NO171190B

NO171190B - Roerformet piezo-elektrisk sensor

Info

Publication number: NO171190B
Application number: NO885788A
Authority: NO
Inventors: Claude Beauducel; Etienne Bolze
Original assignee: Inst Francais Du Petrole
Priority date: 1987-12-30
Filing date: 1988-12-28
Publication date: 1992-10-26
Also published as: NO885788L; FR2625640B1; NO885788D0; FR2625640A1; EP0323305B1; CN1034106A; DE3863637D1; CN1016569B; CA1311294C; US4918666A; NO171190C; JPH01208098A; EP0323305A1

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en rørformet piezo-elektrisk sensor med høy følsomhet, hvis oppbygning gjør det mulig å danne kontinuerlige hydrofoner med meget stor lengde som meget godt kan motstå betydelige variasjoner av det hydrostatiske trykk.

Rørformede piezo-elektriske sensorer kan for eksempel omfatte et rør laget av et materiale med piezo-elektriske egenskaper, slik som en polymer av polyvinylidenfluorid-typen (PVF2), som for eksempel på hver av sine flater er forbundet med en elektrode.

Den indre elektroden er dannet av en metallfilm avsatt på den indre flate av det piezo-elektriske rør eller er forbundet med en sentral kjerne. Når sistnevnte er laget av et dielektrisk materiale, kan elektroden være dannet ved metallisering av dens ytre overflate eller ved hjelp av en spiralviklet tråd. Den sentrale kjerne kan videre være laget av et ledende materiale, en polymer som er gjort ledende ved tilsetning av metallpartikler for eksempel, eller i form av en rettlinjet metalltråd.

Slike sensorer er eksempelvis beskrevet i fransk patent nr. 2 145 099, fransk patentsøknad nr. 87/09262 og 81/22452, idet sistnevnte er publisert under nummeret 2 517 155, US patent nr.

4 568 851 eller PCT patentsøknad nr. 86/00757.

Fra ovennevnte franske patent nr. 2 145 099 er det kjent en rørformet piezo-elektrisk sensor dannet av en sentral kjerne omkring hvilken det er viklet minst ett piezo-elektrisk følsomt element i en spiral. Det piezo-elektriske følsomme element er dannet av en strimmel av fleksibelt piezo-elektrisk materiale belagt med en metallfilm på hver av sine flater. Denne sensor-konstruksjonen gjør det mulig å konstruere hydrofoner med meget stor lengde som er ufølsomme overfor akselerasjoner og bøyninger, og som er egnet for mange undervannsanvendelser, spesielt innen geofysikk. Bruken av sensitive elementer i form av forholdsvis tykke piezo-elektriske filmer gir utvilsomt økonomiske fordeler.

I en artikkel publisert i J. ACOUST. SOC. AM 68 (4), oktober 1988, sidene 1025-1029 er det beskrevet en sylindrisk piezo-elektrisk hydrofon. En rørformet understøttelse er belagt med en piezo-elektrisk film på sin indre overflate og/eller på sin ytre overflate, og er ved hver ende lukket ved hjelp av en stiv hette, og det indre volum er fylt med en gass. En slik konstruksjon har øket følsomhet fordi den gassfylte, rørformede understøttelse kan deformeres under virkning av de radielt utøvde krefter og tilveiebringer dermed mekanisk forsterkning. Men på området marine anvendelser hvor bruksdybden er meget variabel, vil den vise seg å være ugunstig. Siden det indre volumet er komprimerbart, ville den rørformede understøttelse ikke være særlig bestandig overfor en høy stigning av det hydrostatiske trykk. Det vil oppstå fare for tetningstap eller brekkasje av det følsomme element. Det bør også bemerkes at konstruksjonen av en piezo-elektrisk sensor med en følsom film som dekker den indre overflate av den rørformede overflate, er meget vanskelig i praksis hvis lengden er svært stor.

Anordningen ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å oppnå både en meget høy følsomhet og en stor evne til å motstå høye hydrostatiske trykkvariasjoner. Den omfatter minst ett følsomt element laget av et materiale som har piezo-elektriske egenskaper og tilordnende elektroder, idet det følsomme element er anbrakt på en rørformet understøttelse.

Den er karakterisert ved at innsiden av den rørformede understøttelse inneholder minst ett stoff hvis akustiske impedans er meget forskjellig fra den akustiske impedansen til det materialet som utgjør den rørformede understøttelse, for å danne en akustisk skjerm for de akustiske bølger som passerer gjennom den rørformede understøttelse, samt anordninger for å opprettholde et trykk inne i den rørformede understøttelse som er hovedsakelig lik det statiske trykk som hersker utenfor den piezo-elektriske sensoren.

Innsiden av den rørformede understøttelse inneholder for eksempel minst ett stoff som er impregnert med en væske. Det væskeimpregnerte stoffet kan med fordel være dannet av et fiberaktig materiale, for eksempel glassfiber, eller et porøst materiale.

Avhengig av utførelsesformen har den rørformede under-støttelse minst ett følsomt element, og skjermen som utgjør stoffet er anbrakt inne i en forseglet kappe som er transparent overfor de akustiske bølger og fylt med væske, idet endene til den rørformede understøttelse omfatter åpninger for å la væsken som fyller den forseglende kappen, trenge inn i denne.

Bruken av en substans som i meget stor grad er effektiv når det gjelder å dempe de akustiske bølger inne i den rørformede understøttelse, øker følsomheten til den piezo-elektriske sensoren sterkt. Kombinasjonen av dette stoffet med anordninger for å tilveiebringe en statisk balanse mellom trykket inne i den rørformede understøttelse og trykket utenfor, og mer spesielt et væskeimpregnert fibrøst eller porøst materiale som i det vesentlige er ved det samme trykk som det ytre medium, gjør det mulig å konstruere en meget følsom og meget bestandig piezo-elektrisk sensor. En slik sensor egner seg dermed meget godt til målinger i vann ved svært varierende dybder.

Siden hvert følsomt element kan være viklet i en spiral omkring den rørformede understøttelse, og siden stoffet som utgjør den indre akustiske skjerm, er lett å bringe på plass, kan det konstrueres sensorer med stor lengde til forholdsvis lav pris. Sensorer av denne typen som er anordnet inne i en meget lang kappe fylt med væske, gjør det for eksempel mulig å konstruere mottageranordninger for seismiske undersøkelser, under-vannslytting eller andre geofysiske eller oseanografiske opera-sjoner.

Andre trekk og fordeler ved den piezo-elektriske sensor ifølge oppfinnelsen, vil fremgå av den følgende beskrivelse av en utførelsesform som er gitt ved hjelp av et ikke-begrensende eksempel, under henvisning til de vedføyde tegninger hvor: Fig. 1 viser et følsomt piezo-elektrisk element i form av en

fleksibel strimmel,

Fig. 2 viser en piezo-elektrisk sensor omfattende en fleksibel piezo-elektrisk strimmel viklet på en rørformet understøttelse, Fig. 3 viser en utførelsesform hvor en piezo-elektrisk sensor som omfatter en rørformet understøttelse med en vikling, er innført i en kappe med stor lengde fylt med væske, og Fig. 4 viser en annen utførelsesform hvor en rørformet understøttelse med en vikling er dekket med en kappe.

En piezo-elektrisk sensor vist på figur 1, benytter et følsomt element 1 som omfatter et tynt substrat 2 laget av et fleksibelt materiale som er behandlet for å gi det piezo-elektriske egenskaper, slik som PVF 2 eller andre lignende syntetiske plastprodukter, og som på sine to motståede flater er belagt med ledende filmer 3, 4 som danner elektroder. Ifølge arrangementer som spesielt er kjent fra den publiserte franske patentsøknad nr. 2 601 132, er et følsomt element viklet i en spiral omkring en rørformet understøttelse 5 (figur 2), og ledende ringer er anbrakt i nærheten av endene av den rørformede understøttelse for opptagelse av de elektriske ladninger som utvikles på elektrodene av de krefter som utøves.

Et stoff 6 hvis akustiske impedans er meget forskjellig fra den akustiske impedansen til den rørformede understøttelse 5, er anbrakt inne i sistnevnte for å danne en skjerm for de akustiske bølger, og væske er injisert for å fylle resten av det indre rom.

I en annen utførelsesform (figur 3) er den således dannede sammenstilling dekket med en beskyttende kappe 7 og anbrakt i et rørformet hus 8 fylt med væske. I dette tilfelle fyller den samme væsken innsiden av det rørformede hus 8 og den rørformede understøttelse 5, som kan være åpen ved begge sine ender. Den kan for eksempel være olje eller parafin i det tilfellet hvor dette fleksible huset utgjør en seismisk slepekabel i kontakt med vannet hvor den blir slepet neddykket ved hjelp av et skip.

I en annen utførelsesform (figur 4) kan den rørformede understøttelsen 5 som inneholder skjermmaterialet og er fylt med væske, også være lukket ved sine motstående ender ved hjelp av stive hetter 9 og ganske enkelt omgitt av en beskyttende kappe 7 slik at den kan benyttes til visse anvendelser.

Det. materialet som utgjør den akustiske skjerm, kan være i form av glassfibersnorer, idet væsken trenger inn i snorene på grunn av kapillarvirkninger.

Skumstoffer med åpne celler, porøse materialer o.s.v.. eller ethvert annet stoff hvis akustiske impedans er svært forskjellig fra den akustiske impedansen til det materialet som utgjør den rørformede understøttelse, kan for eksempel også brukes. Det bør påses at skjermmaterialet er homogent fordelt over tverrsnittet til den rørformede understøttelse 5, og når den fylles med væske, at det sikres at luften blir drevet ut for å oppnå en homogen akustisk skjerm.

elektriske egenskaper, slik som PVF 2 eller andre lignende syntetiske plastprodukter, og som på sine to motståede flater er belagt med ledende filmer 3, 4 som danner elektroder. Ifølge arrangementer som spesielt er kjent fra den publiserte franske patentsøknad nr. 2 601 132, er et følsomt element viklet i en spiral omkring en rørformet understøttelse 5 (figur 2), og ledende ringer er anbrakt i nærheten av endene av den rørformede understøttelse for opptagelse av de elektriske ladninger som utvikles på elektrodene av de krefter som utøves.

Det materialet som utgjør den akustiske skjerm, kan være i form av glassfibersnorer, idet væsken trenger inn i snorene på grunn av kapillarvirkninger.

hvor g3i» <g>32 °9 933 er de piezo-elektriske koeffisientene til substratet.

I forholdet (1) er det antatt at kraften T3P langs radial-aksen X3 , er lik det påførte trykk Pq.

Ved å anvende Hooke's lover og ved å begynne med den rimelige antagelse at den relative utvidelse av det følsomme element langs de to aksene x±, x2 til tangensialplanet som reaksjon på et trykk P0 utøvd langs aksen x3 , er den samme som den utvidelse som finner sted ved periferien av den rørformede understøttelse langs disse samme to aksene, kan følgende forhold etableres:

- hvor rip og n henholdsdvis betegner Poisson-koeffisientene til det følsomme element og den rørformede understøttelse, - Ep og E betegner henholdsvis elastisitetsmodulene til det følsomme element og den rørformede understøttelse, og - r betegner forholdet a/b mellom innerradien a og ytterradien b til den rørformede understøttelse.

En undersøkelse av variasjonen av følsomheten Mø som en funksjon av de forskjellige parametere som opptrer i ligningene ovenfor, viser at den vil være bedre jo høyere forholdet Ep/E er og jo nærmere forholdet r er 1.

Eksperimentelle bekreftelser har gitt resultater i perfekt overensstemmelse med ligningene slik de er angitt. Følsomheten til den piezo-elektriske sensoren blir spesielt forbedret hvis elastisitetsmodulen til det følsomme element 1 er meget høyere enn elastisitetsmodulen til den rørformede understøttelse 5, og også hvis tykkelsen av sistnevnte er liten (r tilnærmet lik 1).

Bruken av den konstruksjon som er vist på figurene 1 til 4, optimalisert i så stor grad som mulig vedrørende de parametere

som har en virkning på følsomheten, gjør det mulig å øke følsom-heten til flere titalls volt pr. bar påført trykk (typisk 50V/b) med et passbånd som går ned til meget lave frekvenser, og med en meget glatt frekvensrespons.

Den piezo-elektriske sensor ifølge oppfinnelsen egner seg derfor godt som seismisk mottager på området seismiske, marine undersøkelsesoperasjoner, og mer generelt til geofysiske eller oseanografiske målinger.

Uten å avvike fra rammen for oppfinnelsen, kan det benyttes et følsomt element som er forskjellig fra det som brukes i de beskrevne utførelsesformer, for eksempel kan det benyttes et rørformet følsomt element anbrakt mot den ytre veggen av under-støttelsen.

Claims

1. Rørformet piezo-elektrisk sensor omfattende minst ett følsomt element (1) laget av et materiale (2) som har piezo-elektriske egenskaper og er forbundet med elektroder (3, 4), idet det følsomme element (1) er anbrakt på en rørformet under-støttelse (5) , karakterisert ved at innsiden av den rørformede understøttelse (5) inneholder minst ett stoff (6) hvis akustiske impedans er meget forskjellig fra den akustiske impedansen til det materialet som utgjør den rørformede understøttelse (5), for å danne en akustisk skjerm for de akustiske bølger som passerer gjennom den rørformede understøttelse (5), og anordninger for å opprettholde et trykk inne i den rørformede understøttelse (5) som i det vesentlige er lik det statiske trykk som hersker utenfor den piezo-elektriske sensor.

2. Sensor ifølge krav 1, karakterisert ved at innsiden av den rørformede understøttelse (5) inneholder minst ett stoff impregnert med en væske.

3. Sensor ifølge krav 2, karakterisert ved at innsiden av den rørformede understøttelse (5) inneholder et fiberaktig materiale.

4. Sensor ifølge krav 2, karakterisert ved at innsiden av den rørformede understøttelse (5) inneholder et porøst materiale.

5. Sensor ifølge krav 3, karakterisert ved at det fiberaktige materialet er laget av glassfiber.

6. Sensor ifølge krav 2, karakterisert ved at den rørformede under-støttelse (5), forsynt med minst ett følsomt element (1), er anbrakt inne i et forseglet hus (8) som er transparent for de akustiske bølger og er fylt med en væske, idet endene til den rørformede understøttelse (5) omfatter åpninger for å la den væske som fyller det forseglede hus (8), trenge inn i den rørformede understøttelse (5) .

7. Sensor ifølge krav 1, karakterisert ved at det følsomme element (1) er i form av en tynn film.

8. Sensor ifølge krav 7, karakterisert ved at minst ett følsomt element (1) er spiralviklet omkring den rørformede under-støttelse (5) .

9. Sensor ifølge krav 7, karakterisert ved at to følsomme elementer (1) er spiralviklet i motsatte retninger omkring den rørformede understøttelse (5).

10. Sensor ifølge noen av de foregående krav, karakterisert ved at elastisitetsmodulen til det materialet som utgjør den rørformede understøttelse (5), er valgt meget mindre enn den tilsvarende modul for det følsomme elementets substrat (2).

11. Sensor ifølge krav 10, karakterisert ved at tykkelsen til den rør-formede understøttelse (5) er valgt meget tynn i forhold til dens diameter.