CN105223606B - 陆用压电地震检波器芯体 - Google Patents

Abstract

一种陆用压电地震检波器芯体包括上芯体和下芯体；上芯体包括上壳体、设于上壳体内的放大电路板、两个放大器、第一惯性质量体和第一压电元件；下芯体包括下壳体、设于下壳体内的第二惯性质量体和第二压电元件；第一压电元件和第二压电元件的正负极安装方向相反。上述陆用压电地震检波器芯体，第一压电元件和第二压电元件的安装方向相反，产生的压电信号分别由不同的放大器进行放大，再将两个放大器的输出信号进行反向并接。第一压电元件和第二压电元件产生的有效信号反向叠加得到双倍增强，而其他由于导线、放大器、电路等由于电磁干扰等因素产生的噪声信号正负抵消。这种结构，大幅提高了检波器的灵敏度，同时可以提高抗电磁干扰的能力。

Description

陆用压电地震检波器芯体

技术领域

本发明涉及地震勘探与地震检测领域，尤其涉及一种陆用压电地震检波器芯体。

背景技术

地震检波器是一种非常重要的且不可替代的地震勘探与地震监测领域的传感器，检波器根据使用地点可分为陆用和水用两种，而根据其原理和结构的不同又可以分为动圈检波器，压电检波器，光栅检波器，磁悬浮检波器等等。

目前国内外使用最多的仍然是动圈式地震检波器，由于其固有的机械特征，这种检波器具有灵敏度低、动态范围小、频带窄、抗干扰能力差等缺点，而随着地震仪器技术的不断发展，仪器本身在频带、动态范围等方面已经具备了相当高的技术指标，远远超过了目前检波器的技术水平，检波器已然成为了制约地震勘探装备技术提高的瓶颈。

与传统动圈检波器相比，压电检波器由于内部是刚性连接，不存在任何可动部件，所以不存在假频和谐波失真的问题，动态范围和有效频带范围都明显高于动圈检波器，长期以来压电检波器大量用于水上地震勘探，陆用压电检波器虽然也使用压电材料作为检波器的核心元件，但由于使用环境不同，其在结构、材料等各方面具有很大的差异。袁保鼎等人于1993年研制了惯性压电水陆通用检波器(中国专利93232320.0)；杜克相等研制了陆用压电陶瓷地震检波器(中国专利00226749.7)；刘兆琦研制了YD20OO型陆用压电地震加速度检波器(中国专利200420042025.X)，YD20OO型陆用压电地震加速度检波器进行了大量野外试验，取得了非常不错的效果；郭建等人发明了一种集成了模数转换技术的新结构的陆用压电地震数字检波器(中国专利20101014266.x)，在检波器内直接将压电信号数字化，避免模拟传输以提高精度。以上均通过各自特色技术提出了提高压电检波器灵敏度以及降低干扰的方法，同时在大家的实施过程中可以总结出一些很重要的制约陆用压电检波器发展的技术难点。首先，灵敏度与体积及重量之间存在矛盾。一般来讲，作用在压电晶体上的惯性质量体越重，检波器灵敏度越好，但由于材料的密度一定，一般体积也必然增大，体积和重量的增加都会给施工带来不便。其次，压电晶体由于本身输出阻抗特别大，需要连接放大器才能进行正常的检波器输出，导线以及放大器的使用使得输出信号容易受到电磁干扰，必须再增加使用滤波器以及屏蔽措施。

发明内容

鉴于此，有必要提供了一种既不需要提高惯性质量体质量，又不需要使用具有更高性能的压电材料的前提下就可以大幅提高检波器灵敏度，同时，可以在不增加任何新装置的情况下有效的避免电磁干扰的陆用压电地震检波器芯体。

一种陆用压电地震检波器芯体，包括上芯体和下芯体；

所述上芯体包括上壳体、设于所述上壳体内的放大电路板、两个放大器、第一惯性质量体和第一压电元件，所述放大电路板设于所述第一惯性质量体的一侧，所述第一压电元件设于所述第一惯性质量体的另一侧，两个所述放大器设于所述放大电路板上；

所述下芯体包括下壳体、设于所述下壳体内的第二惯性质量体和第二压电元件；

所述上壳体和所述下壳体固定连接，所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体固定连接形成一整体，所述第一压电元件位于所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体之间，所述第二压电元件位于所述第二惯性质量体和所述下壳体的底部之间，所述第一压电元件和所述第二压电元件的正负极安装方向相反，所述第一压电元件和所述第二压电元件分别连接至两个所述放大器，两个所述放大器的输出信号反向并接进行信号输出。

在其中一个实施例中，所述上芯体还包括设于所述上壳体内的第一绝缘垫片、第二绝缘垫片、第一电极片、第二电极片和第三绝缘垫片；

所述第一绝缘垫片设于所述放大电路板和所述第一惯性质量体之间，所述第二绝缘垫片、第一电极片、第一压电元件、第二电极片和第三绝缘垫片依次设于所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体之间，所述第一电极片和所述第二电极片分别通过第一导线和所述放大电路板连接；

所述下芯体还包括设于所述下壳体内的第四绝缘垫片、第三电极片、第四电极片和第五绝缘垫片；

所述第四绝缘垫片、第三电极片、第二压电元件、第四电极片和第五绝缘垫片依次设于所述第二惯性质量体和所述下壳体的底部之间，所述第三电极片和所述第四电极片分别通过第二导线和所述放大电路板连接。

在其中一个实施例中，所述上壳体为顶部开口的筒状结构，所述上壳体的底部开设有通孔；

所述第一惯性质量体为螺栓状结构，所述第一惯性质量体包括头部和螺杆部，所述螺杆部的一端和所述头部的一侧固定连接，所述螺杆部的另一端穿出所述上壳体的所述通孔，所述螺杆部设有螺纹，所述螺杆部表面涂覆有绝缘材料；

所述第一绝缘垫片设于所述头部远离所述螺杆部的一侧；

所述第二绝缘垫片、第一电极片、第一压电元件、第二电极片和第三绝缘垫片均为环形结构，所述螺杆部依次穿过所述第二绝缘垫片、第一电极片、第一压电元件、第二电极片和第三绝缘垫片；

所述下壳体为顶部开口的筒状结构；

所述第二惯性质量体为圆柱状，所述第二惯性质量体的开设有螺孔，所述第一惯性质量体的螺杆部和所述螺孔匹配；

所述第一惯性质量体的所述螺杆部设于所述第二惯性质量体的螺孔内，所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体螺纹连接，所述上芯体的下端和所述下芯体上端固定连接。

在其中一个实施例中，所述上壳体的下端的外表面以及所述下壳体的上端的内表面设有相互匹配的螺纹结构，所述上壳体的下端和所述下壳体的上端通过螺纹结构固定连接。

在其中一个实施例中，所述上壳体的侧壁开设有第一小孔，所述下壳体的侧壁开设有第二小孔，所述第二导线穿过所述第一小孔和所述第二小孔将所述第三环形电极片、所述第四环形电极片和所述放大电路板连接。

在其中一个实施例中，所述第一压电元件和所述第二压电元件均为多层组合一体化压电器件。

在其中一个实施例中，还包括上盖，所述上盖和所述上壳体的上端通过螺纹固定连接。

在其中一个实施例中，第四绝缘垫片、第三电极片、第二压电元件、第四电极片和第五绝缘垫片均为环形。

在其中一个实施例中，所述放大电路板上还设有电源输入接口。

在其中一个实施例中，所述放大电路板上还设有信号输出接口。

上述陆用压电地震检波器芯体，第一压电元件和第二压电元件的安装方向相反，且分别接入至上壳体内的放大电路中。第一压电元件和第二压电元件产生的压电信号分别由不同的放大器进行放大，再将两个放大器的输出信号进行反向并接。第一压电元件和第二压电元件产生的有效信号反向叠加后得到双倍增强，而其他由于导线、放大器、电路等由于电磁干扰等因素产生的噪声信号得到了正负抵消。由于这种特殊的结构设计，在体积和重量基本不变的前提下可以大幅提高检波器芯体的灵敏度和动态范围，同时可以大大提高抗电磁干扰的能力。

附图说明

图1为一实施方式的陆用压电地震检波器芯体的剖面结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，一实施方式的陆用压电地震检波器芯体100，包括上芯体10和下芯体20。

上芯体10包括上壳体110、设于上壳体110内的放大电路板120、两个放大器130、第一惯性质量体140和第一压电元件150。放大电路板120设于第一惯性质量体140的一侧，第一压电元件150设于第一惯性质量体140的另一侧。两个放大器130设于放大电路板120上。两个放大器130分别为第一放大器132和第二放大器134。第一放大器132和第二放大器134可以选用LF442CN型号，许多芯片生产厂家都有此运放芯片，价格低廉，具有低功耗，高输入阻抗等优点，可以很好的完成对压电信号的电流放大。

下芯体20包括下壳体210、设于下壳体内的第二惯性质量体220和第二压电元件230。

上壳体210和下壳体220固定连接。第一惯性质量体140和第二惯性质量体220固定连接形成一整体。第一压电元件150位于第一惯性质量体140和第二惯性质量体220之间。第二压电元件230位于第二惯性质量体220和下壳体210的底部之间。第一压电元件150和第二压电元件230的正负极安装方向相反。第一压电元件150和第二压电元件230分别连接至两个不同的放大器130，两个放大器130的输出信号反向并接进行信号输出。即第一压电元件150和第二压电元件230分别连接至第一放大器132和第二放大器134。

第一压电元件150和第二压电元件230的正负极安装方向相反是指：将上芯体10和下芯体20上下固定连接后，第一压电元件150的正负极朝向和第二压电元件230的正负极朝向相反。例如，第一压电元件150正极朝上时，第二压电元件230正极朝下。或第一压电元件150正极朝下时，第二压电元件230正极朝上。

上述陆用压电地震检波器芯体100，采用可以上下连接的上壳体110和下壳体210，两套壳体内均有压电元件和惯性质量体。上壳体110和下壳体210连接后，两壳体内的第一惯性质量体140和第二惯性质量体220紧密连接为一体。检波器芯体100发生震动时紧密连接为一体的惯性质量体将完全相同的压力作用于第一压电元件150和第二压电元件230上。而第一压电元件150和第二压电元件230的安装方向相反，且分别接入至上壳体110内的放大电路中。第一压电元件150和第二压电元件230产生的压电信号分别由不同的放大器进行放大，再将两个放大器的输出信号进行反向并接。第一压电元件150和第二压电元件230产生的有效信号反向叠加后得到双倍增强，而其他由于导线、放大器、电路等由于电磁干扰等因素产生的噪声信号得到了正负抵消。由于这种特殊的结构设计，在体积和重量基本不变的前提下可以大幅提高检波器芯体100的灵敏度和动态范围，同时可以大大提高抗电磁干扰的能力。

在本实施方式中，上壳体110为顶部开口的筒状结构。上壳体110的底部开设有通孔112。上芯体10还包括设于上壳体110内的第一绝缘垫片160、第二绝缘垫片165、第一电极片170、第二电极片175和第三绝缘垫片180。放大电路板120、两个放大器130、第一惯性质量体140、第一压电元件150、第一绝缘垫片160、第二绝缘垫片165、第一电极片170、第二电极片175和第三绝缘垫片180均设于上壳体110内。

第一绝缘垫片160设于放大电路板120和第一惯性质量体140之间。第一绝缘垫片160为厚度较厚且有一定弹性的绝缘垫片，以保护放大电路板120。第二绝缘垫片165、第一电极片170、第一压电元件150、第二电极片175和第三绝缘垫片180依次设于第一惯性质量体140和第二惯性质量体220之间。第二绝缘垫片165靠近第一惯性质量体140，第三绝缘垫片180靠近第二惯性质量体220。

第一电极片170和第二电极片175分别通过第一导线C5、C6和放大电路板120连接。即，第一电极片170通过第一导线C5和放大电路板120连接。第二电极片175通过另一根第一导线C6和放大电路板120连接。

具体在本实施方式中，第一惯性质量体140为螺栓状结构。第一惯性质量体140包括头部142和螺杆部144。螺杆部144的一端和头部142的一侧固定连接。螺杆部144的另一端穿出上壳体110的通孔112。螺杆部144设有螺纹。螺杆部144表面涂覆有绝缘材料。第一惯性质量体140的螺杆部144上使用绝缘材料涂覆，从而与第一电极片170、第一压电元件150、第二电极片175之间绝缘隔离。

在本实施方式中，第一绝缘垫片160设于头部142远离螺杆部144的一侧。第二绝缘垫片165、第一电极片170、第一压电元件150、第二电极片175和第三绝缘垫片180均为环形结构。螺杆部144依次穿过第二绝缘垫片165、第一电极片170、第一压电元件150、第二电极片175和第三绝缘垫片180。

在本实施方式中，下壳体210为顶部开口的筒状结构。下芯体20还包括设于下壳体210内的第四绝缘垫片240、第三电极片250、第四电极片260和第五绝缘垫片270。第二惯性质量体220、第二压电元件230、第四绝缘垫片240、第三电极片250、第四电极片260和第五绝缘垫片270均设于下壳体210内。

第四绝缘垫片240、第三电极片250、第二压电元件230、第四电极片260和第五绝缘垫片270依次设于第二惯性质量体220和下壳体210的底部之间。即，第四绝缘垫片240靠近第二惯性质量体220，第五绝缘垫片270靠近下壳体210的底部。

第三电极片250和第四电极片260分别通过第二导线C7、C8和放大电路板120连接。即，第三电极片250通过一根第二导线C7和放大电路板120连接。第四电极片260通过另一根第二导线C8和放大电路板120连接。

具体在本实施方式中，第二惯性质量体220为圆柱状。第二惯性质量体220的开设有螺孔222。第一惯性质量体140的螺杆部144和螺孔222匹配。

在本实施方式中，第一惯性质量体140的螺杆部144设于第二惯性质量体220的螺孔222内。第一惯性质量体140和第二惯性质量体220螺纹连接。第一惯性质量体140和第二惯性质量体220一般使用硬度大，密度大的金属材料，如钨钢等。可以理解，第一惯性质量体140和第二惯性质量体220也可以采用其他方式可拆卸连接，例如采用螺栓连接。

在本实施方式中，上芯体10的下端和下芯体20上端固定连接。具体的，上壳体110的下端的外表面以及下壳体210的上端的内表面设有相互匹配的螺纹结构。上壳体110的下端和下壳体210的上端通过螺纹结构固定连接。

在本实施方式中，陆用压电地震检波器芯体100还包括上盖30。上盖30和上壳体110的上端通过螺纹固定连接。

在本实施方式中，陆用压电地震检波器芯体100的上盖30、上壳体110和下壳体210通过螺纹连接的方式进行刚性连接，可以自由组装和拆卸。此外，上盖30、上壳体110和下壳体210为具有一定强度的金属材料，为保证上盖30、上壳体110和下壳体210组成的壳体的基底的刚性强度，上壳体110和下壳体210的底部厚度均较大。

在本实施方式中，上壳体110的侧壁开设有第一小孔114。下壳体210的侧壁开设有第二小孔224。两根第二导线C7和C8穿过第一小孔114和第二小孔224将第三环形电极片250、第四环形电极片260和放大电路板120连接。

在本实施方式中，第一压电元件150和第二压电元件230均为多层组合一体化压电器件。第一压电元件150和第二压电元件230还可以为压电陶瓷片或压电晶体。第一压电元件150和第二压电元件230一般采用专门研制的多层组合一体化压电器件，压电效应性能好，在小体积小重量的情况下有较高的灵敏度。需要注意的是，第一压电元件150和第二压电元件230在厚度，质量以及材料上需要保持相同，以提高一致性。

第四绝缘垫片240、第三电极片250、第二压电元件230、第四电极片260和第五绝缘垫片270的形状均可以为圆形。在本实施方式中，为了提高一致性，第四绝缘垫片240、第三电极片250、第二压电元件230、第四电极片260和第五绝缘垫片270的形状均为环形。

在本实施方式中，第二绝缘垫片165、第三绝缘垫片180、第四绝缘垫片240、和第五绝缘垫片270均为较薄的塑胶垫片，不具有弹性。第一电极片170、第二电极片175、第三电极片250和第四电极片260均为铜片。具体的，第一电极片170、第二电极片175、第三电极片250和第四电极片260均为较薄环形铜片，光滑平整，不具弹性，以保证惯性质量体，压电单元以及壳体基底之间的刚性接触。

陆用压电地震检波器芯体100的放大电路板120上还设有电源输入接口和信号输出接口。具体的，放大电路板120上设有8个输入输出接口，分别是C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8。其中4个接口(导线C5至C8)用于连接第一压电元件150和第二压电元件230的信号输出。另外四个接口C1至C4中的一对用于整个检波器芯体的信号输出，另外一对用于放大电路板120的电源输入。

上述陆用压电地震检波器芯体100的组装可分为结构组装和电路组装两部分。结构组装过程如下：将第一惯性质量体140的螺杆部144依次穿过第二绝缘垫片165、第一电极片170、第一压电元件150、第二电极片175和第三绝缘垫片180。接着将第一惯性质量体140的螺杆部和第二惯性质量体220通过螺纹紧密连接。此时，上壳体110内的第二绝缘垫片165、第一电极片170、第一压电元件150、第二电极片175和第三绝缘垫片180均被刚性的压实在了上壳体110的基底上。再将下壳体210通过螺纹结构与上壳体110的下端紧密连接，此时可保证第四绝缘垫片240、第三电极片250、第二压电元件230、第四电极片260和第五绝缘垫片270均被刚性的压实在了下壳体210的基底上。

电路组装过程如下：上壳体110内上下第一电极片170和第二电极片175和C5，C6连接。下壳体210内的第三电极片250、第四电极片260和C7，C8连接，导线C7、C8经由下壳体210的第二小孔224引出，再经由上壳体110的第一小孔114接入放大电路板120。根据放大电路板120约定并参考第一压电元件150和第二压电元件230的放置方向以确定具体连接方式。保证相对于第一放大器132和第二放大器134来讲，相同输入管脚处具有来自第一压电元件150和第二压电元件230极性相反的输入。放大电路板120中将第一放大器132和第二放大器134的输出管脚反向并接至输出接口C3，C4进行信号输出。例如约定C5为正极性，C6为负极性，第一压电元件150正向放置，第一电极片170为正极，第二电极片175为负极，则连接方式为第一电极片170连接C5，第二电极片175连接C6。约定C7为负极性，C8为正极性，第二压电元件230负向放置，第三电极片250和C7连接，第四电极片260和C8连接。

C1和C2接口负责向放大器130供电，具体参数依据放大器型号而定，电源由检波器芯体以外部分供给。电路组装完成后将上盖30与上壳体110紧密固定，检波器芯体组装完成。可以放入检波器中进行固定，并且对C1至C4引出导线进行电源输入及信号输出的连接。

陆用压电地震检波器芯体100内上下两套压电系统均符合陆用压电检波器基本工作原理。即在实际工作过程中，当有地震波传播经由检波器时，检波器发生震动，惯性质量体产生的惯性力作用于压电元件上，致使其两个表面上产生符号相反、数量相等的电荷，即产生了电动势，电动势的大小与惯性力的大小成正比，而惯性质量体产生的惯性力与检波器芯体的基底振动的加速度成正比，即压电元件产生的电动势正比于基底振动的加速度，电动势产生后，继而由检波器输出相应电信号，这种电信号反映了地面地震振动的特性。第一惯性质量体140和第二惯性质量体220紧密连接后可视为一体，可以将完全相同的重力及惯性力作用到第一压电元件150和第二压电元件230上，而放大器前端和后端的极性交错连接可使压电信号加倍，电磁噪声正负抵消，起到提高震动检测信号灵敏度并降低电磁干扰的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种陆用压电地震检波器芯体，其特征在于，包括上芯体和下芯体；

所述上芯体包括上壳体、设于所述上壳体内的放大电路板、两个放大器、第一惯性质量体和第一压电元件，所述放大电路板设于所述第一惯性质量体的一侧，所述第一压电元件设于所述第一惯性质量体的另一侧，两个所述放大器设于所述放大电路板上；

所述下芯体包括下壳体、设于所述下壳体内的第二惯性质量体和第二压电元件；

所述上壳体和所述下壳体固定连接，所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体固定连接形成一整体，所述第一压电元件位于所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体之间，所述第二压电元件位于所述第二惯性质量体和所述下壳体的底部之间，所述第一压电元件和所述第二压电元件的正负极安装方向相反，所述第一压电元件和所述第二压电元件分别连接至两个所述放大器，两个所述放大器的输出信号反向并接进行信号输出。

2.如权利要求1所述的陆用压电地震检波器芯体，其特征在于，

所述上芯体还包括设于所述上壳体内的第一绝缘垫片、第二绝缘垫片、第一电极片、第二电极片和第三绝缘垫片；

所述第一绝缘垫片设于所述放大电路板和所述第一惯性质量体之间，所述第二绝缘垫片、第一电极片、第一压电元件、第二电极片和第三绝缘垫片依次设于所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体之间，所述第一电极片和所述第二电极片分别通过第一导线和所述放大电路板连接；

所述下芯体还包括设于所述下壳体内的第四绝缘垫片、第三电极片、第四电极片和第五绝缘垫片；

所述第四绝缘垫片、第三电极片、第二压电元件、第四电极片和第五绝缘垫片依次设于所述第二惯性质量体和所述下壳体的底部之间，所述第三电极片和所述第四电极片分别通过第二导线和所述放大电路板连接。

3.如权利要求2所述的陆用压电地震检波器芯体，其特征在于，

所述上壳体为顶部开口的筒状结构，所述上壳体的底部开设有通孔；

所述第一惯性质量体为螺栓状结构，所述第一惯性质量体包括头部和螺杆部，所述螺杆部的一端和所述头部的一侧固定连接，所述螺杆部的另一端穿出所述上壳体的所述通孔，所述螺杆部设有螺纹，所述螺杆部表面涂覆有绝缘材料；

所述第一绝缘垫片设于所述头部远离所述螺杆部的一侧；

所述第二绝缘垫片、第一电极片、第一压电元件、第二电极片和第三绝缘垫片均为环形结构，所述螺杆部依次穿过所述第二绝缘垫片、第一电极片、第一压电元件、第二电极片和第三绝缘垫片；

所述下壳体为顶部开口的筒状结构；

所述第二惯性质量体为圆柱状，所述第二惯性质量体开设有螺孔，所述第一惯性质量体的螺杆部和所述螺孔匹配；

所述第一惯性质量体的所述螺杆部设于所述第二惯性质量体的螺孔内，所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体螺纹连接，所述上芯体的下端和所述下芯体上端固定连接。

4.如权利要求3所述的陆用压电地震检波器芯体，其特征在于，所述上壳体的下端的外表面以及所述下壳体的上端的内表面设有相互匹配的螺纹结构，所述上壳体的下端和所述下壳体的上端通过螺纹结构固定连接。

5.如权利要求2所述的陆用压电地震检波器芯体，其特征在于，所述上壳体的侧壁开设有第一小孔，所述下壳体的侧壁开设有第二小孔，所述第二导线穿过所述第一小孔和所述第二小孔将所述第三电极片、所述第四电极片和所述放大电路板连接。

6.如权利要求1所述的陆用压电地震检波器芯体，其特征在于，所述第一压电元件和所述第二压电元件均为多层组合一体化压电器件。

7.如权利要求1所述的陆用压电地震检波器芯体，其特征在于，还包括上盖，所述上盖和所述上壳体的上端通过螺纹固定连接。

8.如权利要求1所述的陆用压电地震检波器芯体，其特征在于，第四绝缘垫片、第三电极片、第二压电元件、第四电极片和第五绝缘垫片均为环形。

9.如权利要求1所述的陆用压电地震检波器芯体，其特征在于，所述放大电路板上还设有电源输入接口。

10.如权利要求1所述的陆用压电地震检波器芯体，其特征在于，所述放大电路板上还设有信号输出接口。