CN109375260B - 单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器，包括壳体，壳体内部设有机芯，壳体由上壳体和下壳体组成，上壳体和下壳体通过压紧螺母连接，壳体的底部中心设有尾椎，尾椎穿插于地面下，壳体位于地面上，机芯与输出接头相连接，防水套设于机芯上方和上壳体下方，输出接头与组合短路器相连接。本发明使得弹簧片受到了较好的防护，提高传感器的抗跌落能力，从而提高了传感器的使用寿命。

Description

单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器

技术领域

本发明属于电磁检测传感器技术领域，涉及一种单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器。

背景技术

传统的动圈传感器而言，已有上百年的应用历史，具有很高的成熟度，得到了用户广泛的认可，而且一直承担着地震勘探信号采集的主要角色。但通常这种传感器因为单只灵敏度偏低，都是采取多只组合使用的，由于当前地震勘探技术对信号采集精度和施工方成本提出了新的要求，这种多只组合形成的信号加权平均效应已无法达到高精度信号采集的要求，同时多点组合带来的施工作业成本大幅度增加，因此这种多点组合的传感器已无法满足新的地震勘探技术要求，而且这种供需矛盾渐加突出。如果能突破这个技术瓶颈，动圈传感器仍将会有新的生命力，如果不能突破这个瓶颈，动圈传感器将可能就此被淘汰过时。

为了突破这个瓶颈，人们对各种动圈传感器做了大量的对比分析后发现，高灵敏度的单只动圈传感器可以解决上述问题。但事物的发展都有着两面性。一方面，高灵敏度单只动圈传感器虽没有组合形成的信号加权平均效应。同时使得施工作业成本降到了最低限度；但另一方面，根据动圈传感器灵敏度公式

其中，a是灵敏度，R₁是线圈内阻即动圈传感器的自身内阻，R₂是分流电阻，HC是机电耦合系数；

其中，W是线圈匝数，是磁流梯度；

可看出，灵敏度的提高伴随着线圈匝数的增大，线圈的匝数和线圈的重量成正比，因此灵敏度的提高伴随着线圈重量的增大，在动圈传感器中，通常把线圈重量称之为惯性体质量m，惯性体质量增大，也就意味着惯性力增大，由于动圈传感器的惯性体m工作时，是和两个与其固定连接的弹性元件一起运动的，如图1所示，当惯性力增大后，势必会引起弹性元件的形变加大，由于高灵敏度线圈较重使得惯性体较重，惯性体必然也很大；同时低频的弹簧片K₁、K₂自身的刚性又很弱，致使弹簧片K₁、K₂极易产生畸变和损坏。如果没有一种好的保护措施的话，轻则使得弹簧片产生畸变，造成失真度增加；重则使得弹簧片直接损坏，在多次跌落比对过程中，这种现象屡见不鲜。因此，针对高灵敏度单只传感器惯性体m增加，引起的抗跌落性能急剧下降的问题，采取合理的应对方法，能够使得单只高灵敏度动圈传感器技术取代多只组合的动圈传感器技术，从而满足新一轮勘探队性价比的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器，解决了现有的动圈传感器惯性力增大后，引起弹性元件的形变加大进而使得弹性元件产生畸变，造成动圈传感器失真度增加；使得弹性体直接损坏的问题。

本发明所采用的技术方案是，单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器，包括壳体，壳体内部设有机芯，壳体由上壳体和下壳体组成，上壳体和下壳体通过压紧螺母连接，壳体的底部中心设有尾椎，尾椎穿插于地面下，壳体位于地面上，机芯与输出接头相连接，防水套设于机芯上方和上壳体下方，输出接头与组合短路器相连接，软连接线连接输出接头和组合短路器，机芯内设有机芯上顶盖和机芯下底盖，机芯上顶盖通过组合磁体与机芯下底盖连接，机芯上顶盖的盖帽上嵌设有缓冲垫，机芯上顶盖靠近组合磁体的一端设有上弹簧片，机芯下底盖靠近组合磁体的一端与下弹簧片的一端连接，下弹簧片的另一端与惯性体的一端相连接，惯性体的另一端与上弹簧片相连接，下弹簧片竖直方向向下依次设有一级缓冲片、间隔垫片，一级缓冲片、间隔垫片均固定设于机芯下底盖的竖直端外围，机芯下底盖的盖帽上嵌设有二级缓冲垫。

进一步的，所述输出接头由输出线、防水接头体和正负极组件组成，输出线穿设于防水接头体并与正负极组件连接，正负极组件一端设于防水接头体内部，正负极组件另一端穿出防水接头体，组合短路器由防水接头短路头、组合短路器体、插拔夹子短路环组成，正负极组件与防水接头短路头对接，插拔夹子短路环设于组合短路器体后半部一周。

进一步的，所述缓冲垫所选用的材料是橡胶、聚氨酯、海绵的任意一种。

进一步的，所述一级缓冲片所选用的材料是铍青铜、磷青铜、不锈钢、锡磷青铜、恒弹合金中的任意一种。

进一步的，所述间隔垫片选用的材料是不锈钢、铜、钛合金、铝合金、有机玻璃、环氧树脂板中的任意一种。

进一步的，所述二级缓冲垫所选取的材料是橡胶、乳胶、海绵中的任意一种。

本发明的有益效果是：1.极大的提高了传感器的可靠性，由于从机械结构和电磁阻尼两方面入手，极大地提高了单只动圈传感器抗跌落能力，使得传感器的可靠性得到大大的提高，从而填补了国内外单只低频高灵敏度传感器抗跌落差这一技术瓶颈。

2.提高了传感器的使用寿命，弹簧片是动圈传感器的易损件，在现场施工作业过程中又难免摔打，摔打又加剧了弹簧片的损坏，本发明使得弹簧片受到了较好的防护，从而提高了传感器的使用寿命。

3.保证了传感器各项指标的稳定性，传感器在野外施工和运输过程中，经常会遇到来自外部的剧烈冲击，这种冲击会造成传感器各个部分损伤，特别是弹簧片的损伤，损伤后的弹簧片会引起主要指标超差，如：失真度超差，频率超差，阻尼超差，灵敏度超差，本发明提高传感器的抗跌落能力，也保证了传感器的各项指标的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统的动圈传感器的弹性震动系统示意图；

图2是单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器的结构示意图；

图3是单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器的不包含外壳的机芯示意图；

图4是单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器的输出接头与组合短路器的结构示意图。

图中，1.上壳体，2.压紧螺母，3.输出接头，3-1.输出线，3-2.防水接头体，3-3.正负极组件，4.组合短路器，4-1.防水接头短路头，4-2.组合短路器体，4-3.插拔夹子短路环，5.防水套，6.尾椎，7.机芯，7-1.机芯上顶盖，7-2.缓冲垫，7-3.惯性体，7-4.一级缓冲片，7-5.间隔垫片，7-6.二级缓冲垫，7-7.机芯下底盖，7-8.上弹簧片，7-9.下弹簧片，7-10.组合磁体，8.下壳体，9.软连接线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器，如图2所示，包括壳体，壳体内部设有机芯7，壳体由上壳体1和下壳体8组成，上壳体1和下壳体8通过压紧螺母2连接，壳体的底部中心设有尾椎6，尾椎6穿插于地面下，壳体位于地面上，机芯7与输出接头3相连接，防水套5设于机芯7上方和上壳体1下方，输出接头3与组合短路器4相连接，软连接线9连接输出接头3和组合短路器4，如图3所示，机芯7内设有机芯上顶盖7-1和机芯下底盖7-7，机芯上顶盖7-1通过组合磁体7-10与机芯下底盖7-7连接，机芯上顶盖7-1的盖帽上嵌设有缓冲垫7-2，机芯上顶盖7-1靠近组合磁体7-10的一端设有上弹簧片7-8，机芯下底盖7-7靠近组合磁体7-10的一端与下弹簧片7-9的一端连接，下弹簧片7-9的另一端与惯性体7-3的一端相连接，惯性体7-3的另一端与上弹簧片7-8相连接，下弹簧片7-9竖直方向向下依次设有一级缓冲片7-4、间隔垫片7-5，一级缓冲片7-4、间隔垫片7-5均固定设于机芯下底盖7-7的竖直端外围，机芯下底盖7-7的盖帽上嵌设有二级缓冲垫7-6，如图4所示，输出接头3由输出线3-1、防水接头体3-2和正负极组件3-3组成，输出线3-1穿设于防水接头体3-2并与正负极组件3-3连接，正负极组件3-3一端设于防水接头体3-2内部，正负极组件3-3另一端穿出防水接头体3-2，组合短路器4由防水接头短路头4-1、组合短路器体4-2、插拔夹子短路环4-3组成，正负极组件3-3与防水接头短路头4-1对接，插拔夹子短路环4-3设于组合短路器体4-2后半部一周。

压紧螺母2为4个，根据实际需求进行设定。

输出接头3与组合短路器4是通过正负极组件3-3与防水接头短路头4-1之间的弹性紧密配合连接在一起的。

组合短路器4由防水接头短路头4-1、组合短路器体4-2、插拔夹子短路环4-3组成，通过注塑成型。

软连接线9连接输出接头3和组合短路器4，以使用和运输方便。软连接线9选用软钢丝绳裹塑材料，具有强度高、防锈的优点。

缓冲垫7-2所选用的材料是橡胶、聚氨酯、海绵的任意一种。

弹簧片带动惯性体7-3产生强烈的跳动，使得惯性体7-3与机芯上顶盖7-1和机芯下底盖7-7产生剧烈刚性碰撞，惯性体7-3受到了三个方向的力，一是纵向冲击力，二是横向冲击力，三是水平旋转力，水平旋转力是由于弹簧片自身结构决定的。纵向冲击力使得弹簧片的弹性悬臂筋疲劳断裂；横向冲击力使得弹簧片的弹性悬臂筋产生不可恢复性变形；水平旋转力使得弹簧片的弹性悬臂筋产生不可恢复变形而撕裂断掉。

当一级缓冲片7-4与惯性体7-3发生强烈的撞击时，受到了三个方向的力，一是纵向冲击力，二是横向冲击力，三是水平旋转力，而一级缓冲片7-4把这三种力要进行最大的释放，首先得具备以下几个条件：一是具有较好的刚性，二是具有较大的变形量，三是旋转自如，满足以上三种条件的只有金属弹性材料，同时纵向形变能够大大缓冲纵向冲击力的冲击加速度，较好的刚性抵抗了横向冲击力，旋转自如释放了水平旋转力，因为弹簧片的三个弹性悬臂筋是弹簧片最薄弱的地方，一级缓冲片7-4通过对三个力的释放，从而减轻了对弹簧片的三个弹性悬臂筋的损伤。由于一级缓冲片7-4的中心孔和机芯下底盖7-7的中心轴之间采用间隙配合，因此，当惯性体7-3与一级缓冲片7-4发生撞击时所产生的力，通过一级缓冲片7-4的自旋转作用快速得到释放，从而防止弹簧片受到损坏。因此，一级缓冲片7-4所选用的材料是铍青铜、磷青铜、不锈钢、锡磷青铜、恒弹合金中的任意一种。

由于一级缓冲片7-4最大限度的释放了水平旋转力、横向冲击力、纵向冲击力使上弹簧片7-8和下弹簧片7-9达到了最小的损伤程度，此时，由于一级缓冲片7-4产生了较大的形变，根据弹性元件形变贮能原理可知，惯性体7-3仍具有较强的纵向冲击力和弹性反冲效应，因此，选择二级缓冲垫7-6的材料和结构须具有以下特点：一是能使纵向冲击力得到很大的释放，二是不产生回弹效应，三是减少机芯下底盖7-7的体积，四是对来自机芯底部的机械杂波干扰有一定的抑制作用，因此，二级缓冲垫7-6所选取的材料是橡胶、乳胶、海绵中的任意一种。

由于一级缓冲片7-4在受到水平旋转力的作用后，为了更好的释放水平旋转力的能量，一级缓冲片7-4中须具有很好的旋转作用，通过一级缓冲片7-4的旋转，使得水平旋转力产生的能量得到释放，抑制了水平旋转力对弹簧片三个弹性悬臂筋产生的扭力破坏。因此，间隔垫片7-5所选用的材料应具有足够的刚度和光洁的表面，保证旋转时的摩擦力最小，所以，间隔垫片7-5选用的材料是不锈钢、碳钢、铜、钛合金、铝合金、有机玻璃、环氧树脂板中的任意一种。间隔垫片7-5使得一级缓冲片7-4到二级缓冲垫7-6之间有足够的变形距离。

上弹簧片7-8和下弹簧片7-9是由一个圆形内圈、一个圆形外圈通过三个弹性悬臂筋连接而成，圆形内圈、圆形外圈和三个弹性悬臂筋不在一个水平面。上弹簧片7-8的圆形内圈安装在机芯上顶盖7-1的轴上形成轴孔配合，上弹簧片7-8的圆形内圈处于上顶盖7-1和组合磁体7-10的上端轭铁之间，上弹簧片7-8的圆形外圈与惯性体7-3上端连接，下弹簧片7-9的圆形外圈与惯性体7-3下端连接。

下弹簧片7-9与惯性体7-3的角度设置根据实际需求而定。

组合磁体7-10是由多个轭铁和磁钢按要求刚性连接后，形成的一个磁体，它是单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器的主要组成部分，组合磁体7-10的两端分别为轭铁，其中上端轭铁与机芯上顶盖7-1形成刚性的轴孔连接；下端轭铁与机芯下顶盖7-7通过组合磁体7-10形成刚性连接关系。

单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器从机械结构和电磁阻尼方面提高了动圈传感器的抗跌落性能，在机械结构方面，如图3所示，当惯性体7-3向下运动时，首先会和一级缓冲片7-4发生撞击，一级缓冲片7-4具有很好的弹性作用，使得硬性撞击变成了弹性缓冲撞击，一级缓冲片7-4对来自惯性体7-3剧烈的冲击力，产生一定的形变，形变产生了较大的反作用力，反作用力使得惯性体7-3带来的冲击力大大衰减，极大地释放了惯性体7-3携带的惯性力，如果惯性体7-3和一级缓冲片7-4继续下行时，又会和二级缓冲垫7-6发生撞击，二级缓冲垫7-6会产生一定的挤压形变，这种挤压形变对于惯性体7-3的冲击力再一次进行衰减，起到了软着陆的效果，因此，惯性体7-3所携带的惯性力对上弹簧片7-8和下弹簧片7-9造成很小的损伤，从而极大地提高了传感器抗跌落的性能，由于惯性体7-3向上和向下之间运动时，相隔的时间非常短，同时把惯性体7-3向上运动时的硬性撞击设计成了可缓冲的柔性撞击。因此，无论惯性体7-3向上还是向下运动，只要有一个方向能够极大地释放惯性体7-3携带的惯性力，都能起到对上弹簧片7-8和下弹簧片7-9的保护作用。在电磁阻尼方面，单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器的输出接头3与组合短路器4连接，如图4所示，单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器在非工作状态时，输出接头3接上组合短路器4，此时单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器受到强烈冲击时，由于传感器的输出接头3处于短路状态，单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器的电磁阻尼达到最大化，惯性体7-3由用于绕制线圈的金属骨架和线圈组成，动圈传感器的总阻尼由惯性体7-3的金属骨架和线圈产生的阻尼组成，金属骨架产生的阻尼为涡流阻尼，线圈产生的阻尼为电磁阻尼，当单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器的输出端接组合短路器4时，电磁阻尼达到最大值，电磁阻尼起到阻碍惯性体7-3的线架的纵向位移量，从而减小了惯性体7-3的运动加速度，使得惯性体7-3的纵向位移变小，振动频次和幅度大大减少，起到对上弹簧片7-8和下弹簧片7-9的保护作用；单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器在工作状态时，取下组合短路器4保证单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器与其他仪器正常对接。

解决抗跌落问题的关键所在就是如何弱化和消除三种力对弹簧片的破坏作用，人们长期以来对单只低频高灵敏度传感器抗跌落视为禁区，主要原因就是没有解决好三种力的抵御和释放问题。低频检波器是指自然频率为4.5HZ的传感器，而高灵敏度是指动圈传感器的灵敏度，比常规的动圈传感器的灵敏度高出一个数量级，常规的动圈传感器每只灵敏度为20V/m/s，而这种动圈传感器每只的灵敏度为200V/m/s，而常规的动圈传感器的每只机芯惯性体的质量为11g，但这种高灵敏度动圈传感器每只机芯惯性体质量为50g，因此，低频高灵敏度动圈传感器抗跌落就存在两个不足，加之整体机芯的重量也明显高于常规的动圈传感器，这些均不利于跌落，频率低，必然弹簧片的刚性差，又进一步恶化了抗跌落的能力。针对自然频率4.5HZ的动圈传感器，其抗跌落次数从未超过50次，因此本领域的技术人员将其抗跌落视为一个禁区。

对于低频高灵敏度的动圈传感器而言，频率低时，弹簧片的刚度差易受损的概率增大，而要保证高灵敏度时，线圈的绕组必然增加，导致惯性体质量增加，运动时产生的惯性力也必然增大，更易造成弹簧片的损坏，同时为了提高灵敏度，又使得组合磁体的质量增大，致使整个机芯的质量增大，使得机芯运动的惯性力更大，进一步加剧了弹簧片损坏的概率。

跌落是一种破坏性试验，跌落试验同类型的3只机芯，损坏的形式不一样，很难找到规律性问题。试验条件苛刻，成功的把握性较低，投入风险很高，本文的单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器具有800次抗跌落能力。因此，单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器，是人们多年以来一直期盼推向市场的一种传感器，也是广大用户期盼已久的传感器，但就是由于抗跌落这一技术瓶颈未能突破，致使这种产品只能在实验室徘徊不前，随着单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器的面世，必将给电磁检测传感器技术领域带来新的生机。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器，其特征在于，包括壳体，壳体内部设有机芯（7），壳体由上壳体（1）和下壳体（8）组成，上壳体（1）和下壳体（8）通过压紧螺母（2）连接，壳体的底部中心设有尾椎（6），尾椎（6）穿插于地面下，壳体位于地面上，机芯（7）与输出接头（3）相连接，防水套（5）设于机芯（7）上方和上壳体（1）下方，输出接头（3）与组合短路器（4）相连接，软连接线（9）连接输出接头（3）和组合短路器（4），机芯（7）内设有机芯上顶盖（7-1）和机芯下底盖（7-7），机芯上顶盖（7-1）通过组合磁体（7-10）与机芯下底盖（7-7）连接，机芯上顶盖（7-1）的盖帽上嵌设有缓冲垫（7-2），机芯上顶盖（7-1）靠近组合磁体（7-10）的一端设有上弹簧片（7-8），机芯下底盖（7-7）靠近组合磁体（7-10）的一端与下弹簧片（7-9）的一端连接，下弹簧片（7-9）的另一端与惯性体（7-3）的一端相连接，惯性体（7-3）的另一端与上弹簧片（7-8）相连接，下弹簧片（7-9）竖直方向向下依次设有一级缓冲片（7-4）、间隔垫片（7-5），一级缓冲片（7-4）、间隔垫片（7-5）均固定设于机芯下底盖（7-7）的竖直端外围，机芯下底盖（7-7）的盖帽上嵌设有二级缓冲垫（7-6）；

所述输出接头（3）由输出线（3-1）、防水接头体（3-2）和正负极组件（3-3）组成，输出线（3-1）穿设于防水接头体（3-2）并与正负极组件（3-3）连接，正负极组件（3-3）一端设于防水接头体（3-2）内部，正负极组件（3-3）另一端穿出防水接头体（3-2），组合短路器（4）由防水接头短路头（4-1）、组合短路器体（4-2）、插拔夹子短路环（4-3）组成，正负极组件（3-3）与防水接头短路头（4-1）对接，插拔夹子短路环（4-3）设于组合短路器体（4-2）后半部一周。

2.根据权利要求1所述的单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器，其特征在于，所述缓冲垫（7-2）所选用的材料是橡胶、聚氨酯、海绵的任意一种。

3.根据权利要求1所述的单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器，其特征在于，所述一级缓冲片（7-4）所选用的材料是铍青铜、磷青铜、不锈钢、锡磷青铜、恒弹合金中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器，其特征在于，所述间隔垫片（7-5）选用的材料是不锈钢、铜、钛合金、铝合金、有机玻璃、环氧树脂板中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的单只低频高灵敏度动圈型抗跌落传感器，其特征在于，所述二级缓冲垫（7-6）所选取的材料是橡胶、乳胶、海绵中的任意一种。