CN107870349A - 一种差动式双臂压电地震检波器及其芯体 - Google Patents

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黄燕霞
杨至恒
陈美娟
莫文琴
杨勇
董凯锋
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Abstract

本发明公开了一种差动式双臂压电地震检波器及其芯体，芯体包括第一至第四端压电片组以及均由弹性材料制成的第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底，各端压电片组分别位于两个臂梁基底的两端，两个悬臂梁基底的一端均与一固定支架刚性连接，固定支架用于与电地震检波器的外壳刚性连接且连接后固定支架处于竖直状态，各端电压片组均电性连接输出导线，各端压电片组均包含沿着悬臂梁基底上下对称设置的且压电转换性能相同的上端压电片以及下端压电片。本发明的地震检波器具有灵敏度高、抗干扰能力强、动态范围宽、轻便耐用等优点，在陆上地震勘探、井下槽波地震勘探等领域应用更为可靠和广泛，本发明在芯体占用空间相同的情况下，检测的频率范围更广。

Description

一种差动式双臂压电地震检波器及其芯体
技术领域
本发明涉及地震勘探领域，更具体地说，涉及一种差动式双臂压电地震检波器芯体及差动式双臂压电地震检波器。
背景技术
地震检波器是把人为激发震源的直达波或各地层的反射波转换成电信号，然后输入到地震仪器的一种应用于地质勘探及工程测量领域的专用传感器。按工作原理上可分为磁电式、涡流式、和压电式等检波器。按应用环境可分为陆地勘探地震检波器、应用于江河湖海中勘探的水中地震检波器、应用于地震测井中的井中地震检波器。按能量转换机制分为速度型检波器和加速度型检波器两种。从勘探方法上可以分为纵波检波器也称垂直检波器，和横波检波器也称水平检波器以及三分量检波器。此外，地震检波器还可分为有源检波器和无源检波器。传统的机械动圈式与涡流检波器都属于无源类检波器，而压电检波器属于有源类检波器。
目前，国内应用最广泛的还是传统的模拟地震检波器，这种地震波传感装置输出的是模拟信号，陆地上主要使用常规或者超级速度型检波器。这类检波器基本上都是磁电式检波器、涡流式检波器，他们的内部构造都是由永久磁铁和线圈构成，基本上都是应用电磁感应原理，通过线圈和永久磁铁的相互作用从而达到地震勘探的目的。这些检波器内部有线圈这样的高度弹性结构，各部件间容易发生较大的相对运动产生形变，所以波形容易产生形变，进而造成信号失真，并且由于永久磁铁的性能会发生变化且磁性会随着时间而消退，其寿命都不长而且易受到环境的影响，稳定性低，从而不能满足高精度和高分辨率的地震勘探要求。作为第一步地震信号采集工序，这种检波器装置不能得到较好的原始地震信号，直接影响到了采集地震数据的质量，限制了采用地震勘探方法得到复杂地质结构的能力，成为制约石油物探技术发展的主要瓶颈之一。随着高精度油气勘探技术的提高和油气勘探复杂程度的增加，地震检波器正在朝着低失真、高灵敏度，宽频带的方向发展，动态范围大、频率响应宽、等效输入噪声小、体积小、重量轻且抗电磁干扰能力强，满足高分辨率采集要求，是当前地震检波器发展的趋势。应用不同新技术、新材料的各种新型检波器开始出现。
压电加速度地震检波器就是近年来出现的新型检波器，其内部结构简单，无磁钢和线圈，所以刚性大，形变小，所产生的波形畸变小，性能稳定，分辨率高，是一个灵敏度较高的高保真度地震检波器。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)，都采用了传统铅酸锆和钛酸锆[PbZrO3-PbTiO3](简称PZT)，压电检波器的固有频率较高，高频响应较好，但是由于受其传统压电元件的压电常数低，阻抗高等缺点的影响，所以它的动态范围小，阻抗高，低频响应低。研究表明新型弛豫铁电晶体铌镁酸铅-钛酸铅[xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x)PbTiO3](简称PMNT)的主要压电性能指标都远远高于目前普遍使用的PZT压电陶瓷。弛豫铁电单晶材料具有较高的压电常数g33、d33，机电耦合系数k33，介电常数ε33 T和较低的电损耗，其综合性能比PZT陶瓷更加优越。将弛豫型铁电单晶材料作为压电式地震检波器的传感元件，设计与之匹配的检波器芯体结构，以充分发挥单晶材料的性能优势，将有望大大改善其灵敏度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，为克服现有压电地震检波器存在的灵敏度不够、低频响应差的不足，提供一种差动式双臂压电地震检波器芯体及差动式双臂压电地震检波器，采用悬臂梁式结构检波器芯体，以在有限空间内增大检波器的灵敏度，改善其低频响应性能。
根据本发明的其中一方面，本发明为解决其技术问题，提供的差动式双臂压电地震检波器芯体，包括第一端压电片组、第二端压电片组、第三端压电片组、第四端压电片组以及均由弹性材料制成的第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底，第一端压电片组与第二端压电片组分别固定于第一悬臂梁基底长度方向上的两端，第三端压电片组与第四端压电片组分别固定于第二悬臂梁基底长度方向上的两端，第一悬臂梁基底的一端和第二悬臂梁基底的一端均与一固定支架刚性连接，所述固定支架用于与电地震检波器的外壳刚性连接且连接后固定支架处于竖直状态，各端电压片组均电性连接输出导线，各端压电片组均包含沿着悬臂梁基底上下对称设置的且压电转换性能相同的上端压电片以及下端压电片；
第一端压电片组的上端压电片与第二端压电片组的上端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号与第一端压电片组的下端压电片与第二端压电片组的下端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号形成第一组差动输出，第三端压电片组的上端压电片与第四端压电片组的上端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号与第三端压电片组的下端压电片与第四端压电片组的下端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号形成第二组差动输出；
在第一悬臂梁基底与第二悬臂梁基底相同，第一端压电片组与第四端电压片组相同，且第一端压电片在第一悬臂梁基底的固定位置与第四端压电片组在第二悬臂梁基底的固定位置相同，第二端电压片组与第三端电压片组相同，且第二端压电片组在第一悬臂梁基底的固定位置与第三端压电片组在第二悬臂梁基底的固定位置相同时，两组差动输出电压串联或者电流并联进行信号叠加后作为最终输出，否则两组差动输出独立输出。
优选地，在本发明的差动式双臂压电地震检波器芯体中，所述第一悬臂梁基底以及第二悬臂梁基底均为铍青铜或者磷青铜制成。
优选地，在本发明的差动式双臂压电地震检波器芯体中，各下端压电片以及各上端压电片均为单层结构，采用压电单晶PMN-PT制成；或者，
各下端压电片以及各上端压电片全部或者部分采用多片压电单晶的结构，各下端压电片以及各上端压电片各自所包含的各压电单晶分别按晶体极化方向排列进行连接，各压电单晶采用压电单晶PMN-PT制成。
优选地，在本发明的差动式双臂压电地震检波器芯体中，第二端电压片组和第三端压电片组中各上端压电片以及各下端压电片的晶向均为<110>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，所处的换能模式为d31换能模式；第一端电压片组和第四端压电片组中各上端压电片以及各下端压电片的晶向为<001>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，所处的换能模式为d33换能模式。
优选地，在本发明的差动式双臂压电地震检波器芯体中，各下端压电片以及各上端压电片中各压电片的上表面、下表面上分别具有上表面电极、下表面电极，各上表面电极及各下表面电极分别引出输出导线，各上表面电极及各下表面电极的电极材料为银或金；各上表面电极及各下表面电极上引出的输出导线为铜线。
优选地，在本发明的差动式双臂压电地震检波器芯体中，第一悬臂梁基底的一端和第二悬臂梁基底一体成型且连接在固定支架的同一个位置。
优选地，在本发明的差动式双臂压电地震检波器芯体中，第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底的其中一端所在区域均分别固定有质量块组，另一端均用于与所述固定支架刚性连接，每个质量块组具有两个质量相同的且关于悬臂梁基底上下对称设置的质量块，且在所述两组差动输出电压串联或者电流并联后作为最终输出的结构中，其中一个质量块组在第一悬臂梁基底的相对位置与另一个质量块组在第二悬臂梁基底的相对位置相同，且二者的质量相同。
优选地，在本发明的差动式双臂压电地震检波器芯体中，每个质量块组的两个质量块分别位于其中一个压电片组的上端压电片的上表面及下端压电片的下表面，质量块的其中一个表面与与其连接的上端压电片/下端压电片的表面的形状大小相同，且二者相互完全覆盖的连接。
优选地，在本发明的差动式双臂压电地震检波器芯体中，第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底关于所述固定支架对称设置，且所述固定支架连接在电地震检波器的外壳后，第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底在未震动时均处于水平状态。
根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，还提供了一种差动式双臂压电地震检波器，包括上述任一项的差动式双臂压电地震检波器芯体，差动式双臂压电地震检波器芯体的固定支架与压电地震检波器的外壳内壁刚性连接。
基于本发明的差动式双臂压电地震检波器芯体实现的压电地震检波器，具有灵敏度高、动态范围宽、轻便耐用等优点，且所采用的差动式结构相较于非差动式结构，抗干扰能力更强，在陆上地震勘探、井下槽波地震勘探等领域应用更为可靠和广泛。相比于单臂(单悬臂梁基底)压电地震检波器，本发明在芯体占用空间相同的情况下，检测的频率范围更广。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明提供的差动式双臂压电地震检波器芯体一优选实施例的结构示意图；
图2为图1中悬臂梁结构下新型PMN-PT压电材料较PZT材料的灵敏度-频率关系曲线图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，其为本发明的差动式双臂压电地震检波器芯体一优选实施例的结构示意图。该差动式双臂压电地震检波器芯体，包括悬臂梁基底2(第二悬臂梁基底)、悬臂梁基底5(第一悬臂梁基底)、压电片3、压电片6、压电片7、压电片9、压电片10、压电片11、压电片12、压电片13、质量块4、质量块8、质量块15及质量块14。压电片9和压电片10形成第一端压电片组，压电片7和压电片11形成第二端压电片组、压电片6和压电片12形成第三端压电片组、压电片3和压电片13形成第四端压电片组，各端压电片组均包含沿着悬臂梁基底上下对称设置的且压电转换性能相同的上端压电片(压电片3、压电片6、压电片7、压电片9)以及下端压电片(压电片10、压电片11、压电片12、压电片13)。悬臂梁基底2、臂梁基底5采用弹性元件制成，弹性元件对震动更为敏感，可增加压电地震检波器芯体的灵敏度，可以优选为铍青铜或者磷青铜制成。第一端压电片组与第二端压电片组通过粘贴方式分别固定于悬臂梁基底5长度方向上的C端和A端，第三端压电片组与第四端压电片组通过粘贴方式分别固定于悬臂梁基底2长度方向上的A端和B端，悬臂梁基底5的A端和悬臂梁基底2的A端均与一固定支架1刚性连接，固定支架1用于与电地震检波器的外壳刚性连接且连接后固定支架1处于竖直状态，并优选地固定支架1的上端和/或下端与电地震检波器的外壳内壁刚性连接，悬臂梁基底5的A端和悬臂梁基底2均垂直于固定支架1设置，因此当芯体设置于电地震检波器后，悬臂梁基底5的A端和悬臂梁基底2均在未震动时处于水平状态。压电片3、压电片6、压电片7、压电片9、压电片10、压电片11、压电片12、压电片13的上下表面分别具有上表面电极和下表面电极，各上表面电极及各下表面电极分别引出输出导线，上、下表面电极的电极材料为银或金，上、下表面电极上引出的输出导线为铜线。压电片7、压电片9采集的信号的进行电压串联(电压相加)或者电流并联(电流相加)后的信号与压电片10、压电片11采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号形成第一组差动输出，压电片6、压电片3采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号与压电片12、压电片13采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号形成第二组差动输出。应当理解的是，差动输出中的两个输入信号应当同时为电压或者同时为电流。
在本实施例中，悬臂梁基底5与悬臂梁基底2相同，第一端压电片组与第四端电压片组相同，且第一端压电片在悬臂梁基底5的固定位置与第四端压电片组在悬臂梁基底2的固定位置相同，第二端电压片组与第三端电压片组相同，且第二端压电片组在悬臂梁基底5的固定位置与第三端压电片组在悬臂梁基底2的固定位置相同时，两组差动输出电压串联或者电流并联进行信号叠加后作为最终输出(即悬臂梁基底上表面上的所有的压电片采集的信号和与下表面上的所有的压电片采集的信号和形成一组差动输出)，电流并联输出或电压串联输出后两组信号叠加，信号更大。应当理解的是，当两组输出电压串联作为最终输出时，各组内部必然也是电压串联输出，当两组输出电流并联作为最终输出时，各组内部必然也是电流并联输出。在本实施例中，悬臂梁基底5与悬臂梁基底2作为一个整体，一体成型，以图1所展示的视角，臂梁基底5与悬臂梁基底2以及各压电片关于固定支架1左右对称，包括位置以及对应的性能。
在本实施例中，分属于悬臂梁基底5和悬臂梁基底2的C端和B端所在区域均分别固定有两个质量块组，每个质量块组具有两个质量相同的且关于悬臂梁基底上下对称设置的质量块，一个质量块组具有质量块8和质量块15，另一个质量块组具有质量块4和质量块14，质量块8在悬臂梁基底5的固定位置与质量块4在悬臂梁基底2的固定位置相同，且二者的质量相同。具体的，质量块8和质量块4分别位于压电片9和压电片3的上表面，质量块下表面与与其连接的压电片9和压电片3的上表面形状大小相同，且二者相互完全覆盖的连接，质量块15和质量块14分别位于压电片10和压电片13的下表面，质量块下表面与与其连接的压电片10和压电片13的上表面形状大小相同，且二者相互完全覆盖的连接。图1中F(t)表示，大地振动时检波器A端受到的力，传输到B端，B端受力为FB(t)，其中FB(t)＝KF(t)，K为传递系数是常数；同理，传输到C端，C端受力为FC(t)，其中FC(t)＝kF(t)，k为传递系数是常数。
压电片3、压电片6、压电片7、压电片9、压电片10、压电片11、压电片12为正方形状单层结构，尺寸为10mm*10mm*1mm，采用压电单晶(PMN-PT)制成。压电片6、压电片7、压电片11、压电片12的晶向为<110>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，所处的换能模式为d31换能模式；压电片3、压电片9、压电片9、压电片10的晶向为<001>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，所处的换能模式为d33换能模式。
应当理解的是，本发明的第一端压电片组、第二端压电片组、第一悬臂梁基底所处的第一部分，本发明的第四端压电片组、第三端压电片组、第二悬臂梁基底所处的第二部分，两部分可以分别独立工作，独立工作模式下：第一悬臂梁基底与第二悬臂梁基底、第一端压电片组与第四端电压组、第一端压电片组在第一悬臂梁基底的固定位置与第四端压电片组在第二悬臂梁基底的固定位置、第二端电压片组与第三端电压片组、第二端压电片组在第一悬臂梁基底的固定位置与第三端压电片组在第二悬臂梁基底的固定位置可以不完全不同，甚至完全不同，此时两部分的差动输出分开独立输出。
在上述的各实施例中，压电片3、压电片6、压电片7、压电片9、压电片10、压电片11、压电片12可以全部或者部分采用多片压电单晶的结构，各下端压电片以及各上端压电片各自所包含的各压电单晶分别按晶体极化方向排列进行连接，各压电单晶采用压电单晶PMN-PT制成，如可以采用叠片式压电片。即一个压电片可以被两个或者更多个压电片代替，这两个或者更多个压电片进行信号的叠加后，比单个压电片感应的信号更强。
图2显示了悬臂梁结构下，经计算，压电材料为PMN-PT的模型在频率在0-1000Hz范围内压电材料为PMN-PT的模型灵敏度整体高于压电材料为PZT-5A的模型。压电材料为PMN-PT的双压电片组合悬臂梁模型在0-1000Hz范围内的灵敏度为13.5-63.6mV/ms-2，不仅仅高于PZT-5A双压电片组合悬臂梁模型的灵敏度，同时高于压电材料为PMN-PT的中心压缩结构模型和单压电片悬臂梁模型。这是因为双压电片组合式悬臂梁结构在同时利用了压电材料的d31和d33两种换能模式。这表明把PMN-PT作为地震检波器的敏感材料能够大幅提升地震检波器的灵敏度。
本发明的工作原理；当压电悬臂梁芯体受到大地震动后，压电悬臂梁会随着大地振动发生频率和幅度相同的振动，压电悬臂梁的B端、C端由于质量块的作用，压电材料会受力发生形变，由于压电材料的正压电效应，当压电材料产生形变时，会将机械能转换为电能，然后采集两个压电片上电信号，就可以得到地震电信号。应当理解的是，上述图1所示出的实施例中，也可以不具有上述的质量块，芯体同样能够正常工作；上端电压片和下端电压片并非一定要设置于悬臂梁基底所在端的左右端点处，上端电压片和下电压片距离各自悬臂梁基底所在端的端点的距离不超过悬臂梁基底长度的三分之一均可较好的检波器的设计需求。
本发明芯体结构简单，质量轻，体积小，利用压电片悬臂梁的结构，可适用于低频振动环境中，同时具有灵敏度随频率升高的特征，由于地震波信号在传播的过程中有损耗，频率越高的地震波在传播过程中振幅衰减得越大，可以在一定程度上补偿地震波幅度随频率增加产生的衰减。
本发明提供的检波器芯体结构，利用所处环境的振动驱动悬臂梁结构振动，以使压电片产生弯曲形变，使压电片的不同电极之间产生有效电势，从而能够使压电更有效的输出能量。
本发明提供的检波器芯体结构，充分发挥了压电单晶(PMN-PT)的各向异性性能，充分利用了压电材料的d31和d33两种换能模式。将压电片的电极设置为上下表面电极，极化方向与受挤压方向(厚度方向)一致。利用压电片自身在弯曲时的泊松效应，更有效地发挥压电片的性能，提高了压电片的能量输出效率。
总的说来，基于本发明提供芯体结构的地震检波器具有灵敏度高、抗干扰能力强、动态范围宽、轻便耐用等优点，在井下槽波地震勘探、陆上地震勘探等领域应用更为可靠和广泛。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种差动式双臂压电地震检波器芯体，其特征在于，包括第一端压电片组、第二端压电片组、第三端压电片组、第四端压电片组以及均由弹性材料制成的第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底，第一端压电片组与第二端压电片组分别固定于第一悬臂梁基底长度方向上的两端，第三端压电片组与第四端压电片组分别固定于第二悬臂梁基底长度方向上的两端，第一悬臂梁基底的一端和第二悬臂梁基底的一端均与一固定支架刚性连接，所述固定支架用于与电地震检波器的外壳刚性连接且连接后固定支架处于竖直状态，各端电压片组均电性连接输出导线，各端压电片组均包含沿着悬臂梁基底上下对称设置的且压电转换性能相同的上端压电片以及下端压电片；
第一端压电片组的上端压电片与第二端压电片组的上端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号与第一端压电片组的下端压电片与第二端压电片组的下端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号形成第一组差动输出，第三端压电片组的上端压电片与第四端压电片组的上端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号与第三端压电片组的下端压电片与第四端压电片组的下端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号形成第二组差动输出；
在第一悬臂梁基底与第二悬臂梁基底相同，第一端压电片组与第四端电压片组相同，且第一端压电片在第一悬臂梁基底的固定位置与第四端压电片组在第二悬臂梁基底的固定位置相同，第二端电压片组与第三端电压片组相同，且第二端压电片组在第一悬臂梁基底的固定位置与第三端压电片组在第二悬臂梁基底的固定位置相同时，两组差动输出电压串联或者电流并联进行信号叠加后作为最终输出，否则两组差动输出独立输出。
2.根据权利要求1所述的差动式双臂压电地震检波器芯体，其特征在于，所述第一悬臂梁基底以及第二悬臂梁基底均为铍青铜或者磷青铜制成。
3.根据权利要求1所述的差动式双臂压电地震检波器芯体，其特征在于，各下端压电片以及各上端压电片均为单层结构，采用压电单晶PMN-PT制成；或者，
各下端压电片以及各上端压电片全部或者部分采用多片压电单晶的结构，各下端压电片以及各上端压电片各自所包含的各压电单晶分别按晶体极化方向排列进行连接，各压电单晶采用压电单晶PMN-PT制成。
4.根据权利要求1所述的差动式双臂压电地震检波器芯体，其特征在于，第二端电压片组和第三端压电片组中各上端压电片以及各下端压电片的晶向均为<110>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，所处的换能模式为d31换能模式；第一端电压片组和第四端压电片组中各上端压电片以及各下端压电片的晶向为<001>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，所处的换能模式为d33换能模式。
5.根据权利要求1所述的差动式双臂压电地震检波器芯体，其特征在于，各下端压电片以及各上端压电片中各压电片的上表面、下表面上分别具有上表面电极、下表面电极，各上表面电极及各下表面电极分别引出输出导线，各上表面电极及各下表面电极的电极材料为银或金；各上表面电极及各下表面电极上引出的输出导线为铜线。
6.根据权利要求1所述的差动式双臂压电地震检波器芯体，其特征在于，第一悬臂梁基底的一端和第二悬臂梁基底一体成型且连接在固定支架的同一个位置。
7.根据权利要求1所述的差动式双臂压电地震检波器芯体，其特征在于，第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底的其中一端所在区域均分别固定有质量块组，另一端均用于与所述固定支架刚性连接，每个质量块组具有两个质量相同的且关于悬臂梁基底上下对称设置的质量块，且在所述两组差动输出电压串联或者电流并联后作为最终输出的结构中，其中一个质量块组在第一悬臂梁基底的相对位置与另一个质量块组在第二悬臂梁基底的相对位置相同，且二者的质量相同。
8.根据权利要求7所述的差动式双臂压电地震检波器芯体，其特征在于，每个质量块组的两个质量块分别位于其中一个压电片组的上端压电片的上表面及下端压电片的下表面，质量块的其中一个表面与与其连接的上端压电片/下端压电片的表面的形状大小相同，且二者相互完全覆盖的连接。
9.根据权利要求1所述差动式双臂压电地震检波器芯体，其特征在于，第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底关于所述固定支架对称设置，且所述固定支架连接在电地震检波器的外壳后，第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底在未震动时均处于水平状态。
10.一种差动式双臂压电地震检波器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的差动式双臂压电地震检波器芯体，所述差动式双臂压电地震检波器芯体的固定支架与所述压电地震检波器的外壳内壁刚性连接。
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