CN1451098A - 地震检波器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种振动传感器，例如地震检波器，包括中心极片(110)，其带有围绕其同心布置的磁体(112)和线圈(118)。磁体(112)的位置相对极片(110)固定，线圈(118)相对磁体(112)可动。一种制造振动传感器的方法，其特征在于，承载线圈的线轴由定位在心轴上的大致管状体形成，并且，至少一个线圈绕其外表面缠绕，当完成线圈时，心轴被从线轴取出。另一种方法的特征在于，线圈是单独形成的，线轴由大致管状体形成，该管状体位于线圈内侧，并且在到位时膨胀而与线圈接触。

Description

地震检波器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种地震检波器，为用以检测地层结构中的震动的设备。本发明也适用于其他类型的探测或传送工作的振动传感器。

背景技术

在地震探查中，利用传感器在离散的位置检测源于地震能量源的地层中的震动，并且传感器的输出用以决定地下结构的本质。地震能量源可以是自然的，例如地震和其他的构造活动、沉降、火山活动等，或人为的，例如来自地表和地下工作的噪声、或地表和地下的地震源的有意的操作。传感器可分为两个主要的种类：水下地震检波器，其探测源于地震源的压力场，或者地震检波器，其检测来自地震源的震动。

图1示出现有技术的地震检波器的一种形式。如图1所示，该地震检波器10包括：安装在线轴14上的运动线圈12、13，磁体15，带有悬挂弹簧20、22的一对极片16、18，以及外壳24。极片16、18和外壳24由渗磁材料制成，并形成其中悬挂运动线圈12、13的磁场。

当大地由于从地震源直接或经过地下反射器而传播的地震能量而运动时，可以放置在地表或在穿过地层的钻孔的侧壁上的地震检波器沿能量传播的方向运动。然而，如果地震检波器的轴与所述运动的方向对齐，安装在地震检波器内部的弹簧上的运动线圈保持在相同的位置，导致线圈相对外壳的相对运动。当线圈在磁场内运动时，线圈内感应出一个电压，其能够作为信号被输出。地震检波器的响应取决于频率并可以如下表示： $e_g=\frac{\mathrm{Bl}{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2}{\sqrt{\{1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2\}+{\left(2\mathrm{\ξ}\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2}}$ $\tan \left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2}{2\mathrm{\ξ}\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}}$ ${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{k}{m}}$

其中，

e_g：感应电压

B：磁通量密度

l：运动线圈的长度

ω：运动速度

ω₀：固有频率

k：弹簧常数

m：运动质量

ξ：阻尼因子

一般将内部阻尼设计得很低，并通过使用外部附连的旁路电阻来调整总阻尼因子，并且该因子通常设为大约70％。

该结构遇到的一个问题是：如何提高灵敏度而不明显地增加传感器的尺寸，尤其是在考虑到将传感器用作钻孔传感器时传感器的直径。大多数现有技术的地震检波器使用铝镍钴磁体。为了提高灵敏度，需要更好的磁材料。公知的是稀土钴和/或钕铁硼(neogium)磁体所产生的磁通量大于铝镍钴磁体；但是，它们具有不同的特征，并且，为了获得最优的磁通量密度，不同材料的磁体形状不同。铝镍钴磁体的合适的形状是相对较高的圆柱，而稀土钴磁体优选地是相对平的盘。为了克服形状的问题，提出了一种如日本专利申请2-419184中所描述并如图2所示的动态加速计。平的、稀土钴磁体30、32被面对面地安装在与传感器外壳36相连的磁轭34上，以获得大的磁通量密度。中心极片38位于对置的磁体30、32之间的空间内，而运动线圈40围绕中心极片38安装在弹簧42、44上。在该结构中，将固有频率选择为在地震频率波段的中部，并且，如图3所示，通过使用跨接运算放大器50的线圈输出“40”和适当的电阻RR的虚拟短路，可以得到较大的阻尼。尽管可能获得用于这样的传感器的合适的尺寸，但是装配成本将证明是很高的。

如图1的现有技术的设计的另一个问题是，线轴应优选地尽可能轻。但是，线轴以往是由金属加工，已经证实实现尺寸和质量限制所需的小厚度既昂贵又困难。

发明内容

本发明的第一方面包括一种新型的振动传感器结构，发现了它用于测量地震的地震检波器上的特别用途。根据本发明的这一方面的传感器具有中心极片，且磁体和线圈同心地绕中心极片布置。磁体的位置相对极片固定，而线圈相对磁体是可动的。

根据本发明的第一方面的一个实施例，提供了一种振动传感器，其包括：外壳；位于外壳内侧的中心极片；安装在外壳的内表面上以便绕极片延伸的磁体；以及，位于磁体和极片之间、并相对磁体弹性地安装的线圈。

根据本发明的第一方面的第二实施例，提供了一种振动传感器，其包括：外壳；位于外壳内侧的中心极片；安装在极片的外表面上以便基本上完全绕极片延伸的磁体；以及位于磁体和外壳之间并相对磁体弹性地安装的线圈。

该传感器优选地具有圆形截面，且极片位于中心，且外壳、磁体和线圈绕极片同心地布置。

外壳可以由在任一端被端盖封闭的侧壁部分形成，以便限定出空腔。极片可以附连到端盖上并延伸过该空腔。任何合适的材料，例如ass钢或软铁都可用于这些部分。一个或其他的端盖可以与外壳整体形成。该极片也可以和端盖整体形成。该端盖可以配装到外壳的端部上，或在外壳的开口端内侧配合。

尽管稀土钴(例如，(Sm.Pr)Co₅)或钕钢硼(例如，Nd₂Fe₁₄B)由于其磁性、铁素体由于其低成本是优选的，但是任何合适的材料都是可用的。将磁体沿着径向极化，以得到最优的效果。尽管磁体可以形成为单个一片，但也可以由多个离散的元件形成磁体，这些离散元件要么和外壳相连以环绕线圈和极片，要么绕极片自身连接。

线圈优选地安装在线轴上。在一个实施例中，线轴通过弹簧连接到磁体上，尽管可以使用其他的弹性安装结构。该安装优选地允许线轴沿着径向自由运动，并因而线圈也可以。

可能需要对传感器的固有频率进行改动。这例如可以通过使用虚拟短路或运算放大器和旁路电阻结构来在电子上实现。

本发明的第二方面提供了一种制造振动传感器的方法，该传感器包括：具有布置在其内部的中心磁体结构的外壳，和围绕中心磁体结构布置并相对外壳和中心磁体结构弹性安装的线轴和线圈结构，该方法的特征在于，线轴是由定位在心轴上的大致管状体形成的，且至少一个线圈绕其外表面缠绕，当线圈完成时，将心轴从线轴移走。

该线轴可以由完整的管，例如挤压或焊接的管形成，或者由形成为管状而不焊接的板材形成。心轴可插入到线轴内，并膨胀以在缠绕线圈时支承该线轴。

本发明的第三方面进一步提供了一种制造振动传感器的方法，该振动传感器包括：具有布置在其内部的中心磁体结构的外壳，和围绕中心磁体结构布置并相对外壳和中心磁体结构弹性安装的线轴和线圈结构，该方法的特征在于，线圈是单独形成的，并且线轴由定位在线圈内的大致管状体形成的，且当线轴到位时，其能够膨胀而与线圈接触。

这两种制造方法允许使用轻而薄的材料，这改善了所形成的传感器的灵敏度。此外，可以避免昂贵的加工步骤，这使得制造传感器的成本明显降低。

附图说明

图1示出了现有技术的地震检波器；

图2示出了第二个现有技术的地震检波器；

图3示出了用以调整地震检波器的频响的电路；

图4示出了根据本发明的实施例的地震检波器；

图5示出了图4中沿AA的剖视图；

图6a～6d示出了外壳和极片组件的另一种结构；

图7a～7c示出外壳中的线圈和磁体配件的另一种布置；

图8示出线圈的弹簧支架的详细视图；

图9示出根据本发明的地震检波器的另一实施例；

图10示出用以调整频响的另一种电路；

图11示出用在本发明的方法中的线轴的一种形式；

图12示出了用在本发明的方法中的线轴的另一种形式；

图13示出了用在本发明的方法中的心轴；

图14示出了一种海床电缆；

图15示出了一种地上电缆；

图16示出了一种钻孔工具。

具体实施方式

图4和图5示出了适用于地震检测的体现了本发明的地震检波器。该地震检波器100包括由钢形成的、中空管状的外壳102，其端部被钢端盖104、106所包围，以便在外壳102内部形成空腔108。圆柱形的钢的中心极片110在端盖104、106之间延伸并穿过空腔108。在图4所示的实施例中，一个端盖106和外壳102整体地形成，另一端盖104配装在外壳102的上部的内侧，以限定空腔。极片110与端盖104、106单独形成，但是当装配地震检波器时它们相连。图6a～6d示出了外壳102、端盖104、106和极片110的各种结构。其中，端盖104与外壳102成为整体，极片110可以和另一端盖106(图6a和图6d)整体形成。端盖104、106也可以与外壳102单独形成，并且以与图6a和图6b所示的单个端盖106相类似的方式或是连接到外壳102端部上(图6d)，或是连接到外壳102开口端的内侧(图6c)。并且，极片110可以与一个或其他的端盖成为一个整体。

管状磁体112固定在空腔108内外壳102的内侧。磁体112由多个离散片112’，112”(尽管此处只示出了两个，但应该明白其他数目的也可以)形成。另外，也可以使用单个的磁体。无论选择哪种结构，磁体112的性化的方向应该在地震检波器的径向上(在图1和2中NS所指示的方向)。

磁体优选地由硼化铁钕(Nd₂Fe₁₄B)制成，但是也可以使用其他的材料，例如稀土钴磁体材料。由于如这些材料的材料具有不同的性质，尤其是涉及温度，对于不同的应用，最适合的材料也有所不同。这样的材料的制造者为他们的产品提供了感应、去磁力、所产生的能量和永久系数(permanentcoefficient)的指示，并且当选择合适的材料时可以考虑这些产品性质。

管状线轴114绕极片110定位并通过弹簧116固定到磁体112的端部。弹簧116允许线轴114沿轴向自由运动，但径向相对固定地将其定位。图8示出弹簧116连接到线轴114和磁体112上的方式的具体情况。该弹簧116自身是环形弹簧，其示例在US4623991中示出。也可以使用其他合适的弹簧结构。在图8中，弹簧116通过塑料弹簧支架115附着到线轴114和磁体112上。这些使得弹簧116可以牢固连接并持久，在线轴弹簧支架的情况下，在线轴114的端部在使用中接触端盖104时该支架保护连接。应该注意，在这种配置中，弹簧116以与现有技术相反的布置进行操作。在现有技术中，弹簧的中心固定，而外部挠曲。在这种情况下，外部固定，而内部挠曲。

线圈118绕线轴114的外表面缠绕，并且类似地可相对外壳102和磁体112运动。在图7a～7c中示出了磁体和线圈的各种布置。在图7a中，磁体安装在形成于外壳侧壁内的凹部内，并且线圈的轴向伸展程度小于磁体的(即，磁体延伸出线圈的端部)。另外，线圈可以如图7b和7c所示延伸超过磁体的端部。在图7c中，磁体直接安装在外壳的内表面上。

在磁体112的任一端处设置电端子120、122，并且经过极片110和端盖104内的端口124、126引到地震检波器的外侧。

可以使用如图3所示的op-ampOP电路调整这个地震检波器的输出。或者，可以将如图10所示的旁路电阻RS和op-ampOP电路交叉连接到线圈输出“118”，或使用任何其他的配置，以调整地震检波器的震动行为，从而优化其在所关注频率处的响应。

图9中示出地震检波器的另一种形式，其中，磁体和线轴/线圈的相对位置被倒置。在这种情况下，磁体112”’绕极片110’的中心固定，线圈118’缠绕在线轴114’上，该线轴114’通过与上面类似的弹簧支架116’绕磁体112”’固定。图4所示的实施例相关联描述的构造和结构的各种变形在此也适用，做必要的修改。

根据本发明的第二方面的方法也可以应用于图1和图2所示的现有技术的地震检波器的结构中。在任何地震检波器的结构中，承载一个或多个线圈的线轴的质量对其灵敏度施加影响，并且希望线轴尽可能轻。在前面，线轴由金属加工制造而成，使得其相对较重、昂贵且难于加工。对于如图1所示的复杂的设计，质量可能是10g，对于如图2所示的较简单的设计，质量可能是4g，这两种线轴在一些位置需要加工到0.1mm的厚度。在本发明的方法中，线轴由合适厚度和材料的简单的管形成。例如，可以是厚度为0.15mm而质量大约2g(图11)的塑料管150。这种形式可以以任何传统的方式拉伸或成形。另一种方案是将平坦板材形成为带有在其一侧深入的凹槽162的管状形体160(图12)，在该情况中，可以使用厚度为0.1mm的铝。线轴影响性能的一个特征是其阻尼效果。当线轴是连续的金属管时，会产生阻尼线轴运动的涡旋。如果该管是不完整的(图12)，则不能产生涡流。阻尼效果可以通过焊合所述凹槽或加入完整的金属环或“c”形环来改善，以在线轴中实现短路。

这种方法的问题是：线轴很柔软，并且难以支持在其外表面上缠绕线圈的操作。有两种途径解决该问题。第一，将心轴插入线轴内以在缠绕线圈时支撑它。在缠绕后，将将粘结剂化合物施加到线圈上，并且一旦该粘结剂固化，就可以将心轴取出。图13中示出了心轴的一种形式，其包括管状体170，该管状体带有在一侧切出的缝隙172。这允许通过挤压心轴靠近该缝隙而使心轴的外径减小。然后心轴被插入线轴150中并膨胀以接触其内表面。在缠绕线圈之后，可以再次挤压心轴，以便取出。

在另一种方法中，可以将线圈直接缠绕在心轴上并施加粘合剂。一旦粘合剂固化，线圈自支承并能够从心轴上取下。然后，完整的线圈定位在线轴上。对于这种方法，可以使用如图12所示的线轴的类型。可以挤压线轴以靠近开口并减小其外径，并允许线圈从其上通过。通过释放挤压力并使线轴的自然弹性来恢复其形状，而恢复适当的直径。另外，可以使用例如上述的类型的膨胀心轴。应该理解到该方法不限于心轴的一个具体类型，只要心轴的直径可以如所述的那样被改变即可。

体现本发明的地震检波器在地震探测仪器中具有特殊的用途。图14示出了一种海床电缆200，其包括以相等间距隔开并通过电缆200连接到处理仪器204上的多个地震检波器包202。图15示出地上电缆200’，其具有基本和海床电缆相同的构造，带有间隔开并和处理仪器204’相连的地震检波器202’。

图16示出了包括工具体220的钻孔工具，其能够在金属线电缆224上降到钻孔222内，该电缆和表面处理仪器226相连。该工具体220包括可操作臂228，能够使可操作臂228抵靠钻孔侧壁230；以及由于可操作臂228的作用而受迫抵靠钻孔侧壁230的传感器包232。该传感器包232包括三个正交定位的地震检波器234x，234y，234z(x，y，z方向)，它们能够接收三个地震信号分量并经金属线电缆224将数据回传到地表。

Claims (24)

1.一种振动传感器，包括：

i)中心极片；

ii)磁体；和

iii)线圈

其中，磁体和线圈围绕极片同心地布置，磁体的位置相对极片固定，而线圈相对磁体是可动的。

2.如权利要求1所述的振动传感器，包括：

i)外壳；

ii)位于外壳内侧的中心极片；

iii)安装在外壳内表面上以便围绕极片延伸的磁体；以及

iv)位于磁体和极片之间并相对磁体弹性安装的线圈。

3.如权利要求1所述的振动传感器，包括：

i)外壳；

ii)位于外壳内侧的中心极片；

iii)安装在极片的外表面上以便基本完全包围极片延伸的磁体；以及

iv)位于磁体和外壳之间并相对磁体弹性安装的线圈。

4.如权利要求1、2或3所述的振动传感器，其中，外壳包括侧壁部分，该侧壁部分在任一端由端盖封闭，以限定一空腔。

5.如权利要求4所述的振动传感器，其中，极片连接到端盖上并延伸过空腔。

6.如权利要求2所述的振动传感器，其中，磁体位于侧壁部分内表面上。

7.如上述权利要求中任一项所述的振动传感器，其中，磁体由多个离散片形成，它们连接在一起，以便基本完全包围极片延伸。

8.如上述权利要求中任一项所述的振动传感器，其中，磁体相对传感器轴在径向上极化。

9.如上述权利要求中任一项所述的振动传感器，其中，线圈安装在绕极片定位的线轴上。

10.如权利要求9所述的振动传感器，其中，线轴是弹簧安装的。

11.如权利要求10所述的振动传感器，其中，线轴通过弹簧连接到磁体上。

12.如上述权利要求中任一项所述的振动传感器，其中，传感器的固有频率由电子方式调整。

13.如权利要求12所述的振动感应器，其中，频率调整是通过使用和传感器的信号输出相连的运算放大器电路来实现的。

14.一种地震感应器，其包括安装在感应器主体内的如上述权利要求中任一项所述的传感器，并具有与数据处理系统相连的信号输出。

15.如权利要求14所述的地震感应器，包括多个位于电缆内的传感器，该电缆用于定位在地表上。

16.如权利要求15所述的地震感应器，其中，电缆用于定位在海床上。

17.如权利要求14所述的地震感应器，其中，感应器主体包括能够被定位在地面以下的钻孔内的工具。

18.一种制造振动传感器的方法，该振动传感器包括具有设置于外壳内的中心磁体结构的外壳，和围绕中心磁体结构设置并相对外壳和中心磁体结构弹性安装的线轴和线圈结构，其特征在于，线轴由位于心轴上的基本管状体形成，并且至少一个线圈绕其外表面缠绕，当完成线圈时，心轴从线轴内取出。

19.如权利要求18所述的方法，其中，线轴形成为完整的管。

20.如权利要求19所述的方法，其中，线轴由平坦板材形成，该板材形成为管状形状。

21.如权利要求18、19、20所述的方法，其中，线轴由金属或塑料材料形成。

22.如权利要求18到21中任一项所述的方法，其中，在缠绕后将粘结剂施用到线圈上，以便保持其形状。

23.如权利要求18到21中任一项所述的方法，其中，心轴的直径被减小，用以插入线轴中和从线轴内取出，并且在缠绕线圈之前其膨胀成与线轴或线圈相接触。

24.一种制造振动传感器的方法，该振动传感器包括具有设置于外壳内的中心磁体结构的外壳，和围绕中心磁体结构设置并相对外壳和中心磁体结构弹性安装的线轴和线圈结构，其特征在于，线圈单独形成，且线轴由基本管状体形成，该管状体位于线圈内侧，并且，在到位时其膨胀而接触线圈。

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