（测试计量技术及仪器专业论文）压电检波器的理论与实验研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 压电检波器的理论与实验研究 测试计量技术 孟秀丽( 签名) 汉泽西( 签名) 摘要 随着全球经济的不断发展，石油作为最主要的能源，其战略地位越来越重要，全面 提高石油勘探技术，增加石油储量已经成为世界各国的当务之急。地震勘探检波器是石 油地震勘探工作的首要环节，它直接关系到能否得到良好的第一手地质信息采集资料的 质量，毫无疑问，它制约着石油地震勘探仪器的品质。各国专家认为：提高石油地震勘 探检波器的性能是构建高质量地震勘探仪器的关键。 常规检波器一般不仅存在“非线性化”失真的弊端，而且受到敏感度、灵敏度和信 噪比等指标的制约。深层石油勘探需要采用检波器组合方式，由此却带来勘探分辨率的 降低和地震信号的失真，从而降低了勘探精度。虽然国外一些公司近几年来推出了高精 度、高性能的数字检波器，但由于其价格昂贵和当前资料处理技术水平所限，大量推广 应用还有很大难度。而陆用压电地震检波器因其内部构造完全是刚性连结，又没有“弹 性元件和阻尼元件”，各部件之间无相对运动和变形，从而不产生波形畸变。因此它具有 高精度、高灵敏度、大动态范围、宽频带、抗干扰能力强的特点，适合在各种工况环境 下稳定工作的优点。因此压电检波器在石油地震勘探研发工作中具有特殊的现实意义。 本文主要就石油地震勘探中压电检波器的几个重要技术环节完成以下工作： l 。从传感器理论的视角深入分析了不同的地震检波器的工作原理和结构。 2 着重研析了压电检波器的工作原理以及结构，通过分析比较，凸显出压电检波器 的特质以及该类检波器广阔的市场前景。 3 对压电检波器的各项性能进行测试和模拟实验研究。实验结果表明，压电检波器 各项指标可以满足高精度地震勘探的要求。 关键词：地震检波器压电宽频带灵敏度 论文类型：应用基础 i i s u b j e c t ： 英文摘要 t h e o r ya n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fp i e z o e l e c t r i cg e o p h o n e s p e c i a l i t y ：t e c h n o l o g y & i n s t r u m e n t so ft e s ta n dm e a s u r e m e n t n a m e ： m e n gx i u l i ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：h a nz ex i ( s i g n a t u r e a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h eg l o b a le c o n o m y , o i la st h em a i ne n e r g yi t s s t r a t e g i cp o s i t i o ni sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n t ，i m p r o v ee x p l o r a t i o nt e c h n i q u e st oi n c r e a s et h e o i lr e s e r v e sh a v eb e e nb e c o m eat o pp r i o r i t ya r o u n dt h ew o r l d s e i s m i cd e t e c t o ri st h em o s t i m p o r t a n ta s p e c to fs e i s m i ce x p l o r a t i o n ，i td e t e r m i n e st h ea c q u i s i t i o no ft h ef i r s tg o o dd a t a t h e r ei sn od o u b t ，s e i s m i cd e t e c t o rr e s t r i c tt h eq u a l i t yo fo i ls e i s m i ce x p l o r a t i o n e q u i p m e n t e x p e r t sf r o ma l lo v e rt h ew o r l dt h a tb e l i v et oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fd e t e c t o ri st h ek e y t oi m p r o v et h eq u a l i t yo fs e i s m i cd e t e c t o r c o n v e n t i o n a ld e t e c t o ri s g e n e r a l l yt h ee x i s t e n c eo f ”n o n 1 i n e a r - b a s e d ”a n db yt h e s e n s i t i v i t y , s e n s i t i v i t ya n ds i g n a lt on o i s er a t i oc o n s t r a i n t s ，d e e pl a y e re x p l o r a t i o nm u s tb eu s e d i nc o m b i n a t i o n ，i tw i l lr e s u l ti nl o w e rr e s o l u t i o na n de x p l o r a t i o ns i g n a ld i s t o r t i o n w h i c h r e d u c e st h ee x p l o r a t i o np r e c i s i o n a l t h o u g hs o m ec o m p a n i e sa b r o a di nr e c e n ty e a r sl a u n c h e da h i g h - p r e c i s i o n ，h i g h p e r f o r m a n c ed e t e c t o r s ，b u tb e c a u s eo fi t sh i g hc o s ta n dt h ec u r r e n tl e v e l o fd a t ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i ti sv e r yd i f f i c u l tf o ral a r g en u m b e ra p p l i c a t i o n l a n du s e p i e z o e l e c t r i cd e t e c t o ro ni t si n t e m a ls t r u c t u r ei s c o m p l e t e l yr i g i dl i n k ，i nt h ea b s e n c eo f ”e l a s t i ce l e m e n t sa n dd a m p i n g c o m p o n e n t s ”，t h e r ei sn or e l a t i v em o v e m e n tb e t w e e ne a c hp a r t s a n dd e f o r m a t i o n ，s ow a v e f o r l nd i s t o r t i o nd o e sn o tp r o d u c en a t u r a l l y i th a sv a r i o u sa d v a n t a g e s s u c ha sh i g hp r e c i s i o n ，h i g hs e n s i t i v i t y , l a r g ed y n a m i cr a n g e ，b r o a d b a n d ，a n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y , s u i t a b l ef o ru s ei nav a r i e t yo fe n v i r o n m e n t a le t c s op i e z o e l e c t r i cd e t e c t o rr e s e a r c ho n t h ei n v e n t i o ni nt h eo i ls e i s m i ce x p l o r a t i o nw o r ki so f s p e c i a lp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , s e i s m i co i le x p l o r a t i o no nt h ep i e z o e l e c t r i cd e t e c t o ro fs e v e r a li m p o r t a n t t e c h n i c a la s p e c t so ft h ec o m p l e t i o no ft h ef o l l o w i n g ： 1 t h e o r yf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs e n s o r a n da n a l y s i ss e v e r ad e t e c t o r s w o r k i n g p r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e 2 a n a l y s i sp i e z o e l e c t r i cd e t e c t o r sw o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e ，f r o mt h ea n a l y s i sa n d c o m p a r i s o ns t u d yf o rt oh i g h l i g h tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp i e z o e l e c t r i cd e t e c t o ra n dt h ed e t e c t o r s u c hab r o a dm a r k e tp r o s p e c t s 3 p i e z o e l e c t r i c d e t e c t o ro nt h ep e r f o r m a n c et e s ta n ds i m u l a t i o ns t u d y , e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tp i e z o e l e c t r i cd e t e c t o rt a r g e t sh i g h - p r e c i s i o ns e i s m i ce x p l o r a t i o nt om e e tt h e i i i 英文摘要 r e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：d e t e c t o r , p i e z o e l e c t r i c i t y ，b r o a d b a n d ，s e n s i t i v i t y t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：蛆日期：兰碎：! ：兰 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：蛐 导师签名： 皇t l 谚 日期：婴z ：鲨 嗍：半卸 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 石油是一种可以流动的液体，是在沉积岩形成过程中由大量的有机物质沉积下来， 再加上适当的外部条件，形成分散的碳氢化合物，我们把这种碳氢化合物称为石油【。 石油是现代工业的基础，是一种重要的能源和战略资源，在现代社会中其重要性越来越 明显地显现出来，它影响和制约着世界各国经济，已经渗透到人类生活的方方面面。石 油工业不但是世界经济不可或缺的重要组成部分和投资的重要领域，而且已经成为推动 现代工业、运输业和经济发展的重要动力。近年来，随着工业现代化的飞速发展，人类 对石油的需求也随之急剧的增长，世界石油价格也在不断的大幅上涨，使得石油这种战 略资源更为各国所重视。许多国际争端，尤其像中东这样储存量丰富的地区，无论以何 种理由发动战争或引起纠纷，其真实意图都与争夺巨大的石油资源息息相关。因此，石 油已成为保障世界各国经济发展、政治稳定、军事安全的重要战略物资，制约着整个社 会的发展。人类对石油需求量的不断增加，致使不断的对地下石油进行开采，而在开采 的环节中，地震勘探技术是十分关键的。面对越来越复杂的地质构造及勘探目标的隐蔽 性，于是提高勘探技术已经成为世界各国的当务之急。 1 2 地震勘探的发展概况 所谓地震勘探1 2 j ，是一种采用人工的方法进行激发以产生地震波，并用特殊的仪器 研究地震波在地层中传播的情况，从而达到查明地下的地质构造的物探方法。它的具体 工作过程是通过人工激发弹性波场，然后接收、记录波场的数据，经分析处理后，来推 断地下地质参数。 地震勘探技术至今已有五十年多年的历史，从地震波的基本理论、仪器设备、野外 工作方法、处理技术至解释方法等各个方面都在不断的得到改进，不断的得到发展。这 个发展过程大致可以分为三个阶段【3 】： 第一阶段是用光点记录，并用人工整理资料。所谓光点记录，就是把地面震动的情 况用照相方法记录下来，这样得到的记录是“死”的，不能改变因素重新处理。得到的 原始资料质量低，资料全部由人工整理，故工作效率低，得到的资料精度也不高。 第二阶段是用模拟磁带记录，并用模拟电子计算机整理资料。模拟磁带记录就是把 地面振动情况，用与磁带录音机类似的方法以模拟的方式录制在磁带上，这种方式使得 资料整理工作实现了部分的自动化，资料整理也有了较大的提高，并可直接形象的反映 地下地质构造形态的地震时间剖面图。 第三阶段是用数字磁带记录，并用数字电子计算机整理资料。所谓数字磁带记录， 即记录野外采集到的地震波振幅的离散值，而不是记录连续波形。由于采用数字磁带记 录，从而大大提高了原始资料的质量。此外，使用数字电子计算机后，资料处理方法更 两安石油大学硕士学位论文 加完善、灵活、精确，资料整理的自动化程度和工作效率都获得大大提高，成果资料也 更加丰富。 在地震勘探的初期【2 1 ，是每道用一个检波器接收。五十年代利用了检波器组合技术， 即在一个接收点上用几个检波器，按一定的方式排列，把他们接收到的地震波叠加起来， 作为在该点接收到的地震信号，这种方法能有效地压制面波和微震之类的干扰。六十年 代中期，随着模拟磁带技术的应用，又提出了多次覆盖野外工作方法和共深度点叠加技 术，这种方法和数字地震技术的出现是现代地震勘探己发展到一个新水平的两个主要标 志。目前，我国的地震勘探技术正在朝着数字化方向迅速发展，但无论是仪器设备还是 运载工具都与世界先进水平相比还有较大的差距，因此我们在引进外国先进技术的同时， 还必须加强自身的技术力量，只有这样才能使得我国的地震勘探得到更好更快的发展， 才能在石油勘探中发挥更大的作用。 1 3 地震检波器概况 地震检波器在石油资源、煤炭资源等的勘探技术中发挥着重要的作用，它是一种将机 械振动转换为电信号的机电装置，是应用于地质勘探与工程测量领域的专用传感器1 6 】。 作为野外资料采集的第一个环节，其重要性是不言而喻的。地震检波器中模拟型系列的 检波器主要分为速度型、加速度型和压电型三种。人们通过不断的实践，已逐步认识到 地震检波器的性能已经成为制约高分辨率地震勘探数据采集的技术瓶颈，所以，提高检 波器的性能是提高数据采集质量技术的关键之一。 1 4 地震检波器的分类 常见的检波器有三种：陆地检波器、沼泽检波器和水中检波器。地震检波器的分类 方法很多，以下列举一些常见的方法【3 1 。 按工作原理上可分为动圈式、涡流式和压电式三种检波器【4 】。按应用环境可分为陆 地勘探的地面地震检波器【5 j 、应用于江河湖海中勘探的水中地震检波器、应用于地震测 井中的井中地震检波器。按输出特性也可分为可以分为速度型、加速度型和压电型三种 1 6 j 。从勘探方法上可以分为【8 】：纵波检波器和横波检波器。就品种而言，不仅有用于接 收纵波、横波的检波器，还有沼泽检波器、涡流检波器、三分量检波器和压电晶体检波 器。此外，地震检波器还可分为有源检波器和无源检波器。传统的机械动圈式与涡流检 波器都属于无源类检波器，而压电检波器属于有源类检波器。 1 5 地震检波器的国内外发展概况 地震检波器性能的提高和类型的改进与计算机技术发展和地震仪器的不断更新以及 地震勘探新技术、新方法的不断涌现紧密相关。地震检波器的发展大致经历了以下三个 阶段【3 1 1 9 1 1 9 7 8 年以前，地震检波器以窄频带( 1 4 6 0 h z ) 、低灵敏度( 3 0 d b ) 为主。 第一章绪论 8 0 年代中期，由于地震仪器实现数字化加之计算机数据处理也相继得到了发展，更重 要的是随着三维地震、高分辨率地震、v s p 地震测井等技术的相继出现，扩大了地震勘 探领域( 山地、戈壁、沙漠、滩海及海上) ，于是地震检波器在性能上发生了根本性的变化。 例如相继出现了一大批不同技术指标的高通检波器，从而使得检波器的灵敏度、自然频 率、失真系数、假频系数等技术指标都得到较大改进，其性能及使用范围也得到了大大提 高，适合各种环境勘探的检波器也相继研制成功并用于实际的勘探中。 8 0 年代中末期至现在，随着三维地震、高分辨率地震的日益成熟，而且相继出现了四维 地震、多波多分量勘探、井间地震等新技术和新方法，为与勘探环境和勘探方法相适应， 检波器的种类也越来越丰富，如三分量检波器、四分量检波器、涡流检波器、高性能的压 电检波器等相继都得到了发展并应用于地震勘探之中。 1 5 1 国内地震检波器的发展状况 我国地震检波器的生产，迄今为止也有五十多年的历史，在此发展的过程中，国内 的地震检波器大致经历了三个阶段【1 7 】 五、六十年代为仿制阶段，产品基本上是仿制苏联和美国的地震检波器； 七十年代为自行研制阶段，开始研制属于自己的地震检波器； 八十年代以后，为了适应高分辨率勘探的要求，西安石油勘探仪器总厂等单位先后 引进了具有国际先进水平的地震检波器的技术和设备，成功研制了达到同类产品国际先 进水平的具有1 0 0 0 h z 的宽频带、失真度小于0 1 等特点的“s n 7 c 系列超级检波器”， 使检波器得到了广泛的发展和应用。 目前我国研制的s q j 8 系列高频检波器( 6 0 、8 0 、1 0 0 h z ) 、三分量检波器、沼泽检波 器、c s g 系列地震检波器( 4 0 、6 0 h z ) 等品种地震检波器已经能适应各种勘探需要。 1 5 2 国外地震检波器的发展状况 1 9 9 3 年，荷兰s e n s o r 公司率先推出了与2 4 位遥测地震仪相配套的超级检波器s m - - 4 s h ( s u p e r p h o n e ) 3 】【1 0 1 ，失真系数由0 2 降低为o 1 以下。 1 9 9 3 年后，美国西方地球物理公司( w e s t e r g e o p h y s i c a l ) 推出的1 0 1 8 型检波器， 失真降低为0 1 2 。日本的o y o 公司推出了g s 一3 0 c t 超级检波器，失真小于o 1 2 ， 随后，又推出了g s - 3 2 c t 超级检波器。美国m a h k 公司为满足国际物探市场需要， 也积极开发超级检波器，1 9 9 5 年在s e g 杂志上宣布推出了一种低失真的m a r k 2 超级 检波器，开路涡流阻尼为6 8 2 5 。为减少失真，采用一种独特线架结构，磁钢选用 航天航空工业常用的高矫顽力、高剩磁、低温度系数的钐钴磁钢，失真系数小于0 0 5 ， 是代表目前国际先进水平的最新一代超级检波剁1 2 】。 1 9 9 4 年，s e n s o r 公司又推出了低失真s m 2 4 超级地震检波器，失真小于0 1 ， 是国际物探市场最早推向市场的真j 下能满足2 4 位数字地震仪的超级检波器。 两安彳i 油人学硕士学位论文 1 6 本课题研究的意义及内容 随着高精度地震勘探技术要求的提高和地震勘探复杂程度的增加，地震数据采集过 程中使用的地震检波器必须具备检测微弱地下信息的能力，即达到高精度和高分辨率勘 探。常规检波器，如磁电式检波器、动圈式检波器以及涡流式检波器的内部构造都是由 永久磁铁和线圈构成，基本上都是应用电磁感应原理，通过线圈和永久磁铁的相互作用 从而达到地震勘探的目的。但该类型的检波器受敏感性、灵敏度和信噪比的制约，深层 勘探必须组合使用，因此造成信号失真，从而不能满足高精度和高分辨率的地震勘探要 求。和传统的地震检波器相比，压电地震检波器的内部结构是没有“弹性元件和阻尼元 件”，其内部完全是刚性连结，各部件之间没有相对运动，也没有变形，自然不会产生波 形畸变，因此，从理论上来说压电检波器是一种“高保真度”的地震检波器，能够满足 高精度地震勘探的要求，在地震勘探或其他领域的探测有着非常重要的意义和良好的应 用前景，同时也为以后数字检波器的改良和发展奠定了良好的基础。 本课题研究的主要内容有： ( 1 ) 从传感器的理论出发，针对不同的传感器进行分析和比较，得出一种适用于高 精度和高分辨率地震勘探检波器的结构和制造工艺； ( 2 ) 分析传统的地震检波器与压电检波器的内部构造和工作原理，通过分析比较， 凸显出压电检波器的各项测试性能在理论上优于传统的检波器，满足高精度勘探的要求 和广阔的应用前景。 ( 3 ) 对压电地震检波器的实验样机在野外进行了测试实验，结果表明：压电检波器 在地震勘探频带范围内有良好的线性输出，各项性能指标满足高精度地震勘探的要求， 并且由于其价位比数字检波器低，因此压电检波器有更好和更广阔的市场。 4 第二章传感器原理与应用 第二章传感器原理与应用 2 1 传感器的定义 传感器( t r a n s d u c e r 或s e n s o r ) t 1 3 】【1 4 1 通常是由敏感元件和转换元件组成的能够感受 规定的被测量，并利用一定的物质法则进行能量与信息转换，使其成为可用输出信号的 器件或装置。因此，也可以把传感器狭义地定义为：能把外界非电量信息转换成电信号 输出的仪器或工具。 2 2 传感器的组成 通常，传感器由敏感元件和转换元件组成和信号调理电路三部分组成【1 4 】【1 5 】。但是随 着电子技术集成化的飞速发展，传感器的体积也就越来越小，于是将传感器的信号调理 电路安装在传感器的壳体内或者和敏感元件集成在同一个芯片之上。如图2 1 所示。 l 苎兰! 塑j 图2 1 传感器的组成 信号调理电路的种类要视传感器的类型或者转换元件的分类而定，通常采用的信号 调理电路有电桥、放大器、振荡器和阻抗变换器等。 2 3 传感器的分类 目前，市场上已发展起来的传感器用途纷繁、原理各异、形式多样，其分类方法也 有多种，但无论哪种传感器一般都是按照如下两种方法进行分类。一是按外界输入信号 转换至电信号过程中所利用的效应来分类【1 3 】。如利用物理效应进行转换的为物理传感 器；利用化学反应进行转换的为化学传感器；利用生物效应进行转换的为生物传感器等。 二是按输入量分类f 1 3 】【1 6 1 ，如温度传感器、振动传感器、位移传感器等。目前市场上流行的 传感器的种类如表2 1 所示【1 4 】。 西安石油大学硕士学位论文 表2 - 1 传感器的分类 分类法型式说明 分别以转换中的物理效应、化学效应 按基本效应分物理型、化学型、生物型 等命名 结构型( 机械式、感应式等)以敏感元件结构参数变化实现信号转 按传感机理分 物理型( 压电、热电等)换 能量转换型( 臼源性) 传感器输出量直接由被测量能量转换 按能量关系分 能量控铝0 型( 外源霉! ) 而得 按作用原理分麻变式、电容式、压电式等以传感器对信号转换的作用原理命名 按功能性质分 力敏、热敏、磁敏、光敏等 以对被测量的敏感性质命名 按功能材料分固态、光纤膜、超导等以敏感功能材料的名称或类别命名 按输入量分位移、压力、温度、流龉等以被测量命名( 即按用途分类法) 按输出量分模拟式、数字式输出量为模拟信号或数字信号 无论按何种类型分的传感器，都是作为测量与控制系统的首要环节，通常都必须满 足快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换的基本要求，即：传感器的工作范围或量 程足够大，具有一定的过载能力，也就是说传感器必须要具有足够大的容量；除此之外 还必须具有灵敏度高、精度适当、响应速度快、工作稳定、可靠性好、适应性强以及使 用经济等优点，这样以来生产出来的传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求 达到一定的抗干扰能力并且便于使用、维修和校准等。 2 4 磁电式传感器 2 4 1 磁电式传感器概述 磁电式传感器【1 4 】( m a g n e t o e l e c t r i ct r a n s d u c e r ) 是不需要辅助电源而利用电磁感应原 理就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号。换句话说，磁电式传感器是一种 将输入运动速度或磁量的变化变换成感应电势输出的自源传感器，有时也称作电动式或 感应式传感器。其工作原理是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或互感的改变来 实现测量的。这种传感器的最大特点是：由于其具有较大的输出功率，故配用电路较简 单、灵敏度和分辨率高、重复性好及性能稳定等特点；但是此种检波器频率响应低，不 适于快速动态测量。 2 4 2 磁电式传感器的基本原理与结构 根据电磁感应定律，当w 匝线圈在均恒磁场内运动时，设穿过线圈的磁通量为， 则线圈内的感应电动势e 与磁通变化率竺；有如下关系： 6 第二章传感器原理与应用 p ：一w 塑( 2 1 ) d t 根据电磁感应原理，磁电式传感器分为磁通式和恒磁通式两种结构来构成测量线速 度或角速度的磁电式传感器。在恒磁通式结构中，磁路系统由圆柱形永久磁铁和极掌、 圆筒形磁轭及空气隙组成，气隙中的磁场均匀分布，测量线圈绕在筒形骨架上，经膜片 弹簧悬挂于气隙磁场中。当工作气隙中的磁通恒定，感应电势线圈切割磁力线即永久磁 铁与线圈之间有相对运动而产生。当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电 势e 为 p = b l v ( v )( 2 2 ) 式中，b 气隙磁场感应强度( 丁) ； ，_ 气隙磁场中有效匝数为w 的线圈总长度( m ) 为，= l a w ( t o 为每匝线圈的平 均长度) ： ，一线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度( m s 1 ) 。 其灵敏度为：s ：兰：尉 永久磁铁 图2 - 2 磁电式传感器结构图 2 4 3 磁电式传感器的动态特性 根据图2 2 所示，将磁电式传感器等效为一个由集中参数m 为线圈组件组成的质量 块、弹簧弹性系数k 、由金属线圈骨架相对磁场运动产生的电磁阻尼c 组成的二阶系统， 如图2 3 所示。 7 西安石油大学硕士学位论文 图2 - 3二阶系统力学模型图 对图2 - 3 所示的二阶系统来分析磁电式传感器的动态特性如下： 设而为振动物体绝对位移，为质量块的绝对位移，则当测量物体振动时，质量块 与振动体之间的相对位移为x t = 一x o ，根据牛顿第二定律可知质量块的运动方程为： 聊争+ 每+ = c 鲁+ ( 2 - 3 ) 当输入为x o 时，由上式可求出输出和相对于质量块之输出i t 经过拉氏变换的传递函数 为( s ) 。当输入信号为j 下弦波时， 。 其幅频特性和相频特性分别为： 彳c 缈，= j 专i = 式中：= 而为固有频率； g = c 2 x - 赢为阻尼比。 其频响特性曲线如图2 4 所示。 其频率传递函数经过付式变换为王( 缈) ，所以 ( 旦) 2 2 孝( 旦) 认叻，一断1 高 8 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 第二章传感器原理与应用 a ( ) i = i x , i x i 2 5 1 o o 5 o 2 o 1 9 ( ) i ( b ) 图2 4 磁电式传感器的频晌特性 ( a ) 幅频特性；( b ) 相频特性 对于结构确定的磁电式传感器，相关的参数都可以看作常数，当输入一定的电压时可 以方便的求出它的输出以及它的输出特性如图2 5 所示。 振动速度v 图2 5 磁电式传感器的输出特性 由图2 4 可以得出，当被测物体的振动频率国低于传感器的固有频率，即叫 1 时，图2 5 中段，传感器的灵敏度随频率而明显的变化。当被测物体振动频率远 高于传感器的固有频率时，图2 - 5 中的k 段，灵敏度趋于平缓状态，基本上不随频 9 两安石油人学硕士学位论文 率变化，接近为一常数。这时的频率可视为传感器的工作频段，或称作频响范围，在这 一频率范围内，因为传感器的输出电压与振动速度成正比，所以这时的传感器是一个理 想的速度传感器。但当频率更高时，会引起线圈阻抗的增加，此时的灵敏度也随着频率 的增加而下降。 2 5 压电式传感器 压电式传感器【1 3 】【1 6 】( p i e z o e l e c t r i cs e n s o r ) 是一种典型的以具有压电效应的压电器件 为核心组成的传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的 表面上产生电荷，从而实现非电量电测的目的。它的传感元件是力敏感元件，所以能测 量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器的具有以下 的应用特点【1 4 】： ( 1 ) 灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简单、牢固，可靠性好，寿命长； ( 2 ) 体积小，重量轻，刚度、强度、承载能力和测量范围大，动态响应频带宽，动态 误差小； ( 3 ) 易于大量生产，便于选用，使用和校准方便，并适用于近测、遥测。 由于压电式传感器具有以上优点，加之可以把力、压力、加速度等许多非电量转换 为电量。因此在工程力学、生物医学、电声学、航天等许多技术领域中获得了广泛的应 用，是一种测量振动和冲击的理想传感器。针对不同的领域有不同的要求，因此产生了 型式繁多的压电传感器。其中以单端中心压缩型、倒置中心压缩型、隔离基座压缩型、 环形剪贴型等为主。 2 5 1 压电式传感器工作原理 压电传感器结构【l6 】一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种，其截面如图 2 6 所示。 运 动 方 向 图2 - 6 压电式传感器的截面图 1 0 第二章传感器原理与应用 压电式传感器工作原理【1 4 1 是：测量时，将传感器基座5 与被测物体固定在一起。当 传感器感受到振动时，通过螺母3 对呈环形状的质量块2 进行预先加载，使之压紧在压 电陶瓷上。由于弹簧的刚性相当大，而质量块的质量m 相对较小，因此可以认为质量块 的惯性很小，于是与传感器基座受到相同的振动力，而且会受到与加速度方向相反的惯性 力的作用，由牛顿第二定律可知此力为f = m a 。这样，质量块就有一正比于加速度的惯 性力作用在压电元件上。由于压电片具有压电效应，因此，在它的两个表面上就产生与 加速度成正比的由电极1 引出的输出信号一电荷q ( 或电压u ) 即q = d 。f ，由于f = m a ， 于是 q = 4 l m a ( 2 - 5 ) 式中 吐，一压电常数： m 一质量块质量； 口一试件振动加速度。 由于传感器输出电荷量与试件的加速度成j 下比，所以压电式传感器的电荷灵敏度系 数k 与电压灵敏度系数杨分别为 疋：里：监：4 。肌 。 aa ( 2 6 ) 墨，：垒：d l l m ( 2 7 ) 。 c dc o 其中e 一传感器的内部电容； 由上式可见，在质量一定的情况下，提高压电式传感器的灵敏度，只有通过选用较大 的m 和d 来提高灵敏度。但是质量的增加，随之带来体积的增大，将会对被测对象的构成 一定的影响，也会造成传感器本身的固有频率下降，频宽减少，因此最好的途径是改变压 电常数从而实现灵敏度的改变，通常多采用较大电压常数的材料或把两片基片重叠放置 并按串联或并联的组合方法改变压电常数来提高灵敏度。 2 5 2 压电式传感器的频率响应 与磁电式传感器相似，压电式传感器的结构模型也是可以简化为由集中质量m 、集 中弹簧刚度k 和集中阻尼c 的一个单自由度二阶力学系统，如图2 7 所示。 两安石油大学硕士学位论文 图2 7 压电式传感器的二阶力学系统 其数学模型为 氅+cdx+kx：(2-8)m - m a + c 一十 2 c i t d l 式中朋一压电元件质量； c 一等效阻尼系数； j | 一等效刚度系数； x 一质量块相对于基座位移的振幅； 口一惯性力引起的振幅( 即振动体加速度的振幅) 。负号表示惯性力与加速度方 向相反。 根据式( 2 4 ) 和二阶质量弹簧系统的幅频特性和相频特性可知：质量加速度引起质量 块位移的幅值为： 争 ( 2 9 ) 质量块的位移滞后于加速度的相位角为 一一端( 2 - 1 0 ) 式中 缈一振动角频率； 一传感器的角频率； 孝一相对阻尼系数。 由于相对位移x 就是压电元件的变形量，在弹性范围内，如果作用在压电元件上的 第二章传感器原理与应用 惯性力为f ，压电元件本身的刚度系数为巧，则有f = k ，x 。因此产生力一电转换，电 元件表面产生的电荷q = 丸f = 屯k r x ，于是有 x q 1 n ad m n k y 将上式带入式( 2 9 ) 变换后则成为 其中： q a 为压电式传感器的电荷灵敏系数& 。 压电式传感器的频率响应特性如图2 8 所示。 ( 2 1 1 ) 一 逸 0 10 20 5 4 口j 铂 图2 8 压电式传感器的频率响应特性 由式( 2 1 1 ) 可以看出，当被测体振动频率国远小于传感器的固有频率时， 旦堡錾，传感器的相对灵敏度为常数，基本不随工作频率变化，此时传感器的频率 瞄 为理想工作状态。当压电式传感器的放大器高频截至频率远大于传感器的固有频率时， 由于压电式传感器具有很高的固有频率，因此其高频上限由传感器的固有频率决定，所 以压电式传感器的高频响应特性特别好，频响范围宽。而输出回路的时间常数决定它的 低频响应特性，所以，当时间常数越大，低频响应性能就会越好。 2 6 压电式传感器的应用效果分析 两安石油大学硕十学位论文 将磁电式传感器和压电式传感器原理分别应用于地震勘探中的磁电式检波器和压电 检波器，然后对磁电式检波器和压电检波器进行野外采集实验，野外的实验结果得出压电 检波器与磁电式检波器的幅频特性曲线和相频特性曲线对比图分别如图2 - 9 、图2 1 0 所 示。 蛐 蝴 、 趔 f l 匝 号 亏了 簿 一 簿 c 州 剑 t n - r * 频率( r i z )，、l 图2 - 9 压电检波器与1 0 h z 传统检波器的幅频特性曲线 频率( r l z ) 图2 1 0 压电检波器与1 0 h z 传统检波器的相频特性曲线 由图2 - 9 和图2 1 0 可以看出：由磁电式传感器和压电式传感器原理制成的检波器在 地震勘探的频带范围内，压电检波器与传统磁电式检波器频响特性相比，压电检波器的低 频和高频响应特性都较好，幅频特性曲线较为平坦，说明压电检波器的输出为一常数，其 灵敏度稳定性也较好，即具有较大的动态范围。而磁电式检波器需要经过一段时间才能 达到稳定状态，即说明在低频段磁电式检波器的输出有削弱趋势，故存在非线性失真，其 灵敏度较低。 对于相频特性，压电检波器的相位差极小，而磁电式检波器的相位则随频率的升高 1 4 第二章传感器原理与应用 有相应的相移，即信号存在一定得衰减，由此可知压电检波器与磁电式检波器相比有较好 相位一致性，因此接收到的信号相位失真极小，能基本真实的反应地层的特征，这对于高 分辨力地震勘探更为有利。 压电式传感器是以压电系数较大的压电陶瓷作为压电元件，通过压电陶瓷片将机械 振动转换为电信号的机电转换器，属于加速度型传感器，基本结构主要包括内部两个压电 陶瓷和个质量块。当传感器工作时，质量块对压电晶体产生压力，从而在压电晶体两端 产生电压。和磁电式传感器相比，压电式传感器结构中无磁钢和线圈弹簧等可动部件，全 部零件都是钢性连接在一起，各零件间没有相对运动和变形，因此，不存在假频和谐波失 真问题，且有较宽的动态范围和频带，所以压电式传感器是一种高保真度的传感器，且内 部的敏感元件采用了叠层组合结构，大大地提高了它的灵敏度。 两安石油大学硕+ 学位论文 第三章几种典型地震检波器的工作原理及工艺研究 地震检波器【1 2 】【7 】是为了接收和记录地震波而专门设计的一种精密的物理、电子组合 装置。它的性能的好坏直接影响着地震记录质量和地震资料的解释工作，是地震仪野外 数据采集的关键部件。在陆地上进行地震勘探时，即接收到的地震波将地面的机械 振动变为相应的电模拟信号( 电流和电压) ，通过小线和大线传送到地震仪中；在海上( 水 中) 进行地震勘探，则将接收到的地震波水压的变化变为相应的电模拟信号，通过 电缆传送到地震仪中。因此，地震检波器是一种将机械振动转换为电信号的机电转换装 置，以最大的逼真度产生地面运动垂直分量的电模拟，是应用于地质勘探及工程测量领 域的专用传感器。 通常，根据机电转换原理，可将常用的检波器分为三类【1 7 】【6 】：即变磁通式( 或动圈 式) 、变磁阻式、压电式。由于动圈式检波器的输出电压与线圈相对磁铁的运动速度成 正比，这种检波器也叫速度检波器。也可以根据用途不同，也可把地震检波器分为地面 检波器、沼泽检波器和井中检波器等【1 9 】【2 0 】。 地震检波器是任何一种地震勘探仪器都不可缺少的一个重要组成部分，而且它的性 能将直接决定着整台地震仪的性能。因此，地震检波器在地震仪中所处的地位和起的作 用是十分重要的。 3 1 动圈式速度检波器 3 1 。1 动圈式检波器的结构和工作原理 动圈式地震检波器的原理结构如图3 1 所示： ( a ) 外形；( b ) 内部结构 图3 1 动圈式地震检波器的结构 线圈：由铜漆包线绕在框架上而成，有两个输出端，它也是地震检波器的关键部件； 弹簧片：由特制的磷青铜片做成一定的形状，具有线性弹性系数，它使线圈与外壳 连接在一起，使线圈对磁钢形成一相对运动体一惯性体； 1 6 第三章几种典型地震检波器的工作原理及工艺研究 磁钢：为圆柱形，具有很强的磁性，用来产生磁场，它是地震检波器的关键部件； 外壳：由软铁材料制成，具有一定形状，它使磁钢与外壳构成闭合磁路； 动圈式检波器的工作原理：由于线圈通过弹簧片与外壳连接构成一个对磁钢的相对 运动体惯性体，线圈又处在磁钢与外壳的缝隙磁场中，当外壳受到外力作用而运动 时，线圈要对磁钢做相对运动而切割磁力线，从而有电压输出，其大小随检波器外壳振 动而变化，振动幅度越大，感应电动势也大。根据电磁感应定律，在线圈中会产生感应电动 势e ，且电动势e 与线圈和磁钢的相对运动速度成正比，即 e ：n 坐：坐鱼：g 鱼( 3 1 ) d l出md l 式中：一线圈的匝数 矽一通过线圈的磁通量 x 一惯性体的相对位移量 g 一检波器的机电耦合系数： 若检波器与外路相连时，线圈中会有感生电流，此感生电压和感生电流即为地震检 波器的输出电信号。由于感生电压与线圈匝数和线圈相对于磁场运动的速度成正比，因 此也称此检波器为速度检波器。 这种结构有如下优点【5 】： ( 1 ) 线圈架上有两组绕向相反、相互串联的线圈，两线圈具有严格的匹配特性，以 便保证动态平衡，检波器内部的感应完全抵消，即双线圈在工作时，两线圈的感生电动 势相加，外界干扰磁场在线圈中产生的感生电动势相互抵消； ( 2 ) 用上下两个环形弹簧片支撑线圈架，使之受力均匀并减少横向振动； ( 3 ) 磁铁两端盖有磁靴，以便增加磁场强度并使磁场强度分布均匀。 3 1 2 动圈式检波器的特性 同样将动圈式检波器等效为一个集中参数“m c k ”的二阶系统1 5 】，其中：质量 块m 为线圈组件，k 为弹簧弹性系数。阻尼c 大多是由金属线圈骨架相对磁场运动产生 的电磁阻尼提供的。测量物体振动时，检波器壳体与振动体连接在一起随被测体一起振 动。 将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入地震检波器，其输出正弦信号的幅值、 相位与频率之间的关系称为频率响应特性。 设输入幅值为x 、角频率为缈的正弦量 x = xs i n o g t 则获得的输出量为 y = y s i n ( c o t + 伊) 1 7 西安石油人学硕十学位论文 式中， 】，、缈一分别为输出量的幅值和初相角。 将检波器的应用转换为由弹簧( 后) 、阻尼( c ) 和质量( m ) 组成的二阶系统， 当外力f 作用时，其运动微分方程为： _ d 2