CN204613414U - 一种有源加速度型震动传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种有源加速度型震动传感器，震动芯体采用动圈式结构并与信号控制电路板连接成一体，在电源支持下工作。通过信号控制电路板实现了震动信号的加速度响应，能够避免线圈自由运动或产生共振，从而提高分辨力。同时能够压制电磁干扰，提高信噪比和灵敏度，相对普通传感器灵敏度可提高1个数量级以上。该传感器制造简单、性能可靠、成本低廉，适用于微地震监测等领域。

Description

一种有源加速度型震动传感器

技术领域

本实用新型涉及一种微地震信号接收装置，属于微地震监测技术领域。特别是涉及一种微地震信号接收传感器研制问题。

背景技术

微地震监测技术是一种物理探测技术，通过接收来自地下的微弱的地震信号来解决多种工程问题，已经在多个技术领域得到应用。

以往在进行微地震监测时一般使用普通的动圈式地震检波器（简称检波器）作为微地震信号接收传感器。动圈式地震检波器主要由磁铁和线圈构成，其内部不含有其它电子器件，也不需要外部电源提供能量。这是一种速度型震动传感器，具有制造简单，成本低，性能可靠等优点。但是，速度型传感器也具有明显的缺点，一是存在“共振”或“余振”问题，会明显降低微地震信号的分辨力；二是信号频率响应范围较窄，适应性差，信号衰减与失真较大；三是灵敏度较低；四是噪声干扰较大，信噪比较低。虽然有多种其它类型传感器可供选择，但是在实际应用中都存在不同问题。

本实用新型采用一种专用动圈式震动芯体与信号控制电路相结合，利用外部电源提供能量，实现了一种有源加速度型震动传感器（简称有源震动传感器），可为提高微地震监测技术效果发挥重要作用。有源震动传感器与普通传感器相比较具有高信噪比、高灵敏度、高分辨力等优越特性，特别是在提高分辨力的同时，其灵敏度可以提高1个数量级以上，对于接收更加微弱的地震（微地震）信号创造了有利条件。

发明内容

发明创造的目的

本实用新型设计的目的是制造一种有源加速度型震动传感器，作为微地震信号接收传感器，以提高微地震监测效果。

技术方案

 普通的动圈式地震检波器当遇到地下震动信号时，其线圈就会在磁场中运动，从而产生电压输出信号。根据其工作原理，输出的电压信号的大小与线圈的运动速度成正比，所以称为速度型检波器。随着科学的发展，人们已经认识到速度型检波器的缺陷，因此，多年来一直在探索加速度型检波器的研制问题。

本实用新型提供的有源加速度型震动传感器的设计原理是：震动芯体仍然采用动圈式结构，不过要通过信号控制电路板给线圈的运动施加一个阻尼电流，电流的大小与线圈运动产生的信号大小相关，信号越大施加的阻尼电流越大，反之越小。由于阻尼电流的作用，线圈在磁场中运动速度就会大大减小，当阻尼电流完全控制线圈运动时，线圈受到的阻力与外力相等，这时测量为检波器提供的阻尼电流的大小作为有源传感器的输出信号。显然，这一信号与线圈所受到的外力成正比，即与线圈运动的加速度成正比。所以，本实用新型提出的是一种加速度型震动传感器。由于需要外部电源，又称为有源加速度型震动传感器。

本实用新型所采用的技术方案如下：

本实用新型提供的有源加速度型震动传感器由传感器外壳（1）、震动芯体（2）、信号控制电路板（3）、电缆（4）、航空接口（5）几部分组成，其特征在于，震动芯体（2）是一种动圈式结构，震动芯体（2）与信号控制电路板（3）连接成一体安装在传感器外壳（1）内，通过电缆（4）将信号控制电路板（3）电源线引出连接到航空接口（5），并通过航空接口（5）从外部为信号控制电路板（3）提供电源，在电源支持下工作。

上述的有源加速度型震动传感器中，震动芯体（2）是一种专用动圈式结构电磁感应芯体，其中包括两个独立线圈La、Lb，其极性分别为a+、a-、b+、b-，线圈La、Lb固定在同一个线圈支架ZJ上，连接成一体并在磁场中保持同步运动，线圈支架ZJ有弹簧片支撑。

上述的有源加速度型震动传感器中，信号控制电路板（3）的基本电路由集成运算放大器和电阻构成，与震动芯体（2）及航空接口（5）具有确定的连接关系。

上述的有源加速度型震动传感器中，利用三个震动芯体（2）组成两两垂直的空间方向，每个方向连接有信号控制电路板（3）即构成三分量有源加速度型震动传感器。

上述的有源加速度型震动传感器中，利用单分量或三分量有源加速度型震动传感器能够通过总电缆连接成串状结构。

上述的有源加速度型震动传感器中，航空接口（5）含有电源输入插孔（e、f）、传感器信号输出插孔（a、b、c）、电路控制插孔（d、g）。

有益效果

1、震动芯体采用动圈式结构，具有制造简单、性能可靠、成本低廉等优点；

2、采用电源供电，通过信号控制电路板实现了震动信号的加速度响应，能够避免线圈自由运动或产生共振，减小微地震子波的延续时间，从而提高分辨力。分辨力对提高微地震监测效果非常重要，特别是对区分相邻的纵波与横波能发挥重要作用；

3、震动芯体与信号控制电路板组成机电一体化系统，并安装于同一内壳，可以避免信号衰减和干扰；

4、有源加速度型震动传感器工作原理具有压制电磁干扰特性，可以大大提高信噪比。同时通过改进震动芯体机械特性和电路特性，如线圈质量、磁场强度、放大电路等，可以大大提高灵敏度指标，与普通传感器相比灵敏度可提高1个数量级以上。

附图说明

图1 有源加速度型震动传感器结构与电路连接示意图。

图2 7针航空接口示意图。

附图中标号意义与说明：1.传感器外壳，2.震动芯体，3.信号控制电路板，4.电缆，5. 航空接口，ZJ.线圈支架，La.线圈，a+. La正极 ，a-. La负极 ，Lb.线圈，b+. Lb正极 ，b-. Lb负极 ，N.磁铁北极，S.磁铁南极。

7针航空接口接线定义：a. 传感器信号X分量+, b. 传感器信号 Y分量+, c. 传感器信号Z分量+, d.地线, e. +12V电源, f. -12V电源, g. 地线。

具体实施方式

1、震动芯体 

震动芯体（2）采用动圈式结构，制造工艺比较简单，成本较低，性能可靠且容易控制。

根据图1所示，震动芯体（2）是一种专用动圈式结构电磁感应芯体，其中包括两个独立线圈La、Lb，其极性分别为a+、a-、b+、b-。线圈La、Lb固定在同一个线圈支架ZJ上，并在磁场中保持同步运动，线圈支架ZJ有弹簧片支撑。线圈La、Lb运动时会切割磁力线而产生电动信号。磁力线由芯体内永久磁铁的N极、S极产生。专用动圈式结构电磁感应芯体设计更加精细，体积较小，重量较轻。

2、电源

有源加速度型震动传感器需要在电源支持下工作，电压工作范围一般为1-30V之间，电源提供可以采用不同方式。根据微地震监测实际情况，需要将有源加速度型震动传感器与电池分离，通过电缆（4）将信号控制电路板（3）电源线引出连接到航空接口（5），并通过航空接口（5）从外部为信号控制电路板（3）提供电源。本实用新型的主要特征之一是有源加速度型震动传感器需要在电源支持下工作，这样才有可能将速度型响应信号转变为加速度型响应信号。从实质上讲，这种加速度响应信号是对传感器外壳（1）运动加速度的响应，不是动圈式线圈运动速度的微分结果。信号控制电路板（3）对芯体线圈控制的目标是让线圈相对于传感器外壳（1）保持同步运动（没有相对位移）。形象地讲，当遇到外部震动信号时线圈想运动并具有运动能力，但是，信号控制电路板（3）的作用是使其不能运动。这是本实用新型的实质性改进，也是电源和信号控制电路板（3）发挥的重要作用。

3、信号控制电路板

信号控制电路板（3）的基本功能是信号放大与机电反馈。对于图1所示的震动芯体（2），首先将来自线圈La的速度响应信号放大，产生更大的电压信号反馈给线圈Lb，而这一信号产生的电流将阻止线圈La的运动（也包括线圈Lb），从而使线圈保持相对稳定。这时有源加速度型震动传感器输出信号与传感器外壳（1）运动的加速度成正比，由于线圈保持“相对不动”从而会使线圈不会产生自由运动，也就不会产生“共振”或“余振”。这就是有源震动传感器提高分辨力的理论依据。

根据信号控制电路板（3）的工作要求，其电路结构主要由集成运算放大器、电阻组成。对放大器的基本要求是低噪声、低功耗、高阻抗、高增益，特别是放大器只有具有足够的放大能力才能控制线圈的运动。图1所示的电路图是一种最基本的线路图，图中运算放大器由OPA131型号担任，OPA131是一种高性能单运放，可以更换为其它功能相同或相近的型号。图1所示的电路中，在增加有源加速度型震动传感器其它附加功能时，如滤波电路，可采用多运放集成电路模块；还可以增加电源转换或电源稳定性模块，以保证有源加速度型震动传感器工作的稳定性、可靠性、一致性。特殊情况下，放大器也可以由分离的晶体管放大电路组成。

4、三分量

传感器外壳（1）内安装有一个震动芯体（2）时称为单分量有源加速度型震动传感器。利用三个震动芯体（2）组成两两垂直的空间方向，每个方向连接有信号控制电路板（3）即构成三分量有源加速度型震动传感器。

5、传感器串 

利用单分量或三分量有源加速度型震动传感器能够通过总电缆连接成串状结构，适合安装在钻孔中。

6、外壳

有源加速度型震动传感器设计工作电压与电流符合本质安全性要求，在煤矿中进行微地震监测时不需要进行专门防爆措施。传感器外壳（1）可以是塑料材料或金属材料。为达到密封防水效果，传感器外壳（1）内可以浇注密封绝缘材料。为避免信号衰减和干扰，震动芯体（2）必须和信号控制电路（3）连接在一起并安装于同一传感器外壳（1）内。

7、航空接口

航空接口（5）采用7针插头，能连接到专用电源插座。航空接口（5）设计考虑了其实用性和方便性，具有多功能、多用途。航空接口（5）含有电源输入针头（e、f）、传感器信号输出针头（a、b、c）、电路控制针头（d、g）。航空接口（5）能够适应单分量（单个）有源加速度型震动传感器，其输出信号作为X分量连接到针头a; 同时能够适应三分量有源加速度型震动传感器，其输出信号的X、Y、Z分量分别连接到针头a、b、c。航空接口（5）示意图见附图2。

Claims (6)

1.一种有源加速度型震动传感器，由传感器外壳、震动芯体、信号控制电路板、电缆、航空接口几部分组成，其特征在于，震动芯体是一种动圈式结构，震动芯体与信号控制电路板连接成一体安装在传感器外壳内，通过电缆将信号控制电路板电源线引出连接到航空接口，并通过航空接口从外部为信号控制电路板提供电源，在电源支持下工作。

2.根据权利要求1所述的有源加速度型震动传感器，其特征在于，震动芯体是一种专用动圈式结构电磁感应芯体，其中包括两个独立线圈La、Lb，其极性分别为a+、a-、b+、b-，La、Lb固定在同一个线圈支架上，连接成一体并在磁场中保持同步运动，线圈支架有弹簧片支撑。

3.根据权利要求1所述的有源加速度型震动传感器，其特征在于，信号控制电路板的基本电路由集成运算放大器和电阻构成，与震动芯体及航空接口具有确定的连接关系。

4.根据权利要求1所述的有源加速度型震动传感器，其特征在于，利用三个震动芯体组成两两垂直的空间方向，每个方向连接有信号控制电路板即构成三分量有源加速度型震动传感器。

5.根据权利要求1所述的有源加速度型震动传感器，其特征在于，利用单分量或三分量有源加速度型震动传感器能够通过总电缆连接成串状结构。

6.根据权利要求1所述的有源加速度型震动传感器，其特征在于，航空接口含有电源输入插孔（e、f）、传感器信号输出插孔（a、b、c）、电路控制插孔（d、g）。