CN110068390A - 压电与电磁耦合振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压电与电磁耦合振动传感器，包括外壳体，在外壳体的中央设置磁路系统，所述磁路系统与外壳体之间构成封闭的环形间隙并在该环形间隙产生间隙磁场，在所述环形间隙内设置线圈振动体，线圈振动体通过弹簧片悬挂在磁路系统外，线圈振动体和磁路系统之间设置有压电振子，所述线圈振动体在外界振动的条件下可相对于磁路系统上下振动和复位，所述线圈振动体相对于磁路系统的上下振动使线圈振动体切割所述间隙磁场产生感应电信号，同时使所述压电振子变形产生振子变形电信号，所述感应电信号通过线圈振动体外接接线端子输出，所述振子变形电信号通过压电振子外接接线端子输出。本发明将压电效应和电磁效应进行耦合，用于振动信号的检测。

Description

压电与电磁耦合振动传感器

技术领域

本发明涉及振动传感器技术领域，具体涉及一种压电与电磁耦合振动传感器，本发明可以应用于各种振动检测，如地震勘探、设备振动监测、地震检测等方面。

背景技术

目前，世界地震勘测正向高分辨率发展，要求地震检波器向高精度，宽频带，低失真方向发展，即超级检波器。它与普通检波器相比具有更宽的动态范围，更小的失真度，抗电磁干扰以及高精度的参数一致性等。

现有技术中，基于电磁效应原理的振动传感器是地震勘探研究的一个重要分支。但其存在信号失真的问题，原因如下，在线圈通过磁通密度时，如果磁通密度的线性度不好，那么所产生的感应电动势的线性度也会发生变化，这样会使地震检波器所产生的电压信号不能高保真地反映地震波的实际情况，对地震勘探质量带来影响。同时，在勘探使用中，由于弹簧质量振子在振动中的滞后作用，使得常规检波器的频带相应宽度较窄，信号的保真度差，现已经不太适应高分辨率地震勘探。地震检波器参数的一致性差异，主要表现在灵敏度上，使接收的信号在检波器之间的串间干扰，也使接收的地震信号产生一定的失真。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种压电与电磁耦合振动传感器，解决现有技术中的振动传感器的监测灵敏度不高、监测结果不准确的技术问题。

本发明的技术方案为：

压电与电磁耦合振动传感器，包括外壳体，在外壳体的中央设置磁路系统，所述磁路系统与外壳体之间构成封闭的环形间隙并在该环形间隙产生间隙磁场，在所述环形间隙内设置线圈振动体，线圈振动体通过弹簧片悬挂在磁路系统外，线圈振动体和磁路系统之间设置有压电振子，所述线圈振动体在外界振动的条件下可相对于磁路系统上下振动和复位，所述线圈振动体相对于磁路系统的上下振动使线圈振动体切割所述间隙磁场产生感应电信号，同时使所述压电振子变形产生振子变形电信号，所述感应电信号通过线圈振动体外接接线端子输出，所述振子变形电信号通过压电振子外接接线端子输出。

进一步的，所述外壳体包括侧壁和设置在侧壁上、下端的上端盖和下端盖；所述磁路系统包括永磁体、两组轭铁和两组定位柱，所述两组轭铁分别固定套设在永磁体的两极，两组轭铁分别通过它们外侧的定位柱与上端盖和下端盖固定连接。

进一步的，所述线圈振动体包括线圈架，所述线圈架的上部和下部缠绕线圈，线圈的两个端头分别穿过它们一侧的定位柱并设置所述接线端子。

进一步的，所述压电振子包括基板和压电材料，压电材料粘结在基板外端面，基板和压电材料构成一体的圆环片状结构，基板通过其中央的通孔固定套设在定位柱上，基板的边沿卡设在线圈架内壁的第一内卡槽中，两组所述压电振子的压电材料连接导线分别穿过上端盖和下端盖外接所述接线端子。

进一步的，所述弹簧片为圆环片状结构，两组所述弹簧片均通过它们中央的通孔固定套设在两组定位柱上，弹簧片的边沿卡设在线圈架内壁的第二内卡槽中。

进一步的，所述外壳体的侧壁与上端盖和下端盖之间均设置有密封圈。

进一步的，所述基板采用导电材料制成，所述压电材料为压电陶瓷或压电聚合物。

本发明的有益效果：

1.本发明装置将压电振子系统和弹簧——质量振动系统结合在一起，将压电效应和电磁感应这两种耦合原理结合用于振动信号的检测，使两种效应处于同频振动，利用压电信号频带宽，信号失真小的特点，对高频信号起到补偿作用，利用电磁感应对低中频信号增益高的作用，提高了振动检测的灵敏度，避免了信号之间的频差，便于信号的后期处理。

2.本发明装置利用电磁感应效应，在线圈架中产生感应涡流，从而产生阻尼力，可以保证振动系统具有合适的阻尼效应，即电磁阻尼；这种阻尼作用可以保证压电振子的前后信号之间干扰少，有助于提高信号的分辨度。

3.本发明装置的线圈架的电感可以为压电信号提供阻抗，改善压电效应产生的直流响应差的特点，可以对电磁感应信号起到补偿作用，使整个传感器的灵敏度得到提升。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为压电振子的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为磁路系统的结构示意图；

图5为线圈架的结构示意图。

图中，1-外壳体，2-磁路系统，3-线圈振动体，4-弹簧片，5-压电振子，6-接线端子，7-侧壁，8-上端盖，9-下端盖，10-永磁体，11-轭铁，12-定位柱，13-线圈架，14-线圈，15-基板，16-压电材料，17-密封圈，18-支撑套，19-卡簧。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

本发明的基本原理是，将压电效应和电磁效应进行耦合，用于振动信号的检测。利用电磁涡流效应提供振动阻尼，使压电振动和线圈振动处于同一振动频率下。压电效应和电磁感应分别设有独立的端子输出，以便后续对信号进行匹配处理。

实施例：

参见图1-图5所示的一种压电与电磁耦合振动传感器，包括外壳体1，在外壳体1的中央设置磁路系统2，所述磁路系统2与外壳体1之间构成封闭的环形间隙并在该环形间隙产生间隙磁场，在环形间隙内设置线圈振动体3，线圈振动体3通过弹簧片4悬挂在磁路系统2外，线圈振动体3和磁路系统2之间设置有压电振子5，线圈振动体3在外界振动的条件下可相对于磁路系统2上下振动和复位，线圈振动体3相对于磁路系统2的上下振动使线圈振动体3切割所述间隙磁场产生感应电信号，同时使所述压电振子5变形产生振子变形电信号，感应电信号通过线圈振动体3外接接线端子6输出，振子变形电信号通过压电振子5外接接线端子6输出。

外壳体1包括侧壁7和设置在侧壁7上、下端的上端盖8和下端盖9，侧壁7与上端盖8和下端盖9之间均设置有密封圈17，有效地降低了漏磁，提高了抗干扰能力；磁路系统2包括永磁体10、两组轭铁11和两组定位柱12，两组轭铁11分别固定套设在永磁体10的两极，这样就使磁力线从永磁体10的一端发出经过轭铁和外壳到另一端构成回路，从而在轭铁11与外壳体1之间形成间隙磁场，两组轭铁11分别通过它们外侧的定位柱12与上端盖8和下端盖9固定连接。

线圈振动体3包括线圈架13，线圈架13为金属材料，线圈架13的上部和下部缠绕线圈14，线圈14的两个端头分别穿过它们一侧的定位柱12并设置接线端子6，线圈架13与上端盖8和下端盖9之间必须保证有足够的间隙，以保证线圈振动体3可以充分振动。

压电振子5包括基板15和压电材料16，基板15采用导电材料制成，所述压电材料16为压电陶瓷或压电聚合物；压电材料16粘结在基板15外端面，基板15和压电材料16构成一体的圆环片状结构，基板15通过其中央的通孔固定套设在定位柱12上，本实施例中，定位柱12在套设基板15的部分为圆台结构，基板15套在定位柱12上后，通过支撑套18与上端盖8或下端盖9相抵，基板15的边沿卡设在线圈架13内壁的第一内卡槽中，第一内卡槽与基板15之间设置有卡簧19，两组所述压电振子5的压电材料连接导线分别穿过上端盖8和下端盖9外接所述接线端子6。

弹簧片4为圆环片状结构，两组所述弹簧片4均通过它们中央的通孔固定套设在两组定位柱12上，弹簧片4的边沿卡设在线圈架13内壁的第二内卡槽中，第二内卡槽与弹簧片4之间设置有卡簧19。

在其他实施例中，永磁体10上、下设置有磁温度补偿合金，可以补偿由温度变化而造成磁场的变化，使环形间隙产生的间隙磁场场强稳定；同时，可以设置导磁套筒，均匀化由于充磁所带来的永磁体10各处性能不均情况。从而，使线圈14中产生的电压信号能够低失真地反映振动波的情况。

下面对本发明的工作过程简述如下：

由弹簧片4、线圈14和线圈架13组成的弹簧—质量体系，该体系置于由磁路系统2与外壳体1之间的环形间隙中，当基体运动时，本发明传感器随之运动，传感器中的弹簧—质量体系在磁场中相对于磁路系统2发生运动。在线圈绕组中产生相应的感应电动势，电信号由接线端子6引出，同时在线圈架13中感应了涡电流，此涡电流产生一个与运动方向相反的阻尼力，即电磁阻尼，使弹簧—质量体系做阻尼运动。压电材料在振动受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电压输出。

根据法拉第电磁感应定律，金属线圈长度为L垂直于磁通密度B，又垂直于速度v运动，在线圈的两端产生一电压值，可按下式计算：

电压值正比于地震能量引起的线圈对于磁体的相对速度，可以假设磁通密度基本上为一常量，可以完成一个电路来监测振动传感器产生的电压信号，此信号用以探测产生振动结构的特性，在地震勘探中可预测反射地震能量的地表下构造的位置。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.压电与电磁耦合振动传感器，其特征在于：包括外壳体（1），在外壳体（1）的中央设置磁路系统（2），所述磁路系统（2）与外壳体（1）之间构成封闭的环形间隙并在该环形间隙产生间隙磁场，在所述环形间隙内设置线圈振动体（3），线圈振动体（3）通过弹簧片（4）悬挂在磁路系统（2）外，线圈振动体（3）和磁路系统（2）之间设置有压电振子（5），所述线圈振动体（3）在外界振动的条件下可相对于磁路系统（2）上下振动和复位，所述线圈振动体（3）相对于磁路系统（2）的上下振动使线圈振动体（3）切割所述间隙磁场产生感应电信号，同时使所述压电振子（5）变形产生振子变形电信号，所述感应电信号通过线圈振动体（3）外接接线端子（6）输出，所述振子变形电信号通过压电振子（5）外接接线端子（6）输出。

2.根据权利要求1所述压电与电磁耦合振动传感器，其特征在于：所述外壳体（1）包括侧壁（7）和设置在侧壁（7）上、下端的上端盖（8）和下端盖（9）；所述磁路系统（2）包括永磁体（10）、两组轭铁（11）和两组定位柱（12），所述两组轭铁（11）分别固定套设在永磁体（10）的两极，两组轭铁（11）分别通过它们外侧的定位柱（12）与上端盖（8）和下端盖（9）固定连接。

3.根据权利要求2所述压电与电磁耦合振动传感器，其特征在于：所述线圈振动体（3）包括线圈架（13），所述线圈架（13）的上部和下部缠绕线圈（14），线圈（14）的两个端头分别穿过它们一侧的定位柱（12）并设置所述接线端子（6）。

4.根据权利要3所述压电与电磁耦合振动传感器，其特征在于：所述压电振子（5）包括基板（15）和压电材料（16），压电材料（16）粘结在基板（15）外端面，基板（15）和压电材料（16）构成一体的圆环片状结构，基板（15）通过其中央的通孔固定套设在定位柱（12）上，基板（15）的边沿卡设在线圈架（13）内壁的第一内卡槽中，两组所述压电振子（5）的压电材料连接导线分别穿过上端盖（8）和下端盖（9）外接所述接线端子（6）。

5.根据权利要求4所述压电与电磁耦合振动传感器，其特征在于：所述弹簧片（4）为圆环片状结构，两组所述弹簧片（4）均通过它们中央的通孔固定套设在两组定位柱（12）上，弹簧片（4）的边沿卡设在线圈架（13）内壁的第二内卡槽中。

6.根据权利要求5所述压电与电磁耦合振动传感器，其特征在于：所述外壳体（1）的侧壁（7）与上端盖（8）和下端盖（9）之间均设置有密封圈（17）。

7.根据权利要求6所述压电与电磁耦合振动传感器，其特征在于：所述基板（15）采用导电材料制成，所述压电材料（16）为压电陶瓷或压电聚合物。