CN109143322A - 一种基于pvdf压电纳米纤维的地震检波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器，屏蔽壳内设置有底座，底座顶面包裹有一层PDMS绝缘层，PDMS绝缘层中部蚀刻有一条狭缝，狭缝两侧的PDMS绝缘层的上各涂覆有一层金属电极，多根PVDF纳米纤维构成PVDF纳米纤维阵列，每条PVDF纳米纤维的一端固定在狭缝左侧的金属电极上，每条PVDF纳米纤维的另一端固定在狭缝右侧的金属电极上，每层金属电极均与一根导线连接，底座由一个保护套封闭，屏蔽壳上壁的屏蔽壳开口由端盖盖合，端盖下表面固定有集成电路板，两根导线均穿过保护套与集成电路板连接，引出线缆的一端与集成线路板连接，引出线缆的另一端穿过屏蔽壳并伸出至屏蔽壳外部；本发明轻便耐用，灵敏度高、抗干扰能力强、可靠性高。

Description

一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器
技术领域
本发明属于地震检测设备领域，涉及一种地震检波器，特别是涉及一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器。
背景技术
地震勘探法是目前勘探矿产资源的重要手段，同时也广泛应用于工程勘察和地质灾害预测等方面。地震检波器是地震勘探中用来获取地震振动信号，并将此振动信号转换为信号记录系统所需形式的传感器，其技术水平和性能质量直接关系到地震勘探仪器的主要技术指标。
随着地震检波器技术的发展，出现了磁电式、电化学式、压电式和MEMS数字地震检波器等多种形式的地震检波器。如CN206975230U公开的“一种速度型磁电式高灵敏度地震检波器”，磁电式地震检波器中的磁铁在撞击和高温下容易退磁，导致这种检波器寿命短，性能不稳定，无法满足未来地震勘探工程的需求；如CN105425282A公开的“一种基于力平衡反馈的电化学地震检波器”，电化学检波器的传感单元需添加含碘电解液，结构较复杂、维修更换困难。碘元素有毒性和腐蚀性，对人体和环境有危害。如CN104020490A公开的“全数字MEMS三分量地震检波器”，MEMS数字地震检波器虽然技术比较先进，但是价格也比较昂贵，在不同地区的适用性也有待验证，距离大规模推广使用还需进一步改进。压电式地震检波器灵敏度高、频带宽、动态范围大，适用性强、价格适中，在海洋地震勘探中已经获得广泛应用。
然而，如CN2724018Y公开的“一种新型的复合地震检波器”，现有压电地震检波器多以压电陶瓷为敏感元件，受限于压电陶瓷厚重易碎的缺陷，压电陶瓷地震检波器结构不够灵活、低频截止频率多在10Hz左右，存在明显的缺陷。而且，由于压电陶瓷的电容局限性，难以克服增加电容进行低频拓展与增加电容导致信号失真的矛盾。值得一提的是，现有的压电地震检波器传感单元往往需要弹性部件的作用放大振动响应，但是弹性部件(如弹簧)的非线性畸变也是导致信号失真的重要原因，在不影响传感性能的前提下避免弹簧部件的不良影响也是压电地震检波器研究的重要课题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有压电陶瓷地震检波器的技术缺陷，提供一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器。增强压电传感元件的灵敏度，避免传感元件中弹性部件的干扰，同时进一步拓展压电地震检波器的低频检测范围。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器，包括一个矩形中空的屏蔽壳，屏蔽壳下表面设置有一个尾椎，其特征在于，屏蔽壳的上内表面中部固定设置有一个矩形的金属材质制成的底座，底座顶面包裹有一层PDMS绝缘层，PDMS绝缘层中部蚀刻有一条狭缝，狭缝的高度小于PDMS绝缘层的厚度，狭缝将PDMS绝缘层的上表面分成左、右两部分，狭缝两侧的PDMS绝缘层的上表面上各涂覆有一层金属电极，多根PVDF纳米纤维间隔均匀地排列构成PVDF纳米纤维阵列，每条PVDF纳米纤维的一端固定在狭缝左侧PDMS绝缘层上表面的金属电极上，每条PVDF纳米纤维的另一端固定在狭缝右侧PDMS绝缘层上表面的金属电极上，每层金属电极均与一根导线连接，底座由一个底部开口的矩形盒状的保护套封闭，保护套底部的开口与屏蔽壳的下内表面固定连接，屏蔽壳上壁开有一个屏蔽壳开口，屏蔽壳开口由一个端盖盖合，端盖下表面固定安装有一个集成电路板，集成电路板位于屏蔽壳中，两根导线均穿过保护套与集成电路板连接，引出线缆的一端与集成线路板连接，引出线缆的另一端穿过屏蔽壳并伸出至屏蔽壳外部。
进一步的技术方案包括：
集成电路板和端盖下表面之间设置有用于为集成电路板减震的弹性垫片。
端盖盖合在屏蔽壳上表面后通过密封螺母固定。
集成电路板中包括信号放大模块、低通滤波模块和A/D转换模块。
保护套底部的开口与屏蔽壳下内表面的连接处使用聚氨酯胶粘剂粘接，以保证保护套内部PVDF纳米纤维传的气密性。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
本发明中传感元件由PVDF纳米纤维取代压电陶瓷，声阻抗低，PVDF纳米纤维用做检波器传感元件时，可规避压电陶瓷材料在低频信号检测与信号失真之间的设计矛盾。PVDF纳米纤维规格在毫米以内，体积较小，PVDF纳米纤维结构轻而柔韧，耐热耐腐蚀，使用PVDF纳米纤维作为传感元件可使所发明地震检波器相对于传统地震检波器更加简易轻便耐用。
本发明所述PVDF纳米纤维直接引出电极，避免了传感器封装导致的噪声以及压电性能的衰减，提高可靠性。
本发明中PVDF纳米纤维与底座刚性连接，所述的PVDF纳米纤维跨置在PDMS绝缘层的狭缝上方。避免引入弹性部件，排除由于弹性部件的非线性导致的采集信号的波形畸变，构成一种高保真的检测单元。
本发明所述PVDF纳米纤维结构输出的电压信号经放大滤波后进行A/D转换，将模拟信号转化为数字信号，可避免模拟信号长距离传输过程中受各种干扰产生的噪声和失真，大大提高了检波器的灵敏度及抗干扰能力。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器的结构示意图；
图2为本发明所述的一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器中的底座的结构示意图；
图3为本发明所述的一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器的信号调理模块框图；
图中：1.PVDF纳米纤维阵列，2.保护套，3.底座，4.尾椎，5.屏蔽壳，6.引出线缆，7.密封螺母，8.端盖，9.集成电路板，10.PDMS绝缘层，11.金属电极，12.导线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
如图1所示，本发明所述的基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器，包括PVDF纳米纤维阵列1、保护套2、底座3、尾椎4、屏蔽壳5、引出电缆6、密封螺母7、端盖8和集成电路板9。PVDF即聚偏氟乙烯，聚偏氟乙烯作为一种有机压电材料，具有较强的压电性能和较好的柔韧性。
如图1所示，检波器包括一个矩形中空的屏蔽壳5，屏蔽壳5下表面设置有一个锥形尾椎4。尾椎4为金属材质制成，尾椎4顶面设置螺孔，同时屏蔽壳5下表面设置与之匹配的螺孔，用于尾椎4与屏蔽壳5下表面通过螺栓连接。
如图1所示，屏蔽壳5的上内表面中部固定设置有一个底座3，底座3由一个底部开口的矩形盒状的保护套(2)封闭，保护套2由透声聚氨酯制备而成，透声聚氨酯具有较高的机械强度和氧化稳定性，以聚氨酯为原料的胶粘剂粘接强度高。保护套2与屏蔽壳5的内表面由聚氨酯胶粘剂粘接，保证PVDF纳米纤维的气密性，避免PVDF纳米纤维受到外界的影响。
如图1所示，屏蔽壳5上壁开有一个屏蔽壳开口，屏蔽壳开口由一个端盖8盖合，端盖8下表面固定安装有一个集成电路板9，集成电路板9设置于在端盖8下表面，便于检修和更换。端盖8下表面设置螺孔，用来配合螺栓固定集成电路板9。安装集成电路板9时，集成电路板9和端盖8之间加弹性垫片，用来为集成电路板9减震。引出线缆6的一端与集成线路板9连接，引出线缆6的另一端穿过屏蔽壳5并伸出至屏蔽壳5外部。屏蔽壳5右侧面设置小孔，用于将引出电缆6引出屏蔽壳，
如图2所示，所述底座3由金属材料制备而成，所述底座3为长方体，5×30×30mm规格。所述底座3顶面包裹PDMS绝缘层10，PDMS为聚二甲基硅氧烷，具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性。PDMS绝缘层10中部蚀刻有一条狭缝，狭缝的高度小于PDMS绝缘层10的厚度，狭缝将PDMS绝缘层10的上表面分成左、右两部分，狭缝两侧的PDMS绝缘层10的上表面上各涂覆有一层金属电极11。检波器传感元件主要为PVDF纳米纤维阵列1，本实施例中，由50根PVDF纳米纤维间隔均匀地排列构成PVDF纳米纤维阵列1，每条PVDF纳米纤维的半径为200nm。每条PVDF纳米纤维的一端固定在狭缝左侧PDMS绝缘层10上表面的金属电极11上，每条PVDF纳米纤维的另一端固定在狭缝右侧PDMS绝缘层10上表面的金属电极11上。在每个金属电极11上均连接一根导线12，使得所述PVDF纳米纤维阵列1通过金属电极11与导线12连接，两根导线12均穿过保护套2与集成电路板9连接。检波器工作时，所述底座3随检波器一起振动，PVDF纳米纤维阵列1受到底座3简谐位移激励的作用发生弯曲变形，纤维内部产生应变从而在纤维的外表面感生出极化电荷，电信号经底座3上的金属电极11和导线12传输到集成电路板9中。
如图2所示，所述检波器传感元件中PVDF纳米纤维阵列阵列1与底座3上的金属电极11刚性连接，避免引入弹性部件，排除由于弹性部件的非线性导致的采集信号的波形畸变，构成一种高保真的检测单元。本发明所述的一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器的传感单元由PVDF纳米纤维阵列1取代压电陶瓷，规避了压电陶瓷材料在低频信号检测与信号失真之间的设计矛盾。
如图2所示，所述传感元件体积较小，PVDF纳米纤维阵列1结构轻而柔韧，耐热耐腐蚀，使用该纤维作为机械能-电能转换元件可使本发明所述的一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器相对于传统地震检波器更加简易轻便耐用。
如图3所示，本发明中的集成电路板9为本领域常用的包括信号放大模块、低通滤波模块和A/D转换模块的集成电路板，PVDF纳米纤维阵列1输出的电信号由导线12传输到集成电路板9中，依次经过信号放大模块和低通滤波模块进行信号放大和滤波调理，然后经过A/D转换模块将模拟信号转化为数字信号。最后，经A/D转换后的信号经引出电缆6传输到检波器外部，可避免模拟信号长距离传输过程中受各种干扰产生的噪声和失真，大大提高压电地震检波器的抗干扰能力和检测灵敏度。

Claims (5)

1.一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器，包括一个矩形中空的屏蔽壳(5)，屏蔽壳(5)下表面设置有一个尾椎(4)，其特征在于，屏蔽壳(5)的上内表面中部固定设置有一个矩形的金属材质制成的底座(3)，底座(3)顶面包裹有一层PDMS绝缘层(10)，PDMS绝缘层(10)中部蚀刻有一条狭缝，狭缝的高度小于PDMS绝缘层(10)的厚度，狭缝将PDMS绝缘层(10)的上表面分成左、右两部分，狭缝两侧的PDMS绝缘层(10)的上表面上各涂覆有一层金属电极(11)，多根PVDF纳米纤维间隔均匀地排列构成PVDF纳米纤维阵列(1)，每条PVDF纳米纤维的一端固定在狭缝左侧PDMS绝缘层(10)上表面的金属电极(11)上，每条PVDF纳米纤维的另一端固定在狭缝右侧PDMS绝缘层(10)上表面的金属电极(11)上，每层金属电极(11)均与一根导线(12)连接，底座(3)由一个底部开口的矩形盒状的保护套(2)封闭，保护套(2)底部的开口与屏蔽壳(5)的下内表面固定连接，屏蔽壳(5)上壁开有一个屏蔽壳开口，屏蔽壳开口由一个端盖(8)盖合，端盖(8)下表面固定安装有一个集成电路板(9)，集成电路板(9)位于屏蔽壳(5)中，两根导线(12)均穿过保护套(2)与集成电路板(9)连接，引出线缆(6)的一端与集成线路板(9)连接，引出线缆(6)的另一端穿过屏蔽壳(5)并伸出至屏蔽壳(5)外部。
2.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器，其特征在于，集成电路板(9)和端盖(8)下表面之间设置有用于为集成电路板(9)减震的弹性垫片。
3.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器，其特征在于，端盖(8)盖合在屏蔽壳(5)上表面后通过密封螺母(7)固定。
4.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器，其特征在于，集成电路板(9)中包括信号放大模块、低通滤波模块和A/D转换模块。
5.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电纳米纤维的地震检波器，其特征在于，保护套(2)底部的开口与屏蔽壳(5)下内表面的连接处使用聚氨酯胶粘剂粘接，以保证保护套(2)内部PVDF纳米纤维传的气密性。
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