一种差动式双臂压电地震检波器及其芯体制造技术

本发明专利技术公开了一种差动式双臂压电地震检波器及其芯体，芯体包括第一至第四端压电片组以及均由弹性材料制成的第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底，各端压电片组分别位于两个臂梁基底的两端，两个悬臂梁基底的一端均与一固定支架刚性连接，固定支架用于与电地震检波器的外壳刚性连接且连接后固定支架处于竖直状态，各端电压片组均电性连接输出导线，各端压电片组均包含沿着悬臂梁基底上下对称设置的且压电转换性能相同的上端压电片以及下端压电片。本发明专利技术的地震检波器具有灵敏度高、抗干扰能力强、动态范围宽、轻便耐用等优点，在陆上地震勘探、井下槽波地震勘探等领域应用更为可靠和广泛，本发明专利技术在芯体占用空间相同的情况下，检测的频率范围更广。

A differential double arm piezoelectric seismometer and its core

【技术实现步骤摘要】
一种差动式双臂压电地震检波器及其芯体
本专利技术涉及地震勘探领域，更具体地说，涉及一种差动式双臂压电地震检波器芯体及差动式双臂压电地震检波器。
技术介绍
地震检波器是把人为激发震源的直达波或各地层的反射波转换成电信号，然后输入到地震仪器的一种应用于地质勘探及工程测量领域的专用传感器。按工作原理上可分为磁电式、涡流式、和压电式等检波器。按应用环境可分为陆地勘探地震检波器、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。按能量转换机制分为速度型检波器和加速度型检波器两种。从勘探方法上可以分为纵波检波器也称垂直检波器，和横波检波器也称水平检波器以及三分量检波器。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。目前，国内应用最广泛的还是传统的模拟地震检波器，这种地震波传感装置输出的是模拟信号，陆地上主要使用常规或者超级速度型检波器。这类检波器基本上都是磁电式检波器、涡流式检波器，他们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。这些检波器内部有线圈这样的高度弹性结构，各部件间容易发生较大的相对运动产生形变，所以波形容易产生形变，进而造成信号失真，并且由于永久磁铁的性能会发生变化且磁性会随着时间而消退，其寿命都不长而且易受到环境的影响，稳定性低，从而不能满足高精度和高分辨率的地震勘探要求。作为第一步地震信号采集工序，这种检波器装置不能得到较好的原始地震信号，直接影响到了采集地震数据的质量，限制了采用地震勘探方法得到复杂地质结构的能力，成为制约石油物探技术发展的主要瓶颈之一。随着高精度油气勘探技术的提高和油气勘探复杂程度的增加，地震检波器正在朝着低失真、高灵敏度，宽频带的方向发展，动态范围大、频率响应宽、等效输入噪声小、体积小、重量轻且抗电磁干扰能力强，满足高分辨率采集要求，是当前地震检波器发展的趋势。应用不同新技术、新材料的各种新型检波器开始出现。压电加速度地震检波器就是近年来出现的新型检波器，其内部结构简单，无磁钢和线圈，所以刚性大，形变小，所产生的波形畸变小，性能稳定，分辨率高，是一个灵敏度较高的高保真度地震检波器。袁保鼎等人于1993年研制了惯性压电水陆通用检波器(中国专利93232320.0)；杜克相等研制了陆用压电陶瓷地震检波器(中国专利00226749.7)；刘兆琦研制了YD20OO型陆用压电地震加速度检波器(中国专利200420042025.X)，都采用了传统铅酸锆和钛酸锆[PbZrO3-PbTiO3](简称PZT)，压电检波器的固有频率较高，高频响应较好，但是由于受其传统压电元件的压电常数低，阻抗高等缺点的影响，所以它的动态范围小，阻抗高，低频响应低。研究表明新型弛豫铁电晶体铌镁酸铅-钛酸铅[xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x)PbTiO3](简称PMNT)的主要压电性能指标都远远高于目前普遍使用的PZT压电陶瓷。弛豫铁电单晶材料具有较高的压电常数g33、d33，机电耦合系数k33，介电常数ε33T和较低的电损耗，其综合性能比PZT陶瓷更加优越。将弛豫型铁电单晶材料作为压电式地震检波器的传感元件，设计与之匹配的检波器芯体结构，以充分发挥单晶材料的性能优势，将有望大大改善其灵敏度。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，为克服现有压电地震检波器存在的灵敏度不够、低频响应差的不足，提供一种差动式双臂压电地震检波器芯体及差动式双臂压电地震检波器，采用悬臂梁式结构检波器芯体，以在有限空间内增大检波器的灵敏度，改善其低频响应性能。根据本专利技术的其中一方面，本专利技术为解决其技术问题，提供的差动式双臂压电地震检波器芯体，包括第一端压电片组、第二端压电片组、第三端压电片组、第四端压电片组以及均由弹性材料制成的第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底，第一端压电片组与第二端压电片组分别固定于第一悬臂梁基底长度方向上的两端，第三端压电片组与第四端压电片组分别固定于第二悬臂梁基底长度方向上的两端，第一悬臂梁基底的一端和第二悬臂梁基底的一端均与一固定支架刚性连接，所述固定支架用于与电地震检波器的外壳刚性连接且连接后固定支架处于竖直状态，各端电压片组均电性连接输出导线，各端压电片组均包含沿着悬臂梁基底上下对称设置的且压电转换性能相同的上端压电片以及下端压电片；第一端压电片组的上端压电片与第二端压电片组的上端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号与第一端压电片组的下端压电片与第二端压电片组的下端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号形成第一组差动输出，第三端压电片组的上端压电片与第四端压电片组的上端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号与第三端压电片组的下端压电片与第四端压电片组的下端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号形成第二组差动输出；在第一悬臂梁基底与第二悬臂梁基底相同，第一端压电片组与第四端电压片组相同，且第一端压电片在第一悬臂梁基底的固定位置与第四端压电片组在第二悬臂梁基底的固定位置相同，第二端电压片组与第三端电压片组相同，且第二端压电片组在第一悬臂梁基底的固定位置与第三端压电片组在第二悬臂梁基底的固定位置相同时，两组差动输出电压串联或者电流并联进行信号叠加后作为最终输出，否则两组差动输出独立输出。优选地，在本专利技术的差动式双臂压电地震检波器芯体中，所述第一悬臂梁基底以及第二悬臂梁基底均为铍青铜或者磷青铜制成。优选地，在本专利技术的差动式双臂压电地震检波器芯体中，各下端压电片以及各上端压电片均为单层结构，采用压电单晶PMN-PT制成；或者，各下端压电片以及各上端压电片全部或者部分采用多片压电单晶的结构，各下端压电片以及各上端压电片各自所包含的各压电单晶分别按晶体极化方向排列进行连接，各压电单晶采用压电单晶PMN-PT制成。优选地，在本专利技术的差动式双臂压电地震检波器芯体中，第二端电压片组和第三端压电片组中各上端压电片以及各下端压电片的晶向均为<110>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，所处的换能模式为d31换能模式；第一端电压片组和第四端压电片组中各上端压电片以及各下端压电片的晶向为<001>方向，其极化电场方向平行于其厚度方向，所处的换能模式为d33换能模式。优选地，在本专利技术的差动式双臂压电地震检波器芯体中，各下端压电片以及各上端压电片中各压电片的上表面、下表面上分别具有上表面电极、下表面电极，各上表面电极及各下表面电极分别引出输出导线，各上表面电极及各下表面电极的电极材料为银或金；各上表面电极及各下表面电极上引出的输出导线为铜线。优选地，在本专利技术的差动式双臂压电地震检波器芯体中，第一悬臂梁基底的一端和第二悬臂梁基底一体成型且连接在固定支架的同一个位置。优选地，在本专利技术的差动式双臂压电地震检波器芯体中，第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底的其中一端所在区域均分别固定有质量块组，另一端均用于与所述固定支架刚性连接，每个质量块组具有两个质量相同的且关于悬臂梁基底上下对称设置的质量块，且在所述两组差动输出电压串联或者电流并联后作为最终输出的结构中，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种差动式双臂压电地震检波器芯体，其特征在于，包括第一端压电片组、第二端压电片组、第三端压电片组、第四端压电片组以及均由弹性材料制成的第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底，第一端压电片组与第二端压电片组分别固定于第一悬臂梁基底长度方向上的两端，第三端压电片组与第四端压电片组分别固定于第二悬臂梁基底长度方向上的两端，第一悬臂梁基底的一端和第二悬臂梁基底的一端均与一固定支架刚性连接，所述固定支架用于与电地震检波器的外壳刚性连接且连接后固定支架处于竖直状态，各端电压片组均电性连接输出导线，各端压电片组均包含沿着悬臂梁基底上下对称设置的且压电转换性能相同的上端压电片以及下端压电片；第一端压电片组的上端压电片与第二端压电片组的上端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号与第一端压电片组的下端压电片与第二端压电片组的下端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号形成第一组差动输出，第三端压电片组的上端压电片与第四端压电片组的上端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号与第三端压电片组的下端压电片与第四端压电片组的下端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号形成第二组差动输出；在第一悬臂梁基底与第二悬臂梁基底相同，第一端压电片组与第四端电压片组相同，且第一端压电片在第一悬臂梁基底的固定位置与第四端压电片组在第二悬臂梁基底的固定位置相同，第二端电压片组与第三端电压片组相同，且第二端压电片组在第一悬臂梁基底的固定位置与第三端压电片组在第二悬臂梁基底的固定位置相同时，两组差动输出电压串联或者电流并联进行信号叠加后作为最终输出，否则两组差动输出独立输出。...

【技术特征摘要】
1.一种差动式双臂压电地震检波器芯体，其特征在于，包括第一端压电片组、第二端压电片组、第三端压电片组、第四端压电片组以及均由弹性材料制成的第一悬臂梁基底和第二悬臂梁基底，第一端压电片组与第二端压电片组分别固定于第一悬臂梁基底长度方向上的两端，第三端压电片组与第四端压电片组分别固定于第二悬臂梁基底长度方向上的两端，第一悬臂梁基底的一端和第二悬臂梁基底的一端均与一固定支架刚性连接，所述固定支架用于与电地震检波器的外壳刚性连接且连接后固定支架处于竖直状态，各端电压片组均电性连接输出导线，各端压电片组均包含沿着悬臂梁基底上下对称设置的且压电转换性能相同的上端压电片以及下端压电片；第一端压电片组的上端压电片与第二端压电片组的上端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号与第一端压电片组的下端压电片与第二端压电片组的下端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号形成第一组差动输出，第三端压电片组的上端压电片与第四端压电片组的上端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号与第三端压电片组的下端压电片与第四端压电片组的下端压电片采集的信号的进行电压串联或者电流并联后的信号形成第二组差动输出；在第一悬臂梁基底与第二悬臂梁基底相同，第一端压电片组与第四端电压片组相同，且第一端压电片在第一悬臂梁基底的固定位置与第四端压电片组在第二悬臂梁基底的固定位置相同，第二端电压片组与第三端电压片组相同，且第二端压电片组在第一悬臂梁基底的固定位置与第三端压电片组在第二悬臂梁基底的固定位置相同时，两组差动输出电压串联或者电流并联进行信号叠加后作为最终输出，否则两组差动输出独立输出。2.根据权利要求1所述的差动式双臂压电地震检波器芯体，其特征在于，所述第一悬臂梁基底以及第二悬臂梁基底均为铍青铜或者磷青铜制成。3.根据权利要求1所述的差动式双臂压电地震检波器芯体，其特征在于，各下端压电片以及各上端压电片均为单层结构，采用压电单晶PMN-PT制成；或者，各下端压电片以及各上端压电片全部或者部分采用多片压电单晶的结构，各下端压电片以及各上端压电片各自所包含的各压电单晶分别按晶体极化方向排列进行连接，各压电单晶采用压电单晶PMN-PT制成。4.根据权利要求1所述的差动式双臂压电地震...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋俊磊，黄燕霞，杨至恒，陈美娟，莫文琴，杨勇，董凯锋，晋芳，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42