CN107894610A - 一种双臂压电地震检波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双臂压电地震检波器，具有压电地震检波器芯体以及外壳，所述压电地震检波器芯体包括均由弹性材料制成的第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底，第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底沿长度方向上的一端均与一固定支架刚性连接，该固定支架与外壳内壁刚性连接，两个悬臂梁基底沿着长度方向上分别固定有压电条，压电条连接有输出导线，以进行地震信号的输出。基于本发明提供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。
Description
技术领域
本发明涉及地震勘探领域，更具体地说，涉及一种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，提供的双臂压电地震检波器具有压电地震检波器芯体以及外壳，所述压电地震检波器芯体包括均由弹性材料制成的第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底，第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底沿长度方向上的一端均与一固定支架刚性连接，该固定支架与外壳内壁刚性连接，两个悬臂梁基底沿着长度方向上分别固定有压电条，压电条连接有输出导线，以进行地震信号的输出。
优选地，在本发明的双臂压电地震检波器中，所述第一悬臂梁基底的上端和下端的其中一端上固定有上端压电条或者下端压电条，所述第二悬臂梁基底的上端和下端的其中一端上固定有上端压电条或者下端压电条，两个悬臂梁基底上的压电条上分别连接有输出导线以分别进行地震信号的输出。
优选地，在本发明的双臂压电地震检波器中，所述第一悬臂梁基底的上端和下端的其中一端上固定有上端压电条或者下端压电条，所述第二悬臂梁基底的上端和下端的其中一端上固定有上端压电条或者下端压电条，两个悬臂梁基底相同，各自上面所具有的压电条的压电转换性能一致，且上端压电条或者下端压电条在第一悬臂梁基底上的固定位置与上端压电条或者下端压电条在第一悬臂梁基底上的固定位置相同，第一悬臂梁基底上的压电条的输出形成第一组输出，第二悬臂梁基底上的压电条的输出形成第二组输出，两组输出叠加后一起输出。
优选地，在本发明的双臂压电地震检波器中，所述第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底的远离与外壳内壁刚性连接的那一端所在区域分别固定有质量块。
优选地，在本发明的双臂压电地震检波器中，所述第一悬臂梁基底的上端和下端上分别固定有上端压电条和下端压电条，所述第二悬臂梁基底的上端和下端上分别固定有上端压电条和下端压电条，第一悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条压电转换性能一致且关于第一悬臂梁基底上下对称设置，第二悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条压电转换性能一致且关于第二悬臂梁基底上下对称设置，第一悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条之间形成第一组差动输出，第二悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条之间形成第二组差动输出，两组差动输出独立进行输出。
优选地，在本发明的双臂压电地震检波器中，所述第一悬臂梁基底的上端和下端上分别固定有上端压电条和下端压电条，所述第二悬臂梁基底的上端和下端上分别固定有上端压电条和下端压电条，两个悬臂梁基底相同，第一悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条压电转换性能一致且关于第一悬臂梁基底上下对称设置，第二悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条压电转换性能一致且关于第二悬臂梁基底上下对称设置，第一悬臂梁基底的上端压电条在第一悬臂梁基底的固定位置与第二悬臂梁基底的上端压电条在第二悬臂梁基底的固定位置相同，且第一悬臂梁基底的上端压电条与第二悬臂梁基底的上端压电条的压电转换性能一致，第一悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条之间形成第一组差动输出，第二悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条之间形成第二组差动输出，两组输出叠加后一起输出。
优选地，在本发明的双臂压电地震检波器中，所述第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底的远离与外壳内壁刚性连接的那一端所在区域分别固定有质量块组，每个质量块组包含两个质量相同的质量块，这两个质量块关于悬臂梁基底上下对称设置。
优选地，在本发明的双臂压电地震检波器中，各压电条的晶向均为<001>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，各压电条：在靠近压电条与固定支架连接处的那一端所处的换能模式为d31换能模式，另一端所处的换能模式为d33换能模式。
优选地，在本发明的双臂压电地震检波器中，各质量块固定于压电条的远离悬臂梁基底的上表面或者下表面上。
优选地，在本发明的双臂压电地震检波器中，各压电条均为单层结构，采用压电单晶PMN-PT制成；或者，
所述压电条全部或者部分采用多片压电单晶的结构，各压电条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。
基于本发明的压电地震检波器，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。
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为本发明提供的双臂压电地震检波器一优选实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的双臂压电地震检波器另一实施例的结构示意图。
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，其为本发明的双臂压电地震检波器一优选实施例的结构示意图。该双臂压电地震检波器具有压电地震检波器芯体以及外壳(未示出)，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)、压电条3、压电条7、质量块6、质量块4。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。悬臂梁基底5和悬臂梁基底2所分别具有的A端均与一固定支架1刚性连接，该固定支架1与外壳内壁刚性连接，两个悬臂梁基底沿着长度方向上分别固定有上述压电条3、7，固定支架1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。在本实施例中，悬臂梁基底5的上端固定的压电条7以及悬臂梁基底2的上端固定有上端压电条3分别连接有输出导线以分别进行地震信号的输出，且优选地，在本实施例中悬臂梁基底5和悬臂梁基底2的远离与外壳内壁刚性连接的那一端——B端和C端所在区域分别固定有质量块4、质量块6，质量块4、质量块6分别固定于压电条3、压电条7的上表面；在本发明的另一实施中，在前述的基础上，悬臂梁基底5的上端固定的压电条7、悬臂梁基底2的上端固定的压电条3的压电转换性能一致，两个悬臂梁基底相同，且压电条7在悬臂梁基底5上的固定位置与压电条3在悬臂梁基底2上的固定位置相同，悬臂梁基底2上的压电条3的输出形成第一组输出，悬臂梁基底5上的压电条7的输出形成第二组输出，两组输出叠加后一起输出，如进行电压串联(电压叠加)或者电流并联式(电流叠加)的输出(即悬臂梁基底上表面上所有的压电条采集的信号之和与下表面上所有的压电条采集的信号之和之间形成一组差分信号)，且优选地，悬臂梁基底5和悬臂梁基底2的远离与外壳内壁刚性连接的那一端——B端和C端所在区域分别固定有质量块4、质量块6，质量块4、质量块6分别固定于压电条3、压电条7的上表面，与前述实施例不同的是，质量块4、质量块6质量相同，这两个质量块关于悬臂梁基底上下对称设置。质量块4、质量块6可使压电条3、压电条7产生更大的应变。其中，在上述各实施例中，压电条3、7的晶向均为<001>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，各压电条：在靠近压电条与固定支架连接处的那一端——A端所处的换能模式为d31换能模式，另一端——B、C端所处的换能模式为d33换能模式，压电条3以及压电条7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。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以及各压电条、各质量块关于固定支架1左右对称，包括位置以及对应的性能。压电条的长度可以等于或者短于对应悬臂梁的长度，并优选地大于悬臂梁的长度的三分之二。
参考图2，图2为本发明提供的双臂压电地震检波器另一实施例的结构示意图。该双臂压电地震检波器具有压电地震检波器芯体以及外壳(未示出)，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)、压电条3、压电条7、压电条8、压电条10、质量块6、质量块4、质量块9、质量块11，质量块6与质量块9形成一个质量块组，质量块4与质量块11形成一个质量块组。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。悬臂梁基底5和悬臂梁基底2所分别具有的A端均与一固定支架1刚性连接，该固定支架1与外壳内壁刚性连接，两个悬臂梁基底沿着长度方向上分别固定有上述压电条3、7，固定支架1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。在本实施例中，悬臂梁基底5的上端和下端上分别固定有压电条7和压电条8，悬臂梁基底2的上端和下端上分别固定有压电条3和压电条10，悬臂梁基底5的压电条7和压电条8压电转换性能一致且关于悬臂梁基底5上下对称设置，悬臂梁基底2的上端压电条3和下端压电条10压电转换性能一致且关于悬臂梁基底2上下对称设置，悬臂梁基底5的压电条7和压电条8之间形成第一组差动输出，悬臂梁基底2的压电条3和压电条10之间形成第二组差动输出，两组差动输出独立进行输出，且优选地，在本实施例中悬臂梁基底5和悬臂梁基底2的远离与外壳内壁刚性连接的那一端——B端和C端所在区域分别固定有质量块4、质量块11、质量块6、质量块9，质量块4、质量块6分别固定于压电条3、压电条7的上表面，质量块4、质量块6分别固定于压电条3、压电条7的上表面；在本发明的另一实施中，在前述的基础上，悬臂梁基底5的上端固定的压电条7、悬臂梁基底2的上端固定的压电条3的压电转换性能一致，两个悬臂梁基底相同，且压电条7在悬臂梁基底5上的固定位置与压电条3在悬臂梁基底2上的固定位置相同，悬臂梁基底5的压电条7和压电条8之间形成第一组差动输出，悬臂梁基底2的压电条3和压电条10之间形成第二组差动输出，两组输出叠加后一起输出(等效于压电条7和压电条3叠加后的结果与压电条8和压电条10叠加后的结果之间形成一组差动输出)，如进行电压串联或者电流并联式的输出，且优选地，悬臂梁基底5和悬臂梁基底2的远离与外壳内壁刚性连接的那一端——B端和C端所在区域分别固定有质量块4、质量块6、质量块9、质量块11，质量块4、质量块6分别固定于压电条3、压电条7的上表面，质量块11、质量块9分别固定于压电条3、压电条7的下表面，与前述实施例不同的是，质量块4、质量块6、质量块9、质量块11质量相同，质量块6、质量块9块关于悬臂梁基底5上下对称设置，质量块4、质量块11块关于悬臂梁基底2上下对称设置。其中，在上述各实施例中，压电条3、7、8、10的晶向均为<001>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，各压电条：在靠近压电条与固定支架连接处的那一端——A端所处的换能模式为d31换能模式，另一端——B、C端所处的换能模式为d33换能模式，压电条3、7、8、10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。
在上述的各实施例中，压电条3、7、8、10可以全部或者部分采用多片压电单晶的结构，各下端压电条以及各上端压电条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条。即一个压电条可以被两个或者更多个压电条代替，这两个或者更多个压电条进行信号的叠加后，比单个压电条感应的信号更强。压电条的长度可以与对应的悬臂梁基底的长度相同，或者略短于对应的悬臂梁基底的长度。
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、2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；上端电压长条和下端电压长条并非一定要设置于悬臂梁基底所在端的左右端点处，上端电压长条和下电压长条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，利用压电条双悬臂梁的结构，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，以使压电条产生弯曲形变，使压电条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。将压电条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。利用压电条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)
1.一种双臂压电地震检波器，具有压电地震检波器芯体以及外壳，其特征在于，所述压电地震检波器芯体包括均由弹性材料制成的第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底，第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底沿长度方向上的一端均与一固定支架刚性连接，该固定支架与外壳内壁刚性连接，两个悬臂梁基底沿着长度方向上分别固定有压电条，压电条连接有输出导线，以进行地震信号的输出。
2.根据权利要求1所述的双臂压电地震检波器，其特征在于，所述第一悬臂梁基底的上端和下端的其中一端上固定有上端压电条或者下端压电条，所述第二悬臂梁基底的上端和下端的其中一端上固定有上端压电条或者下端压电条，两个悬臂梁基底上的压电条上分别连接有输出导线以分别进行地震信号的输出。
3.根据权利要求1所述的双臂压电地震检波器，其特征在于，所述第一悬臂梁基底的上端和下端的其中一端上固定有上端压电条或者下端压电条，所述第二悬臂梁基底的上端和下端的其中一端上固定有上端压电条或者下端压电条，两个悬臂梁基底相同，各自上面所具有的压电条的压电转换性能一致，且上端压电条或者下端压电条在第一悬臂梁基底上的固定位置与上端压电条或者下端压电条在第一悬臂梁基底上的固定位置相同，第一悬臂梁基底上的压电条的输出形成第一组输出，第二悬臂梁基底上的压电条的输出形成第二组输出，两组输出叠加后一起输出。
4.根据权利要求2或3所述的双臂压电地震检波器，其特征在于，所述第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底的远离与外壳内壁刚性连接的那一端所在区域分别固定有质量块。
5.根据权利要求1所述的双臂压电地震检波器，其特征在于，所述第一悬臂梁基底的上端和下端上分别固定有上端压电条和下端压电条，所述第二悬臂梁基底的上端和下端上分别固定有上端压电条和下端压电条，第一悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条压电转换性能一致且关于第一悬臂梁基底上下对称设置，第二悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条压电转换性能一致且关于第二悬臂梁基底上下对称设置，第一悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条之间形成第一组差动输出，第二悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条之间形成第二组差动输出，两组差动输出独立进行输出。
6.根据权利要求1所述的双臂压电地震检波器，其特征在于，所述第一悬臂梁基底的上端和下端上分别固定有上端压电条和下端压电条，所述第二悬臂梁基底的上端和下端上分别固定有上端压电条和下端压电条，两个悬臂梁基底相同，第一悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条压电转换性能一致且关于第一悬臂梁基底上下对称设置，第二悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条压电转换性能一致且关于第二悬臂梁基底上下对称设置，第一悬臂梁基底的上端压电条在第一悬臂梁基底的固定位置与第二悬臂梁基底的上端压电条在第二悬臂梁基底的固定位置相同，且第一悬臂梁基底的上端压电条与第二悬臂梁基底的上端压电条的压电转换性能一致，第一悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条之间形成第一组差动输出，第二悬臂梁基底的上端压电条和下端压电条之间形成第二组差动输出，两组输出叠加后一起输出。
7.根据权利要求5或6所述的双臂压电地震检波器，其特征在于，所述第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底的远离与外壳内壁刚性连接的那一端所在区域分别固定有质量块组，每个质量块组包含两个质量相同的质量块，这两个质量块关于悬臂梁基底上下对称设置。
8.根据权利要求1所述的双臂压电地震检波器，其特征在于，各压电条的晶向均为<001>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，各压电条：在靠近压电条与固定支架连接处的那一端所处的换能模式为d31换能模式，另一端所处的换能模式为d33换能模式。
9.根据权利要求4或7所述的双臂压电地震检波器，其特征在于，各质量块固定于压电条的远离悬臂梁基底的上表面或者下表面上。
10.根据权利要求1所述的双臂压电地震检波器，其特征在于，各压电条均为单层结构，采用压电单晶PMN-PT制成；或者，
所述压电条全部或者部分采用多片压电单晶的结构，各压电条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。
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