高精度地震勘探磁电检波器

两个弹簧并联： k k1 k2
两弹簧选择原则：使质量块处于中间位置。
垂直放置：下面刚度的大，上面的小。
（二）阻尼系数计算
电磁阻尼（金属骨架为阻尼器）：
金属骨架在磁场中作相对运动并切割磁力线时， 感生涡流并受到磁场力的作用，力的方向与运动方向 相反。
阻尼器
阻尼器的作用：衰减自由振动，降低共振峰， 改善频率响应特性，提高测试精度。 阻尼系数与阻尼比的关系为：
k B S lm klS m t an , lm t an kl H S m k S 0
在确定好磁铁的截面积后，可以确定磁铁 的长度。
永久磁铁的尺寸
k B S Bm Sm
k BS S B

m m

kH H l kH l H
l
磁电式地震检波器
主要内容：
磁电式传感器的基本工作原理
磁电式地震检波器 设计基础 磁电式传感器的应用
概述
地震勘探检波器是从传统磁电式传感器 演变而来；其基本原理： 利用电磁感应原理，将输入(运动速度) 转换成线圈中感应电动势输出的传感器。 有源传感器：不需要提供电源 ; 特点： 具有双向转换特性; 具有较大的输出功率; 只适用于动态测量。
空气阻尼器（在杯底开空调节阻尼）
实用模拟
2 2
2 （ ） 2（ ） 1 0 0
2 ( ) 0 1 相位滞后： tg 2 1 ( ) 0
当＝0时： 当＝ 0时： 当>> 0时： xt xt 1 xt 0 1 x0 x0 2 x0
dw：带绝缘层导线直径；
L
h：线圈厚度；
f2：填充系数(>1)；
总匝数： W nW 0
工作气隙中匝数： W W lg L
D1 D2 D3
四、参数设计
（一）固有频率的确定
0
xt x0
k m
2 ( ) 0
2 （ ） 2（ ） 1 0 0
xt 得： ( j ) 2 x0 1 ( ) 2 j ( ) 0 0 振幅比：
xt x0
2 ( ) 0
2 ( ) 0
2 （ ） 2（ ） 1 0 0
2 2
频率特性：
xt x0
(
2 ) 0
c 2 mk
理想的阻尼比为：
c 2m 0 k 2m m
c
0.6 ~ 0.7
阻尼器
电磁阻尼器 阻尼器
空气阻尼器
Dcp B2l g t c N s m 1
金属 杯阻 尼器
Dcp:金属杯平均直径； lg:气隙深度； t: 金属杯的壁厚； : 金属材料的电阻率。
动态特性分析 —二阶系统表示
m x
m
k
c x
0
壳体:提供闭合磁路、 磁屏蔽
y01 y0 y1
设：x0---振动体的绝对位移；xm---质量块的绝对位移
两者间相对位移： xt xm x0
运动正方向向上，所有力（包括惯性力）假设正方 向向上，根据力平衡原理，有：
d xm d m 2 c ( xm x0 ) k ( xm x0 ) dt dt
二、磁路设计
B 矫顽力Hc： 剩余磁感应强度Br： Hc Br H
最大磁能积(BH) m：
永久磁铁的工作点
磁导线
B
O’
A B D H 0
确定原则：使永久磁铁尽可能工作在最大磁能 积上，此时磁铁体积最小。
永久磁铁的尺寸
由工作点D（B、H）值计算磁铁尺寸： 由磁通连续性定理： δ N
Bm Sm k B S
二、地震勘探检波器发展现状
自上世纪伴随地震勘探技术的发展及技术进 步至今，逐步产生和得到认同的检波器： 20DX、SM24、32CT等主频为10Hz的检波器； 28Hz、40Hz、60Hz等使用高分辨率勘探的检波器；
V
Hz
现有检波器的缺陷及研制方向
现在地震勘探主要采用的是炸药震源， 其特点是激发出的地震波主要集中在4—100Hz 带宽内现有的检波器接受频带在10—250Hz。 研制方向： 为了全频接收震源信号，检波器的接收带 宽为2-300Hz最为理想。
线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线，感生电 势为： d e WBS sin WBS sin dt
S：每匝线圈的围成的面积 θ：线圈平面法线方向与磁场方向之间的夹角；
ω:线圈与磁场之间的相对运动角速度
两种基本类型
恒定磁通式：
工作气隙中磁通不变，线圈中的感应电势由线 圈相对永久磁铁运动并切割磁力线产生。
工作原理
由电磁感应定律，当W匝线圈在均恒磁场中运 动时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈的感应电动 势e为：
d e W dt
线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线，感 生电势为：
dx e WBl sin WBlv sin dt
B：磁场磁感应强度；l:每匝线圈的有效长度 θ：运动方向与磁场方向之间的夹角； v:线圈与磁场之间的相对运动速度，m/s
d 令D dt
d xm dxt m c k xt 2 dt dt
2
2
则： (mD cD k ) xm (cD k ) x0
2
则： (mD cD k ) xm (cD k ) x0
2
xm cD k 传递函数： ( D) 2 x0 m D cD k
00
90
0
1800
0
基座受力（运动传感器）
检波器参数的作用
当>> 0（ >3 0 )时，xt/x01 xt x0,m近似看作静止不动 φ=-1800 关于工作频段： 阻尼比的影响： 增大 （0.7左右），可 以减小共振峰，改善低频响应。 固有频率 0的影响：降低 0 ，扩大低频 段。 理想情况，当 >> 0 线圈中的感应电势： e=WBlv 灵敏度：s=WBl
高灵敏度系列与PS-10ES幅频特性比较
100
灵敏度（V/M/S）
10
PS-5R (b=0.7) PS-10ES (b=0.7) PS-10ES (b=0.25) PS-10R (b=0.7) PS-10R (b=0.51)
1 1 10 自然频率（Hz） 100 1000
高精度低频检波器研制目标
引线 线圈 壳体 芯轴 磁钢 阻尼杯 弹簧片
k : 漏磁系数； ( 1)

m G GLou G k G G
磁路基尔霍夫第一定律：
S
H mlm kl H
k 1.2 : 修正系数
l
永久磁铁的尺寸
磁路工作点的正切角为：
Bm t an Hm Hm kl H lm
k B S Bm Sm
2 2
设计思路：
1）为了保证精度，要求：/ 0>3 2）为了改善低频响应性能，可以采取的措施： K↓、m↑→ 0↓
注意：K↓ →静挠度↑, m↑ →传感器变重 3）根据最大容许幅值误差来确定弹簧刚度； 4）合理选择固有频率。
弹簧刚度计算
1 f0 2 k m
2
弹簧刚度： K 2f 0 m

m
m
l

m
m
磁铁的体积：
k kB S 1 V S l BH BH
2

l


m
m
m
0
m
m
m
m
工作气隙设计
1）保证线圈窗口面积容纳足够的线圈匝数； 2）保证均匀而较强的气隙磁场； 3）气隙深度lg大于4倍的气隙宽度δ。
B lg δ
三、线圈组件（骨架、线圈绕组）设计
保证线圈在气隙中活动自如，有：
ht
D3 D2 h 2
t h
线圈
D 2 D1 t 2
L
L 1.3(lg lp )
骨架
lg：气隙深度； lp：振动位移的峰峰值。
D1 D2 D3
三、线圈组件（骨架、线圈绕组）设计
Lf1 绕组每层匝数： W0 dw
t h
f1：有效利用系数，f1=0.95；
h 绕组层数： n dw f2
设计要素
磁路系统
磁电传感器 的基本组成 线圈 永久磁铁 导磁壳体
弹簧
阻尼器
材料（永磁合金）
磁铁设计 尺寸
工作点
一、材料选择
高剩磁Br、高矫顽力Hc磁性材料：拟结 合现代我国极具优势的稀土永磁制造技术， 融合特种功能合金材料加工技术；开发适 用的永磁系统。 高导磁金属材料：吸收纳米技术设计 制造高聚磁金属。
自然频率：5Hz；最好2Hz 电阻：小于5KΩ 灵敏度：大于20V/m/s 假频：大于120Hz
高精度低频检波器结构：
1—弹簧 ; 2—壳体; 3—阻 尼环; 4—磁钢;5—线圈; 6—芯轴
在测振时，磁钢4与壳 体2一起随被测系统的振 动而振动。 装在芯轴6上的线圈5和 阻尼环3组成惯性系统的 质量块并在磁场中运动。
xt xm x0 mD 即： ( D) 2 x0 x0 mD cD k
2
c 2 mk
0
2
k m
xt D ( D) 2 2 x0 D 20 D 0
xt D ( D) 2 2 x0 D 20 D 0
2
若振动体作简谐振动，将D=j代入：
变磁通式：
磁铁、线圈均不动，感应电势由变化的磁通产 生，如图示转速测量： 1一永久磁铁 2一软磁铁 3一感应线圈 4一测量齿轮
磁电式地震勘探检波器
工作原理与动态特性
线圈 N
永久磁铁
弹簧
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
S
壳体
被测物
动圈式地震勘探检波器
检波器构成
永久磁铁:产生磁场 线圈：感生出电动势 弹簧：弹性恢复 阻尼器
电磁阻尼：线圈金 属骨架在磁场中运 动，产生感应涡流， 而受到反方向的作 用力。 空气阻尼：