CN204203478U - 一种震动检波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种震动检波器，其包括壳体和设置在所述壳体内的磁致伸缩材料、第一磁体、第二磁体、应变测量元件；所述磁致伸缩材料固定在第二磁体上，所述磁致伸缩材料与应变测量元件耦合；所述第一磁体与第二磁体之前设置有间隔，将所述第一磁体和第二磁体中的一个在所述壳体内固定设置并作为参照物，另一个作为活动体并可相对于所述参照物做相对运动，所述磁致伸缩材料位于所述相对运动的方向上或所述相对运动的方向的延长线上。本实用新型的震动检波器具有高灵敏度、宽频带等优点，频带覆盖1Hz～1kHz，1Hz时位移检测噪声极限1纳米以下。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种震动检波器，可用于石油、天然气等的地震勘探，也可用于地震、海啸等灾害监测，以及陆地和海洋机械振动、声波测量领域。
背景技术
地震检波器是一种将地面振动转变为电信号的传感器，广泛的应用于工程技术和科学研究中。振动测量包括位移、频率、相位以及振动速度和加速度等物理量。目前大量被使用的动圈速度型地震检波器动态范围小、频带窄、灵敏度低，尤其是对极低频振动响应弱，制约了石油、天然气地震勘探的深度。整体而言，地质地震勘探为满足深度、分辨率、可靠性等要求，迫切的需要高灵敏度和宽频带的检波器，因此新型地震检波器的研制就成为许多工程应用领域迫切需要解决的技术问题。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于磁致伸缩材料测量磁体磁场的位移型震动检波器，以实现高灵敏度、宽频带的技术特点。
为达到以上目标，本实用新型提供如下技术方案：
一种震动检波器，其包括壳体和设置在所述壳体内的磁致伸缩材料、第一磁体、第二磁体、应变测量元件；
所述磁致伸缩材料固定在第二磁体上，所述磁致伸缩材料与应变测量元件耦合；
所述第一磁体与第二磁体之前设置有间隔，将所述第一磁体和第二磁体中的一个在所述壳体内固定设置并作为参照物，另一个作为活动体并可相对于所述参照物做相对运动，所述磁致伸缩材料位于所述相对运动的方向上或所述相对运动的方向的延长线上。
优选地，所述震动检波器还包括弹簧，所述弹簧的一端在所述壳体内固定设置，另一端与所述活动体连接。
优选地，当所述弹簧为螺旋弹簧时，所述弹簧一端与所述参照物连接，另一端与所述活动体连接。
优选地，当所述弹簧为中间带孔的膜片弹簧时，所述活动体固定在所述孔中，所述膜片弹簧的外围边缘固定在所述壳体内壁上。
优选地，所述磁致伸缩材料的几何中心处于所述第一磁体产生的沿相对运动的方向的磁场分量的线性分布区域。
优选地，所述应变测量元件的应变测量方向与所述第一磁体引起的所述磁致伸缩材料的应变方向相一致。
优选地，所述应变测量元件为电阻应变片、压电片、应变光栅、应变光纤或以上几种的组合。
优选地，所述磁致伸缩材料的最优压磁性能方向与所述相对运动的方向相一致。
优选地，所述第二磁体的充磁方向均与所述相对运动的方向相一致。
优选地，所述磁致伸缩材料和第一磁体分别设置在所述第二磁体相对的两侧或分别设置在所述第二磁体的一侧。
优选地，所述第一磁体与第二磁体相临近两端的磁极相同或相反。
与现在技术相比，本实用新型的震动检波器的有益效果为：
1、本实用新型的震动检波器，将外部振动位移转换为磁致伸缩材料和第一磁体间的相对运动位移，引起第一磁体施加在磁致伸缩材料上的磁场变化，进而引起磁致伸缩材料应变的变化，再通过应变测量元件测量磁致伸缩材料的应变变化，得到与外部振动位移线性相关的信息量输出，完成位移振动检测功能。
磁致伸缩材料位于相对运动的方向上或相对运动的方向的延长线上，这样可以保证外部振动位移可最大限度转换为第一磁体与磁致伸缩材料间的相对位移变化，进而引起磁致伸缩材料应变产生最大变化。
第二磁体具有两方面的作用：为磁致伸缩材料获得最优压磁性能提供偏置磁场，以及为磁致伸缩材料和第一磁体间的相互作用力提供磁力分量。
2、本实用新型的震动检波器，震动检波器还设置有弹簧，弹簧可以采用常规使用的弹簧，其可使磁致伸缩材料和第一磁体维持特定的位置关系，有利于构成带阻尼的惯性往复振动系统，实现对交变振动位移的检测。
3、本实用新型的震动检波器，第一磁体与第二磁体相临近两端的磁极相同，相互排斥，相互排斥的磁力与重力和/或弹力相结合，可使磁致伸缩材料和第一磁体之间产生特定的相互作用力以及维持特定的位置关系，有利于改善惯性往复振动系统的幅频、相频和阻尼特性，实现对交变振动位移的检测。
4、本实用新型的震动检波器，磁致伸缩材料的几何中心处于第一磁体产生的沿相对运动的方向的磁场分量的线性分布区域，这样可以保证检波器输入输出的线性关联关系。
5、本实用新型的震动检波器，应变测量元件的应变测量方向与第一磁体引起的磁致伸缩材料的应变极大值方向相一致；应变测量元件为电阻应变片，压电片，应变光栅，应变光纤或以上几种的组合；磁致伸缩材料的最优压磁性能方向与相对运动的方向相一致；第二磁体的充磁方向与相对运动的方向相一致。通过上述设置可使震动检波器进一步获得高灵敏度、宽频带优异性能。
附图说明
图1为本实用新型实施例1提供的震动检波器的结构示意图；
图2为本实用新型实施例2提供的震动检波器的结构示意图；
图3为本实用新型实施例3提供的震动检波器的结构示意图；
图4为本实用新型实施例4提供的震动检波器的结构示意图。
附图标记：1-磁致伸缩材料，2-第二磁体，3-第一磁体，4-应变测量元件，5-壳体，6-弹簧
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本发明中，所述“相对运动”是指第一磁体与第二磁体之间作出的趋近或远离运动。
实施例1(震动检波器采用动磁体配置方案)
震动检波器的结构示意图如图1所示，图中两个箭头方向分别为第一磁体和第二磁体的充磁方向，其组成配置如下：
磁致伸缩材料1，材质为镝铁合金，形状长条片，长14毫米，宽8毫米，厚1毫米，长度方向沿[112]晶向，长度方向(即最优压磁性能方向)与相对运动的方向一致，最优压磁系数为0.8微应变/奥斯特。
第二磁体2，材质为钕铁硼，形状圆片，直径20毫米，厚度3毫米，充磁方向沿厚度方向，厚度方向与相对运动的方向一致，采用环氧树脂将磁致伸缩材料1固定在第二磁体2下表面。
第一磁体3，位于第二磁体2的上部，材质为钕铁硼，形状圆片，直径12毫米，厚度5毫米，充磁方向沿厚度方向，厚度方向与相对运动的方向一致。第一磁体3和第二磁体2相邻两端的磁极相同，相互排斥。在第一磁体3的下表面与磁致伸缩材料1的几何中心距离20毫米时，磁致伸缩材料1的几何中心所在位置沿第一磁体3产生的磁场强度梯度为30奥斯特/毫米。以第二磁体2作为参照物，第一磁体3作为活动体并可相对于第二磁体做相对运动，磁致伸缩材料位于相对运动的方向的延长线上。
应变测量元件4，采用高精度的箔式环氧酚醛基地的电阻应变片，阻值1000欧姆，长8.2毫米，宽6.4毫米，灵敏度系数为2，栅长3毫米，其与磁致伸缩材料1耦合的方法为：采用环氧树脂粘贴在磁致伸缩材料1的大面上，电阻应变片的敏感方向与磁致伸缩材料1的长度方向一致，电阻应变片的电极为检波器的输出接口。
壳体5，封闭筒体，材质为铝合金，外径22毫米，内径20毫米，采用环氧树脂将第二磁体2固定在壳体5的内壁上。
弹簧6，带孔圆膜片，材质为铍铜，厚度0.2毫米，外径20毫米，内径12毫米，采用环氧树脂将第一磁体3固定在膜片弹簧6的孔中，膜片弹簧6的外边缘固定在壳体上。
实施例2(震动检波器采用动磁致伸缩材料配置方案)
震动检波器的结构示意图如图2所示，图中两个箭头方向分别为第一磁体和第二磁体的充磁方向，其组成配置如下：
磁致伸缩材料1，材质为镝铁合金，形状圆片，直径12毫米，厚1毫米，厚度方向沿[112]晶向，厚度方向(即最优压磁性能方向)与相对运动的方向一致，径向最优压磁系数0.4微应变/奥斯特。
第二磁体2，材质为钕铁硼，形状圆片，直径20毫米，厚度3毫米，充磁方向沿厚度方向，厚度方向与相对运动的方向一致，采用环氧树脂将磁致伸缩材料1沿大面方向固定在第二磁体2上表面。
第一磁体3，位于第二磁体2的下部，材质为钕铁硼，形状圆片，直径20毫米，厚度5毫米，充磁方向沿厚度方向，厚度方向与相对运动的方向一致。第一磁体3和第二磁体2相邻两端的磁极相同，相互排斥。在第一磁体3的下表面与磁致伸缩材料1的几何中心距离20毫米时，磁致伸缩材料1的几何中心所在位置沿第一磁体3产生的磁场强度梯度为50奥斯特/毫米。以第一磁体3作为参照物，第二磁体2作为活动体并可相对于第一磁体3做相对运动，磁致伸缩材料1位于相对运动的方向的延长线上。
应变测量元件4，采用光纤光栅，中心波长1538.096纳米，光栅长度10毫米，其与磁致伸缩材料1耦合的方法为：采用环氧树脂粘贴在磁致伸缩材料1大面的中心位置，光栅的敏感方向与磁致伸缩材料1的径向方向一致，光栅的光输入和输出端为检波器的输出接口。
壳体5，材质铝合金，封闭桶状，外径22毫米，内径20毫米，采用环氧树脂将第一磁体2固定在壳体5上。
实施例3(震动检波器采用动磁体配置方案)
震动检波器的结构示意图如图3所示，图中两个箭头方向分别为第一磁体和第二磁体的充磁方向，其组成配置如下：
磁致伸缩材料1，材质为镝铁合金，形状圆柱，长20毫米，直径7毫米，长度方向沿[112]晶向，长度方向(即最优压磁性能方向)与相对运动的方向一致，径向最优压磁系数0.4微应变/奥斯特。
第二磁体2，材质为钕铁硼，形状圆片，直径20毫米，厚度3毫米，充磁方向沿厚度方向，厚度方向与相对运动的方向一致，采用环氧树脂将磁致伸缩材料1固定在第二磁体2下表面。
第一磁体3，位于第二磁体2的上部，材质为钕铁硼，形状圆片，直径20毫米，厚度5毫米，充磁方向沿厚度方向，厚度方向与相对运动的方向一致。第一磁体3的和第二磁体2相邻两端的磁极相反，相互吸引。在第一磁体3的下表面与磁致伸缩材料1的几何中心距离20毫米时，磁致伸缩材料1的几何中心所在位置沿第一磁体3产生的磁场强度梯度为50奥斯特/毫米。以第二磁体2作为参照物，第一磁体3作为活动体并可相对于第二磁体做相对运动，磁致伸缩材料1位于相对运动的方向的延长线上。
应变测量元件4，采用光纤，直径125微米，入射光波长6328纳米，其与磁致伸缩材料1耦合的方法为：缠绕在磁致伸缩材料1上，并采用环氧树脂粘合，匝数120，光纤的光输入和输出端为检波器的输出接口。
壳体5，材质铝合金，封闭桶状，外径22毫米，内径20毫米，采用环氧树脂将第二磁体2固定在壳体5上。
弹簧6，材质不锈钢，长度25毫米，外径15毫米，线径0.3毫米，采用环氧树脂将第一磁体3固定在弹簧6上端，采用环氧树脂将弹簧6下端与第二磁体2固定。
实施例4(震动检波器采用动磁致伸缩材料配置方案)
震动检波器的结构示意图如图4所示，图中两个箭头方向分别为第一磁体和第二磁体的充磁方向，其组成配置如下：
磁致伸缩材料1，材质为基于铁硅硼碳合金和环氧树脂的复合磁致伸缩材料，形状长条片，长14毫米，宽8毫米，厚1毫米，长度方向(即最优压磁性能方向)与相对运动的方向一致，最优压磁系数0.8微应变/奥斯特。
第二磁体2，材质为钕铁硼，形状圆片，直径20毫米，厚度5毫米，充磁方向沿厚度方向，厚度方向与相对运动的方向一致，采用环氧树脂将磁致伸缩材料1固定在第二磁体2下表面。
第一磁体3，位于第二磁体2的下部，材质为钕铁硼，形状圆片，直径20毫米，厚度3毫米，充磁方向沿厚度方向，厚度方向与相对运动的方向一致。第一磁体3和第二磁体2相邻两端的磁极相同，相互排斥。在第一磁体3的下表面与磁致伸缩材料1的几何中心距离20毫米时，磁致伸缩材料1的几何中心所在位置沿第一磁体3产生的磁场强度梯度为30奥斯特/毫米。以第一磁体3作为参照物，第二磁体2作为活动体并可相对于第一磁体3做相对运动，磁致伸缩材料1位于相对运动的方向上。
应变测量元件4，采用压电材料PZT-5X，形状长条片，长14毫米，宽8毫米，厚0.6毫米，上下主面被银电极，沿厚度方向极化，压电常数d33～900pC/N，其与磁致伸缩材料1耦合的方法为：采用环氧树脂粘贴在磁致伸缩材料1大面上，压电材料的电极为检波器的输出接口。
壳体5，材质铝合金，封闭桶状，外径22毫米，内径20毫米，采用环氧树脂将第一磁体2固定在壳体5上。
本实用新型实施例的震动检波器在进行检测时，将其放置到需要检测的地面或被检测物体上，并使活动体的相对运动的方向与需要检测震动的方向相一致，外部振动位移转换为与外部振动位移线性相关的信息量输出，从而完成位移振动检测功能。本实用新型实施例的震动检波器具有高灵敏度、宽频带等优点，频带覆盖1Hz～1kHz，1Hz时位移检测噪声极限1纳米以下。
对所公开的实施例的上述说明，实专业技术人员能够理解本实用新型。对这些实施例的多种修改对专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种震动检波器，其特征在于：其包括壳体和设置在所述壳体内的磁致伸缩材料、第一磁体、第二磁体、应变测量元件；
所述磁致伸缩材料固定在第二磁体上，所述磁致伸缩材料与应变测量元件耦合；
所述第一磁体与第二磁体之前设置有间隔，将所述第一磁体和第二磁体中的一个在所述壳体内固定设置并作为参照物，另一个作为活动体并可相对于所述参照物做相对运动，所述磁致伸缩材料位于所述相对运动的方向上或所述相对运动的方向的延长线上。
2.根据权利要求1所述的震动检波器，其特征在于，所述震动检波器还包括弹簧，所述弹簧的一端在所述壳体内固定设置，另一端与所述活动体连接。
3.根据权利要求2所述的震动检波器，其特征在于，当所述弹簧为螺旋弹簧时，所述弹簧一端与所述参照物连接，另一端与所述活动体连接。
4.根据权利要求2所述的震动检波器，其特征在于，当所述弹簧为中间带孔的膜片弹簧时，所述活动体固定在所述孔中，所述膜片弹簧的外围边缘固定在所述壳体内壁上。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的震动检波器，其特征在于，所述磁致伸缩材料的几何中心处于所述第一磁体产生的沿相对运动的方向的磁场分量的线性分布区域。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的震动检波器，其特征在于，所述应变测量元件的应变测量方向与所述第一磁体引起的所述磁致伸缩材料的应变方向相一致。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的震动检波器，其特征在于，所述应变测量元件为电阻应变片、压电片、应变光栅、应变光纤或以上几种的组合。
8.根据权利要求1-4中任意一项所述的震动检波器，其特征在于，所述磁致伸缩材料的最优压磁性能方向与所述相对运动的方向相一致。
9.根据权利要求1-4中任意一项所述的震动检波器，其特征在于，所述第二磁体的充磁方向均与所述相对运动的方向相一致。
10.根据权利要求1-4中任意一项所述的震动检波器，其特征在于，所述磁致伸缩材料和第一磁体分别设置在所述第二磁体相对的两侧或分别设置在所述第二磁体的一侧。
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