專利名稱：壓電加速度檢波器的機(jī)芯的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地震勘探用檢波器，屬有源檢波器，尤其涉及一種壓電加速度檢波器的機(jī)芯。
背景技術(shù)：
地質(zhì)物探地震波信號中含高低頻分量。其中低頻分量較豐富。信號在地層內(nèi)傳播的過程中，高頻分量的能量損失較快，傳播愈遠(yuǎn)，損失比例愈大。高頻信號越弱，對勘探地層分辨率愈不利。目前，地質(zhì)物探技術(shù)已發(fā)展至高分辨勘探，高分辨勘探的瓶頸主要是對于深層、薄層高頻弱信號的采集，采集的源頭即是檢波器。物探行業(yè)使用的檢波器主要分為速度型檢波器和加速度型檢波器兩類。速度型檢波器對高低頻分量的接受能力相同，對衰減嚴(yán)重的高頻分量不易接受。加速度型檢波器對高低頻信號均有良好的接受能力，尤其對衰減嚴(yán)重的高頻信號的接受更具優(yōu)勢。加速度型檢波器，能提高高分辨率勘探效果，能更快、更準(zhǔn)確地反映探測層的地層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地下深層、淺層、薄層的高分辨率勘測。
現(xiàn)有的加速度型檢波器主要有下列兩類一類是電磁感應(yīng)式渦流加速度檢波器。如，中國專利87 1 05424；中國專利952 45142.5等。該類加速度檢波器是通過磁電渦流的二次感應(yīng)形成加速度信號輸出，結(jié)構(gòu)受彈性元件和質(zhì)量塊尺寸、重量等因素的限制，使自然頻率不能太小，工作頻率范圍受限，無法消除諧波失真，因此，加速度靈敏度難以提高。
另一類是采用慣性式加速度傳感器響應(yīng)原理的加速度檢波器。該類加速度檢波器有采用微機(jī)械加速度傳感器MEMS(Microelectro-mechanical Systems)的電容式微機(jī)械加速度傳感器，如，美國I/O公司的MEMS的微機(jī)械加速度傳感器(VectorSeisSVSM Module Digital Sensor)和中國專利03 2 16512.9等；有采用光電及光纖的加速度檢波器，如，中國專利03 1 00433.4；中國專利03 2 00396.X；中國專利03 236644.2等；還有壓電式加速度檢波器，如，西安石油大學(xué)研制的YD2000型陸用壓電地震加速度檢波器；中國專利93 2 32320.0；中國專利00 2 26749.7等。這類加速度檢波器的質(zhì)量塊的相對位移與被測振動的加速度成正比，因而可用質(zhì)量塊的位移來反映被測振動的加速度大小；其最大優(yōu)點(diǎn)是它具有零頻率持性，即理論上它的下限測量頻率為零，實(shí)際下限測量頻率也極低。此外，為使諧振頻率遠(yuǎn)大于被測振動頻率，加速度檢波器的尺寸、慣性體質(zhì)量可設(shè)計(jì)的很小，一般可小于1g，故對被測對象的附加影響非常小。但該類加速度檢波器采用的是傳統(tǒng)的無阻尼元件的的機(jī)械結(jié)構(gòu)，元件內(nèi)部的阻尼很小，一般ξ＜0.04，加速度傳感器幅頻特性的表達(dá)式如下A(ω)=zd2xdt2=zmxmω2=1ωn2[1-(ωωn)]2+[2ξ(ωωn)]2]]>其中A(ω)-加速度振幅；Zm-輸出位移；Xm-被測振動的位移量；ω-頻率；ωn-自然頻率(壓電傳感器ωn＞ω)；ξ-阻尼。
依據(jù)上述慣性式加速度傳感器幅頻特性的數(shù)學(xué)模型可視為無阻尼系統(tǒng)。在實(shí)際的地質(zhì)地震物探施工中，檢波器置于地表與大地耦合，使阻尼很小或無阻尼。高振幅輸出信號的加速度檢波器，會采集到了大量的俗稱“尾巴”的初始余震干擾信號。實(shí)踐中，要彌補(bǔ)這種阻尼的不足，要求施工使用的檢波器必須提供一定的阻尼，使檢波器輸出的初始波形的余震即“尾巴”盡可能小，以確保有效信號的真實(shí)采集。
中國專利03 2 50863.8公開了一種非磁感應(yīng)式地震檢波器，其是采用磁感應(yīng)渦流阻尼的“光學(xué)地震檢波器”，其磁場為可調(diào)式固定磁場，慣性體元件及彈性元件置于固定磁場之中。采用這種設(shè)計(jì)方案，信號采集與輸出采用的是光學(xué)器件；阻尼源與慣性體相分離，不能融為一體。實(shí)際規(guī)?；a(chǎn)時，產(chǎn)品工藝精度及產(chǎn)品性能的一致性不易確保。光學(xué)信號遠(yuǎn)距離傳輸?shù)某杀鞠鄬^高。
總之，滿足高分辨率采集求時，為彌補(bǔ)系統(tǒng)阻尼的不足，壓電加速度檢波器的慣性體質(zhì)量和阻尼是一對矛盾體?，F(xiàn)有技術(shù)中，自身慣性體質(zhì)量很小的壓電檢波器，由于其產(chǎn)生的彈性振動幅度相應(yīng)較小，故一般采用空氣阻尼；而采用較大慣性體質(zhì)量的壓電檢波器，由于其產(chǎn)生的彈性振動幅度相應(yīng)較大，一些對系統(tǒng)阻尼要求不高的產(chǎn)品，若允許對信號的分辨率要求不太高，采用空氣阻尼時，即可允許子波的余波長些。要使波形的振幅大，慣性體的質(zhì)量就必須增大；要使波形的余震即“尾巴”小，阻尼就必須足夠大?，F(xiàn)有技術(shù)無法使慣性體的質(zhì)量和阻尼同時具有較好的一致性，因而無法保證傳感器所采集到的波形的一致性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種壓電加速度檢波器的機(jī)芯，其解決了背景技術(shù)中阻尼源與慣性體相分離，無法使慣性體的質(zhì)量和阻尼同時具有較好的一致性，因而無法保證傳感器所采集到的波形的一致性，以及產(chǎn)品工藝精度及產(chǎn)品性能的一致性不易確保的技術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種壓電加速度檢波器的機(jī)芯，包括慣性體和壓電轉(zhuǎn)換元件；所述的壓電轉(zhuǎn)換元件由彈片6和分別固定于彈片6兩面的壓電晶片7構(gòu)成；其特征在于所述的慣性體由慣性體組件構(gòu)成；所述的慣性體組件設(shè)置于兩個壓電轉(zhuǎn)換元件之間，三者固定連接為一體；所述的慣性體組件包括絕緣帽8、固定螺絲10、永磁體11及導(dǎo)磁極靴12，所述慣性體組件中心的永磁體11嵌于兩個導(dǎo)磁極靴12之間，絕緣帽8嵌于導(dǎo)磁極靴12的外側(cè)，固定螺絲10分別穿過兩個壓電轉(zhuǎn)換元件的中心孔21將該兩個壓電轉(zhuǎn)換元件絕緣固定于兩個導(dǎo)磁極靴12的外側(cè)；所述的彈片絕緣震子架3設(shè)置于兩個絕緣間隔圈14之間，所述的壓電轉(zhuǎn)換元件和慣性體組件位于彈片絕緣震子架3和絕緣間隔圈14圍成的空間內(nèi)，并通過彈片6支撐固定于彈片絕緣震子架3和絕緣間隔圈14上；渦流環(huán)5嵌于彈片絕緣震子架3內(nèi)側(cè)。
上述渦流環(huán)5可嵌于導(dǎo)磁環(huán)4內(nèi)，所述的渦流環(huán)5與導(dǎo)磁極靴12之間設(shè)有一環(huán)型磁場間隙；所述的導(dǎo)磁環(huán)4與渦流環(huán)5一起嵌于彈片絕緣震子架3內(nèi)側(cè)。
上述慣性體組件中心的永磁體11可嵌于導(dǎo)磁分流環(huán)13內(nèi)，所述永磁體11和導(dǎo)磁分流環(huán)13設(shè)置于兩個導(dǎo)磁極靴12之間。
上述固定螺絲10和絕緣帽8之間可設(shè)置墊片9。
上述中心孔21可以是位于壓電轉(zhuǎn)換元件軸心的單孔，也可以由繞壓電轉(zhuǎn)換元件軸心均布的三個或多個孔構(gòu)成。
上述絕緣帽8可為一個，其嵌于兩個導(dǎo)磁極靴12之一的外側(cè)；上述絕緣帽8也可為兩個，該兩個絕緣帽8分別嵌于兩個導(dǎo)磁極靴12的外側(cè)。
上述壓電轉(zhuǎn)換元件、慣性體組件、彈片絕緣震子架3及絕緣間隔圈14外部可設(shè)置金屬殼19，所述壓電晶片7的一個極與金屬殼19通過導(dǎo)線相連接。
上述壓電晶片7的材質(zhì)可采用鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛或鈦酸鋇；上述彈片6的材質(zhì)可采用磷青銅、錫磷青銅或鈹青銅；上述永磁體11可采用釹鐵硼磁體或釤鈷磁體；上述渦流環(huán)5可采用銅或鋁。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明對深層、薄層的高頻弱信號具有很好的采集能力，同時又能兼顧低頻信號，且具有足夠的帶寬。帶寬為3～1500HZ。
2.慣性體的質(zhì)量和阻尼的一致性好，故傳感器采集到的波形一致性即同相軸好；慣性體的質(zhì)量大，采集到波形的振幅大；阻尼大，波形的余震即“尾巴”小。
3.采用大模量彈片，有利于壓電晶片的彎曲變形輸出高振幅信號；其形成的幅頻、相頻特性曲線良好，可近似達(dá)到零頻率特性，自身靈敏度具有6dB/oct的上升速率。
4.機(jī)芯采用磁感應(yīng)渦流阻尼，使阻尼具有較大的可調(diào)性和可控性，采集到波形的一致性好，波形的余震即“尾巴”小，充分滿足了高分辨率采集對地震波的要求。
5.磁感應(yīng)渦流阻尼引入初始信號的接收端，使采集到的有效信號不受損失。
6.采用兩個壓電轉(zhuǎn)換元件與磁感應(yīng)渦流阻尼的慣性體組件固定連接為一體，使壓電轉(zhuǎn)換元件及慣性體組件相對于磁場不會產(chǎn)生位移，既不產(chǎn)生不利于壓電傳感器性能的磁靈敏度輸出。
7.壓電晶片中心的固定孔結(jié)構(gòu)，使其與慣性體組件固連為一體，可確保產(chǎn)品工作的穩(wěn)定性和一致性，可滿足批量化生產(chǎn)的要求。
8.抗電磁場干擾能力強(qiáng)。將多個機(jī)芯同時置于一個封閉的金屬殼內(nèi)，并將壓電晶片的一個極與金屬殼固連，使機(jī)芯能較好地防護(hù)外部的各種電磁場干擾，使采集信號的品質(zhì)大大提高。
9.抗機(jī)械干擾能力強(qiáng)。金屬殼與護(hù)殼之間設(shè)置的減震材料，使機(jī)芯具有良好的抗機(jī)械干擾能力和較好的抗沖擊能力，進(jìn)一步提高了采集信號的品質(zhì)。
10.在本發(fā)明的輸出端連接有壓電阻抗變換器，可實(shí)現(xiàn)有效信號的遠(yuǎn)距離傳輸。


附圖為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)號說明1-護(hù)殼體，2-非導(dǎo)磁金屬環(huán)，3-彈片絕緣震子架，4-導(dǎo)磁環(huán)，5-渦流環(huán)，6-彈片，7-壓電晶片，8-絕緣帽，9-墊片，10-固定螺絲，11-永磁體，12-導(dǎo)磁極靴，13-導(dǎo)磁分流環(huán)，14-絕緣間隔圈，15-非導(dǎo)磁金屬環(huán)蓋，16-減震帽，17-護(hù)殼蓋，18-壓電阻抗變換器，19-屬殼，20-護(hù)殼，21-中心孔。
具體實(shí)施例方式
理想的檢波器既對深層、薄層的高頻弱信號有很好的采集能力，又能兼顧低頻信號，且具有足夠的帶寬，一般為3～1500HZ。本發(fā)明即依此設(shè)計(jì)慣性體的質(zhì)量和阻尼的一致性好，可保證傳感器所采集到波形的一致性即同相軸；慣性體的質(zhì)量大，所采集波形的振幅大；阻尼足夠大，所采集波形的余震即“尾巴”小。
本發(fā)明的信號采集與輸出采用的是壓電器件。慣性體由慣性體組件構(gòu)成，慣性體組件同時是能形成磁感應(yīng)渦流阻尼的阻尼源。慣性體組件設(shè)于兩個壓電轉(zhuǎn)換元件之間，使阻尼源與慣性體融為一體。當(dāng)慣性體質(zhì)量產(chǎn)生位移時，慣性體組件中的永磁體提供磁場，在渦流環(huán)中誘導(dǎo)出電流，形成渦流阻尼。采用渦流阻尼，慣性體質(zhì)量及渦流阻尼不僅精度高，易于控制，而且阻尼的形成使采集信號的幅度不受損失。另外，這種結(jié)構(gòu)的慣性體組件結(jié)構(gòu)簡單，受外界環(huán)境溫度的影響也很小。兩個壓電轉(zhuǎn)換元件與磁感應(yīng)渦流阻尼的慣性體組件固定連接為一體，使壓電轉(zhuǎn)換元件及慣性體組件相對于磁場不發(fā)生位移，即不會產(chǎn)生不利于壓電傳感器性能的磁靈敏度輸出。慣性體組件同時也給壓電轉(zhuǎn)換元件提供壓力位移信號。
參見附圖，本發(fā)明的慣性體由慣性體組件構(gòu)成。慣性體組件設(shè)置于兩個壓電轉(zhuǎn)換元件之間，三者固定連接為一體。
壓電轉(zhuǎn)換元件由彈片6和分別粘合于彈片6兩面的壓電晶片7構(gòu)成。壓電轉(zhuǎn)換元件用于輸出壓電加速度信號。慣性體組件由絕緣帽8、墊片9、固定螺絲10、永磁體11、導(dǎo)磁極靴12及導(dǎo)磁分流環(huán)13構(gòu)成。慣性體組件中心是一個永磁體11，永磁體11嵌于導(dǎo)磁分流環(huán)13內(nèi)，永磁體11和導(dǎo)磁分流環(huán)13設(shè)置于兩個導(dǎo)磁極靴12之間；兩個絕緣帽8分別嵌于兩個導(dǎo)磁極靴12的外側(cè)，通過兩個固定螺絲10將兩個壓電轉(zhuǎn)換元件分別固定于兩個導(dǎo)磁極靴12的外側(cè)；在固定螺絲10和絕緣帽8之間設(shè)置有墊片9。彈片絕緣震子架3設(shè)置于兩個絕緣間隔圈14之間，壓電轉(zhuǎn)換元件和慣性體組件由彈片絕緣震子架3和兩個絕緣間隔圈14支撐固定。導(dǎo)磁環(huán)4與嵌于導(dǎo)磁環(huán)4內(nèi)的渦流環(huán)5一起嵌于彈片絕緣震子架3內(nèi)側(cè)，并位于導(dǎo)磁分流環(huán)13外側(cè)。導(dǎo)磁環(huán)4和渦流環(huán)5之間留有一環(huán)型磁場間隙，則在渦流環(huán)5中可誘導(dǎo)出電流，形成渦流阻尼。本發(fā)明是組成壓電加速度檢波器的基本單元即機(jī)芯。一個、二個或多個機(jī)芯可依次串聯(lián)排列，再裝入金屬殼19內(nèi)。將機(jī)芯置于金屬殼19內(nèi)，可抗電磁干擾。金屬殼19可由非導(dǎo)磁金屬環(huán)2和兩端的非導(dǎo)磁金屬環(huán)蓋15組成。在金屬殼19上罩一減震帽16，可抗機(jī)械噪音干擾，抗沖擊。金屬殼19外部可設(shè)置護(hù)殼20。護(hù)殼20可由護(hù)殼體1和護(hù)殼蓋17構(gòu)成。壓電阻抗變換器18可設(shè)置于護(hù)殼20的外部，用于傳輸信號。為獲得高分辨率，壓電晶片7可選用溫度系數(shù)變化率較小的材料。在一40～+100℃之間，壓電晶片7受溫度變化影響的參數(shù)允差≤±5％，可確保機(jī)芯的靈敏度輸出允差≤±5％。故壓電晶片7具體可選用鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛或鈦酸鋇等，以鋯鈦酸鉛為優(yōu)。由于壓電晶片7是以彎曲變形的方式輸出，因此彈片6的彈性模量越大越好，具體可選用磷青銅、錫磷青銅或鈹青銅等，以鈹青銅為佳。本發(fā)明采用渦流阻尼，以保證阻尼有較大的可調(diào)性和可控性。其中渦流阻尼是由運(yùn)動的慣性體和固定的渦流環(huán)5相對運(yùn)動形成的。永磁體11以具有優(yōu)良磁性能的釹鐵硼磁體為佳，亦可選用釤鈷磁體等。渦流環(huán)5可選用導(dǎo)電率較高的紫銅。彈片6采用中心孔結(jié)構(gòu)，通過該中心孔21可用固定螺絲10將壓電轉(zhuǎn)換元件與慣性體組件固連為一體，以保證產(chǎn)品的可靠性和一致性。中心孔21也是工藝孔，用于實(shí)現(xiàn)芯體的無磁裝配。將壓電晶片7晶片的一個極與金屬殼19用導(dǎo)線連接，可使機(jī)芯對外部的各種電場干擾具有較好的抵抗能力。由于壓電檢波器具有較高的輸出阻抗，不利于信號的傳輸效果，因此在其輸出端連接有壓電阻抗變換器18。壓電阻抗變換器18可采用壓電跟隨器或電荷放大器，具體可根據(jù)用戶對傳輸距離的要求選定。
權(quán)利要求
1.一種壓電加速度檢波器的機(jī)芯，包括慣性體和壓電轉(zhuǎn)換元件；所述的壓電轉(zhuǎn)換元件由彈片(6)和分別固定于彈片(6)兩面的壓電晶片(7)構(gòu)成；其特征在于所述的慣性體由慣性體組件構(gòu)成；所述的慣性體組件設(shè)置于兩個壓電轉(zhuǎn)換元件之間，三者固定連接為一體；所述的慣性體組件包括絕緣帽(8)、固定螺絲(10)、永磁體(11)及導(dǎo)磁極靴(12)，所述慣性體組件中心的永磁體(11)嵌于兩個導(dǎo)磁極靴(12)之間，絕緣帽(8)嵌于導(dǎo)磁極靴(12)的外側(cè)，固定螺絲(10)分別穿過兩個壓電轉(zhuǎn)換元件的中心孔(21)將該兩個壓電轉(zhuǎn)換元件絕緣固定于兩個導(dǎo)磁極靴(12)的外側(cè)；所述的彈片絕緣震子架(3)設(shè)置于兩個絕緣間隔圈(14)之間，所述的壓電轉(zhuǎn)換元件和慣性體組件位于彈片絕緣震子架(3)和絕緣間隔圈(14)圍成的空間內(nèi)，并通過彈片(6)支撐固定于彈片絕緣震子架(3)和絕緣間隔圈(14)上；渦流環(huán)(5)嵌于彈片絕緣震子架(3)內(nèi)側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電加速度檢波器的機(jī)芯，其特征在于所述的渦流環(huán)(5)嵌于導(dǎo)磁環(huán)(4)內(nèi)，所述的渦流環(huán)(5)與導(dǎo)磁極靴(12)之間設(shè)有一環(huán)型磁場間隙；所述的導(dǎo)磁環(huán)(4)與渦流環(huán)(5)一起嵌于彈片絕緣震子架(3)內(nèi)側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電加速度檢波器的機(jī)芯，其特征在于所述慣性體組件中心的永磁體(11)嵌于導(dǎo)磁分流環(huán)(13)內(nèi)，所述永磁體(11)和導(dǎo)磁分流環(huán)(13)設(shè)置于兩個導(dǎo)磁極靴(12)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電加速度檢波器的機(jī)芯，其特征在于所述的固定螺絲(10)和絕緣帽(8)之間設(shè)置有墊片(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電加速度檢波器的機(jī)芯，其特征在于所述的中心孔(21)是位于壓電轉(zhuǎn)換元件軸心的單孔，或是由繞壓電轉(zhuǎn)換元件軸心均布的三個或多個孔構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電加速度檢波器的機(jī)芯，其特征在于所述的絕緣帽(8)為一個，其嵌于兩個導(dǎo)磁極靴(12)之一的外側(cè)；或所述的絕緣帽(8)為兩個，其分別嵌于兩個導(dǎo)磁極靴(12)的外側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電加速度檢波器的機(jī)芯，其特征在于所述的壓電轉(zhuǎn)換元件、慣性體組件、彈片絕緣震子架(3)及絕緣間隔圈(14)外部設(shè)置有金屬殼(19)，所述壓電晶片(7)的一個極與金屬殼(19)通過導(dǎo)線相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電加速度檢波器的機(jī)芯，其特征在于所述壓電晶片(7)的材質(zhì)為鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛或鈦酸鋇；所述彈片(6)的材質(zhì)為磷青銅、錫磷青銅或鈹青銅；所述的永磁體(11)為釹鐵硼磁體或釤鈷磁體；所述渦流環(huán)(5)的材質(zhì)為銅或鋁。
全文摘要
一種壓電加速度檢波器的機(jī)芯，其慣性體組件設(shè)于兩個壓電轉(zhuǎn)換元件之間，三者固連為一體。慣性體組件中心的永磁體嵌于兩導(dǎo)磁極靴間，絕緣帽嵌于導(dǎo)磁極靴外側(cè)，固定螺絲穿過壓電轉(zhuǎn)換元件的中心孔將兩個壓電轉(zhuǎn)換元件分別固定于兩個導(dǎo)磁極靴外側(cè)。壓電轉(zhuǎn)換元件和慣性體組件彈片支撐于彈片絕緣震子架和絕緣間隔圈上。渦流環(huán)嵌于彈片絕緣震子架內(nèi)側(cè)。本發(fā)明解決了背景技術(shù)中阻尼源與慣性體相分離，無法使慣性體的質(zhì)量和阻尼同時具有較好的一致性，以及產(chǎn)品性能的一致性不易確保的技術(shù)問題。由本發(fā)明構(gòu)成的壓電檢波器輸出振幅高，抗初始波形的余震即“尾巴”的能力強(qiáng)，頻帶寬，幾乎無失真，抗電磁、機(jī)械噪聲能力強(qiáng)。
文檔編號G01V1/18GK1800878SQ200410073598
公開日2006年7月12日 申請日期2004年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月31日
發(fā)明者朱軍 申請人:朱軍