CN107907909A - 一种压电地震检波器芯体及压电地震检波器 - Google Patents
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Abstract
一种压电地震检波器芯体及压电地震检波器，包括弹性材料制成的悬臂梁基底以及分别位于悬臂梁基底两端的第一端压电片和第二端电压片，悬臂梁基底的一端用于刚性连接压电地震检波器的外壳内壁，第一端压电片的下表面固定于悬臂梁基底的其中一端，第二端压电片的下表面固定于悬臂梁基底的另一端，第一端压电片和第二端压电片电性连接输出导线以将分别感应到的电信号进行电压串联或者电流并联输出。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，涉及一种压电地震检波器芯体及压电地震检波器。
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，提供一种压电地震检波器芯体及压电地震检波器，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，提供了一种压电地震检波器芯体，包括弹性材料制成的悬臂梁基底以及分别位于悬臂梁基底两端的第一端压电片和第二端电压片，悬臂梁基底的一端用于刚性连接压电地震检波器的外壳内壁，第一端压电片的下表面固定于悬臂梁基底的其中一端，第二端压电片的下表面固定于悬臂梁基底的另一端，第一端压电片和第二端压电片电性连接输出导线以将分别感应到的电信号进行电压串联或者电流并联输出。
在本发明的压电地震检波器芯体中，所述悬臂梁基底为铍青铜或者磷青铜制成。
在本发明的压电地震检波器芯体中，所述第一端压电片和所述第二端压电片均为单层结构，采用压电单晶PMN-PT制成；或者，
所述第一端压电片和/或所述第二端压电片分别具有多片压电单晶，所述第一端压电片和所述第二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。
在本发明的压电地震检波器芯体中，所述第一端压电片的晶向为<110>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，所述第一端压电片所处的换能模式为d31换能模式；所述第二端压电片的晶向为<001>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，所述第二端压电片所处的换能模式为d33换能模式。
在本发明的压电地震检波器芯体中，第一端压电片和第二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；第一端压电片和第二端压电片上、下表面电极的电极材料为银或金；第一端压电片和第二端压电片上、下表面电极上引出的输出导线为铜线。
在本发明的压电地震检波器芯体中，第一端压电片以及第二端压电片的下表面均通过粘贴方式固定于悬臂梁基底。
在本发明的压电地震检波器芯体中，悬臂梁基底的其中一端所在区域固定有质量块，另一端用于与所述压电地震检波器的外壳内壁刚性连接。
所述质量块位于第一端压电片或第二端压电片的上表面，所述质量块下表面与与其连接的第一端压电片或第二端压电片的上表面形状大小相同，且二者相互完全覆盖的连接。
根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，还提供一种压电地震检波器，包括如上述任一项的压电地震检波器芯体，所述压电地震检波器芯体的悬臂梁基底的一端与所述压电地震检波器的外壳内壁刚性连接。
在本发明的压电地震检波器中，所述压电地震检波器芯体的悬臂梁基底的一端通过基座与所述压电地震检波器的外壳内壁刚性连接，所述压电地震检波器芯体的悬臂梁基底的一端刚性连接于所述基座上，所述基座与所述压电地震检波器的外壳内壁刚性连接。
基于本发明的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、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。
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；
图3为本发明提供的压电地震检波器芯体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，其为本发明的压电地震检波器芯体一优选实施例的结构示意图。该压电地震检波器芯体，包括悬臂梁基底2、压电片3(第一端电压片)、压电片7(第二端电压片)及质量块4，这些部件形成双压电片悬臂梁结构，使压电片3和7随外界环境振动而振动。悬臂梁基底2采用弹性元件，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。压电片7下表面粘贴于悬臂梁基底2的末端——A端，压电地震检波器具有基座1，悬臂梁基底2的A端刚性连接于基座1上，成水平设置，基座1与地震检波器的外壳刚性连接；压电片3下表面粘贴于悬臂梁基底2的另一末端——B端，压电片3上表面上固定有采用钢或钨等合金制成的质量块4，质量块4可使压电片3产生更大的应变。对于不同的压电地震检波器，通过设置质量块4为不同的质量来设计检波器的灵敏度及谐振频率；质量块4底面与压电片3的上表面大小形状相同，二者无错开的连接；压电片3和压电片7将力转换为电信号，压电片3的上表面、下表面上分别装有上表面电极5和下表面电极6，压电片7的上表面、下表面上分别装有上表面电极8和下表面电极9，各上表面电极和下表面电极上分别引出输出导线，其中压电片3上形成一组输出，压电片7上形成一组输出，两组输出进行电流的并联输出或电压的串联输出，以形成地震电信号，电流并联输出或电压串联输出后两组信号叠加，信号更大。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。
上表面电极5和上表面电极8、下表面电极6和下表面电极9的电极材料可以采用银、铜或金。压电片3和压电片7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7的晶向为<110>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，压电片a所处的换能模式为d31换能模式；压电片3的晶向为<001>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，压电片b所处的换能模式为d33换能模式。
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。
参考图3，其为本发明的压电地震检波器芯体另一实施例的结构示意图。在本实施例中，与图1所示实施例的区别在于：第一端压电片及第二端压电片都具有两片压电单晶，且各自所具有的各压电单晶分别按同晶体极化方向排列进行粘结，粘接后可实现相连的两个压电单晶之间的电流电压的传递。本实施例中，各压电单晶分别通过压电片3、4、6、7实现，压电片6、7的晶向为<110>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，所述压电片所处的换能模式为d31换能模式；压电片3、5的晶向为<001>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，所述压电片所处的换能模式为d33换能模式。压电片3、4、6、7上下表面都镀有电极，且在压电片4和6的上表面引出导线，压电片3和7的下表面引出导线。其中压电片3和4形成一组输出，压电片6和7形成一组输出，两组输出电流并联或电压串联输出。在本发明的另一实施例中，压电片3的上表面与压电片4下表面之间、压电片7的上表面与压电片6下表面之间可以不用之间相连，而也分别引出输出导线后再进行处理，处理的方式也满足电压串联输出或者电流并联输出的输出模式，具体的做法属于本领域的公知常识，这里不再赘述。
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及图3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；第一端电压片和第二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，第一端电压片和第二端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，利用单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)
1.一种压电地震检波器芯体，其特征在于，包括弹性材料制成的悬臂梁基底以及分别位于悬臂梁基底两端的第一端压电片和第二端电压片，悬臂梁基底的一端用于刚性连接压电地震检波器的外壳内壁，第一端压电片的下表面固定于悬臂梁基底的其中一端，第二端压电片的下表面固定于悬臂梁基底的另一端，第一端压电片和第二端压电片电性连接输出导线以将分别感应到的电信号进行电压串联或者电流并联输出。
2.根据权利要求1所述压电地震检波器芯体，其特征在于，所述悬臂梁基底为铍青铜或者磷青铜制成。
3.根据权利要求1所述压电地震检波器芯体，其特征在于，所述第一端压电片和所述第二端压电片均为单层结构，采用压电单晶PMN-PT制成；或者，
所述第一端压电片和/或所述第二端压电片分别具有多片压电单晶，所述第一端压电片和所述第二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所述压电地震检波器芯体，其特征在于，所述第一端压电片的晶向为<110>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，所述第一端压电片所处的换能模式为d31换能模式；所述第二端压电片的晶向为<001>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，所述第二端压电片所处的换能模式为d33换能模式。
5.根据权利要求1所述压电地震检波器芯体，其特征在于，第一端压电片和第二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；
第一端压电片和第二端压电片上、下表面电极的电极材料为银或金；第一端压电片和第二端压电片上、下表面电极上引出的输出导线为铜线。
6.根据权利要求1所述压电地震检波器芯体，其特征在于，第一端压电片以及第二端压电片的下表面均通过粘贴方式固定于悬臂梁基底。
7.根据权利要求1所述压电地震检波器芯体，其特征在于，所述悬臂梁基底的其中一端所在区域固定有质量块，另一端用于与所述压电地震检波器的外壳内壁刚性连接。
8.根据权利要求7所述压电地震检波器芯体，其特征在于，所述质量块位于第一端压电片或第二端压电片的上表面，所述质量块下表面与与其连接的第一端压电片或第二端压电片的上表面形状大小相同，且二者相互完全覆盖的连接。
9.一种压电地震检波器，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述压电地震检波器芯体，所述压电地震检波器芯体的悬臂梁基底的一端与所述压电地震检波器的外壳内壁刚性连接。
10.根据权利要求9所述的压电地震检波器，其特征在于，所述压电地震检波器芯体的悬臂梁基底的一端通过基座与所述压电地震检波器的外壳内壁刚性连接，所述压电地震检波器芯体的悬臂梁基底的一端刚性连接于所述基座上，所述基座与所述压电地震检波器的外壳内壁刚性连接。
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