CN1159228A - 地震检波器缓冲装置 - Google Patents
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Abstract
所公开的地震检波器具有一圆柱形外壳(102)，一端由底板(117)所封闭，而另一端由顶板(115)所封闭。一套在其磁体(104)的每一端各有一个极靴(114，120)的磁体组件被装在外壳(102)的中心，使磁体组件和外壳之间提供一环形空间。一个线圈框架(108)位于此环形空间内。簧片(110，112)悬挂着线圈框架(108)使其相对于磁体组件沿外壳(102)的纵轴做轴向运动。垫圈(126，127，128，129)被装在每一簧片的上、下两边，以减小簧片(110，112)在正常运转及粗暴搬运过程中经受扭力产生的危险，从而增加簧片的使用寿命。地震检波器中在线圈框架(108)与外壳(102)之间还装有弹性构件(140，142)以防线圈框架(108)直接碰撞外壳(102)，从而减小地震检波器在其全部使用寿命期间经受的频率偏移量。
Description
本发明一般地涉及地震检波器，而更具体地涉及减小地震检波器中的信号失真及频率偏移的机理。
地震检波器是检测一个悬挂在一种刚性的、固定支架结构或外壳上的惯性参考质量结构的运动的装置。具有代表性的是，该质量为一个被簧片悬挂着的环形线圈框架，挂在地震检波器的磁体组件与外壳之间的环形空间中。通常，线圈框架的每一端装有一片簧片。簧片把线圈框架定位在磁体组件的磁场中，以便使线圈框架从侧面并沿着磁场轴向对准中心。簧片也构成一个具有预定共振频率的悬挂系统。
在地震过程中，地震波进入地壳到达地表或接近地球表面时，这些地震波的一部分就从地表下岩石层界面反射和折射。地震检波器在地面被布设成台阵或台群。当反射波和折射波碰到一个地震检波器时，悬挂在两片簧片间的线圈框架往往落后于地震检波器外壳及与其连接着的磁体组件随地面的运动，而后，簧片使线圈框架像摆一样在磁场中往复地运动，线圈框架在磁体组件的磁场中的运动产生一个电压，形成地震检波器的输出。地震检波器台阵的这些输出被用一定格式记录下来，技术人员从分析输出的解释中能获得地表下岩石构造的轮廓。
现今地震检波器中，广泛地应用蛛状簧片(spider springs)悬挂地震检波器的线圈框架。这种簧片一般是由圆盘形弹性材料制做，而具有代表性的是带有一个内环和一个外环，用几条腿把内外环连接起来。这样的腿是在弹性材料中按照预定的形状以蚀刻或冲压的方式开出槽来而制成的。通常采用三条这样的腿，一般认为三条腿是最有利的。
地震检波器蛛形簧片的这些腿一般有一矩形截面，并且在簧片的内环和外环的连接点之间顺其长度方向弯成曲线形。蚀刻以后，簧片要按已知的工艺“预成型”，完成预成型时，内环相对外环有偏移或有移位。这样，当线圈质量被悬挂到这两个簧片上时，每个簧片的内环、腿、外环基本上就处于同一个平面上。
一台地震检波器是用以检测相对于地震检波器外壳而言大体上平行于线圈框架的轴向运动方向上的运动。因而希望能消除或尽量减小因地震检波器内不平行于悬挂着的线圈框架轴向运动的力所造成的线圈框架的任何横向运动的效应。
在地震过程中，一个不完全平行于该地震检波器轴向的脉冲并且它包含有一个等于或者极其接近于寄生频率的频率分量就会导致地震检波器线圈中产生一个不想要的或虚假的电动势(EMF)。由于它的高Q值(品质因素)。在作用力平息后，线圈框架的运动还将持续一段时间。这样的共振被认为是一个地震检波器中的主寄生频率，这是极其有害的，因为它限制着地震检波器的上端整齐的带宽。
对于一种给定型号的地震检波器，由于几何形状和线圈框架的质量是被确定在其制造限度内的，其寄生共振也就被固定，因而其寄生共振的频率实际上只能靠改变悬挂簧片的几何形状来提高或降低。这一特性被用来提高这些虚假信号的频率，通过增大簧片的侧向刚度直到使这些信号超越地震检波器的有用频谱之外。利用这一方法，使这些虚假信号并不干扰或掺杂有用信号。能产生高频寄生响应的簧片的例子见于美国专利号4323994、4458344、4623991和5134594。当然，因为簧片的横向刚度增加，所以主要由于粗暴搬运，包括测试和安装期间所经受的横向冲击、扭力和轴向冲击而使其易于受到损坏的危险性也增加了。
一台地震检波器的使用寿命是以在正常运转期间产生的信号的完整性来衡量的。所产生信号中的失真一般是由于横向及轴向冲击和扭力危及悬挂系统的结果。粗暴搬运对转动型地震检波器的影响比对挠性接头型(pig-tail)地震检波器更严重，这是由于地震检波器特殊的构造所致。
为了监测由转动型地震检波器产生的信号，通常，由一个外接导体经过与磁体组件隔离的簧片之一，通过线圈框架而连到与磁体组件有电气连接的另一簧片，再依次连接到第二个外接导体而形成一种电气连接。一个接触环或类似物在电气上连接到与磁体组件隔离的簧片上，用压力连接到外接导体上。同样，压力环被用来实现磁体组件与另一簧片之间的电接触。线圈框架与两片簧片之间的电气连接一般是靠弹性环或类似物将簧片压在线圈框架的导电面上而实现的。
尽管这两个簧片能相对磁体组件自由转动，但接触环与压力环的压力引起对簧片转动的阻力。因此，当外环部分随线圈框架在环形空间内运动时，任一加在内环部分上的扭力被集中在不受运动限制的簧片的面积上，包括悬臂在内，这会减小簧片的使用寿命。
图1表明美国专利号4685094公开的一种含有能使簧片较少地受到横向冲击的横向顺性装置的典型的转动型地震检波器。该地震检波器由常用的地震检波器部件组成，包含有地震检波器外壳102及牢固地装在其中的磁体组件104，以形成两者结构之间环形空间106。线圈框架108被簧片10和12悬挂在环形空间106内来回运动。横向顺性装置包含一个接触环11和压力环16，接触环11是用来从簧片的上面将第一个簧片10压在磁体组件的极靴14上，而压力环16则是从簧片的下面将簧片12压在极靴20上。
即使本专利强调的是簧片与极靴之间的摩擦效应提供了横向顺性，在簧片10与极靴14之间仍需要一极薄的圆盘形绝缘材料以便让地震检波器能够工作。但是，此圆盘薄片并不明显地减小上述扭力的危害作用。除了要经受破坏性的扭力之外，由于作用在线圈框架上的重力使压力环产生细微的运动，该地震检波器会因为系统中的非线性而引起失真。失真是由非均衡的摩擦力作用到簧片上造成的。
大家知道，在粗暴搬运过程中，由于线圈框架的两端和顶部档板和底部档板的撞击而导致的加在线圈框架上的轴向冲击会在地震检波器的信号中产生一个频率偏移。美国专利号4685094公开了一种轴向缓冲装置，用一个在两个极靴间的线圈框架上的台肩24以防止发生这类撞击，使得台肩将碰撞其中一个极靴而避免线圈框架碰撞外壳。然而，这类缓冲装置仅适用在把线圈框架放到磁体周围以后再组装极靴的情况下。
随着信号记录设备的技术进步和24位数字记录系统的出现，地震检波器的失真与寄生共振一直就是记录系统的动态分辨率和高频分辨率的限制因素。所以，除了要获得一个高频的寄生响应特性以外，还须降低由簧片产生的失真度。改进的记录设备还须使其在地震检波器有效寿命期间减小频率偏移量。
因此，本发明的一个特征在于提供一种地震检波器的悬挂系统，在其正常运转期间及粗暴搬运时使地震检波器对所产生的扭力较少地敏感。
本发明另一目的是提供一种地震检波器，它具有位于磁体组件相对的两端的两个圆盘形簧片以维持线圈框架相对磁体组件做纵向运动。其中两个簧片均位于一个隔离垫圈和一个导体垫圈之间，这两个垫圈安装成能随簧片转动。因而两簧片就能相对于一个固定表面作自由转动的表面而被约束在上、下两侧，从而允许簧片能随着来回运动的线圈框架加在簧片上的扭力而转动，从而减小了扭力作用在簧片臂上的应力。
本发明还有一个目的，就是提供一种地震检波器轴向缓冲装置，它能在簧片整个有效寿命期内减小频率偏移达2.5％。
本发明再有一个目的就是提供一种地震检波器，它包含有弹性的缓冲装置，装在线圈框架与地震检波器的外壳之间，以防粗暴搬运时线圈框架直接接触到外壳，减少加于其上的冲击。
本发明的这些及其它的目的、优点和性能对熟练此技术的人员而言，在研究了包括附图及所附的权利要求在内的本说明书后就会明白。
图中：
图1是先有技术的地震检波器的竖直的横截面图；
图2是圆圈2中的上簧片组件放大了的截面图；
图3是圆圈3中的下簧片组件放大了的截面图；
图4是体现本发明结构整个地震检波器的竖直的横截面图；
图5是圆圈5中的上簧片组件放大了的截面图；
图6是圆圈6中的下簧片组件放大了的截面图；
图7是应用于本发明轴向缓冲装置中的叶片簧的平面图；
图8是应用于本发明轴向缓冲装置中一种替换形式的叶片簧的平面图；以及
图9是应用于本发明轴向缓冲装置中又一种替换形式的叶片簧的平面图。
图4所示地震检波器包括一永磁体组件，该组件由磁体104和位于磁体每一端的两个极靴114和120组成。磁体组件是装在外壳102内。线圈框架108上绕有两组线圈122和123，线圈框架由两片簧片110和112悬挂在磁体与罩壳之间的环形气隙内。在极靴114和120与外壳102之间建立一个磁场。线圈框架108用簧片110和112悬挂着使其在环形气隙中相对于外壳的纵轴而运动，因而线圈122和123将根据接收到的地震能量而相对于磁体和外壳而运动并产生一电压，此电压是正比于线圈对于磁体的相对速度的。
簧片110和112是由薄圆片形弹性材料、通常为铍铜合金制做的蛛状簧片，具有用相当细的弧形弹性臂连接起来的内环和外环。
外壳102、顶壳档板115及底壳档板117由非导体材料制成。顶壳档板和底壳档板用密封圈119和121及外壳的台肩102a与102b固定在外壳相对的两端。
如图6所示，簧片112是被压在一个聚酯绝缘垫圈127上，垫圈靠环形簧片116可对簧片及底壳档板117自由转动，因而也是对底板117的凸台117a自由转动。铜垫圈128也能对簧片与极靴120自由转动，它定位于环形簧片116和簧片112之间。极靴120在中心处有一盲孔120a，该盲孔被定位于底部支板的中心凸台117b上，并与环形簧片136，因而也是与蛛状簧片112保持电接触。
上极靴114用绝缘环126而与蛛状簧片110电气绝缘，该绝缘环可以相对于簧片110与极靴114二者而活动。接触环111套在位于极靴114的盲孔114a中的圆柱凸台115a上。接触环被夹在顶壳档板的环形台肩115b与铜垫圈129之间，以使接触环对簧片110作电气连接。
电极130与132被注塑在顶壳档板115中，电极130经接触环111和导体135而与簧片110电接触。簧片110用定位环124而在电气上连接到镀银的铝线圈框架108上，定位环被线圈框架台肩108a所固定。线圈122和123被焊接到两个线圈之间的镀银的铝线圈框架上，因此，线圈都和电极130有电气连接。簧片112也由固定在台肩108b中的定位环125在簧片110的另一端与镀银的线圈框架108作电气连接，并通过簧片116电气连接到极靴120上。极靴120通过永磁体112和极靴114被电气连接到电极132。导电接触材料136是为增强电气接触而放在电极132和极靴114之间的。
这就是减小悬挂系统对上述扭力敏感度的垫圈-簧片-垫圈悬挂系统的结构。图2和图3表示图1所示先有技术的悬挂系统放大了尺寸的截面图。簧片10和12分别被接触环11和压力环16直接压在极靴14和20上。正是各对应的簧片与极靴之间的摩擦力使簧片不能随由于粗暴搬运而加于簧片上的扭力而转动，该扭力使簧片臂处于屈服点之外并改变簧片的弹性系数。
另一方面，图5和图6所示本发明实施例中的垫圈126和129是随簧片110和112相对于地震检波器的固定部分(包含顶壳档板115和极靴114)而能自由转动的。由于垫圈能相对固定件转动，簧片110上的扭力就明显减小，使用能降低簧片与极靴114之间的摩擦系数的材料所制成的垫圈也有助于减小作用在簧片上的扭力。因此，用比极靴114更低的摩擦系数的材料制做垫圈是适宜地。因为簧片112也是被能相对于固定件115a和114自由转动的垫圈所约束的，所以簧片112也承受较低的扭力。
图2和图3还显示造成信号失真的非线性的来源。首先，簧片10和12接受来自簧片相对两端的由接触环12和压力环16所施的压力。压力环在重力影响下因线圈框架微细的移动引入某种非线性到系统内。此外，簧片上的摩擦力是不对称的，例如，簧片10是被接触环12约束在上边，而被极靴14约束在其下边，相反，簧片12是被极靴20在其上边约束，而被压力环116约束在其下边。这些摩擦力中细小的差别导致任何最终信号中显著的失真。即使在簧片10与极靴14之间有绝缘材料的夹层也不能使簧片上的力均衡。相反，加入了这种材料却加大了分布于簧片上的摩擦力的差异，从而加大了系统的非线性。
用于垫圈的材料并不严格，把垫圈安装到簧片两边也不是关键的。例如，说不严格是指垫圈之一可为导体，而另一个则可以是绝缘的；二者也可以是同一种材料，只要是施加于顶部簧片上的摩擦效应与施加于底部簧片上的相同即可。
由聚酯、聚酰胺(尼龙)、氟化聚合物、聚丙烯、聚乙烯或聚丁烯制作的隔离垫圈都能正常工作。
现在参看已公开了的地震检波器的轴向缓冲装置部分，叶片簧140和142被分别填塞在外壳102与顶壳档板和底壳档板之间，以防线圈框架108与顶壳档板和底壳档板相撞击，因而减小了在粗暴搬运过程中加于线圈框架上的轴向冲击量。
图7、图8和图9显示能用于本发明的三种叶片簧的例子。辐射状的爪从外壳向内延伸于线圈框架的上方和下方。这些爪能制动软铝线圈框架，从而减小对主悬挂簧片的损伤。主悬挂簧片及其上的应力决定着地震检波器的固有频率。定位环124和125及台肩108a和108b共同作用以产生对主悬挂簧片上的应力。线圈框架两端连续不断地与顶壳档板及底壳档板相撞所致的冲击将或者收紧或者松弛主悬挂簧片上定位环的应力，因而引起过量的频率偏移。这时，叶片簧缓冲装置依靠吸收主悬挂系统的冲击来减小频率偏移量。
在本优选实施例中，使用了像图7所示的这样一个叶片簧，它有60个爪，彼此以6°间隔分布。该簧是由0.004英寸厚度的铍铜合金制做，极硬。当然，任何一种弹性材料及任何数量的爪都适用。叶片簧也不必要有爪，一整片软材料也能用。
虽然叶片簧用作制动的目的，但也可以把橡皮或者其它有弹性的材料放在外壳上线圈框架的上方和下方，或者就放在线圈框架自身上以完成同样的功能。
本申请专利发明的所有零件都可方便地使用标准件，零件的尺寸和材料对任何给定的结构均能由一位熟悉本领域的普通技术人员很容易地确定。
虽然上述本发明是以一种旋转型地震检波器为例，但本发明同样也能用于挠性接头型地震检波器。
由上可见，本发明是很适合实现所有上文所列的目的和对象，同时它具有对仪器和结构的明显的和固有的优点。
不用说，某些特性及次生组合是实用的，并可无需考虑其它特性及次生组合而应用。这就是本权利要求所期待的并且是处在本权利要求范围之内的。
因为许多可能的实施例可以不超出本发明的范围而实现，不用说，此处列出的或附图所示的一切内容均被解释为例证而不具有限制性的意义。
Claims (13)
1.一种地震检波器，包括：
一个具有纵向轴的圆柱形外壳；
一套包含一个在其两端各有一个极靴的磁体的圆柱状磁体组件；
用于把所述磁体组件安装在外壳中的顶壳和底壳档板，使磁体组件的纵轴和外壳的纵轴一致，并使磁体组件与外壳之间有一环状空间；
一个位于环状空间内的圆柱形线圈框架；
两个圆盘形簧片，位于磁体组件相对的两端，用以悬挂线圈框架使其相对于磁体组件做纵向运动，所述簧片具有一个内环部分和一个与线圈框架相连的外环部分以及连接内、外环部分的弹性臂，当外环部分随线圈框架相对于内环运动时，弹性臂就产生一扭力加于内环上；
一个装在上簧片与磁体组件之间的垫圈，使簧片能相对于磁体组件转动；
一个装在上簧片与上述顶部档板之间的垫圈，使簧片能转动；
一个装在下簧片与底部档板之间的垫圈，使簧片能相对于底部档板转动；以及
一个装在下簧片与磁体组件之间的垫圈，使簧片能转动；
从而，上述上、下簧片都被垫圈约束在上、下两边，并能相对于所述磁体组件自由转动，因而允许簧片的内环形环随扭力而转动，从而减小了扭力加于弹性臂上的应力。
2.按照权利要求1的地震检波器，其特征在于，其中上簧片与磁体组件之间的垫圈和装在下簧片与底部档板之间的垫圈是同一种材料，而上簧片与上述顶部档板之间的垫圈和下簧片与磁体组件之间的垫圈也是同一种材料，但该两种垫圈材料彼此不相同。
3.按照权利要求1的地震检波器，其特征在于，其中上簧片与磁体组件之间的垫圈和装在下簧片与底部档板之间的垫圈是由一种绝缘材料制造的，而上簧片与上述顶部档板之间的垫圈和下簧片与磁体组件之间的垫圈是由导体材料制造的。
4.按照权利要求3的地震检波器，其特征在于，其中隔离垫圈具有比极靴还低的摩擦系数。
5.按照权利要求3的地震检波器，其特征在于，其中隔离垫圈是从包括聚酯、聚酰胺、氟化聚合物、聚丙烯、聚乙烯及聚丁烯等一组材料中选择一种材料制造的。
6.按照权利要求3的地震检波器，其特征在于，另外还包括一个接触环，它位于顶壳档板与那个处在上簧片与上述顶部档板间的垫圈之间，还包括一个压力环，它位于磁体组件与那个在下簧片与磁体组件间的垫圈之间。
7.一种地震检波器，包括：
一个具有纵向轴的圆柱形外壳；
一套包含一个在其两端各有一个极靴的磁体的圆柱状磁体组件；
用于把所述磁体组件安装在外壳中的顶壳和底壳档板，使磁体组件的纵轴和外壳的纵轴一致，并使磁体组件与外壳之间有一环状空间；
一个位于环状空间内的圆柱形线圈框架；
位于磁体组件相对的两端的两个圆盘形簧片，用以悬挂线圈框架使其相对于磁体组件做纵向运动，所述簧片具有一个内环部分，它由磁体组件和底部档板所支撑；一个与线圈框架相连的外环部分；以及连接内环和外环部分的弹性臂，当外环部分随线圈框架相对于内环运动时，弹性臂产生一扭力加于内环部分；
一个位于上簧片的内环部分与磁体组件之间的上隔离垫圈，以允许簧片相对于磁体组件转动；
一个装在下簧片的内环部分与底部档板之间的下隔离垫圈，以允许簧片相对于底部档板转动；
一个在上簧片与所述顶部档板之间的上导电垫圈，以允许随簧片转动；以及
一个在下簧片与磁体组件之间的下导电垫圈，以允许簧片转动，
从而，上述上、下簧片都被垫圈约束在上、下两边，并能相对于所述磁体组件和簧片自由转动，因而允许簧片的内环形环随扭力而转动，从而减小了扭力加在弹性臂上的应力。
8.按照权利要求7的地震检波器，其特征在于，其中上、下隔离垫圈具有低的摩擦系数。
9.按照权利要求7的地震检波器，其特征在于，其中上、下隔离垫圈是从包括聚酯、聚酰胺、氟化聚合物、聚丙烯、聚乙烯和聚丁烯等一组材料中选择一种材料而制成的。
10.按照权利要求7的地震检波器，其特征在于，另外还包括一个位于顶壳档板与上导电垫圈之间的接触环和一个位于磁体组件与下导电垫圈之间的压力环。
11.一种地震检波器，包括：
一个带有纵向轴的圆柱形外壳；
一套包含一个在其两端各带有一个极靴的磁体的圆柱状磁体组件；
用于把所述磁体组件安装在外壳中的顶部和底部档板，使磁体组件的纵轴与外壳的纵轴一致，并使其相对于所述外壳定位于一固定位置，所述磁体组件与外壳隔开，以便在磁体组件与外壳之间提供一环状空间；
一个位于环状空间内的圆柱形线圈框架；
位于磁体组件相对两端的两个圆盘形簧片，用以悬挂线圈框架使其相对磁体组件做纵向运动，所述簧片有一个内环部分和一个与线圈框架相连的外环部分，以及一个连接内、外环部分的弹性臂；以及
安装在线圈框架与顶部档板及底部档板之间的有弹性的缓冲装置，用以防止粗暴搬运过程中线圈框架直接接触所述顶部档板和底部档板，从而减小加于所述线圈框架上的冲击。
12.按照权利要求11的地震检波器，其特征在于，其中有弹性的缓冲装置是安装于所述顶壳和底壳档板与外壳之间的叶片簧。
13.按照权利要求11的地震检波器，其特征在于，其中有弹性的缓冲装置是安装于所述顶壳和底壳档板与外壳之间的多片橡皮。
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