專利名稱：基于磁懸浮原理的振動(dòng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于磁懸浮原理的振動(dòng)傳感器。本發(fā)明在地質(zhì)勘探以及振動(dòng)安全監(jiān)測(cè)方面，例如在石油勘探及地震測(cè)量方面具有特殊用途，但仍可廣泛用于如機(jī)械振動(dòng)、聲波及超聲波測(cè)量方面。
背景技術(shù)：
振動(dòng)是工程技術(shù)以及科學(xué)研究中廣泛涉及的一個(gè)研究課題，如地震勘探、機(jī)械振動(dòng)以及聲波、超聲波測(cè)量等方面。振動(dòng)測(cè)量包括位移、頻率、位相以及振動(dòng)速度和加速度等物理量。目前傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)量方法有機(jī)械式、電感式、電容式、壓敏電阻式、壓電式等傳感器件。這些傳統(tǒng)傳感器件的局限在于靈敏度低，抗電磁干擾能力較差，測(cè)量頻帶較窄，對(duì)環(huán)境要求苛刻等。而目前在許多領(lǐng)域，例如在石油地震勘探方面，由于對(duì)地質(zhì)深部構(gòu)造的探測(cè)及相應(yīng)的分辨率有很高的要求，迫切需要高靈敏度及寬頻帶的振動(dòng)傳感器，因此新型振動(dòng)傳感器的研制就成為許多工程領(lǐng)域迫切需要解決的技術(shù)問題。
在傳感器銷售額中，目前處于第一位的是壓力振動(dòng)傳感器。振動(dòng)傳感器在噪聲、沖擊波、爆炸、水聲探測(cè)等工程技術(shù)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。石油地震勘探廣泛使用振動(dòng)傳感器。目前石油地震勘探數(shù)據(jù)采集和處理普遍采用24位Δ-∑技術(shù)，動(dòng)態(tài)記錄范圍可達(dá)120dB，同時(shí)在國(guó)內(nèi)外石油物探行業(yè)廣泛使用的是傳統(tǒng)的“活動(dòng)線圈速度型檢波器”，可記錄的最大動(dòng)態(tài)范圍僅為60dB，接收信號(hào)的畸變大，響應(yīng)頻帶窄，需幾個(gè)至幾十個(gè)檢波器組合以降低噪音干擾，這樣加大了油氣勘探的成本。隨著勘探目的層深度的加大，深部石油地震反射信號(hào)中的高頻信號(hào)衰減快，主要表現(xiàn)為低頻特征，而傳統(tǒng)“活動(dòng)線圈速度型檢波器”卻對(duì)低頻信號(hào)(特別是小于6Hz的信號(hào))接收能力差。同時(shí)，傳統(tǒng)檢波器的高頻響應(yīng)能力也差，不利于高分辨率勘探，因此檢波器技術(shù)成為高精度和深部地震勘探技術(shù)的一瓶頸環(huán)節(jié)。
高分辨率地震勘探要求檢波器類型從單分量向多分量發(fā)展；從模擬型向數(shù)字型發(fā)展；從低靈敏度、小動(dòng)態(tài)范圍向高靈敏度大動(dòng)態(tài)范圍發(fā)展；從檢波器組合接收方式向單點(diǎn)接收方式發(fā)展(即單道單只檢波器接收信號(hào))；檢波器施工方法由大道距多只檢波器串并組合方式向單道單只小道距接收方式發(fā)展。
用于石油物探的“活動(dòng)線圈速度型檢波器”是將活動(dòng)的線圈固定在與磁鐵同軸的彈簧上，通過感應(yīng)外部振動(dòng)使彈簧和線圈相對(duì)于磁鐵產(chǎn)生移動(dòng)而由線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于彈簧的固有頻率，因此“活動(dòng)線圈速度型檢波器”的探測(cè)頻帶很窄，不足以探測(cè)由人工爆炸產(chǎn)生的全部寬頻帶彈性波。而且這類傳統(tǒng)的速度型檢波器噪音干擾較大，為了壓制噪音，必須采用幾個(gè)至幾十個(gè)的串并組合。
傳統(tǒng)振動(dòng)傳感器的數(shù)學(xué)模型均基于配重物受振動(dòng)而使承受配重物體的彈簧或簧片產(chǎn)生振動(dòng)。并將這種彈性振動(dòng)轉(zhuǎn)變成可測(cè)的物理量，如電壓等。因此彈簧或簧片的固有頻率及阻尼是兩個(gè)十分重要的物理量。由于成千上萬只用于石油物探的速度型檢波器的一致性要求很高，對(duì)彈簧的剛性系數(shù)及加工工藝要求也很高，因此尋找替換彈簧震動(dòng)的新技術(shù)是研制新型振動(dòng)傳感器的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的原理如下
將一塊永久磁體(磁鐵和釹鐵硼材料等)置于另一塊磁體上方，如圖1所示，如果兩塊永久磁體的磁場(chǎng)方向相反，而且兩磁場(chǎng)的相互作用力μH2A/2大于上方磁體的重力mg(μ磁體的磁導(dǎo)率；H磁場(chǎng)強(qiáng)度；A相互平行的兩磁體的平面面積；m上方磁體質(zhì)量)即μH2A/2＞mg，則上方磁體懸浮于另一磁體之上。將下方磁體固定于被測(cè)振動(dòng)體上并感應(yīng)外部振動(dòng)時(shí)，則懸浮磁體在重力和磁力作用下相對(duì)于固定磁體反向振動(dòng)。將線圈固定于振動(dòng)傳感器上，由于懸浮磁體上下振動(dòng)，通過線圈的磁通量發(fā)生變化，根基法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與振動(dòng)速度呈正比。因此本磁懸浮振動(dòng)傳感器為速度型傳感器。線圈的長(zhǎng)度盡可能與懸浮磁體長(zhǎng)度相等，并將懸浮磁體一個(gè)端面置于線圈中間位置。為了改善傳感器的線性度和提高靈敏度，可以采用如圖1所示的差分形式。將永久磁體懸浮于兩塊磁體之間，并在靜止?fàn)顟B(tài)下將磁懸浮磁體的上下兩個(gè)端面懸浮于兩組相同線圈的中間位置。在相同振動(dòng)條件下，并聯(lián)兩組線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是一組線圈的兩倍，并且速度傳感的線性度大為提高。
根據(jù)上述磁懸浮原理，新型磁懸浮傳感器的支撐磁體可由永久磁體(如磁鐵和釹鐵硼磁性材料等)，電磁體以及通電流的線圈組成。通電流的線圈產(chǎn)生的懸浮磁場(chǎng)的大小可隨電流的改變而改變。磁懸浮磁體可由永久磁體，電磁體以及磁性流體構(gòu)成。
三分量的磁懸浮振動(dòng)傳感器是這樣實(shí)現(xiàn)的在立方的磁鐵或鐵氧體等可磁化的固體或者其他立方體的三個(gè)方向分別安裝三對(duì)磁體，如圖2所示。將這一磁體懸浮于由另三對(duì)磁體構(gòu)成的立方空間內(nèi)；每一對(duì)磁體的磁場(chǎng)方向與懸浮磁體對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)方向相反；并在每個(gè)方向繞制兩組線圈；并聯(lián)兩組線圈形成差分形式的三分量磁懸浮振動(dòng)傳感器。
在同等磁場(chǎng)條件下，磁懸浮振動(dòng)傳感器的固有頻率隨兩磁體間的距離呈指數(shù)衰減關(guān)系，并隨懸浮磁體重量的增加而減小。由于懸浮磁體與支撐磁體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在磁體表面產(chǎn)生渦流，這一渦流可阻尼懸浮磁體的振動(dòng)。因此本磁懸浮振動(dòng)傳感器的特征為無需彈簧或彈簧片支撐，并且具有自動(dòng)阻尼作用。這種磁懸浮振動(dòng)傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，靈敏度高，穩(wěn)定性及一致性好以及便于組裝的特點(diǎn)。由于懸浮磁體無需機(jī)械支撐，經(jīng)受碰撞和沖擊之后自動(dòng)恢復(fù)原位，沒有機(jī)械疲勞的影響因素，因此本磁懸浮振動(dòng)傳感器可應(yīng)用于環(huán)境比較惡劣的野外作業(yè)。
本磁懸浮傳感器具有高靈敏度，寬頻帶的特點(diǎn)。本磁懸浮振動(dòng)傳感器接收的高頻信息比傳統(tǒng)檢波器豐富，這為高精度的石油地震勘探提供了一種新技術(shù)。


圖1為本發(fā)明的構(gòu)造示意圖；圖2為三分量的磁懸浮振動(dòng)傳感器構(gòu)造示意圖；圖3為一維磁懸浮振動(dòng)傳感器的幅-頻特性測(cè)量結(jié)果圖；圖4為單只磁懸浮傳感器與24只傳統(tǒng)動(dòng)圈式檢波器的組合對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；圖5為單只磁懸浮振動(dòng)傳感器接收的反射波信號(hào)的頻譜圖；圖6為24只傳統(tǒng)動(dòng)圈式檢波器組合接收的反射波信號(hào)頻譜圖。
實(shí)施例基于上述磁懸浮原理，我們構(gòu)筑了300余個(gè)一維磁懸浮振動(dòng)傳感器，并對(duì)傳感器的幅-頻特性進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖3所示。將構(gòu)筑的磁懸浮振動(dòng)傳感器在江蘇某地用于石油物探，并將單只磁懸浮傳感器與法國(guó)進(jìn)口的24只傳統(tǒng)動(dòng)圈式檢波器的組合進(jìn)行了單炮對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示，左圖為單只磁懸浮振動(dòng)傳感器的結(jié)果，右圖為24只傳統(tǒng)動(dòng)圈式檢波器的組合結(jié)果?？梢钥闯?，本磁懸浮傳感器用于石油物探的分辨率高于傳統(tǒng)動(dòng)圈式檢波器的組合。圖5為單只磁懸浮振動(dòng)傳感器接收的反射波信號(hào)的頻譜圖。圖6為24只傳統(tǒng)動(dòng)圈式檢波器組合接收的反射波信號(hào)頻譜圖?？梢钥闯觯敬艖腋≌駝?dòng)傳感器接收的高頻信息比傳統(tǒng)檢波器豐富，這為高精度的石油地震勘探提供了一種新技術(shù)。
權(quán)利要求
1.基于磁懸浮原理的振動(dòng)傳感器，由磁體和線圈組成，其特征為當(dāng)傳感器感應(yīng)外部振動(dòng)時(shí)懸浮的磁體相對(duì)于其支撐磁體發(fā)生遠(yuǎn)動(dòng)，并由線圈產(chǎn)生隨振動(dòng)速度呈正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
2.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)傳感器，磁體懸浮于與其磁場(chǎng)方向相反的另一固定磁體之上。
3.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)傳感器，磁體懸浮于與其磁場(chǎng)方向相反的另外兩塊固定磁體之間。
4.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)傳感器，磁體懸浮于與其磁場(chǎng)方向相反的兩對(duì)固定磁體之間。
5.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)傳感器，磁體懸浮于與其磁場(chǎng)方向相反的三對(duì)固定磁體之間。
6.如權(quán)利要求1，2，3，4或5所述的振動(dòng)傳感器，磁體由永久磁體(如磁鐵和釹鐵硼磁性材料等)，電磁體，磁性液體，及通電流的線圈組成。
7.如權(quán)利要求1，2，3，4或5所述的振動(dòng)傳感器，當(dāng)磁體懸浮于一對(duì)磁體，兩對(duì)磁體和三對(duì)磁體之間時(shí)，分別構(gòu)成一維，二維和三維振動(dòng)傳感器并用于感應(yīng)一維，二維和三維振動(dòng)。
全文摘要
一種基于磁懸浮原理的振動(dòng)傳感器，由磁體和線圈組成。其特征為當(dāng)傳感器感應(yīng)外部振動(dòng)時(shí)磁懸浮的磁體相對(duì)于固定于傳感器中的磁體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于懸浮磁體振動(dòng)，通過線圈的磁通量發(fā)生變化，根基法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈產(chǎn)生隨振動(dòng)速度呈正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該傳感由于無需固定懸浮磁體的金屬簧片和彈簧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，感應(yīng)的振動(dòng)頻譜范圍廣泛，為一種新型無源速度型振動(dòng)傳感器。
文檔編號(hào)G01V1/16GK1987373SQ20051011189
公開日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2005年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月23日
發(fā)明者譚成忠 申請(qǐng)人:譚成忠