CN1161456A - 加速度型高灵敏度机电传感器系列 - Google Patents
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Abstract
一种加速度型高灵敏度机电传感器系列，主要由外壳、端盖、极靴、永久磁钢、惯性体(包括动线圈)、悬挂弹簧片、定线框及其上的定线圈等构成，且动、定线圈串联。它可以将微弱的机械振动信号转换成容易测量的电信号。主要特征：在25HZ以上的频域内灵敏度高，提升率高(≥6dB/oct)，相频曲线线性好、失真小，信噪比高，抗干扰能力强，稳定性及可靠性好，工作寿命长。主要作为地震检波器应用在常规及高分辨率地震勘探领域中。
Description
本发明隶属机电技术领域，是一种能够将微弱的机械振动信号转换成易测量的电信号的传感器，又称之为地震检波器。
机电传感器已广泛应用在地震勘探、工程建筑、安全监测等科研及生产领域中。以在陆地上进行的地震勘探为例，目前国内外普遍使用的仍然是速度型传感器。如国产的GS-20DX系列、C-J1、C-J40、SSJ系列等均属此列。速度型传感器的主要特征是能产生与其振动速度成正比的动生电动势，幅频特性曲线呈平台形，对高频地震信号响应没有提升能力，其灵敏度一般为0.20～0.70V/cm.s-1。只适合常规地震勘探，很难适用于互薄层的高分辨率地震勘探。八十年代末期美国和日本研制出“涡流地震检波器”，也称加速度型传感器。此后国内相继出现了一些仿制品(如WY-GJ-4400)及一些不太成功的试制品。它们的主要特征是能产生与其振动的加速度成正比的感生电动势，在其从自然频率f。到250(或300)HZ的频域内，幅频特性为一条倾斜的直线段，其提升率为6dB/oct。在f≤200HZ的频域内，其灵敏度明显低于C-J40，因而在常规地震勘探方面不及速度型传感器，并且也不能实现真正的高分辨率地震勘探。大庆油田的最新记录表明：上述两种类型的传感器，对于t-2层所能采集到的信号最高频率为40～50HZ，距离100～200HZ的指标相距甚远。
本发明人在95年6月9日申请的实用新型专利《机电传感器》(专利号为95214805)是属于加速度型传感器。对高频响应的提升率可达10～12.5dB/oct，在高频域内有较高的灵敏度。可以设计成灵敏度为：在f＝100HZ时，K≥0.60V/cm.s-1，在f＝200HZ时，K≥2.0v/cm.s-1的传感器。它很适宜高分辨率地震勘探，但由于低频领域内其灵敏度较低，在常规地震勘探中尚不及速度型传感器。
本发明的目的是要提供一种激励信号频率在30≤f≤300HZ时，具有较高的灵敏度，对高频地震信号响应又具有较大的提升能力，即可适用于常规地震勘探，又特别适用于高分辩率地震勘探的性能完美的新型传感器。开辟了传感器研制新领域，解决高分辨率地震勘探领域急待解决的焦点问题，从而推动其向前飞速发展。
本发明的基本原理与实施办法：设计一种即有固定线圈和可运动线圈的传感器，可以全面利用法拉第电磁感应定律。当惯性体在磁隙内振动时，定圈内产生感生电动势，动圈内产生动生电动势，并使二者按同方向串联，使总电动势幅值得以增大，并具有本发明人自行研制的高灵敏度速度型传感器(K＝0.7～1.5V/cm.s-1)和上述实用新型专利加速度传感器的高灵敏度、高提升率的综合特性。采用剩磁及磁能积大的磁钢产生强磁场，以提高机电转换系数和灵敏度。从基本原理与结构上看，本发明是属于综合型，从下面的特性曲线上看，本发明属于加速度型。
本发明的主要性能指标为(1)当激励信号频率f＝40HZ时，灵敏度K≥0.20V/cm.s-1，当f＝200HZ时，K≥1.20V/cm.s-1；当f≤20HZ时，信号响应提升率为8-12dB/oct，当20≤f≤250(或300)HZ时，提升率≥6dB/oct；(2)当30≤f≤250HZ时，相频特性曲线接近直线；(3)信号失真度小、抗干扰能力强、同一性好、工作稳定性及可靠性强、寿命长。
结合附图对本发明具体说明如下：
图-1为本发明基本结构示意图；
图-2为本发明基本接线图；
图-1、图-3、图-4为本发明中惯性体为一体的示意图；
图-5、图-6、图-7为本发明中惯性体分开为两部分，其中两组动圈及定圈也可各分为一部分的示意图；
图-8为本发明中分体式中的一个示例的示意图；
图-9为本发明的幅频特性曲线；
图-10为本发明的相频特性曲线。
以附图-1为例阐述本发明的结构。本发明以隔离体6为中心分成上、下结构及元件大体相同的两部分(下部分以相同数码加“′”表示)，主要差别是上、下两组线圈绕行方向相反。上部分主要由外壳2、端盖3、极靴4、7、磁钢5、惯性体(包括圆柱筒状导体11、套管12、动框架13、动线圈14、卡簧10、23)，定圈框架15、定圈16、弹簧片9、22等构成。定圈框架固定在外壳2或端盖3上，其线槽内绕有一定匝数的漆包线，磁钢由端盖、极靴及隔离体等压紧并与外壳固定在一起，弹簧片9及22的里边分别由端盖，极靴及隔离体夹紧，它们的外边，由卡簧固定在惯性体上，使惯性体处于自由悬挂状态，并可在磁隙内沿轴向振动。上、下两部分惯性体由套管24固定并成为一体；上述元件都是同轴的。
附图-2表示电路中各元件的连接顺序，图中箭头指向为电路循行方向，外电路闭合时，也是电流的可能方向。元件连结顺序为：接线柱1→定圈16→接线柱25→马蹄形接线片8→经圆柱筒11及套管12外表面→动圈14→经套管26表面→动圈14→经套管12′及圆柱形筒11′的外表面→弹簧片9′与接线片1′→定圈16′→接线片18′→磁钢5′→接线弹簧17→磁钢5→接线片及接线柱18。
主要元件的取值范围：永久磁钢5的Br＝0.90～1.40T，最佳范围为Br＝1.3±0.1T，直径为φ14～25mm，最佳范围为φ20±2mm，高h＝7～30mm，最佳范围应据结构形式而定。定圈匝数N1＝2×(2000～5000)，最佳范围为N1＝2×(2500±300)，线径φ0.08～0.09mm，动圈匝数为N2＝2×(500～2000)，最佳范围为N2＝2×(1500±250)，线径φ0.05～0.09mm，惯性体总质量为m＝15～70g，最佳范围为m＝30±10g。
本发明可以演化成多种结构形式，如可以使上、下惯性体11、11′连成一体，如图1、3、4所示；也可以将定圈16及16′、动圈14及14′分别包围上、下磁钢，成为涡流传感器与速度型传感器相串连的方式，如图-6、图-7所示；还可用隔离体将上、下两部分隔开，形成各自独立的新型传感器，然后用接线17将上、下两部分线圈按前述方式连结，如图5所示；以上各种结构形式都可从中间横断开分成两个独立部分，分别装入两个独立的外壳内，然后用接线按前述方式通过接线柱进行串联，如图8所示，此处不一一画出。各种不同形式都有各自的特点，如连为一体的惯性体，使得传感器有同一的自然频率(fo)与阻尼系数(βo)，但惯性体质量大，高频特性要差些，且体积稍大些；如图7所示的分成两个独立式的，惯性体的质量小，高频特性要好些，体积会小些，但增加了同一性误差。
如果传感器中一个动线圈对应磁钢S(N)极，那么另一个动圈一定对应N(S)极(可以是同一磁钢，如图7，也可是不同磁钢，如图1等)。实际上图-5从中间分开即各自成为两个独立的部分，每一部分都代表本发明。但以上各种形式都有反向绕制的双动圈、双定圈，其目的是增加灵敏度，尽可能消除外界电磁场的干扰，提高信噪比。
下面给出本发明的几个实施例：元件的几何尺寸见图-11。
(1)物理参数(温度t＝20℃)，磁钢的剩余磁感应强度Br＝1.4T(据说是目前科研指标)，定圈匝数N(1)＝2350，线径为φ0.09mm，动圈匝数N(2)＝1400，线径φ0.06mm，上下两组线圈总电阻R＝2.500KΩ，若负载R＝20KΩ，则电压传输比γ＝88.9％左右。惯性体总质量m＝32.5g，阻尼系数βo(f＝0时惯性体的电磁阻尼)为2.45，自然频率fo＝40HZ。由这些参数计算出机电转换系数，由幅频特性及相频特性方程计算出不同频率的特性响应数据，见表1、2绘出曲线如图-9，10。
表-1 幅频特性数据(fo＝40HZ βo＝2.45)
| f (HZ) | 5 | 8 | 10 | 15 | 20 | 30 |
| K(V/cm.s-1) | 0.0244 | 0.0528 | 0.0732 | 0.125 | 0.176 | 0.276 |
| f (HZ) | 40 | 60 | 100 | 150 | 200 | 300 |
| K(V/cm.s-1) | 0.375 | 0.570 | 0.963 | 1.47 | 2.00 | 3.09 |
| f (Hz) | 400 | 500 | 600 | 800 | 1000 | |
| K(V/cm.s-1) | 3.94 | 4.42 | 4.45 | 4.70 | 4.73 |
表-2 相频特性数据(fo＝40HZ βo＝2.45)
| f (HZ) | 1 | 2 | 3 | 5 | 8 | 10 | 15 |
| φ | -7° 51′ | -13° 34′ | -19° 46′ | -31° 6′ | -43° 10′ | -49° 40′ | -61° 46′ |
| f (HZ) | 20 | 30 | 40 | 60 | 100 | 150 | 200 |
| φ | -68 27′ | -76° 17′ | -80° 38′ | -85°47′ | -91° 27′ | -96° 34′ | -101° 20′ |
| f (HZ) | 300 | 400 | 500 | 600 | 800 | 1000 | |
| φ | -113°49′ | -126°32′ | -137° 54′ | -146° 20′ | -155° 59′ | -162° 10′ |
(2)若以纯铝做成惯性体圆柱筒，磁钢Br＝1.30T，自然频率fo＝40HZ βo＝2.4 0，线圈匝数仍如上述，则可算得幅频及相频特性数据如表-3、4，曲线如图-12中1，若负载R＝20KΩ，则幅频特性数据如表-5，，特性曲线如图-12中曲线2所示。
表-3幅频特性数据(fo＝40HZ βo＝2.40)
| f (HZ) | 5 | 8 | 10 | 15 | 20 | 30 |
| K(V/cm.s-1) | 0.0215 | 0.0471 | 0.0649 | 0.111 | 0.157 | 0.249 |
| f (HZ) | 40 | 60 | 100 | 150 | 200 | 300 |
| K(V/cm.s-1) | 0.336 | 0.517 | 0.884 | 1.393 | 1.89 | 2.83 |
| f (HZ) | 400 | 500 | 600 | 800 | 1000 | |
| K(V/cm.s-1) | 3.38 | 3.61 | 3.70 | 3.83 | 3.74 |
表-4相频特性数据 (fo＝40HZ βo＝2.40)
| f (HZ) | 1 | 2 | 3 | 5 | 8 | 10 | 15 |
| φ | -6° 58′ | -13°16′ | -19°31′ | -30°46′ | -43°57′ | -50°0′ | -61°8′ |
| f (HZ) | 20 | 30 | 40 | 60 | 100 | 150 | 200 |
| φ | -67° 56′ | -75°43′ | -80° 1′ | -85°6′ | -91°7′ | -97°10′ | -103°57′ |
| f (HZ) | 300 | 400 | 500 | 600 | 800 | 1000 | |
| φ | -119°43′ | -134°30′ | -143° 52′ | -151°19′ | -159°29′ | -164°8′ |
表-5有负载时幅频特性数据(fo＝40HZ βo＝2.45)
| f (HZ) | 5 | 8 | 10 | 15 | 20 | 30 |
| K(V/cm.s-1) | 0.0192 | 0.0414 | 0.0572 | 0.100 | 0.138 | 0.217 |
| f (HZ) | 40 | 60 | 100 | 150 | 200 | 300 |
| K(V/cm.s-1) | 0.295 | 0.451 | 0.775 | 1.21 | 1.67 | 2.53 |
| f (HZ) | 400 | 500 | 600 | 800 | 1000 | |
| K(V/cm.s-1) | 3.05 | 3.27 | 3.34 | 3.32 | 3.23 |
(3) 以图-9主要尺寸为基础，磁钢Br＝1.20T，动圈匝数为N(2)＝1275匝，定圈为2700匝，惯性体总质量为31.7g，自然频率fo＝35HZ，阻尼系数βo＝2.40，当外电路无负载时，算得幅频特性及相频特性数据如表-6、7所示，特性曲线如图-13、14所示。按此标准制作了样件，初测效果很好。
表-6 幅频特性曲线数据(fo＝35HZ βo＝2.40)
| f (HZ) | 5 | 8 | 10 | 15 | 20 | 30 |
| E(V/cm.s-1) | 0.0272 | 0.0572 | 0.0784 | 0.1315 | 0.1835 | 0.285 |
| f (HZ) | 40 | 60 | 100 | 1 50 | 200 | 300 |
| E(V/cm.s-1) | 0.384 | 0.582 | 0.938 | 1.45 | 1.92 | 2.83 |
表-7 相频特性数据(fo＝35HZ βo＝2.40)
| f (HZ) | 1 | 2 | 3 | 5 | 8 | 15 |
| φ | -7°41′ | -15° 10′ | -22°7′ | -34°8′ | -46° 39′ | -64°51′ |
| f (HZ) | 30 | 60 | 100 | 150 | 200 | 300 |
| φ | -78°46′ | -87°43′ | -90°5′ | -96°8′ | -106°0′ | -116°53′ |
(4)设磁钢Br＝1.0T，元件几何尺寸如图-17所示。定圈匝数N(1)＝2950，线径φ0.09mm，动圈匝数N(2)＝850，线径φ0.06mm，线圈总电阻为2.348KΩ，总质量(惯性体)m＝33g，自然频率fo＝25HZ，阻尼系数βo＝2.50，算出其幅频特性与相频特性数据如表-8、9所示，曲线如图-15、16所示。图-18为悬挂弹簧片。
表-8幅频特性数据(fo＝25HZ βo＝2.50)
| f (HZ) | 5 | 8 | 10 | 15 | 20 | 30 |
| E(V/cm.s-1) | 0.0258 | 0.0499 | 0.0660 | 0.105 | 0.144 | 0.219 |
| f (HZ) | 40 | 60 | 100 | 150 | 200 | 300 |
| E(V/cm.s-1 | 0.294 | 0.439 | 0.725 | 1.12 | 1.45 | 2.17 |
表-9相频特性数据(fo＝25HZ βo＝2.50)
| f (HZ) | 1 | 2 | 3 | 5 | 8 | 15 |
| φ | -11°19′ | -21°26′ | -30°40 | -43°32′ | -58°4′ | -72°5′ |
| f (HZ) | 30 | 60 | 100 | 150 | 200 | 300 |
| φ | -83° 36′ | -90°56′ | -96°38 | -96°53′ | -101°37 | -108°30′ |
Claims (5)
1、一种加速度型高灵敏度机电传感器系列，主要由外壳2，端盖3，极靴4，磁钢5，隔离体6，包括圆柱筒状导体11、套管12、动线框13、动线圈14、卡簧10、23等组成的惯性体，定线框15、定线圈16，悬挂弹簧片9、22等元件构成。外壳2或端盖3上固定有线框15，其上绕有定线圈16。由隔离体6将传感器分成结构相同的上、下两个部分。两部分的惯性体固定在一起成为一个统一的惯性体，同一部分的定圈与动圈同向绕行，上、下两部分线圈反向绕行。端盖3上固定有接线柱1、18、25，接线柱1接定圈16，再串联定圈14、14′及定圈16′，最后由接线17与接线柱18相连，接线柱1、18为电信号的输出端。其中磁钢剩磁感应强度Br＝0.90～1.40T；定线圈匝数N1＝2×(2000～5000)；动线圈匝数N2＝2×(500～2000)；惯性体总质量为15～70g；悬挂弹簧片9、9′、22、22′可以是普通三支臂，而6支臂形则为本发明所独有(图-18)。
2、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于由隔离体将结构相同的上、下两个部分分隔开，将这两部分线圈串联，惯性体为统一的整体。
3、根据权利要求1、2所述的传感器，其特征在于，其两组动圈与定圈各为一部分，惯性体为一整体，形式为涡流型与速度型传感器相串联而成。
4、根据权利要求1～3所述的传感器，其特征在于由隔离体分开的两个部分其结构可以相同也可以不同，其惯性体也分为上、下两个独立的部分，形式为两个独立的传感器相串联。
5、根据权利要求1～4，其特征在于将上述的传感器从中间横断开成为两个独立的部分，分别装入两个外壳内(此时隔离体转化为端盖)，成为两个独立的传感器，并用外接线串联。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |