重量下并不弯曲(即，当无外力冲击在质量210上时)。
如图所示，梁204的前端206可限定两个联接表面220，这两个联接表面220定位于梁204的相对侧上。联接表面220可各被配置成接纳由感测材料形成的一个或多个感测元件222使得联接表面220的至少一部分可接触感测元件222的面之一的至少一部分。在一实施例中，感测元件222可由压电材料形成，例如压电晶体。在其它实施例中，感测元件222可由另一类型的剪切模式感测材料形成，例如压电电阻材料、压电陶瓷材料、压电复合材料、压电晶体等。
基体结构201也可限定两个联接表面221，这两个联接表面221各被配置成接纳一个或多个感测元件222使得联接表面221的至少一部分可接触感测元件222的面之一的至少一部分。在某些实施例中，基体结构201的联接表面221可接触感测元件222的底面，而梁204的联接表面220可接触感测元件222的顶面，或者反之亦然。联接表面221、220可在联接表面211、220与元件222的面之间的接触点结合到感测元件222的面，例如利用粘合剂。在某些实施例中，基体结构201的联接表面221可基本上平行于梁的联接表面220，如图2所示。但是在其它实施例中，基体结构201的联接表面可不平行于梁204的联接表面220。
联接表面220、221可各相对于梁204的纵向轴线224限定角度A、B。在一实施例中，每个联接表面220、221可相对于梁204的纵向轴线224限定锐角(例如，在0度与90度之间)。在一实施例中，限定于联接表面220、221与梁204的纵向轴线224之间的角度A、B可基本上相等。但是在其它实施例中，联接表面220、221可相对于梁204的纵向轴线限定不同角度。例如，联接表面220、221之一可相对于梁204的纵向轴线224限定45度的角度A，而联接表面220、221中的另一个可相对于梁204的纵向轴线224限定65度的角度B。如图所示，感测元件222可各在基本上不垂直于和不平行于梁204的纵向轴线的方向上延伸，但其基本上平行于联接表面220、221。
在一实施例中，感测元件222可限定具有六个对立面的矩形形状。在某些情况下，矩形感测元件制造起来可能比某些其它配置的感测元件更容易并且更廉价，这可导致制造换能器200的成本节省。但在其它实施例中，感测元件可为另一配置。例如，感测元件可限定某些其它多面体形状，或者可限定一个或多个圆形边缘。在一特定实施例中，感测元件可限定平行六面体，其中，感测元件的顶面和底面可彼此平行，并且感测元件的端面可彼此平行。在这样的实施例中，感测元件可各具有平行四边形截面。在另一实施例中，感测元件可限定棱柱形状。
在垂直于梁的纵向轴线的力(由箭头226和228表示)施加到校验质量210上时，质量210可相对于基体结构201移位。梁204将荷载载运到前端206，在那里，力226、228被转换为受到感测元件222抵抗的剪切应力(由箭头230表示)。在图2所示的实施例中，剪切应力230可由基本上平行于梁204和基体201的联接表面220、221的力矢量分量造成。在剪切应力230施加到感测元件222上时，形成感测元件222的压电材料可根据牛顿力学加载，导致能检测和测量到的电荷或电压变化。
在一实施例中，感测元件222可由剪切模式压电材料形成。剪切模式压电材料可为高度敏感的，并且可具有比某些其它压电感测模式更高的电荷系数。在某些实施例中，剪切模式压电材料可被配置成生成与冲击于感测元件222上的应力振幅成比例的电荷。例如，一实施例可利用PMN-PT压电晶体，其具有d15电荷系数(大约5000cC/N)。另一实施例可利用压电电阻材料而不是压电材料。压电电阻材料可将剪切应力转换为与所施加的力的剪切应力振幅成比例的电阻变化。在这样的实施例中，被配置成检测这种电荷或电阻变化的电调节器可联接到感测元件并且可生成在微伏或数百微伏范围的可测量的电压。压电电阻材料也可具有相对较高的剪切模式压电电阻系数。例如，掺杂硅晶体可在138×10-11/Pa具有剪切模式压电电阻系数
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。
利用剪切模式压电元件，结合所公开的换能器200，提供许多益处。例如，换能器200的悬臂结构可特别适合于检测低频的振动，而剪切感测结构可特别适合于检测高频振动。所公开的换能器200组合剪切模式材料与悬臂梁设计的优点，并且因此在适合于地震成像以及其它应用的频率范围高效地检测声或振动信号。此外，本文所公开的柔性剪切压电换能器可具有比其它类型的压电元件更小的大小，这允许所得到的换能器200比其它类型的换能器更轻并且在设计上更紧凑，同时维持对一定范围振动的高度敏感性。
图3示出了可结合图2所示的换能器200的实施例使用的电连接中的某些的示意图。如图所示，每个感测元件222可电联接到悬臂梁204和基体204并且感测元件222可被定向为使得它们具有彼此相反的极性。在某些实施例中，梁204和基体结构204可各电联接到电压测量装置(并未具体地示出)，电压测量装置被配置成在校验质量210偏转时测量由换能器200提供的电压。在一实施例中，梁204和基体结构204可经由一个或多个输出线250而联接到电压测量装置。
在校验质量210移位时，感测元件22可经受剪切应力，在感测元件222中产生与所施加的应力成比例的差分电荷。所产生的电荷可造成在梁204与基体结构201之间的电位差，这种电位差可由电压或电荷测量装置测量。电位差可改变极性，取决于校验质量210移位的方向。例如，校验质量210在一个方向上的偏转可造成正电位差，而校验质量210在另一方向上的偏转可造成负电位差。
在图3所示的一实施例中，梁204和基体结构204可由导电材料形成，使得由感测元件222所生成的电荷可通过梁204流动。例如，梁可由钢、铝或由多种金属形成的合金而形成。在梁由导电材料形成的实施例中，尖头218可被涂布非导电材料以便防止从梁204到基体201短路。在其它实施例中，梁204和基体结构201可由非导电或基本上非导电材料形成，例如氧化铝、陶瓷或塑料。在这样的实施例中，输出线250可直接联接到感测元件222，而不是梁204或基体结构201。替代地，基体结构201和/或梁204可被镀以导电材料以提供到感测元件的电接入。
图4示出了换能器300的另一实施例。类似于图2所示的实施例，此实施例可包括悬臂，悬臂包括联接到校验质量310的梁304。梁304也可限定舌部318，舌部318将梁304锚固到基体结构301上。在此实施中，梁304可限定y形状，其中梁304的后端308具有线性结构，而梁304的前端306可限定远离彼此成角度延伸的两个臂305。臂305的内表面可各限定联接表面320，联接表面320被配置成接触一个或多个感测元件322。如图所示，联接表面320中的每一个可相对于梁304的纵向轴线324限定在90度与180度之间的钝角C、D。
如图所示，基体结构301可具有突伸部307，突伸部307限定两个成角度的联接表面321，这两个成角度的联接表面321被配置成接触感测元件320。类似于图2中所示的实施例，联接表面321可基本上平行于由梁304所限定的联接表面320。在某些实施例中，基体结构301的联接表面321可相对于梁304的纵向轴线304限定角度C、D，角度C、D基本上等于由梁304的相对应的联接表面所限定的角度C、D。在其它实施例中，基体结构301的联接表面321可不平行于梁304的联接表面320。
类似于图2所示的实施例，图4所示的换能器300可响应于冲击于校验质量310上的法向力而提供可测量的电压。例如，当压电材料用于感测元件322时，这个电压可从数mV到数百mV变化并且可取决于输入信号水平。如在上文中关于图2所描述，舌部318和/或梁304的长度可由允许校验质量310响应于施加到质量310上的法向力偏转的柔性材料形成。在校验质量310偏转时，感测元件322经受剪切应力(由箭头330表示)并且产生可由电压测量装置(并未具体地示出)测量的电压。
与其中感测元件222在向前倾斜方向定向的图2所示的实施例不同，图4所示的换能器300的感测元件322在向后倾斜方向上定向。尽管如此，图4所示的实施例允许在校验质量310由于安装有感测元件322的成角度的联接表面320、321而移位时在感测元件322上生成剪切力。
虽然图2和图4所示的梁204、304的示例沿着其长度具有基本上均匀的厚度，其它实施例可利用沿着其长度具有可变厚度的梁204、304。例如，梁204、304的后端208、308可比梁204、304的前端208、308更薄或更厚。替代地，梁204、304可沿着其长度具有缺口或者包括各种突起。
此外，其它实施例可不利用联结到梁204、304的校验质量210、310。在这样的实施例中，校验质量210、310可与梁为一体的，而不是联接到梁的单独形式。例如，在某些实施例中，梁204、304可具有较厚的后端208、308，其功能类似于在上文中关于图2和图4所示的实施例所描述的校验质量210、310。在另外的实施例中，梁204、304可沿着其长度具有基本上均匀的厚度。
其它实施例也可利用校验质量210、310的其它配置。虽然图2至图4示出了矩形的校验质量210、310，其它实施例可利用具有其它配置的校验质量。例如，可使用圆形的校验质量或角锥体形质量。
图5示出了换能器400的另一实施例。虽然图2和图4所示的实施例示出了其中单个感测元件222、322定位于梁204、304的每一侧上的换能器200、300，此实施例包括定位于梁404的相对侧上的多个感测元件422。例如，梁404的一侧或两侧可包括定位于梁404与基体结构401之间的两个或两个以上的感测元件422。每个感测元件422的电荷输出可传送到电压测量装置(并未具体地示出)，从而提高了换能器400的敏感性。在其它实施例中，不同数量的感测元件422可定位于梁404的相对侧上，使得换能器在一个方向比另一个方向对校验质量410的偏转更敏感。
图6示出了换能器500的另一实施例。这个实施例类似于图2中所描绘的实施例。但是，在此实施例中，梁504可限定与联接表面520相邻的一个或多个带缺口或带台阶的部分511，其在制造期间帮助对准感测元件522与梁504。在某些实施例中，基体501也可或替代地包括相对应的带缺口或带台阶的部分，其被配置成用以捕集住感测元件522的端部以在制造期间便于感测元件522与基体501对准。
图7示出了换能器600的另一实施例，其中移除了基体结构。在此实施例中，梁的前端606可包括四个臂605。该臂的结构可类似于图4所示的梁304的臂305，其中臂605中的每一个相对于梁604的纵向轴线624限定成角度的联接表面620。类似于其它实施例，联接表面620可各被配置成接纳一个或多个感测元件622。这个特定实施例包括两对感测元件622(对于总共四个感测元件622而言)，其中每对感测元件622包括安装于梁的彼此相对侧上的两个感测元件。如图所示，第一对感测元件622可沿着第一轴线(由点线660表示)定位，并且第二对感测元件622可沿着基本上垂直于第一轴线660的第二轴线(由点线661表示)定位。
在此实施例中，换能器600可用作双轴线加速度计，因为其能感测沿着第一轴线660和第二轴线661中每一个施加的加速度。例如，当校验质量610在沿着第一轴线660的方向上偏转时，沿着第一轴线660定位的感测元件622可经受剪切应力，导致在这些感测元件622两端生成可测量的电压。当校验质量610在沿着第二轴线661的方向上偏转时，沿着第二轴线661定位的感测元件622经受剪切应力，导致在这些感测元件622两端生成可测量的电压。因此，图7所示的换能器600可用于测量在多个方向上和在多个维度上施加的外力。在某些实施例中，在每一个或每对感测元件622的(多个)表面上生成的电荷可分离(例如，去耦)并且进一步可提供给电压测量装置。
其它实施例可包括沿着梁的其它轴线定位的更多或更少的感测元件622。例如，其它实施例可包括沿着以120度彼此隔开而非彼此垂直的轴线定位的三个感测元件622。作为另一示例，某些实施例可包括沿着彼此45度隔开的轴线定位的八个感测元件622。在某些实施例中，在每一个或每对(或其它组合)的感测元件622的(多个)表面上生成的电荷可分离(例如，去耦)并且还可提供给电压测量装置。
图8示出了换能器700的另一实施例，其中，感测元件722嵌入于梁704内。在此实施例中，梁704可限定多个槽770或凹槽，槽770或凹槽被配置成接纳一个或多个感测元件722。槽770可包括两个相对的联接表面720以及端壁723，这两个相对的联接表面720被配置成接合感测元件722的侧面，端壁723被配置成接合感测元件722的端壁。在某些实施例中，两个相对的联接表面720可结合到在槽内接纳的感测元件，但槽770的端壁723可保持不结合到感测元件722的相对应的端壁。在其它实施例中，感测元件722的面中的每一个可结合到槽的壁723、720。如图所示，对置的联接表面720可基本上彼此平行，并且端壁723可基本上平行于梁704的壁。在其它实施例中，对置的联接表面720可并非彼此平行的。在某些实施例中，在每一个或每一对(或其它组合)的感测元件722上生成的电荷可分离(例如，去耦)，并且进一步可提供给电压测量装置。
类似于其它实施例，联接表面720可相对于梁704的纵向轴线724以角度E、F延伸。例如，在一实施例中，联接表面720可相对于梁的纵向轴线限定在0度与90度之间的角度E、F(即，锐角)。在这样的实施例中，感测元件722可在向前倾斜方位定向。在另一实施例中，联接表面可相对于梁的纵向轴线限定在90度与180度之间的角度(即，钝角)，使得感测元件722可定位于向后倾斜方位。
在图8所示实施例中，槽770可位于沿着梁704长度的相同位置。但是，在其它实施例中，第一槽770可定位于沿着梁704长度的一个位置，而另一槽770(位于与第一槽770相反的梁704的侧部上)可位于沿着梁704的长度的另一位置(例如，离梁704的前端706或后端708更远或更近)。
图9示出了换能器800的另一实施例。此实施例与图8所示的实施例非常类似，但在此实施例中，梁804可包括沿着梁804长度的多对槽870或切口(如图8所示)，它们各被配置成接纳一个或多个感测元件822。如图所示，位于梁804一侧上的感测元件822可基本上彼此平行，并且位于梁804另一侧上的感测元件822也可基本上彼此平行。但在其它实施例中，感测元件822可被定向为使得它们彼此不平行。
在某些实施例中，每一个或每对感测元件822可联接到电压测量装置(并未具体地示出)以便俘获和/或测量在感测元件822的一个或多个表面上生成的电荷。在校验质量810移位时，梁804可沿着其长度偏转，并且每对感测元件822可基于其沿着梁804长度的位置经受不同水平的剪切应力。因此，这个换能器800可允许增强的敏感性，因为每次校验质量810移位时可沿着梁804的长度得到多个电压读数。在某些实施例中，感测元件822可定位于梁804的四个侧部上以便具有双轴线响应，类似于参考图7所描述的那样。
图10示出了包括多个换能器902、904、906的封装的地震接收器900的一实施例，多个换能器902、904、906 一起可用作三轴线加速度计。换能器902、904、906可类似于关于先前实施例所描述的那些。如图所示，换能器902、904、906中的每一个可安装于封闭的外壳908上，封闭的外壳908包含全部换能器902、904、906。此外，接收器900还可包括其它部件，例如水听器910或被配置成测量声压的其它感测装置；以及电子调节器912，诸如电压测量装置或者放大器，其联接到换能器902、904、906。在某些实施例中，外壳908可完全地或部分地由泡沫材料914或并不向接收器900增添显著重量的其它低密度材料覆盖。在一实施例中，泡沫材料914可为复合泡沫。
如图所示，换能器902、904、906可各被配置成感测在不同方向903、905、907上施加的声粒子加速度。例如，换能器902、904、906可定向为使得它们基本上彼此正交。在一实施例中，换能器902、904、906可定向为基本上彼此正交，使得换能器902、904、906可感测在X方向903、Y方向905和Z方向907上的声粒子加速度，如图10所示。在其它实施例中，换能器902、904、906可定向为相对于彼此成其它角度。
在某些实施例中，接收器900可包括在外壳内相对较大量的空隙空间以影响其浮力。例如，在一特定实施例中，接收器900的等效密度可小于或等于水密度的大约五(5)倍使得接收器900能遵循声粒子速度。接收器900的浮力还可由包围外壳908的泡沫914进一步增加。此外，如图所示，接收器900可具有小于或等于声波的上限频率的波长L2的大约一半的长度L1。
在操作期间，接收器900可由于声波在水中移动而移位使得接收器900遵循声波的移动。换能器902、904、906可各被配置成当接收器900在水中在一个方向分量903、905或907(例如，X、Y或Z)上移动时感测接收器900的声加速度的量(即，速度)。其它实施例可包括更多或更少换能器使得接收器900能够感测在更多或更少方向上的声加速度。
图11示出了能够处理来自一个或多个换能器或接收器的数据以确定主体在至少一个方向分量上的声加速度的计算机系统735的一实施例。(多个)换能器可类似于上文所描述并且在图2至图9中所示的实施例中的任何实施例。在某些实施例中，计算机系统735可为在船只101(在图1中示出)上的个人计算机和/或手持电子装置。在其它实施例中，计算机系统735可为企业级计算机的实施方式，例如在陆基计算机系统中在企业内的一个或多个刀片式服务器。键盘740和鼠标741可经由系统总线748联接到计算机系统735。键盘740和鼠标741，在一示例中，可将使用者输入引入到计算机系统735并且将使用者输入传送到处理器743。可使用其它合适输入装置，作为鼠标741和键盘740的补充或替代。联接到系统总线748的输入/输出单元749(I/O)表示这样的I/O元件为打印机，音频/视频(A/V)I/O等。
计算机735还可包括视频存储器744、主存储器745和大容量存储装置742，全都与键盘740、鼠标741和处理器743一起联接到系统总线748。大容量存储装置742可包括固定的介质和可移除的介质，例如磁性、光学或磁光储存系统和任何其它可用的大容量储存技术。总线748可包括例如用于对视频存储器744或主存储器745寻址的地址线。
系统总线748还可包括用于在诸如处理器743、主存储器745、视频存储器744和大容量存储装置742等部件之间和之中转移数据的数据线。视频存储器744可为双端口视频随机存取存储器。视频存储器744的一个端口，在一示例中联接到视频放大器746，视频放大器746用于驱动监视器747。监视器747可为适合于显示图形图像的任何类型的监视器，例如阴极射线管监视器(CRT)、平板或液晶显示器(LCD)监视器或任何其它合适数据呈现装置。
计算机系统包括处理器743，其可为任何合适的微处理器或微计算机。计算机系统735也可包括联接到总线748的通信接口750。通信接口750经由网络链路提供双向数据通信联接。例如，通信接口750可为卫星链路、局域网(LAN)卡、电缆调制解调器和/或无线接口。在任何这样的实施方式中，通信接口750发送和接收电、电磁或光学信号，其载运表示各种类型信息的数字数据流。
由计算机系统735接收的代码可由处理器743执行，因为代码被接收和/或存储于大容量储存装置742或者其它非易失性存储装置中用于在后来执行。以此方式，计算机系统735可得到呈多种形式的程序代码。程序代码可实施于任何形式的计算机程序产品中，例如被配置成存储或运输计算机可读代码或数据或者计算机可读代码或数据可嵌入于其中的介质。计算机程序产品的示例包括CD-ROM盘、ROM卡、软盘、磁带、计算机硬盘驱动、网络上的服务器以及固态存储装置。无论计算机系统735的实际实施方式如何，数据处理系统可执行允许使用重复性和其它度量过滤的操作。
虽然上文所描述的实施例主要关于检测地震能量展开描述，本领域技术人员将意识到这些实施例可用于其它目的。例如，所公开的换能器可用于测量车辆加速度、车辆振动、机器、建筑物、过程控制系统、安全设施等。此外，所公开的换能器可用于智能手机、数字音频播放器和利用换能器来确定该装置相对于使用者的方位的其它电子装置。本领域技术人员还意识到所公开的换能器可具有与其它类型的换能器相关联的很多种应用，包括(但不限于)在工程、生物学、工业、医药、运输、航行和重力测量中的应用。而且，本领域技术人员将意识到如上文所描述那样，本文所描述的换能器可用作传感器，但它们也可用作或替代地用作促动器，其中电压被施加到压电感测材料上并且梁由于施加的电压而移动。
参考本发明的特定实施例描述了根据本公开的设备和相关联的方法以便说明操作原理。因此上文的描述仅出于说明目的并且无限制意义。鉴于本文的教导内容，所描述的实施例的各种修改和更改将对于本领域技术人员显然。例如，本领域技术人员能设计出许多系统、布置和方法，尽管其并未明确地示出或在本文中描述，实施所描述的原理和因此在本公开的精神和范围内。
因此，预期所公开的实施例的所有这样的更改、变型和修改在由所附权利要求所限定的本发明的范围内。
在本文中直接或间接地陈述的方法中，以一种可能的操作次序描述了各种步骤和操作，但本领域技术人员应认识到步骤和操作可重新排列、替换或排除，而未必偏离所公开的实施例的精神和范围。
所有相对和方向参考(包括：上部、下部、向上、向下、上行、下行、左、右、顶部、底部、侧部、上方、下方、前、中、后、竖直、水平、中部等)仅以举例说明的方式给出以辅助读者理解本文所描述的特定实施例。它们不应被理解为要求或限制，特别是在位置、方位或发明用途方面。连接参考(例如，附连、联接、联结等)应被广义地理解并且可包括在元件连接之间的中间构件和元件之间的相对移动。因此，连接参考未必推断出两个元件直接连接和相对于彼此固定，除非在权利要求中具体地陈述。

Claims (29)

1.一种换能器，包括：
悬臂，联接到基体，所述悬臂包括梁和相对于所述梁有角度地定向的第一联接表面，并且所述基体包括第二联接表面，所述第二联接表面相对于所述梁成有角度地定向并且基本上平行于所述悬臂的所述第一联接表面；以及
感测材料，联接于所述悬臂的所述第一联接表面与所述基体的所述第二联接表面之间。
2.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述悬臂的所述第一联接表面相对于所述梁以钝角定向。
3.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述悬臂的所述第一联接表面相对于所述梁以锐角定向。
4.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述感测材料包括第一表面和第二表面并且所述感测材料配置成以剪切模式操作。
5.根据权利要求4所述的换能器，其中，所述感测材料的所述第一表面与所述悬臂的所述第一联接表面接触并且所述感测材料的所述第二表面与所述基体的所述第二联接表面接触。
6.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述感测材料具有矩形截面。
7.根据权利要求1 所述的换能器，还包括：将所述悬臂与所述基体联接的尖头。
8.根据权利要求7所述的换能器，其中，所述尖头配置成用以减小所述换能器的横向轴线敏感度，并且进一步配置成用以增强施加到所述感测材料上的剪切应力。
9.根据权利要求7所述的换能器，其中，所述悬臂包括尖头并且所述尖头延伸到所述基体中的空隙内。
10.根据权利要求7所述的换能器，其中，所述基体包括尖头并且所述尖头延伸到所述悬臂中的空隙内。
11.根据权利要求1 所述的换能器，还包括校验质量。
12.根据权利要求11所述的换能器，其中，所述校验质量不同于所述梁但联接到所述梁。
13.根据权利要求11所述的换能器，其中，所述校验质量与所述梁是集成一体的。
14.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述感测材料包括压电元件。
15.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述感测材料包括压电电阻元件。
16.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述悬臂、所述基体和所述感测材料一起形成第一加速度计，还包括第二加速度计和第三加速度计，所述第一加速度计、第二加速度计和第三加速度计安装于外壳中并且一起形成矢量传感器。
17.一种换能器，包括：
悬臂，联接到基体，所述悬臂包括梁；以及
嵌入于所述悬臂的梁内的感测材料，
其中所述感测材料包括相对于所述梁有角度地定向的第一表面与第二表面。
18.根据权利要求17所述的换能器，其中，所述感测材料包括第一压电元件并且还包括嵌入于所述梁内的第二压电元件，所述第二压电元件包括相对于所述梁有角度地定向的第三表面和第四表面。
19.根据权利要求18 所述的换能器，还包括：嵌入于所述梁内的第三压电元件和第四压电元件，所述第三压电元件平行于所述第一压电元件定向并且所述第四压电元件平行于所述第二压电元件定向。
20.根据权利要求17所述的换能器，其中，所述感测材料包括压电剪切模式元件。
21.根据权利要求17所述的换能器，其中，所述感测材料具有平行四边形截面。
22.根据权利要求17所述的换能器，其中，所述悬臂在所述悬臂的第一端处联接到所述基体，并且还包括联接到所述悬臂的第二端上的校验质量。
23.根据权利要求17所述的换能器，其中，所述悬臂在所述悬臂的第一端处联接到所述基体，并且所述感测材料在所述悬臂的所述第一端附近嵌入于所述悬臂中。
24.根据权利要求17所述的换能器，其中，所述梁包括凹槽，所述凹槽具有第一内壁、第二内壁和第三内壁，所述第三内壁基本上平行于所述第一内壁并且所述感测材料嵌入于所述凹槽内。
25.根据权利要求24所述的换能器，其中，所述感测材料结合到所述第一内壁和第三内壁，而不结合到所述第二内壁。
26.一种方法，包括以下行为：
从联接到主体的换能器上采集数据，所述换能器包括：
悬臂，联接到基体并且包括梁，所述梁限定相对于所述梁的纵向轴线有角度地定向的至少一个联接表面；以及
联接到所述至少一个联接表面的至少一个感测元件，其中当所述梁相对于所述基体偏转时所述感测元件经受剪切应力。
27.根据权利要求26 所述的方法，其还包括以下行为：处理来自所述换能器的数据以确定所述主体在至少一个方向分量上的声加速度。
28.一种方法，包括以下行为：
从联接到主体的换能器采集数据，所述换能器包括：
悬臂，联接到基体、并且包括限定着至少一个联接表面的梁；以及
至少一个感测元件，联接到所述至少一个联接表面，其中所述感测元件为剪切模式压电元件。
29.根据权利要求28 所述的方法，其还包括以下行为：处理来自所述换能器的数据以确定所述主体在至少一个方向分量上的声加速度。
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