專利名稱：對(duì)靜態(tài)壓力變化不敏感的信號(hào)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信號(hào)傳感器，它對(duì)置身其中(周圍)的媒質(zhì)內(nèi)的靜態(tài)壓力變化不敏感。
這種信號(hào)傳感器可以用在希望進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量的任何媒質(zhì)中，特別是水中。例如，在海洋學(xué)中，它適于進(jìn)行水下探測(cè)工作或構(gòu)成適用于形成海底地震探測(cè)工作的多傳感器接收裝置。
法國專利2122675中揭示了一種包括兩個(gè)圓板的水聽器，兩圓板中至少一個(gè)包括一中央柔性部份，其上固定一個(gè)由壓電陶瓷圓片形成的敏感元件，在圓片的相對(duì)兩平面上各連有一個(gè)電極。兩圓板的周緣部分被加固成為剛性的、兩圓板互相貼合在其間形成一個(gè)充滿空氣的內(nèi)腔，所要測(cè)量的地震信號(hào)的變化使每一柔性中央部分產(chǎn)生形變，敏感元件受壓(彎曲)工作，從而使它具有很高的靈敏度。隨著浸入深度的增加而增大的靜態(tài)壓力，有可能引起例如每一柔性板朝容器內(nèi)部彎曲。該器件設(shè)計(jì)得使柔性板在靜態(tài)壓作用下可能、(產(chǎn)生)的形變是可以恢復(fù)的，為此例如這樣選擇兩圓板之間的空隙，這種間距使它們的形變成為不可恢復(fù)(不可逆)之前兩圓板彼此相抵。
這種水聽器只適于某一給定的深度范圍。
把這兩塊相向的圓板加厚，可以增加水聽器工作的深度范圍，但對(duì)靈敏度不利，同時(shí)還應(yīng)該指出的是，工作在彎曲狀態(tài)下的每一敏感元件的電容隨著形變的彎曲程度而變化，從而使水聽器的響應(yīng)特性隨著深度而發(fā)生變化。
法國專利1556971揭示了一種水聽器，它包括一個(gè)固定于柔性薄板上的敏感元件。該柔性薄板固定在一剛體上，后者有兩個(gè)充滿空氣的內(nèi)腔，內(nèi)腔由一毛細(xì)管道連通。第一腔室由一柔性膜片與外部媒質(zhì)隔開，柔性薄板的外表面暴露于所要測(cè)量的壓力下，第二內(nèi)腔中的壓力加在其內(nèi)表面上。外界壓力的變化經(jīng)柔性膜片的形變傳遞至第一內(nèi)室，而毛細(xì)管起低通濾波器的作用，防止所要測(cè)量的壓力的動(dòng)態(tài)變化從該薄板的內(nèi)側(cè)傳入第二內(nèi)腔，這樣就可以測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力變化。
采用了這樣的結(jié)構(gòu)，水聽器能夠工作的深度范圍明顯增大，其范圍基本上由膜片通過形變補(bǔ)償外界靜態(tài)壓力變化的能力所決定。還應(yīng)指出的是，毛細(xì)管的動(dòng)態(tài)變化濾波效應(yīng)取決于其長(zhǎng)度，如果希望朝低頻方向盡可能地加寬這種水聽器的通帶，則必須采用很長(zhǎng)的毛細(xì)管，實(shí)際上，這種解決方案難以同要制造小型水聽器的結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)，例如構(gòu)成地震浮筒時(shí)要使用大量水聽器，所以這種水聽器必須盡可能地小型化。
本發(fā)明的傳感器避免了上述缺陷。
它包括至少一塊柔性板，一個(gè)固定在該板上的敏感元件，以及一個(gè)使上述柔性板的一面不受媒質(zhì)壓力動(dòng)態(tài)變化影響的濾波裝置。在該傳感器中，濾波裝置包括一定量的基本上不可壓縮的吸收材料，用來把媒質(zhì)的靜態(tài)壓力的變化傳遞到該表面上。
這種基本上不可壓縮的吸收材料置于例如向媒質(zhì)敞開的容器內(nèi)。
這塊基本上不可壓縮的吸收材料由例如所謂合成物質(zhì)形成的硬質(zhì)材料制成的纖維做成，或由用涂有粘結(jié)劑或浸于某種液體中的固體材料(如玻璃)形成的球體來做成。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的傳感器包括至少一對(duì)柔性板，每一柔性板有一敏感元件和基本上不可壓縮的吸收材料，該材料用來使每一柔性板的一個(gè)表面不受媒質(zhì)中壓力的動(dòng)態(tài)變化的影響。
柔性板可以是，例如，一種放有阻尼材料并開孔的普通容器的壁，該容器可能包含一個(gè)格柵覆蓋的部分并填充有例如玻璃球。
如果阻尼材料有足夠的凝聚性可以被切成塊，那末本發(fā)明的傳感器可以將至少一塊柔性板及其敏感元件貼在上述阻尼塊的一個(gè)面上來構(gòu)成。
基本上不可壓縮的吸收材料，無論它是固體還是浸漬液體的，由于其適于傳遞媒質(zhì)中靜態(tài)壓力的任何變化，所以，每一柔性板的兩相對(duì)表面受到同樣的力，這樣，就完全克服了在已有技術(shù)的傳感器中由于媒質(zhì)靜態(tài)壓力增加引起的有害效應(yīng)和/或局限性。
因?yàn)椴捎玫奈詹牧匣旧鲜遣豢蓧嚎s的，本發(fā)明的傳感器可以經(jīng)受可能的壓力，這就使得壓電陶瓷的使用成為可能，這種材料相對(duì)來說容易碎裂，但粘接至極薄和非常柔軟的板上，具有優(yōu)良的電聲轉(zhuǎn)換效率。
不論選擇哪一種實(shí)施例來形成本發(fā)明的傳感器，結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，這是因?yàn)槲詹牧咸幱谂c外部媒質(zhì)同樣的壓力下，甚至在某些情形下，本身浸漬著這種媒質(zhì)。密封地隔離傳感器容器的內(nèi)部媒質(zhì)時(shí)可能會(huì)遇到的困難在這里得以完全避免。
制作具有小孔并且例如由格柵覆蓋且填有吸收材料的容器是很容易的。這樣，能夠以較低的成本獲得非常敏感的小型傳感器。
本發(fā)明傳感器的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)通過閱讀下面參照附圖所給出的、作為舉例說明的實(shí)施例的描述將得到清楚的了解，其中

圖1是敏感元件的構(gòu)造。
圖2是本發(fā)明傳感器的第一個(gè)實(shí)施例，在該實(shí)施例中，只用了一塊柔性板。
圖3是本發(fā)明的第二實(shí)施例，在該實(shí)施例中用了兩塊柔性板圖4是上述實(shí)施例的一種變形。
圖5示出了本發(fā)明的傳感器的第三個(gè)實(shí)施例。
圖6表示該傳感器的用途之一，即用于地震浮筒中的情況。
每一傳感器包括(如圖1所示)一個(gè)或多個(gè)敏感元件1，每一敏感元件1由例如壓電材料做成的圓盤2形成，在圓盤2的相對(duì)兩面上附有構(gòu)成收集電極的兩導(dǎo)電薄膜3、4，用導(dǎo)體5把收集電極連接到一個(gè)匹配的放大器(未畫出)，如眾所周知的那樣。
在圖2所示的實(shí)施例中，傳感器包括例如一個(gè)置于薄而柔軟的、帶環(huán)形凸緣7的圓板6上的敏感元件，帶有凸緣的板6、7折邊于剛性管狀套筒的8的一端，該套筒的另一端被帶孔的板9蓋住，例如由格柵蓋住。這些孔使套筒8的內(nèi)部與外部媒質(zhì)連通，套筒內(nèi)部填充著阻尼材料10，材料經(jīng)過選擇以使其具有濾除直至極低頻率的外界壓力的動(dòng)態(tài)變化的能力。
有很多材料都是可以適用的，例如，可以選用玻璃纖維或紗布條等，在使用時(shí)，纖維材料浸漬著壓力傳感器投入其中的流體，所以，流體的靜壓力同時(shí)施加在支承著敏感元件1的板6的兩面上。由于阻尼材料起著濾波作用，流體壓力的動(dòng)態(tài)變化僅施加在該柔性板的一面上，這樣，敏感元件1可以拾取該板的振動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
在圖3的實(shí)施例中，傳感器包括兩個(gè)敏感元件1兩個(gè)元件1各自具有同樣的兩塊板6、7，這兩塊板蓋住套筒8的兩端，套筒8的側(cè)壁鉆有許多小孔11，套筒8內(nèi)填有類似的阻尼材料，即能夠被經(jīng)小孔11進(jìn)入套筒流體浸漬的某種纖維材料或多孔材料。類似地，該阻尼材料起到使兩板6、7的內(nèi)表面免受媒質(zhì)靜壓力影響的作用。如大家都知道的那樣，兩敏感元件(由未畫出的導(dǎo)體)作電氣上的互相連接以實(shí)現(xiàn)加速度的電氣補(bǔ)償。
所謂合成型的復(fù)合材料也可用作阻尼材料。
在圖4的實(shí)施例中，兩塊有凸緣的柔性板6、7蓋住由格柵管12形成的套筒的兩端，其內(nèi)部填有如前所述的纖維或多孔阻尼材料，也可以是其它直徑為幾毫米的玻璃粒子或球13，這些球可以埋入某種粘結(jié)劑14中，如環(huán)氧樹脂。
玻璃的聲阻抗和粘結(jié)樹脂的聲阻抗有很大的不同，由于樹脂所含的球以及玻璃/樹脂界面的高密度，復(fù)合材料吸收與板6、7的內(nèi)表面同一側(cè)的可變聲波，可是，外界靜態(tài)壓力變化則傳遞到這些板6、7的內(nèi)表面，按照該實(shí)施例，不管外界媒質(zhì)的靜壓如何傳感器都能工作、球或粒子一般可以由任何聲學(xué)阻抗與填隙材料不同的固體材料來形成。
在一種變形中，球之間的填隙材料可以由傳感器置于其中的流體來代替。
在圖5的實(shí)施例中，阻尼材料有足夠的粘結(jié)性，可以切割成塊狀15，每一支承板6、7直接貼在塊15的一個(gè)面上，以避免其內(nèi)表面受到該材料所吸收的動(dòng)態(tài)壓力變化的影響。
圖2至圖5實(shí)施例中的傳感器都可以用于地震浮筒16中，后者通常包括一段很長(zhǎng)的柔性外殼17，其中充有例如油或煤油，沿著外殼17的整個(gè)長(zhǎng)度上，設(shè)置著許多相互有一定間隔壓力傳感器18。由于每一套筒8中都有著小孔，纖維或孔狀的阻尼材料浸漬著充滿浮筒16的液體，外界壓力變化，無論是靜態(tài)的還是動(dòng)態(tài)的，均通過外殼17傳遞到內(nèi)部液體，不過，這里也一樣，每一敏感元件所測(cè)量的都只是壓力的動(dòng)態(tài)變化。
在上述各個(gè)實(shí)施中，傳感器所處的流體可以用作填隙流體(玻璃球情形)或用作浸漬流體(多孔或纖維材料)，當(dāng)傳感器用作水聽器時(shí)，這種流體可以是水。但是應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)該液體呈粘滯性時(shí)，則對(duì)聲學(xué)信號(hào)的阻尼效應(yīng)較好，而通常充入地震浮筒的液體正是這樣的。
傳感器的殼體也可以同外部媒質(zhì)隔離，這同樣是在本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)的范圍以內(nèi)，然后，其內(nèi)部流體由平衡機(jī)構(gòu)保持在與外部媒質(zhì)相等的靜態(tài)壓力下，在這種情況下，流體可作為它的物理特性的一個(gè)函數(shù)來選擇，以便與阻尼材料一起形成最佳的聲學(xué)吸收物。
同樣在本發(fā)明的范圍內(nèi)的是，圖2至4中所示開孔的殼體可以由例如具有可以透過靜態(tài)壓力變化性質(zhì)的燒結(jié)材料做成的殼體來代替，一種合適的材料可以由例如通過在高壓下把小球粒壓在一起來獲得，其粒子大小取決于球粒的大小，在某些情形下，至少在某些頻率波段內(nèi)，由燒結(jié)材料做成的殼體也可以衰減動(dòng)態(tài)壓力變化，它可以單獨(dú)使用或與上面所說的那些聲學(xué)吸收物一起使用，以吸收可能會(huì)傳遞至內(nèi)部的動(dòng)態(tài)變化。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)媒質(zhì)中的靜態(tài)壓力的變化不敏感的信號(hào)傳感器，該敏感器包括至少一塊其中心部分為柔性的板，一個(gè)固定在所述板的第一表面的圓盤形敏感元件，以及使每一所述板的背面不受該媒質(zhì)壓力動(dòng)態(tài)變化影響的濾波裝置，其特征在于，所述濾波裝置包括一定量適于把該媒質(zhì)的靜態(tài)壓力變化傳遞至所述背面的基本上不可壓縮的吸收材料。
2.如權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述基本上不可壓縮的吸收材料置于一個(gè)對(duì)所述媒質(zhì)敞開的硬質(zhì)殼體內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的壓力傳感器，其特征在于，所述基本上不可壓縮的吸收材料由硬質(zhì)材料的纖維制成。
4.如權(quán)利要求1或2所述的壓力傳感器，其特征在于，所述基本上不可壓縮的吸收材料由多孔物質(zhì)制成。
5.如權(quán)利要求1或2所述的壓力傳感器，其特征在于，所述基本上不可壓縮的吸收材料由復(fù)合材料制成。
6.如權(quán)利要求5所述的壓力傳感器，其特征在于，所述基本上不可壓縮的吸收材料由與填隙材料有關(guān)的固體物質(zhì)顆粒制成。
7.如權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，該傳感器包括至少一對(duì)柔性板，每一柔性板有一敏感元件和用于使每一所述板的背面不受媒質(zhì)壓力動(dòng)態(tài)變化影響的基本上不可壓縮的吸收材料。
8.如權(quán)利要求7所述的壓力傳感器，其特征在于，兩柔性板是容有所述基本上不可壓縮的吸收材料并具有小孔的通用殼體的壁。
9.如權(quán)利要求8所述的壓力傳感器，其特征在于，所述通用殼體包括至少一個(gè)格柵部分。
10.如權(quán)利要求7所述的壓力傳感器，其特征在于，所述殼體填有浸于液體中的固體材料顆粒。
11.如權(quán)利要求1或7所述的壓力傳感器，其特征在于，所述基本上不可壓縮的吸收材料處于與該媒質(zhì)的靜態(tài)壓力相等的壓力下，每一所述的板置于所述材料的一個(gè)面上。
12.如權(quán)利要求11所述的壓力傳感器，其特征在于，所述材料通過把玻璃粒子埋入某種涂覆材料而形成。
13.如權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述的濾波裝置包括一個(gè)由燒結(jié)材料制成的殼體。
14.如權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其特征在于，所述硬質(zhì)殼體置于一個(gè)地震浮筒內(nèi)。
全文摘要
這里所揭示的信號(hào)傳感器包括自動(dòng)補(bǔ)償其所處的媒質(zhì)中靜態(tài)壓力變化的裝置，包括一個(gè)或兩個(gè)各由位于一柔性板的一個(gè)面上的壓電元件所形成的機(jī)構(gòu)，該柔性板的另一面由一吸收振動(dòng)但具有良好柔性的材料使其不受所要測(cè)量的動(dòng)態(tài)壓力變化的影響，以便傳遞周圍靜態(tài)壓力的任何變化，該材料可以是浸漬液體的多孔泡沫材料或纖維物質(zhì)，并填入一開孔的管狀套筒內(nèi)。
文檔編號(hào)G01V1/18GK1043845SQ8910583
公開日1990年7月11日 申請(qǐng)日期1989年12月20日 優(yōu)先權(quán)日1988年12月23日
發(fā)明者克洛德·博迪塞爾 申請(qǐng)人:法國石油研究所