CN2766252Y - 压电加速度检波器的机芯 - Google Patents
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Abstract
一种压电加速度检波器的机芯，其惯性体组件设于两个压电转换元件之间，三者固连为一体。惯性体组件中心的永磁体嵌于两导磁极靴间，绝缘帽嵌于导磁极靴外侧，固定螺丝穿过压电转换元件的中心孔将两个压电转换元件分别固定于两个导磁极靴外侧。压电转换元件和惯性体组件弹片支撑于弹片绝缘震子架和绝缘间隔圈上。涡流环嵌于弹片绝缘震子架内侧。本实用新型解决了背景技术中阻尼源与惯性体相分离，无法使惯性体的质量和阻尼同时具有较好的一致性，以及产品性能的一致性不易确保的技术问题。由本实用新型构成的压电检波器输出振幅高，抗初始波形的余震即“尾巴”的能力强，频带宽，几乎无失真，抗电磁、机械噪声能力强。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种地震勘探用检波器，属有源检波器，尤其涉及一种压电加速度检波器的机芯。
背景技术
地质物探地震波信号中含高低频分量。其中低频分量较丰富。信号在地层内传播的过程中，高频分量的能量损失较快，传播愈远，损失比例愈大。高频信号越弱，对勘探地层分辨率愈不利。目前，地质物探技术已发展至高分辨勘探，高分辨勘探的瓶颈主要是对于深层、薄层高频弱信号的采集，采集的源头即是检波器。物探行业使用的检波器主要分为速度型检波器和加速度型检波器两类。速度型检波器对高低频分量的接受能力相同，对衰减严重的高频分量不易接受。加速度型检波器对高低频信号均有良好的接受能力，尤其对衰减严重的高频信号的接受更具优势。加速度型检波器，能提高高分辨率勘探效果，能更快、更准确地反映探测层的地层结构，实现地下深层、浅层、薄层的高分辨率勘测。
现有的加速度型检波器主要有下列两类：
一类是电磁感应式涡流加速度检波器。如，中国专利87105424；中国专利95245142.5等。该类加速度检波器是通过磁电涡流的二次感应形成加速度信号输出，结构受弹性元件和质量块尺寸、重量等因素的限制，使自然频率不能太小，工作频率范围受限，无法消除谐波失真，因此，加速度灵敏度难以提高。
另一类是采用惯性式加速度传感器响应原理的加速度检波器。该类加速度检波器有采用微机械加速度传感器MEMS(Microelectro-mechanical Systems)的电容式微机械加速度传感器，如，美国I/O公司的MEMS的微机械加速度传感器(VectorSeisSVSM Module Digital Sensor)和中国专利03216512.9等；有采用光电及光纤的加速度检波器，如，中国专利03100433.4；中国专利03200396.X；中国专利03236644.2等；还有压电式加速度检波器，如，西安石油大学研制的YD2000型陆用压电地震加速度检波器；中国专利93232320.0；中国专利00226749.7等。这类加速度检波器的质量块的相对位移与被测振动的加速度成正比，因而可用质量块的位移来反映被测振动的加速度大小；其最大优点是它具有零频率持性，即理论上它的下限测量频率为零，实际下限测量频率也极低。此外，为使谐振频率远大于被测振动频率，加速度检波器的尺寸、惯性体质量可设计的很小，一般可小于1g，故对被测对象的附加影响非常小。但该类加速度检波器采用的是传统的无阻尼元件的的机械结构，元件内部的阻尼很小，一般ξ＜0.04，加速度传感器幅频特性的表达式如下：
其中：A(ω)-加速度振幅；Zm-输出位移；Xm-被测振动的位移量；ω-频率；ωn-自然频率(压电传感器ωn＞ω)；ξ-阻尼。
依据上述惯性式加速度传感器幅频特性的数学模型可视为无阻尼系统。在实际的地质地震物探施工中，检波器置于地表与大地耦合，使阻尼很小或无阻尼。高振幅输出信号的加速度检波器，会采集到了大量的俗称“尾巴”的初始余震干扰信号。实践中，要弥补这种阻尼的不足，要求施工使用的检波器必须提供一定的阻尼，使检波器输出的初始波形的余震即“尾巴”尽可能小，以确保有效信号的真实采集。
中国专利03250863.8公开了一种非磁感应式地震检波器，其是采用磁感应涡流阻尼的“光学地震检波器”，其磁场为可调式固定磁场，惯性体元件及弹性元件置于固定磁场之中。采用这种设计方案，信号采集与输出采用的是光学器件；阻尼源与惯性体相分离，不能融为一体。实际规模化生产时，产品工艺精度及产品性能的一致性不易确保。光学信号远距离传输的成本相对较高。
总之，满足高分辨率采集求时，为弥补系统阻尼的不足，压电加速度检波器的惯性体质量和阻尼是一对矛盾体。现有技术中，自身惯性体质量很小的压电检波器，由于其产生的弹性振动幅度相应较小，故一般采用空气阻尼；而采用较大惯性体质量的压电检波器，由于其产生的弹性振动幅度相应较大，一些对系统阻尼要求不高的产品，若允许对信号的分辨率要求不太高，采用空气阻尼时，即可允许子波的余波长些。要使波形的振幅大，惯性体的质量就必须增大；要使波形的余震即“尾巴”小，阻尼就必须足够大。现有技术无法使惯性体的质量和阻尼同时具有较好的一致性，因而无法保证传感器所采集到的波形的一致性。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种压电加速度检波器的机芯，其解决了背景技术中阻尼源与惯性体相分离，无法使惯性体的质量和阻尼同时具有较好的一致性，因而无法保证传感器所采集到的波形的一致性，以及产品工艺精度及产品性能的一致性不易确保的技术问题。
本实用新型的技术解决方案是：
一种压电加速度检波器的机芯，包括惯性体和压电转换元件；所述的压电转换元件由弹片6和分别固定于弹片6两面的压电晶片7构成；其特征在于：所述的惯性体由惯性体组件构成；所述的惯性体组件设置于两个压电转换元件之间，三者固定连接为一体；所述的惯性体组件包括绝缘帽8、固定螺丝10、永磁体11及导磁极靴12，所述惯性体组件中心的永磁体11嵌于两个导磁极靴12之间，绝缘帽8嵌于导磁极靴12的外侧，固定螺丝10分别穿过两个压电转换元件的中心孔21将该两个压电转换元件绝缘固定于两个导磁极靴12的外侧；所述的弹片绝缘震子架3设置于两个绝缘间隔圈14之间，所述的压电转换元件和惯性体组件位于弹片绝缘震子架3和绝缘间隔圈14围成的空间内，并通过弹片6支撑固定于弹片绝缘震子架3和绝缘间隔圈14上；涡流环5嵌于弹片绝缘震子架3内侧。
上述涡流环5可嵌于导磁环4内，所述的涡流环5与导磁极靴12之间设有一环型磁场间隙；所述的导磁环4与涡流环5一起嵌于弹片绝缘震子架3内侧。
上述惯性体组件中心的永磁体11可嵌于导磁分流环13内，所述永磁体11和导磁分流环13设置于两个导磁极靴12之间。
上述固定螺丝10和绝缘帽8之间可设置垫片9。
上述中心孔21可以是位于压电转换元件轴心的单孔，也可以由绕压电转换元件轴心均布的三个或多个孔构成。
上述绝缘帽8可为一个，其嵌于两个导磁极靴12之一的外侧；上述绝缘帽8也可为两个，该两个绝缘帽8分别嵌于两个导磁极靴12的外侧。
上述压电转换元件、惯性体组件、弹片绝缘震子架3及绝缘间隔圈14外部可设置金属壳19，所述压电晶片7的一个极与金属壳19通过导线相连接。
上述压电晶片7的材质可采用锆钛酸铅、钛酸铅或钛酸钡；上述弹片6的材质可采用磷青铜、锡磷青铜或铍青铜；上述永磁体11可采用钕铁硼磁体或钐钴磁体；上述涡流环5可采用铜或铝。
本实用新型具有以下优点：
1.本实用新型对深层、薄层的高频弱信号具有很好的采集能力，同时又能兼顾低频信号，且具有足够的带宽。带宽为3～1500HZ。
2.惯性体的质量和阻尼的一致性好，故传感器采集到的波形一致性即同相轴好；惯性体的质量大，采集到波形的振幅大；阻尼大，波形的余震即“尾巴”小。
3.采用大模量弹片，有利于压电晶片的弯曲变形输出高振幅信号；其形成的幅频、相频特性曲线良好，可近似达到零频率特性，自身灵敏度具有6dB/oct的上升速率。
4.机芯采用磁感应涡流阻尼，使阻尼具有较大的可调性和可控性，采集到波形的一致性好，波形的余震即“尾巴”小，充分满足了高分辨率采集对地震波的要求。
5.磁感应涡流阻尼引入初始信号的接收端，使采集到的有效信号不受损失。
6.采用两个压电转换元件与磁感应涡流阻尼的惯性体组件固定连接为一体，使压电转换元件及惯性体组件相对于磁场不会产生位移，既不产生不利于压电传感器性能的磁灵敏度输出。
7.压电晶片中心的固定孔结构，使其与惯性体组件固连为一体，可确保产品工作的稳定性和一致性，可满足批量化生产的要求。
8.抗电磁场干扰能力强。将多个机芯同时置于一个封闭的金属壳内，并将压电晶片的一个极与金属壳固连，使机芯能较好地防护外部的各种电磁场干扰，使采集信号的品质大大提高。
9.抗机械干扰能力强。金属壳与护壳之间设置的减震材料，使机芯具有良好的抗机械干扰能力和较好的抗冲击能力，进一步提高了采集信号的品质。
10.在本实用新型的输出端连接有压电阻抗变换器，可实现有效信号的远距离传输。
附图说明
附图为本实用新型实施例的结构示意图。
附图标号说明：1-护壳体，2-非导磁金属环，3-弹片绝缘震子架，4-导磁环，5-涡流环，6-弹片，7-压电晶片，8-绝缘帽，9-垫片，10-固定螺丝，11-永磁体，12-导磁极靴，13-导磁分流环，14-绝缘间隔圈，15-非导磁金属环盖，16-减震帽，17-护壳盖，18-压电阻抗变换器，19-金属壳，20-护壳，21-中心孔。
具体实施方式
理想的检波器既对深层、薄层的高频弱信号有很好的采集能力，又能兼顾低频信号，且具有足够的带宽，一般为3～1500HZ。本实用新型即依此设计：惯性体的质量和阻尼的一致性好，可保证传感器所采集到波形的一致性即同相轴；惯性体的质量大，所采集波形的振幅大；阻尼足够大，所采集波形的余震即“尾巴”小。
本实用新型的信号采集与输出采用的是压电器件。惯性体由惯性体组件构成，惯性体组件同时是能形成磁感应涡流阻尼的阻尼源。惯性体组件设于两个压电转换元件之间，使阻尼源与惯性体融为一体。当惯性体质量产生位移时，惯性体组件中的永磁体提供磁场，在涡流环中诱导出电流，形成涡流阻尼。采用涡流阻尼，惯性体质量及涡流阻尼不仅精度高，易于控制，而且阻尼的形成使采集信号的幅度不受损失。另外，这种结构的惯性体组件结构简单，受外界环境温度的影响也很小。两个压电转换元件与磁感应涡流阻尼的惯性体组件固定连接为一体，使压电转换元件及惯性体组件相对于磁场不发生位移，即不会产生不利于压电传感器性能的磁灵敏度输出。惯性体组件同时也给压电转换元件提供压力位移信号。
参见附图，本实用新型的惯性体由惯性体组件构成。惯性体组件设置于两个压电转换元件之间，三者固定连接为一体。
压电转换元件由弹片6和分别粘合于弹片6两面的压电晶片7构成。压电转换元件用于输出压电加速度信号。惯性体组件由绝缘帽8、垫片9、固定螺丝10、永磁体11、导磁极靴12及导磁分流环13构成。惯性体组件中心是一个永磁体11，永磁体11嵌于导磁分流环13内，永磁体11和导磁分流环13设置于两个导磁极靴12之间；两个绝缘帽8分别嵌于两个导磁极靴12的外侧，通过两个固定螺丝10将两个压电转换元件分别固定于两个导磁极靴12的外侧；在固定螺丝10和绝缘帽8之间设置有垫片9。弹片绝缘震子架3设置于两个绝缘间隔圈14之间，压电转换元件和惯性体组件由弹片绝缘震子架3和两个绝缘间隔圈14支撑固定。导磁环4与嵌于导磁环4内的涡流环5一起嵌于弹片绝缘震子架3内侧，并位于导磁分流环13外侧。导磁环4和涡流环5之间留有一环型磁场间隙，则在涡流环5中可诱导出电流，形成涡流阻尼。本实用新型是组成压电加速度检波器的基本单元即机芯。一个、二个或多个机芯可依次串联排列，再装入金属壳19内。将机芯置于金属壳19内，可抗电磁干扰。金属壳19可由非导磁金属环2和两端的非导磁金属环盖15组成。在金属壳19上罩一减震帽16，可抗机械噪音干扰，抗冲击。金属壳19外部可设置护壳20。护壳20可由护壳体1和护壳盖17构成。压电阻抗变换器18可设置于护壳20的外部，用于传输信号。为获得高分辨率，压电晶片7可选用温度系数变化率较小的材料。在-40～+100℃之间，压电晶片7受温度变化影响的参数允差≤±5％，可确保机芯的灵敏度输出允差≤±5％。故压电晶片7具体可选用锆钛酸铅、钛酸铅或钛酸钡等，以锆钛酸铅为优。由于压电晶片7是以弯曲变形的方式输出，因此弹片6的弹性模量越大越好，具体可选用磷青铜、锡磷青铜或铍青铜等，以铍青铜为佳。本实用新型采用涡流阻尼，以保证阻尼有较大的可调性和可控性。其中涡流阻尼是由运动的惯性体和固定的涡流环5相对运动形成的。永磁体11以具有优良磁性能的钕铁硼磁体为佳，亦可选用钐钴磁体等。涡流环5可选用导电率较高的紫铜。弹片6采用中心孔结构，通过该中心孔21可用固定螺丝10将压电转换元件与惯性体组件固连为一体，以保证产品的可靠性和一致性。中心孔21也是工艺孔，用于实现芯体的无磁装配。将压电晶片7晶片的一个极与金属壳19用导线连接，可使机芯对外部的各种电场干扰具有较好的抵抗能力。由于压电检波器具有较高的输出阻抗，不利于信号的传输效果，因此在其输出端连接有压电阻抗变换器18。压电阻抗变换器18可采用压电跟随器或电荷放大器，具体可根据用户对传输距离的要求选定。
Claims (8)
1.一种压电加速度检波器的机芯，包括惯性体和压电转换元件；所述的压电转换元件由弹片(6)和分别固定于弹片(6)两面的压电晶片(7)构成；其特征在于：所述的惯性体由惯性体组件构成；所述的惯性体组件设置于两个压电转换元件之间，三者固定连接为一体；所述的惯性体组件包括绝缘帽(8)、固定螺丝(10)、永磁体(11)及导磁极靴(12)，所述惯性体组件中心的永磁体(11)嵌于两个导磁极靴(12)之间，绝缘帽(8)嵌于导磁极靴(12)的外侧，固定螺丝(10)分别穿过两个压电转换元件的中心孔(21)将该两个压电转换元件绝缘固定于两个导磁极靴(12)的外侧；所述的弹片绝缘震子架(3)设置于两个绝缘间隔圈(14)之间，所述的压电转换元件和惯性体组件位于弹片绝缘震子架(3)和绝缘间隔圈(14)围成的空间内，并通过弹片(6)支撑固定于弹片绝缘震子架(3)和绝缘间隔圈(14)上；涡流环(5)嵌于弹片绝缘震子架(3)内侧。
2.根据权利要求1所述的压电加速度检波器的机芯，其特征在于：所述的涡流环(5)嵌于导磁环(4)内，所述的涡流环(5)与导磁极靴(12)之间设有一环型磁场间隙；所述的导磁环(4)与涡流环(5)一起嵌于弹片绝缘震子架(3)内侧。
3.根据权利要求1或2所述的压电加速度检波器的机芯，其特征在于：所述惯性体组件中心的永磁体(11)嵌于导磁分流环(13)内，所述永磁体(11)和导磁分流环(13)设置于两个导磁极靴(12)之间。
4.根据权利要求3所述的压电加速度检波器的机芯，其特征在于：所述的固定螺丝(10)和绝缘帽(8)之间设置有垫片(9)。
5.根据权利要求4所述的压电加速度检波器的机芯，其特征在于：所述的中心孔(21)是位于压电转换元件轴心的单孔，或是由绕压电转换元件轴心均布的三个或多个孔构成。
6.根据权利要求5所述的压电加速度检波器的机芯，其特征在于：所述的绝缘帽(8)为一个，其嵌于两个导磁极靴(12)之一的外侧；或所述的绝缘帽(8)为两个，其分别嵌于两个导磁极靴(12)的外侧。
7.根据权利要求6所述的压电加速度检波器的机芯，其特征在于：所述的压电转换元件、惯性体组件、弹片绝缘震子架(3)及绝缘间隔圈(14)外部设置有金属壳(19)，所述压电晶片(7)的一个极与金属壳(19)通过导线相连接。
8.根据权利要求7所述的压电加速度检波器的机芯，其特征在于：所述压电晶片(7)的材质为锆钛酸铅、钛酸铅或钛酸钡；所述弹片(6)的材质为磷青铜、锡磷青铜或铍青铜；所述的永磁体(11)为钕铁硼磁体或钐钴磁体；所述涡流环(5)的材质为铜或铝。
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2004
- 2004-12-31 CN CN 200420086600 patent/CN2766252Y/zh not_active Expired - Lifetime
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