專利名稱：高靈敏度管狀壓電傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高靈敏度的管狀壓電傳感器，其結(jié)構(gòu)使得它能夠構(gòu)成很長的連續(xù)的水聽器，并能承受相當(dāng)大的流體靜壓力的變化。
管狀壓電傳感器可以包括一個(gè)由具有壓電特性的材料，例如聚偏氟乙烯(PVF2)類型的聚合物材料制成的管子，管子的每一面上各有一個(gè)電極。
內(nèi)電極由沉積在壓電管內(nèi)表面上的金屬薄膜形成，或者與一中央管芯相聯(lián)系，當(dāng)后者是用介電材料制成時(shí)，該電極通過使其外表面金屬化或螺旋形纏繞的導(dǎo)線來形成。中央的管芯也可以由導(dǎo)電材料、通過含有金屬粒子而變成導(dǎo)電的聚合物或者直線形狀的金屬等制成。
這類傳感器在法國專利No2145099、法國專利申請No.87/09262和81/22452等中已有敘述，后者的公開號為2517155，此外，在美國專利No.4568851或PCT專利申請No.86/00757中也有描述。
上述法國專利No.2145099中描述的傳感器是一種管狀壓電傳感器，它由一中央管芯構(gòu)成，管芯上螺旋形地澆有至少一種壓電敏感元件，該元件由每一面上涂有一層金屬膜的柔軟的壓電材料帶構(gòu)成。這一傳感器結(jié)構(gòu)使其有可能構(gòu)成很長的水聽器，它對加速度和撓曲形變不敏感，適合于多種水下用途，特別是地球物理學(xué)方面的用途，敏感元件采用較厚的壓電薄膜無疑具有良好的經(jīng)濟(jì)效果。
發(fā)表在J.ACOUST，SOC.AM68(4)1980年10月第1025-1029頁上的文章中敘述了一種圓柱形壓電水聽器，其中，一個(gè)管狀支承體的內(nèi)表面和/或其外表面上涂覆著一層壓電薄膜，該支承體的兩端由一硬蓋封閉，支承體內(nèi)部充有某種氣體。這種結(jié)構(gòu)使靈敏度得到提高，因?yàn)槌錆M氣體的管狀支承體會在徑向施加的力的作用下變形，這就產(chǎn)生了機(jī)械的放大。但是在海上應(yīng)用的場合，深度變化很大，這種裝置就不太適用，因?yàn)槠鋬?nèi)部體積是可壓縮的，管狀支承體不能很好地承受急劇增加的靜壓力，壓力增加時(shí)敏感元件的密封有泄漏以及破壞的危險(xiǎn)，同時(shí)應(yīng)該指出的是，如果長度很大的話，制作管狀支承體內(nèi)表面涂覆著敏感薄膜的壓電傳感器是十分困難的。
根據(jù)本發(fā)明的壓電傳感器，既能獲得極高的靈敏度，又具有承受大的靜壓力變化的能力，它包括至少一個(gè)由具有壓電特性的材料制成并具有電極的敏感元件，這一敏感元件置于一個(gè)管狀支承體上。
該裝置的特征在于，管狀支承體內(nèi)含有至少一種其聲學(xué)阻抗與形成上述管狀支承體的材料的聲學(xué)阻抗有很大的不同的物質(zhì)，從而對通過該管狀支承體的聲波形成一道聲學(xué)屏障(屏蔽)以及具有用來使上述管狀支承體內(nèi)的壓力與該壓電傳感器外的靜壓力保持基本相等的裝置。
該管狀支承體內(nèi)部，例如包括至少一種浸漬液體的物質(zhì)，這種浸漬液體的物質(zhì)可以用纖維材料如玻璃纖維或用多孔的材料形成。
按照實(shí)施例，管狀支承體具有至少一個(gè)敏感元件，形成聲屏障(屏蔽)的物質(zhì)安置在一個(gè)對聲波透明并充有液體的密封外殼內(nèi)，管狀支承體的兩端具有允許液體充入密封外殼的小孔。
采用能夠有效地衰減管狀支承體內(nèi)聲波的物質(zhì)，在很大程度上增加了該壓電傳感器的靈敏度，這一物質(zhì)同上述用來在管狀支承體內(nèi)外壓力保持平衡的裝置相結(jié)合，即與使液體浸漬纖維或多孔材料的壓力基本上與外界壓力相等的裝置相結(jié)合，能夠構(gòu)成一種高靈敏度和非常緊固的壓電傳感器，這種傳感器能夠很好地應(yīng)付深度變化很大的水下測量。
由于每一敏感元件可以成螺旋形地繞在管狀支承體上，而且形成內(nèi)部聲學(xué)屏障(屏蔽)的物質(zhì)易于定位，所以可以以較低的費(fèi)用來制成很長的傳感器，這類傳感器置于充有液體的很長的外殼中，能夠構(gòu)成用于例如地震探測、水下聽音等或其它地球物理學(xué)或海洋學(xué)作業(yè)的接收裝置。
本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將從下面結(jié)合附圖對以非限制性例子的方式給出的一個(gè)實(shí)施例的描述而變得更為清楚，附圖中

圖1示出了一種柔性帶形的壓電敏感元件，圖2是有一條繞在管狀支承體上的柔性壓電帶的壓電傳感器，圖3示出的是一個(gè)實(shí)施例，其中，由管狀支承體和壓電帶組成的壓電傳感器置于一個(gè)充有液體的很長的外殼中，圖4表明另一實(shí)施例，其中，管狀支承體和壓電帶由一外殼覆蓋。
圖1中壓電傳感器所采用的敏感元件1包括一薄的基底2，該基底由經(jīng)處理后獲得壓電性能的柔性材料制成，例如PVF2或其它類似的合成塑料產(chǎn)品，基底正反兩面上涂覆有導(dǎo)電薄膜3、4以形成電極。下面的步驟如已公開的法國專利申請No2601132中所述，這一敏感元件成螺旋形地繞在一個(gè)管狀支承體(圖2)上，在該管狀支承體的兩端附近設(shè)置導(dǎo)電環(huán)以收集在力的作用下在電極上產(chǎn)生的電荷。
一種其聲學(xué)阻抗與管狀支承體5有顯著不同的物質(zhì)6被置于管狀支承體5的內(nèi)部，用以對聲波形成屏障(屏蔽)并注入液體以充滿其余的內(nèi)部空間。
在另一實(shí)施例(圖3)中，這樣形成的裝置上有一對防護(hù)套7并置于一個(gè)充有液體的管狀殼體8中，在該實(shí)旋例中，用同一種液體充入管狀殼體8和兩端可以保持開口的管狀支承體5內(nèi)部，在這一柔性殼體做成一由船舶在水中拖弋的地震浮筒與水相接觸的情況下，這種液體可以是原油或煤油。
在另一實(shí)施例(圖4)中，包含聲屏障(蔽)材料并充有液體的管狀支承體5也可以在其兩端用硬蓋9封閉，并用保護(hù)套7簡單地圍住，以用于某些用途。
形成聲學(xué)屏障(蔽)的材料可以是成玻璃纖維條狀，液體通過毛細(xì)作用滲入其厚度中。
微孔發(fā)泡材料、多孔材料等……或其它任何物質(zhì)，只要其聲學(xué)阻抗與形成管狀支承體的材料有顯著不同的都可以采用，應(yīng)注意，聲屏障(蔽)材料是均勻地分布在管狀支承體5的截面上的，當(dāng)充入液體時(shí)，必須確保驅(qū)出空氣以得到均勻的聲學(xué)屏障(蔽)。
這樣形成的壓電傳感器無論外界施加的靜壓力多大時(shí)都工作得很好，完全避免了密封不良和敏感元件性能下降的風(fēng)險(xiǎn)，密封泄漏、敏感元件性能下降這種情況在支承體含有可壓縮的物質(zhì)如氣體時(shí)是會出現(xiàn)的。
經(jīng)驗(yàn)表明，液體與聲學(xué)屏障(蔽)材料結(jié)合使用，相對于管狀支承體只包含液體的情形來說，大大提高了傳感器對動態(tài)壓力變化的靈敏度，同時(shí)還觀察到，聲學(xué)屏障(蔽)良好的均勻性使得有可能得到平滑的頻率響應(yīng)曲線，一直延伸到只有幾赫數(shù)量級的極低頻率。
還可以通過合理選擇形成壓電帶和管狀支承體5的材料的楊氏模量及其尺寸來進(jìn)一步提高壓電傳感器的靈敏度，如下面所要敘述的。
讓我們考慮一個(gè)外徑為b、厚度為(b-a)的管狀支承體(圖5)，其表面繞有一較小厚度hp的壓電薄膜，如薄膜1。敏感元件的靈敏度Mo(單位伏/巴)等于出現(xiàn)在其電極之間的電壓eo與所加的壓力Po的比值，假定垂直于敏感元件平面沿徑向X3的電場E3在厚度hp內(nèi)基本不變，因此，出現(xiàn)在電極之間的電壓eo等于hpE3，電場E3表示為沿三個(gè)軸加到敏感元件上的力T1P、T2P和T3P的線性合力，即上述定義的軸X3和在管狀支承體5的切面內(nèi)的軸X1及X2，由此可得由下列關(guān)系式表示的敏感元件的靈敏度M0=hp(g31(T1P)/(P0) +g32(T2P)/(P0) +g33(T3P)/(P0) ) (1)式中，g31、g32和g33是該基底的壓電系數(shù)。
式(1)中假定沿徑向軸X3的力T3P等于所加的壓力Po。
應(yīng)用虎克定律，并由合理地假定敏感元件由沿軸X3旋加的壓力Po所產(chǎn)生的沿切面兩軸X1、X2的相對膨脹與管狀支承體的周緣沿同樣兩個(gè)軸所發(fā)生的膨脹相同，可建立下面的關(guān)系式S= (T1P)/(P0) = (nP)/(1-nP) + (EP)/(E) (-2r2nP(2n+1)+r2(2n2P-nP+2n+1))/((1-r2)(2nP-1)(nP+1)(1-nP)) +(EP)/(E) (nP(4n nP-2nP+2n-1)+1-2n)/((1-r2)(2nP-1)(nP+1)(1-nP))T= (T2P)/(P0) = (nP)/(1-nP) + (EP)/(E) (-2r2nP(2n nP+nP-n-1)+r2(nP-1))/((1-r2)(2nP-1)(nP+1)(1-nP)) +(EPnP(4n nP-2nP+2n-1)+1-2n)/(E (1-r2)(2nP-1)(nP+1)(1-nP))這里，NP和n分別表示敏感元件和管狀支承體的泊松系數(shù);
Ep和E分別表示敏感元件和管狀支承體的楊氏模量;以及，r表示管狀支承體內(nèi)徑a與外徑b之間的比值a/b。
對作為上述關(guān)系式中不同參數(shù)的函數(shù)的靈敏度Mo的變化所作的研究表明，比值Ep/E越高，比值r越接近于1，則靈敏度Mo越好。
實(shí)驗(yàn)得到了與上述關(guān)系式非常一致的結(jié)果，如果敏感元件1的楊氏模量比管狀支承體5大得多，以及如果后者的厚度很小(r≈1)壓電傳感器的靈敏度可以顯著提高。
使用圖1至4所示的、對靈敏度有影響的各參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，可使裝置的靈敏度增加至每巴幾十伏特的數(shù)值(典型值50V/b)，而且通頻帶仍下延至極低頻率，且有非常平滑的頻率響應(yīng)。
因此，本發(fā)明的壓電傳感器十分適宜于在海洋地震探測工作領(lǐng)域用作地震接收器，或者更廣泛地，用于地球物理學(xué)或海洋學(xué)測量工作。
敏感元件也可以使用與所述實(shí)施例中不同的敏感元件，例如，可采用設(shè)置在支承體外壁的管狀敏感元件。但這仍在本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種管狀壓電傳感器，包括，至少一個(gè)由具有壓電特性的材料制成的敏感元件和與之相聯(lián)系的電極，該敏感元件設(shè)置在管狀支承體上，該壓電傳感器在該管狀支承體內(nèi)含有至少一種其聲學(xué)阻抗與形成管狀支承體的材料顯著不同的物質(zhì)，從而對通過該管狀支承體的聲波形成聲學(xué)屏障(蔽)，該壓電傳感器還包括一個(gè)使管狀支承體內(nèi)的壓力基本上等于該壓電傳感器外的靜壓力的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電傳感器，其特征在于，該管狀支承體內(nèi)含有至少一種液體浸漬的物質(zhì)。
3.如權(quán)利要求2所述的壓電傳感器，其特征在于，該管狀支承體內(nèi)含有纖維材料。
4.如權(quán)利要求2所述的壓電傳感器，其特征在于，該管狀支承體內(nèi)含有多孔材料。
5.如權(quán)利要求3所述的壓電傳感器，其特征在于，所述纖維材料由玻璃纖維制成。
6.如權(quán)利要求2所述的壓電傳感器，其特征在于，所述具有至少一個(gè)敏感元件的管狀支承體設(shè)置在一個(gè)對聲波透明的密封殼體中，并充有液體，上述管狀支承體的兩端包括允許充入密封殼體的液體從中通過的小孔。
7.如權(quán)利要求1所述的壓電傳感器，其特征在于，所述的敏感元件成薄膜狀。
8.如權(quán)利要求7所述的壓電傳感器，包括至少一個(gè)成螺旋狀地繞著上述管狀支承體的敏感元件。
9.如權(quán)利要求7所述的壓電傳感器，包括兩個(gè)以相反方向成螺旋狀地繞著上述管狀支承體的敏感元件。
10.如上述權(quán)利要求1-9所述的壓電傳感器，其特征在于，形成管狀支承體的材料的楊氏模量選擇得比敏感元件基底的對應(yīng)模量小得多。
11.如權(quán)利要求10所述的壓電傳感器，其特征在于，所述管狀支承體的管壁厚度是極薄的。
全文摘要
一種管狀壓電傳感器，具有至少一個(gè)設(shè)置在管狀支承體外表面上的敏感元件，一種其聲學(xué)阻抗與形成上述管狀支承體的材料顯著不同的物質(zhì)置人其中，其余的全部體積中充以液體。該物質(zhì)例如可以是玻璃纖維束或微孔泡沫塑料，液體可以是充入地震浮筒的那種液體，此時(shí)，上述管狀支承體是開口的，也可以用密封蓋將其兩端封閉并罩于防護(hù)套之中，支承體的尺寸和制作支承體的材料選擇得使壓電傳感器的靈敏度達(dá)到最佳。
文檔編號G01V1/20GK1034106SQ88108980
公開日1989年7月19日 申請日期1988年12月29日 優(yōu)先權(quán)日1987年12月30日
發(fā)明者克勞德·博德塞勒, 愛提尼·波爾茲 申請人:法國石油研究所