勘察仪器及原理 第三章 第一节 第二节ok

1、勘勘 查查 仪仪 器器 原原 理理教师：教师： 王旭王旭Email：第三章第三章 测量系统基本部件测量系统基本部件 在第二章里，我们学习了测量仪器的基在第二章里，我们学习了测量仪器的基本理论，第三章我们将学习组成测量系统的本理论，第三章我们将学习组成测量系统的基本部件。绪论里，给出了数据采集系统的基本部件。绪论里，给出了数据采集系统的硬件组成，知道组成数据采集系统的前端部硬件组成，知道组成数据采集系统的前端部件是传感器，所以本章就从传感器学起。件是传感器，所以本章就从传感器学起。第一节第一节传感器基本概念传感器基本概念 近年来，电子技术、生物技术、新材料、近年来，电子技术、生物技术、新材料、新

2、能源受到各国的高度重视。由于半导体和新能源受到各国的高度重视。由于半导体和集成电路的进步，电子技术在计算机和电信集成电路的进步，电子技术在计算机和电信方面齐头并进，并且与计算机结合组成了全方面齐头并进，并且与计算机结合组成了全球性通信网络，以高质量和高速度收集、加球性通信网络，以高质量和高速度收集、加工、储存和传递信息，使社会信息化，这就工、储存和传递信息，使社会信息化，这就是所谓的信息革命。是所谓的信息革命。 众所周知，在信息社会里，各行各业和众所周知，在信息社会里，各行各业和人们日常生活中所遇到的信息，绝大部分是非人们日常生活中所遇到的信息，绝大部分是非电量的，对于这些非电量信息，即使能检

3、测出电量的，对于这些非电量信息，即使能检测出来也难以放大、处理和传输。为此就要有一种来也难以放大、处理和传输。为此就要有一种特殊功能器件，它不仅能灵敏地检测有关信息特殊功能器件，它不仅能灵敏地检测有关信息而且还能够把它转换成便于计算机或电子仪器而且还能够把它转换成便于计算机或电子仪器所接收和处理的电信号，具备这种功能的器件所接收和处理的电信号，具备这种功能的器件就叫就叫传感器。传感器。 “没有传感器就没有现代科学技术没有传感器就没有现代科学技术”的观的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向测系统就像神经和感官一样，源

4、源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。人们认识自然、改造自然的有利工具。“阿波罗阿波罗10”：阿波罗阿波罗10号是人类首次号是人类首次带着一套完整的阿波罗航天器（阿波罗带着一套完整的阿波罗航天器（阿波罗8号未携带登月舱）环绕月球，也可以称号未携带登月舱）环绕月球，也可以称得上是登月最后的得上是登月最后的“彩排彩排”（阿波罗（阿波罗11号两个月内成功登月）。号两个月内成功登月）。 火箭部分火箭部分-2077个传感器个传感器飞船部分飞船部分-1218个传感器个传感器3.1.13.1.1传感器传感器 以电子技术、计算机

5、技术为基础的各种电以电子技术、计算机技术为基础的各种电量、非电量的测量是现代测试最重要的测量方量、非电量的测量是现代测试最重要的测量方法，它的发展水平是衡量一个国家科学技术水法，它的发展水平是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。而在测试系统中，首先要平的重要标志之一。而在测试系统中，首先要考虑的是考虑的是如何获取被测信号的部件如何获取被测信号的部件传感器传感器，它在测量系统中占有重要的位置，关系到测量它在测量系统中占有重要的位置，关系到测量系统的成败与精度。系统的成败与精度。一、定义一、定义 何谓传感器？生物体的感官就是天然何谓传感器？生物体的感官就是天然的传感器，如人的五官与皮肤，分别具

6、有的传感器，如人的五官与皮肤，分别具有视、听、嗅、味、触觉，人的大脑通过感视、听、嗅、味、触觉，人的大脑通过感官感知外部世界。在工程科学技术领域，官感知外部世界。在工程科学技术领域，可以认为传感器是人体五官工程模拟物，可以认为传感器是人体五官工程模拟物，又称之为电五官。又称之为电五官。如：如： 光敏传感器光敏传感器-视觉视觉 声敏传感器声敏传感器-听觉听觉 气敏传感器气敏传感器-嗅觉嗅觉 化学传感器化学传感器-味觉味觉 压敏、温敏、流体传感器压敏、温敏、流体传感器-触觉触觉 另外，还有人类没有能力感知的紫外或红另外，还有人类没有能力感知的紫外或红外线辐射，感觉不到的电磁场，无色、无味的外线辐射

7、，感觉不到的电磁场，无色、无味的气体等，所以机器人的感知比人强。气体等，所以机器人的感知比人强。 从传感器的作用来看，实质上就是代替人从传感器的作用来看，实质上就是代替人体的体的5种感觉种感觉( (视、听、触、嗅、味视、听、触、嗅、味) )器官的装器官的装置。人们把外界信息通过五官接收进来，传递置。人们把外界信息通过五官接收进来，传递给大脑，在大脑中处理信息，作出一个给大脑，在大脑中处理信息，作出一个“结结果果”，发出指令。，发出指令。在电子设备中完成这一过程时，计算机相在电子设备中完成这一过程时，计算机相当于大脑，传感器作为电脑的五官，就像人的当于大脑，传感器作为电脑的五官，就像人的眼、耳、

8、鼻、舌、皮肤那样可以搜集各种信息，眼、耳、鼻、舌、皮肤那样可以搜集各种信息，这些信息送入电脑后，由电脑进行判断处理，这些信息送入电脑后，由电脑进行判断处理，并发出各种控制信号去控制执行机构。并发出各种控制信号去控制执行机构。 关于传感器的定义，国际电工委员会定义关于传感器的定义，国际电工委员会定义为：为：传感器是测量系统中的一种前置部件，它传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。将输入变量转换成可供测量的信号。国标国标传传感器通用术语感器通用术语中，定义为：中，定义为：能感受规定的被能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的测量并按照一定的规律转换成可用

9、输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器：传传感器：传-传递信息；感传递信息；感-感受被测量；感受被测量；器器-器件。器件。 这里所谓的这里所谓的“可供测量的信号可供测量的信号”、“可用输出信号可用输出信号”是指便于处理、传输是指便于处理、传输的信号。当今电信号最易于处理，便于的信号。当今电信号最易于处理，便于传输，因此可把传感器狭义定义为：传输，因此可把传感器狭义定义为：能能把外界非电信息转换成电信号输出的器把外界非电信息转换成电信号输出的器件。件。若人类跨入光子时代，光信息成为若人类跨入光子时代，光信息成为便于传输、处理的可用信号

10、，传感器定便于传输、处理的可用信号，传感器定义发展为：义发展为：转换成转换成光信号光信号输出器件。输出器件。 总之，传感器是一种检测装置，能感总之，传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节它是实现自动检测和自动控制的首要环节, ,是被测量信号输入的第一道关口，进入传是被测量信号输入的第

11、一道关口，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。扰信号和噪声。 传感器是获取信息的主要途径与手段，没传感器是获取信息的主要途径与手段，没有传感器，现代化生产就失去了基础；有传感器，现代化生产就失去了基础； 传感传感器是边缘学科开发的先驱，传感器已渗透到诸器是边缘学科开发的先驱，传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，

12、以至各种复杂的工程系统，几乎每一的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。指一个能将被测的非电量变换成电量的器件。指一个能将被测的非电量变换成电量的器件。 将温度转换为电压的传感器将温度转换为电压的传感器热电偶热电偶n传感器：传感器：物理量物理量电量电量传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头等。器、探头等。烟雾传感器烟雾传感器压阻式液位压阻式液位传感器传感器光敏传感器光敏传感器

13、红外人体探红外人体探测器测器风力参数风力参数传感器传感器地震检波器地震检波器反射式光反射式光敏传感器敏传感器磁、气、力磁、气、力敏传感器敏传感器超声超声传感器传感器指纹传感器指纹传感器二、分类：二、分类： 传感器一般根据物理学、化学、生物传感器一般根据物理学、化学、生物学等特性、规律、效应设计而成的。由某学等特性、规律、效应设计而成的。由某一原理设计的传感器可以同时测量多种非一原理设计的传感器可以同时测量多种非电量；而有时，一种非电量又可用几种不电量；而有时，一种非电量又可用几种不同的传感器测量。如电容传感器可测压力、同的传感器测量。如电容传感器可测压力、加速度、温度等；而压力这个非电量可用加

14、速度、温度等；而压力这个非电量可用电容传感器、压电传感器来测量，因此，电容传感器、压电传感器来测量，因此，传感器的分类方法很多，常按如下几种方传感器的分类方法很多，常按如下几种方法分类：法分类：1、按工作原理分类：、按工作原理分类：a)a)物理传感器物理传感器利用某些元件的物理性利用某些元件的物理性质及某些功能材料的特殊物理性质制成的质及某些功能材料的特殊物理性质制成的传感器。如，电阻传感器、磁电传感器、传感器。如，电阻传感器、磁电传感器、压电传感器、光电传感器等。压电传感器、光电传感器等。b)b)化学传感器化学传感器利用电化学反应原理利用电化学反应原理的传感器，如，气敏传感器、湿度传感的传感

15、器，如，气敏传感器、湿度传感器等。器等。c)c)生物传感器生物传感器利用生物活性物质选利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感择性的识别和测定生物化学物质的传感器，如，酶传感器、免疫传感器等。器，如，酶传感器、免疫传感器等。2 2、按能量的关系分：、按能量的关系分：a)a)有源传感器有源传感器将非电能量转换为电能将非电能量转换为电能量，不需外接的能源或激励源，如，压电量，不需外接的能源或激励源，如，压电式、热电式、电磁式等。式、热电式、电磁式等。b)b)无源传感器无源传感器又称能量控制型传感器，又称能量控制型传感器，被测非电量仅对传感器中能量起控制作用，被测非电量仅对传感器中能量起

16、控制作用，所以它们必须有辅助电源，如，电阻式，所以它们必须有辅助电源，如，电阻式，电容式，电感式等。电容式，电感式等。3 3、按输出信号的性质分：、按输出信号的性质分：a)a)模拟传感器模拟传感器输出信号为模拟量。输出信号为模拟量。 b)b)数字传感器数字传感器输出信号为数字量。输出信号为数字量。 地震检波器，有模拟的，数字的。数地震检波器，有模拟的，数字的。数字传感器便于与计算机连用，且抗干扰性字传感器便于与计算机连用，且抗干扰性强，如光栅传感器。强，如光栅传感器。三、传感器的组成三、传感器的组成被测信息被测信息输出信息输出信息敏感敏感元件元件信号调信号调节电路节电路敏感元件：敏感元件：能直

17、接地感受某种物理、化学、生物的信能直接地感受某种物理、化学、生物的信息。息。这种元件通常是利用材料的某种敏感这种元件通常是利用材料的某种敏感效应制成的。敏感元件可以按输入的物理效应制成的。敏感元件可以按输入的物理量来命名，如热敏（热敏电阻器）、量来命名，如热敏（热敏电阻器）、辅助电路辅助电路转换转换元件元件光敏、（电）压敏、（压）力敏、磁敏、气敏、湿敏光敏、（电）压敏、（压）力敏、磁敏、气敏、湿敏元件。在电子设备中采用敏感元件来感知外界的信息，元件。在电子设备中采用敏感元件来感知外界的信息，可以达到或超过人类感觉器官的功能。敏感元件是传可以达到或超过人类感觉器官的功能。敏感元件是传感器的核心元

18、件。感器的核心元件。 转换元件转换元件: : 能将敏感元件所感受出的信息直能将敏感元件所感受出的信息直 接转换成电信号的部分。接转换成电信号的部分。 如把位移变换成电压、电阻、电容或电感。如把位移变换成电压、电阻、电容或电感。说明：说明：敏感元件和转换元件之间并无严格的界限。如敏感元件和转换元件之间并无严格的界限。如热电偶传感器，它是直接感知温度变化的敏感元件，热电偶传感器，它是直接感知温度变化的敏感元件，但它又直接将温度转换为电量，又同时是转换元件。但它又直接将温度转换为电量，又同时是转换元件。辅助电路：辅助电路：信号调节电路：信号调节电路：把转换元件输出的电信号变换把转换元件输出的电信号变

19、换成为便于记录、显示、处理和控制的有用信号成为便于记录、显示、处理和控制的有用信号的电路，又称的电路，又称“信号调理电路信号调理电路” ” 或或 “ “测量测量电路电路”。如：电桥、放大器、振荡器、阻抗变如：电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等。换器、脉冲调宽电路等。 通常包括电源，即交、直流供通常包括电源，即交、直流供电系统。电系统。 最简单的传感器由一个敏感元件最简单的传感器由一个敏感元件( (兼转换元兼转换元件件) )组成，它感受被测量时直接输出电量，如热组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶及一些光电传感器。有些传感器由敏感元电偶及一些光电传感器。有些传感器由敏感元件和

20、转换元件组成，没有转换电路，如压电式件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。件不只一个，要经过若干次转换。四、传感器发展方向四、传感器发展方向1、向微型化、集成化、数值化、智能化的方、向微型化、集成化、数值化、智能化的方向发展向发展 在很多场合，要求传感器有尽可能小的尺在很多场合，要求传感器有尽可能小的尺寸，如生物医学中放入人体的传感器，采用集寸，如生物医学中放入人体的传感器，采用集成电路使传感器微型化；智能

21、传感器是将传感成电路使传感器微型化；智能传感器是将传感器的器的拾取信息拾取信息功能和微机的功能和微机的信息处理信息处理功能结合功能结合在一起的传感器。在一起的传感器。 计算机是电子技术和逻辑学的高度集成，计算机是电子技术和逻辑学的高度集成，计算机与传感器的有机结合，就是智能传感器。计算机与传感器的有机结合，就是智能传感器。智能传感器实际上就是带微机的仪器，不智能传感器实际上就是带微机的仪器，不仅能完成传感和信号处理任务，而且还有自诊仅能完成传感和信号处理任务，而且还有自诊断、自恢复功能。敏感元件与微机有机地结合断、自恢复功能。敏感元件与微机有机地结合创造出新的功能，而且使信号在敏感元件附近创造

22、出新的功能，而且使信号在敏感元件附近就能进行局部处理，从而减轻了就能进行局部处理，从而减轻了CPU和传输线和传输线路的负担，提高了效率。路的负担，提高了效率。发展智能传感器发展智能传感器传感器传感器+ +嵌入式计算机嵌入式计算机 智能传感器智能传感器 振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络智能压力网络传感器传感器IC总线数字温度总线数字温度传感器传感器声发射智能探头声发射智能探头感应式位置传感器感应式位置传感器 内部诊断功能使传感器能提内部诊断功能使传感器能提供故障的预指示供故障的预指示 与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：与一般传感器相比，智能传感器具有以

23、下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；低；具有一定的编程自动化能力；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。功能多样化。 2 2、向多维、多功能、阵列化方向发展、向多维、多功能、阵列化方向发展 目前的传感器主要用来测量目前的传感器主要用来测量一个点一个点的参数，的参数，但在科学技术和工程上有时需要测量但在科学技术和工程上有时需要测量一条线一条线上上或或一个面一个面上的参数，因此需要相应研究二维、上的参数，因此需要相应研究二维、三维的传感器。三维的传感器。 在有些场合，希望在某一点同时测量两个在有些场合，希望在某一点同时测量两个参数

24、，甚至更多的参数，因此，就要求能有测参数，甚至更多的参数，因此，就要求能有测量多参数的传感器，如日本开发的可同时检测量多参数的传感器，如日本开发的可同时检测钠离子、钾离子、氢离子的传感器，可同时检钠离子、钾离子、氢离子的传感器，可同时检测血液中的钠、钾、氢离子浓度，对诊断心血测血液中的钠、钾、氢离子浓度，对诊断心血管疾患有很大意义。管疾患有很大意义。发展多功能传感器发展多功能传感器以前认为一个传感器只能把单一的物以前认为一个传感器只能把单一的物理量转换成电信号，现在研究的传感器是理量转换成电信号，现在研究的传感器是利用一个传感器能同时检测几种物理量并利用一个传感器能同时检测几种物理量并分别转换

25、成相应的电信号。分别转换成相应的电信号。例如某国研制了一种多功能气体传感例如某国研制了一种多功能气体传感器，它可以同时测量气体的温度和湿度。器，它可以同时测量气体的温度和湿度。温度变化引起传感器电容量的变化，湿度温度变化引起传感器电容量的变化，湿度变化引起传感器电阻的改变，其特性曲线变化引起传感器电阻的改变，其特性曲线和等效电路如下图所示。和等效电路如下图所示。温度温度-湿度传感器的特性曲线及等效电路湿度传感器的特性曲线及等效电路传感器的电阻值和电容量的变化，分别表示气传感器的电阻值和电容量的变化，分别表示气体温度和湿度的变化量。体温度和湿度的变化量。发展图像传感器发展图像传感器在大多数情况下

26、一个敏感元件只能获取一在大多数情况下一个敏感元件只能获取一个点的信息，这是很不够的，许多应用场合要个点的信息，这是很不够的，许多应用场合要求传感器传感一个被测源所发出的全部信息，求传感器传感一个被测源所发出的全部信息，亦即要求传亦即要求传“像像”或或“状态的识别状态的识别”。因此，。因此，要求传感器能将物体二维、三维或四维要求传感器能将物体二维、三维或四维( (包含包含时序时序) )的图像转换成电信号，这就是所谓的图像转换成电信号，这就是所谓“图图像传感器像传感器”。数码相机不用胶卷，而是使用数码相机不用胶卷，而是使用传感器传感器将将光光转化为电荷转化为电荷 医学中用的射线计算机断层摄影装置医

27、学中用的射线计算机断层摄影装置( CT)、超声计算机断层摄影超声计算机断层摄影(UCT)、放射性核素计算机断、放射性核素计算机断层摄影装置层摄影装置(RCT)以及核磁共振成像装置以及核磁共振成像装置(NMRCT)都是多维传感的实例。目前固体图像传感器发展都是多维传感的实例。目前固体图像传感器发展突出，正取代摄像管。它具有体积小、重量轻、寿命突出，正取代摄像管。它具有体积小、重量轻、寿命长、分辨率高、功耗低、残留图像少、图像不变形、长、分辨率高、功耗低、残留图像少、图像不变形、不易受电磁场干扰、信号易处理等优点。不易受电磁场干扰、信号易处理等优点。（数码摄像机通过感光元件将光信号转变成电流，再（

28、数码摄像机通过感光元件将光信号转变成电流，再将模拟电信号转变成数字信号，由专门的芯片进行处将模拟电信号转变成数字信号，由专门的芯片进行处理和过滤后得到的信息还原出来就是我们看到的动态理和过滤后得到的信息还原出来就是我们看到的动态画面了）画面了）3、发展化学传感器和生物传感器、发展化学传感器和生物传感器 由于科学技术不断深入发展，除了以物理由于科学技术不断深入发展，除了以物理量为检测参数的物理传感器外，又出现了以化量为检测参数的物理传感器外，又出现了以化学物质成分为检测参数的化学传感器。学物质成分为检测参数的化学传感器。现有的化学传感器主要是利用敏感材料与现有的化学传感器主要是利用敏感材料与被测

29、物质中分子、离子相互接触时引起材料表被测物质中分子、离子相互接触时引起材料表面势、电极电位、表面化学反应直接或间接地面势、电极电位、表面化学反应直接或间接地转换为电信号。转换为电信号。 近近20年，由于生物医学工程的迅速发展，年，由于生物医学工程的迅速发展，出现了检测生物体内化学成分的生物传感器。出现了检测生物体内化学成分的生物传感器。它是由分子识别部分它是由分子识别部分(感受器感受器)和信号变换部分和信号变换部分组成的。分子识别部分用来识别测定对象，是组成的。分子识别部分用来识别测定对象，是产生某些物理变化或化学变化的重要部位，是产生某些物理变化或化学变化的重要部位，是传感器进行选择性检测的

30、基础。信号变换部分传感器进行选择性检测的基础。信号变换部分是把在分子识别部分产生的变化变成电位或电是把在分子识别部分产生的变化变成电位或电流信号的功能部位，有时它与分子识别部分分流信号的功能部位，有时它与分子识别部分分离，有时则合为一体。离，有时则合为一体。已经研制出的生物传感器有：已经研制出的生物传感器有：酶传感器酶传感器器官传感器器官传感器组织传感器组织传感器 微生物传感器微生物传感器免疫传感器免疫传感器酶热敏电阻酶热敏电阻 发光酶传感器发光酶传感器这些传感器将有力地促进医学基础研究、这些传感器将有力地促进医学基础研究、临床诊断和环境医学的发展。临床诊断和环境医学的发展。生物酶血样分析传感

31、器生物酶血样分析传感器荧光材料制荧光材料制作的电子鼻作的电子鼻传感器传感器 对于一种被测量，常常有多种传感器可以对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、光纤温度传感器等好多种。热电阻、热敏电阻、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单、可靠性等因素进行取舍，尽可能选择简单、可靠性等因素进行取舍，尽可能选择性性能价格比高能价格比高的传感器。的传感器。 五、传

32、感器的选用五、传感器的选用六、六、 传感器的基本特性传感器的基本特性基本特性：传感器的输出与输入之间的关系。基本特性：传感器的输出与输入之间的关系。 由于输入信号的不同，传感器所呈现出来由于输入信号的不同，传感器所呈现出来的输入的输入输出特性也不同，因此存在输出特性也不同，因此存在静态特性静态特性和动态特性和动态特性两种情况。两种情况。静态特性指标：静态特性指标：线性度、灵敏度、重复性、线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨力。迟滞、分辨力。(1) (1) 频率响应特性：频率响应特性：输入：输入：输出：输出：频率响应特性频率响应特性频率响应函数：频率响应函数： )()()()( jeAjXjYjH

33、系统频率特性：系统频率特性：稳态输出与输入幅值之比和两者相位差是输入频率的稳态输出与输入幅值之比和两者相位差是输入频率的函数：函数：幅幅-频频、相相频频正弦信号正弦信号-一系列，频率不同，幅值相等一系列，频率不同，幅值相等正弦信号正弦信号-观察：幅值、相位、频率观察：幅值、相位、频率 动态特性：动态特性：(2) (2) 阶跃响应特性：阶跃响应特性：输入输入：阶跃信号：阶跃信号输出输出：阶跃响应：阶跃响应 以上我们学习了传感器的基本概念，以上我们学习了传感器的基本概念，现在结合本课程内容，给同学们介绍地震现在结合本课程内容，给同学们介绍地震勘探中所使用的传感器勘探中所使用的传感器地震检波器。地震

34、检波器。3.1.23.1.2地震检波器地震检波器 大家都知道由地下深层反射回来的地震波大家都知道由地下深层反射回来的地震波的能量非常非常弱，我们怎样接收和测量这种的能量非常非常弱，我们怎样接收和测量这种能量呢？接收微弱地震波的第一步是用灵敏度能量呢？接收微弱地震波的第一步是用灵敏度很高的地震检波器，它甚至能将其旁边一根小很高的地震检波器，它甚至能将其旁边一根小草的摆动所引起的振动记录下来。检波器怎样草的摆动所引起的振动记录下来。检波器怎样将这种微小的振动接收下来，并展示给我们看将这种微小的振动接收下来，并展示给我们看呢？我们先做个最简单的实验：呢？我们先做个最简单的实验： 我们会发现，随着磁棒

35、的移动，灯泡也随我们会发现，随着磁棒的移动，灯泡也随之被点亮，说明灯泡中有电流流过，磁棒移动之被点亮，说明灯泡中有电流流过，磁棒移动越快，灯泡越亮。磁棒移动的快慢代表了电流越快，灯泡越亮。磁棒移动的快慢代表了电流的强弱。这相当于线圈在磁场中运动，只要穿的强弱。这相当于线圈在磁场中运动，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，就能在线圈两过闭合电路的磁通量发生变化，就能在线圈两端产生电动势，从而有电流流动，人们就是利端产生电动势，从而有电流流动，人们就是利用这种方法使机械振动能量变成容易测量并展用这种方法使机械振动能量变成容易测量并展示出来的电能。地震勘探用的电磁型检波器正示出来的电能。地震勘探用的电

36、磁型检波器正是利用这种原理制作出来的。是利用这种原理制作出来的。 应用这样的检波应用这样的检波器在地面上，按一定器在地面上，按一定间距埋置众多检波器，间距埋置众多检波器，并用它来接收地震波，并用它来接收地震波，多重记录和处理可制多重记录和处理可制作成地震剖面。在剖作成地震剖面。在剖面上不仅能看出地层面上不仅能看出地层高低起伏不平，还能高低起伏不平，还能看到由于地壳运动形看到由于地壳运动形成的断层。成的断层。放线工放线工在插在插检波器检波器 所以地震检波器是一种将机械振动转换为所以地震检波器是一种将机械振动转换为电能的机电转换装置。由于各种检波器的设计电能的机电转换装置。由于各种检波器的设计不同

37、，因而，灵敏度和频率特性也不同，所以，不同，因而，灵敏度和频率特性也不同，所以，形成了不同的检波器型号。现在陆地用的几乎形成了不同的检波器型号。现在陆地用的几乎都是都是动圈式电磁型动圈式电磁型检波器，目前又开发了检波器，目前又开发了数字数字检波器检波器；沼泽或海洋中使用的检波器都是；沼泽或海洋中使用的检波器都是压电压电式的检波器式的检波器，也有人将海洋地震勘探中使用的，也有人将海洋地震勘探中使用的检波器称为检波器称为水听器水听器。 所以所以, ,地震检波器的定义是地震检波器的定义是: :地震检波器地震检波器是把传是把传输到地面或水中的地震波转换成电信号的传感输到地面或水中的地震波转换成电信号的

38、传感器，是一种机电转换装置，是地震仪的辅器，是一种机电转换装置，是地震仪的辅助设备，是地震仪野外数据采集的关键部件。助设备，是地震仪野外数据采集的关键部件。检波器的外形、规格、型号在细节上各有不同，检波器的外形、规格、型号在细节上各有不同，但大致可分为几大类：从使用环境上可分为陆但大致可分为几大类：从使用环境上可分为陆上检波器、沼泽检波器、海上检波器；从工作上检波器、沼泽检波器、海上检波器；从工作原理上分为电磁感应式检波器、压敏检波器、原理上分为电磁感应式检波器、压敏检波器、数字检波器；按输出信号所跟踪的物理量不同数字检波器；按输出信号所跟踪的物理量不同来分，有速度检波器、加速度检波器。来分，

39、有速度检波器、加速度检波器。常规地震检波器有常规地震检波器有: :磁电、涡流、压电、压阻式；磁电、涡流、压电、压阻式；新型的有：新型的有：MEMS（微电子机械系统）式的数（微电子机械系统）式的数字检波器、字检波器、FBG( (布拉格光栅布拉格光栅) )检波器。检波器。后者与常规的相比具有高频响应好、动态范围后者与常规的相比具有高频响应好、动态范围宽、抗电磁干扰、灵敏度高的特点，因此是未宽、抗电磁干扰、灵敏度高的特点，因此是未来检波器发展的主流。来检波器发展的主流。 地震检波器作为地震勘探的第一道工地震检波器作为地震勘探的第一道工序，对地震勘探数据采集的质量起到十分序，对地震勘探数据采集的质量起

40、到十分重要的作用。限于课时，在这里只给同学重要的作用。限于课时，在这里只给同学们介绍两种检波器，一种是陆上常用检波们介绍两种检波器，一种是陆上常用检波器，一种是水中常用检波器。器，一种是水中常用检波器。地震检波器地震检波器水路两用水路两用dB系列防浪沼泽地震检波器系列防浪沼泽地震检波器 : dB防浪沼泽地震检波器是适用防浪沼泽地震检波器是适用于陆上、沼泽、海滩及浅湖泊等环境下使用的地震检波器。因于陆上、沼泽、海滩及浅湖泊等环境下使用的地震检波器。因此，对检波器的防水性和抗环境干扰能力要求特别高。为了达此，对检波器的防水性和抗环境干扰能力要求特别高。为了达到到防渗漏、抗干扰、防潮湿、抗拉伸防渗漏

41、、抗干扰、防潮湿、抗拉伸的目的，的目的，dB防浪沼泽地震防浪沼泽地震检波器机体选用性能优良的合金材料，内部防水密封面采用独检波器机体选用性能优良的合金材料，内部防水密封面采用独特的倒梯形和挤压空气结构，配合抗拉强度高、耐裂性强、密特的倒梯形和挤压空气结构，配合抗拉强度高、耐裂性强、密封可靠的阻水剂电缆和电缆锁紧装置，从而使封可靠的阻水剂电缆和电缆锁紧装置，从而使dB防浪沼泽地震防浪沼泽地震检波器绝缘电阻可达检波器绝缘电阻可达100M dB系列沼泽地震检波器串系列沼泽地震检波器串 : dB系列沼泽地震检波器串是适用系列沼泽地震检波器串是适用于陆上、沼泽、海滩及浅湖泊等环境下使用的地震检波器串。于

42、陆上、沼泽、海滩及浅湖泊等环境下使用的地震检波器串。因此，对检波器的防水性能要求特别高。为了达到因此，对检波器的防水性能要求特别高。为了达到防渗漏、防防渗漏、防潮湿、抗拉伸潮湿、抗拉伸的目的，的目的，dB系列沼泽地震检波器串机体选用性能系列沼泽地震检波器串机体选用性能优良的改性尼龙材料，内部防水密封面采用独特的倒梯形结构，优良的改性尼龙材料，内部防水密封面采用独特的倒梯形结构，配合抗拉强度高、耐裂性强、密封可靠的阻水剂电缆和电缆锁配合抗拉强度高、耐裂性强、密封可靠的阻水剂电缆和电缆锁紧装置，从而使紧装置，从而使dB系列沼泽地震检波器串绝缘电阻可达系列沼泽地震检波器串绝缘电阻可达100M以上。以

43、上。一、电动式地震检波器一、电动式地震检波器1、结构与外形、结构与外形 此种检波器是陆上地震勘探常用的一此种检波器是陆上地震勘探常用的一种检波器，它的外形如下图种检波器，它的外形如下图陆用陆用盖盖垫垫接线板接线板密封套密封套芯体芯体壳壳电缆电缆尾锥尾锥内部结构如下图：内部结构如下图：。塑料盖塑料盖磁铁磁铁线架线架线圈线圈弹簧片弹簧片这种检波器由永久磁铁、这种检波器由永久磁铁、线圈、弹簧片、外壳组线圈、弹簧片、外壳组成。磁铁与外壳连在一成。磁铁与外壳连在一起起, ,线圈通过弹簧片固定线圈通过弹簧片固定到外壳上。磁铁具有很到外壳上。磁铁具有很强的磁性强的磁性, ,是检波器的关是检波器的关键部件；线

44、圈由铜漆包键部件；线圈由铜漆包线绕在框架上而成线绕在框架上而成, ,有两有两个输出端；弹簧片由个输出端；弹簧片由特特制制的磷青铜做成一定的形状的磷青铜做成一定的形状, ,具有线性弹性系数具有线性弹性系数, ,它使线圈与塑料盖连在一起使线圈与磁铁形成它使线圈与塑料盖连在一起使线圈与磁铁形成一相对运动体一相对运动体, ,也叫惯性体。也叫惯性体。2 2、检波器工作原理、检波器工作原理 当地震波引起地表介质震动时当地震波引起地表介质震动时, ,检波器检波器外壳连同磁铁随介质质点一起震动外壳连同磁铁随介质质点一起震动, ,而线圈而线圈由于惯性不随外壳由于惯性不随外壳同时同时运动运动, ,于是便产生了于是

45、便产生了线圈与磁铁的相对运动线圈与磁铁的相对运动, ,线圈切割磁力线便线圈切割磁力线便产生感生电动势产生感生电动势, ,进而产生感生电流进而产生感生电流, ,其作用其作用相当于小小相当于小小“发电机发电机”，将机械能转换成电，将机械能转换成电能。能。3、运动方程的建立、运动方程的建立 地震检波器运动方程的建立，以及其基本思路要地震检波器运动方程的建立，以及其基本思路要从地震检波器的功能入手。地震检波器的功能是将地从地震检波器的功能入手。地震检波器的功能是将地面的机械振动转换为相应的电动信号。面的机械振动转换为相应的电动信号。检波器内部各组成部分的运动关系图检波器内部各组成部分的运动关系图因此，

46、研究地震检波器就应该首先找出地震因此，研究地震检波器就应该首先找出地震检波器检波器输出电压和地面运动输出电压和地面运动的关系，而地震的关系，而地震检波器输出的电压是由于线圈相对磁铁运动检波器输出的电压是由于线圈相对磁铁运动切割磁力线产生的，所以关键是要找出切割磁力线产生的，所以关键是要找出地面地面运动与线圈运动的关系运动与线圈运动的关系。 地震波传到地面后，假设地面相对其原地震波传到地面后，假设地面相对其原来位置产生一个向上位移来位置产生一个向上位移 z .如忽略检波器与如忽略检波器与地面的耦合问题，即认为检波器外壳与地面地面的耦合问题，即认为检波器外壳与地面一起运动，则地面的位移就是检波器外

47、壳的一起运动，则地面的位移就是检波器外壳的位移，而磁铁又是同外壳固定在一起的，位移，而磁铁又是同外壳固定在一起的，所以此时磁铁也相对所以此时磁铁也相对其原位置产生一个向其原位置产生一个向上位移上位移z . 显然，显然，惯性惯性体体也会相对其原来的也会相对其原来的位置产生一个向上的位置产生一个向上的位移位移y，由于惯性的原，由于惯性的原因，惯性体的位移将因，惯性体的位移将小于小于地面的位移，于地面的位移，于是弹簧被拉长是弹簧被拉长x ，即，即线圈相对磁铁有一个线圈相对磁铁有一个向下的位移向下的位移x，检波器检波器内各部分的运动关系内各部分的运动关系为为 y = z + x（矢量相加）（矢量相加）

48、此时，线圈及框架组成的此时，线圈及框架组成的惯性体受到如下外力的作惯性体受到如下外力的作用：用：1)1)弹簧克服惯性体重力后的弹簧克服惯性体重力后的拉力拉力FkFk = -k x式中式中 k弹簧的弹性系数，负号表示弹簧的弹性系数，负号表示Fk与与x方向相反方向相反。2)2)线圈受到的电磁阻尼力线圈受到的电磁阻尼力 根据法拉第定律，线圈相对磁铁运动时，根据法拉第定律，线圈相对磁铁运动时，线圈产生的感应电动势为线圈产生的感应电动势为 dtdxsdtdxdxdndtdnE 式中式中 -线圈磁通量；线圈磁通量； n-线圈匝数；线圈匝数； s-机电转换系数，即机电转换系数，即dxdns 对低频地震信号而

49、言，线圈的感抗很小可以忽略，对低频地震信号而言，线圈的感抗很小可以忽略，因此线圈中的感应电流为因此线圈中的感应电流为式中式中 Rc线圈内阻；线圈内阻； R0线圈负载电阻。线圈负载电阻。由楞次定律可知：当线圈中有电流流过时，线圈将受由楞次定律可知：当线圈中有电流流过时，线圈将受到阻止其运动的电磁力到阻止其运动的电磁力FL ,且且RERREic0dtdxRssiidxdnFL2 3 3）铝制线圈架受到的电磁阻尼力）铝制线圈架受到的电磁阻尼力 圆筒形铝制线圈架可看作是一个单匝闭合线圈。圆筒形铝制线圈架可看作是一个单匝闭合线圈。当线圈架随同线圈一起在磁场中运动时，线圈架内将当线圈架随同线圈一起在磁场中

50、运动时，线圈架内将产生涡流（产生涡流（涡流是一种电磁感应现象，大块的导体在涡流是一种电磁感应现象，大块的导体在磁场中运动或处在变化的磁场中，都要产生感应电动磁场中运动或处在变化的磁场中，都要产生感应电动势，形成涡流，用图来表示这个感应电流，看起来就势，形成涡流，用图来表示这个感应电流，看起来就象水中的旋涡，所以我们把它叫做涡流象水中的旋涡，所以我们把它叫做涡流），磁场对此），磁场对此涡流的作用力也将阻止线圈架运动，由上式可知，这涡流的作用力也将阻止线圈架运动，由上式可知，这种电磁阻尼力与线圈相对磁铁的运动速度种电磁阻尼力与线圈相对磁铁的运动速度dxdt成正成正比，方向相反比，方向相反, ,即即

51、dtdxFT 式中式中 比例系数。比例系数。空气阻力比空气阻力比 FT 小得多，可忽略不计。小得多，可忽略不计。线圈架组成的惯性体运动符合牛顿第二定律，即线圈架组成的惯性体运动符合牛顿第二定律，即F = M adtdxRskxFFFFTLK)(2 )(222222dtxddtzdMdtydMMa22222)(dtzdMkxdtdxRsdtxdM即即: :化为一般式有化为一般式有2220222dtzdxdtdxhdtxd 式中式中 h-衰减系数，衰减系数，MRsh22 0 0 -自然频率，也自然频率，也称无阻尼振荡频率称无阻尼振荡频率MK /0 (A)衰减系数与自然频率之比称为阻尼系数，简称衰减

52、系数与自然频率之比称为阻尼系数，简称DD = h0上式上式（A) )反映了线圈运动与地面运动的关系，反映了线圈运动与地面运动的关系，称为称为电动式检波器的运动方程电动式检波器的运动方程，在此基础上可，在此基础上可进一步导出电动式检波器输出电压与地面运动进一步导出电动式检波器输出电压与地面运动的关系的关系输出电压方程。输出电压方程。4、输出电压方程和固有振动、输出电压方程和固有振动电动式检波器的输出电压为电动式检波器的输出电压为 000RRERRREVc将将代入上式得：代入上式得：dtdxGdtdxsRRV00式中式中sRRG00RERREic0dtdxsdtdxdxdndtdnE 将将（A)

53、)式式对对 t 再取一次导数，然后将上两式代再取一次导数，然后将上两式代人得人得 上式即为电动式检波器的上式即为电动式检波器的输出电压方程输出电压方程。对上式两边对对上式两边对 t 取一阶导数和二阶导数得取一阶导数和二阶导数得220dtxdGdtdV33022dtxdGdtVd和和33020222dtzdGVdtdVhdtVd （B) )解此齐次微分方程，可求得解此齐次微分方程，可求得地震波过后地震波过后，电动，电动式检波器输出电压的式检波器输出电压的固有振动形式固有振动形式。（检波器接收到一个地震信号后将产生振动，其振动检波器接收到一个地震信号后将产生振动，其振动可分为两部分：强迫振动和固有

54、振动。固有振动是在可分为两部分：强迫振动和固有振动。固有振动是在地震信号停止振动后，由于机械惯性作用，使检波器地震信号停止振动后，由于机械惯性作用，使检波器线圈处于固有振动状态，在阻尼作用下，振动幅度是线圈处于固有振动状态，在阻尼作用下，振动幅度是递减的。固有振动的特点是输入信号消失后，输出要递减的。固有振动的特点是输入信号消失后，输出要延续一段时间。）延续一段时间。）令上式右边等于零则令上式右边等于零则022022VdtdVhdtVd 齐次方程式齐次方程式( (上式上式) )的特征方程为的特征方程为 r2 + 2hr + 02 = 0根据特征根形式不同，响应分下面三种情根据特征根形式不同，响

55、应分下面三种情况进行讨论：况进行讨论：a)当当D= h/0 1时，特征方程有两个不相等时，特征方程有两个不相等的实根，即的实根，即22221 hhhro,式中式中2022 h上面齐次方程的通解为：上面齐次方程的通解为：)(tthttrtrececeececV22212121 这种情况称为这种情况称为过阻尼，过阻尼，在过阻尼情在过阻尼情况下，系统响应迟缓，快速性差，况下，系统响应迟缓，快速性差，电动式检波器固有振动具有非周期电动式检波器固有振动具有非周期性，且迅速衰减，如右图所示。性，且迅速衰减，如右图所示。c）当当D= h/0 = 1时，特征方程有两个相等的时，特征方程有两个相等的实根，即实根

56、，即hr21,上面齐次方程的通解为：上面齐次方程的通解为：)(tcceVht21此种情况称为此种情况称为临界阻尼。临界阻尼。在在临界阻尼情况下，固有振动临界阻尼情况下，固有振动处于周期振动向非周期振动处于周期振动向非周期振动过渡的状态，如右图所示。过渡的状态，如右图所示。 阻尼（阻尼（英语英语：damping）是指）是指任何任何振动振动系统在振动中，由于系统在振动中，由于外界作用和系统本身固有的原外界作用和系统本身固有的原因引起的因引起的振动幅度振动幅度逐渐下降的逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表特性，以及此一特性的量化表征。征。 一个有阻尼一个有阻尼的的弹簧振子弹簧振子振动示意图。振动示意

57、图。 结论：结论： 在在 D= h/0 1 , ,则系统响则系统响应迟缓，调节时间长，快速性差；应迟缓，调节时间长，快速性差； 若若 D 过小过小，虽然响应的起始速度较快，虽然响应的起始速度较快，但振荡强烈，响应曲线衰减缓慢，调节时间亦但振荡强烈，响应曲线衰减缓慢，调节时间亦长。长。 上面方程通解中的上面方程通解中的c1、c2均取决于检波器初均取决于检波器初始状态始状态( (t = 0) )的待定常数。的待定常数。 由于固有振动的特点是输入信号消失后，由于固有振动的特点是输入信号消失后，输出要延续一段时间，所以当检波器固有振动输出要延续一段时间，所以当检波器固有振动的延续时间大于相邻两界面的反

58、射时差时，则的延续时间大于相邻两界面的反射时差时，则检波器输出的这两个界面的反射信号就会重叠检波器输出的这两个界面的反射信号就会重叠在一起而无法分辨。很明显，为了提高分辨率，在一起而无法分辨。很明显，为了提高分辨率，检波器固有振动延续时间应缩短。因此，从提检波器固有振动延续时间应缩短。因此，从提高分辨率考虑，电动式检波器的阻尼应选取临高分辨率考虑，电动式检波器的阻尼应选取临界阻尼，即界阻尼，即 h =0，D =1。5、频率响应、频率响应 由于电动式检波器的输出电压与线圈相对由于电动式检波器的输出电压与线圈相对于磁铁的运动速度成比例式，因此电动式检波于磁铁的运动速度成比例式，因此电动式检波器通常

59、又称为器通常又称为速度检波器速度检波器。电动式检波器输出。电动式检波器输出电压电压 V( t ) 的频谱的频谱 V( j) 与地面振动速度与地面振动速度z=dz / dt 的频谱的频谱z( j) 之比称为电动式检波器的传输之比称为电动式检波器的传输函数，记作函数，记作H( j)，即，即)()()( jZjVjH 对对(B)(B)式式)()()(2)()(20202jZjGjVhjj即即 0220021DjGjZjVjH)()()()(两边取傅氏变换得：两边取傅氏变换得：33020222dtzdGVdtdVhdtVd 根据上式可绘出电动式检波器的幅频特性根据上式可绘出电动式检波器的幅频特性如下图

60、所示，由图可见，电动式检波器在以地如下图所示，由图可见，电动式检波器在以地面振动速度作为输入量时，输出电压呈现面振动速度作为输入量时，输出电压呈现二阶二阶高通滤波器高通滤波器的频率特性，因此对低频面波干扰的频率特性，因此对低频面波干扰可以有一定的压制作用。可以有一定的压制作用。 21202220021)()()()( DGjHG( C)由上式可得电动式检波器的由上式可得电动式检波器的幅频特性幅频特性为：为：电动式检波器幅频特电动式检波器幅频特性曲线的形状，取决性曲线的形状，取决于阻尼系数，下面分于阻尼系数，下面分三种情况讨论：三种情况讨论：令令dG()d=0可求得尖峰处频率可求得尖峰处频率p和