2014年第二期 石油压电检波器主要技术参数及其单位换算(作者：杜克相 潘中印 邵欣等)

石油压电检波器主要技术参数及其单位换算
杜克相潘中印邵欣任之贾建涛陈永兵
(东方地球物理公司西安物探装备分公司西安）
摘要同常规磁电式地震检波器一样，压电地震检波器也已普遍应用于石油地震勘探。

衡量压电地震检波器性能的主要参数有自然频率、直流电阻和灵敏度等。

由于目前一些压电地震检波器产品介绍中，常有技术参数单位表述的不一至问题，从而造成用户使用的不便，本文介绍一些压电地震检波器主要测试参数及其单位换算方法，以便相关设计和使用人员更好的掌握压电地震检波器参数换算和使用。

关键词：压电检波器技术参数换算
Piezoceramic transducer , a kind of seismicgeophone has a few of maintechnical parametersincluding direct-current resistance 、natural frequency and sensitivityetc. The paper introduce a type of transform methods for different dimensionof Piezoceramic transducer parameters .
Key words：piezoceramicgeophone, technical parameters，conversion。

0 引言
不同于传统的磁电式地震检波器，压电地震检波器是利用当陶瓷材料受到外界压力作用变形时，极板上可以产生电荷的原理制成的。

水中压电检波器（水听器）是靠水的压强的变化；陆地压电检波器是靠质量块运动时的惯性使其产生变形并获得信号。

由于压电地震检波器没有磁钢、线圈、弹簧片等精密机械零件，因此，它具有结构简单、灵敏度高、制造成本低的优点。

压电地震检波器可以很方便制成速度型或加速度型，广泛应用于江、河、湖泊、海洋等地域的石油地震勘探。

1 压电地震检波器主要技术参数
按照不同的应用区域划分，压电地震检波器主要有海洋压电地震检波器和陆地压电地震检波器两大类。

衡量压电地震检波器性能的主
要技术参数有自然频率（单位为Hz）、直流电阻（单位为Ω）和灵敏度（海洋压电检波器灵敏度单位为μV/μba，陆地压电检波器灵敏度单位为V/m/s）等。

一般地，压电检波器制造商给出的相关技术参数中,检波器灵敏度指标值往往包含两种单位,即,灵敏度值单位为μV/μba,而灵敏度允差值单位为dB。

不同的量纲单位给设计和使用带来诸多不便。

1.1海洋压电检波器
海洋压电地震检波器主要应用在海底电缆、拖缆等石油勘探施工。

一般地，设计海洋压电检波器为速度型无源检波器。

由于压电材料的阻抗都很高，达到MΩ级，所以这类检波器都要加阻抗变换器。

常规压电地震检波器产品，如：美国的2512型浅水压电检波器，它的最大水深为36m；而MP24 、MP25等类型压电检波器工作水深最大可达200m。

我国直到1996年才有了自主研发的适应于浅水的海洋压电检波器产品，2003年研制完成了深水压电地震检波器。

目前石油地震勘探使用的海洋压电检波器大多都是国内的产品。

海洋压电陶瓷检波器的主要技术指标主要有三项：自然频率Hz、直流电阻Ω和灵敏度μV/μba；其次是环境技术参数，如，使用最大水深、工作温度和外形尺寸。

几种压电检波器技术参数比较见表1 。

表1几种压电检波器技术参数比较表
1.2陆地压电检波器
海洋压电地震检波器的成功应用，使得人们考虑将海洋压电检波技术向陆地压电检波方面发展。

近几年来，一种新型陆地压电检波器设计和开发成功。

一般地，设计陆地压电检波器为加速度型（有源和无源）。

为便于与常规磁电式陆地地震检波器类比，陆地压电检波器的主要技术参数也用直流电阻（Ω）、自然频率（Hz）和灵敏度（V/m/s）等来表示。

如，一种新型陆地压电检波器主要技术参数为：
⏹响应频带： 5Hz～500Hz；
⏹等效灵敏度：≧80V/m/s(@ 80Hz) ；
⏹灵敏度一致性误差: ＜15%；
⏹输出阻抗: ＜1.3KΩ
⏹失真度：＜0.1%
⏹工作温度：－40℃～＋80℃。

2 压电地震检波器灵敏度单位表述和换算
2.1海洋压电检波器
海洋压电检波器的灵敏度指标是在频率31.5Hz时取得的，其灵敏度的单位是V/ba.（或μV/μba)。

其中，单位bar为压力单位，而bar 并不是国际单位，国际单位的压力用Pa（帕斯卡）表示。

bar与Pa 的单位换算公式为：10bar = 1MPa。

一般地，制造商给出的带有灵敏度允差的表述方式是:xμV/μba±adB（式中，x、a为数值）。

例如，
灵敏度为（14μV/μba±1.5dB）。

需要注意的是灵敏度的允差±1.5dB，其允差值单位是用分贝（dB）表示的。

为便于压电检波器的设计和应用，需要将同一个参数中的两个单位换算成同一个单位进行比较。

灵敏度值（V/ba）和灵敏度允差值（dB）单位之间的换算关系见式1。

……………………………①
式(1)中：
x为压电检波器灵敏度值V/ba；
a为灵敏度换成分贝后的值dB。

举例：如压电检波器MP25的灵敏度为14V/ba±1.5dB，将灵敏度值14带入式1，即：
a=20lg(14·10-11)=20lg(0.00000000014)=20(-9.85387)= -197.077
则，用分贝表示压电检波器的灵敏度有：
14V/ba±1.5dB = -197.077 dB±1.5dB，即，检波器的灵敏度取值范围为：-198.577 dB～-195.577 dB。

或者，把dB换算成V/ba表示，由公式可推导出式2。

……………………………②
将-198.577和-195.577分别代入公式②中得：11.78和16.63。

也就说灵敏度14μV/μba±1.5dB为11.78μV/μba和16.63μV/μba之间。

2.2陆地压电检波器
目前，磁电式检波器是陆地地震勘探的常规检波器之一，一般设计为速度型检波器。

对于磁电式检波器，其信号频率小于等于10Hz
时的检波器灵敏度值通常是基于测试振动台振动频率12Hz、速度0.7吋/s时测得的；而大于10Hz时的检波器灵敏度值通常是基于测试振动台振动频率80Hz、速度0.7吋/s时测得的。

设计陆地压电地震检波器为一种加速度型检波器，制造商一般给出陆地压电地震检波器的速度灵敏度值（而非加速度灵敏度值）。

根据加速度检波器幅频特性知，加速度检波器低频段灵敏度较低，随着频率的增加灵敏度在上升。

一般地，陆地压电检波器的灵敏度是在基于测试振动台振动频率80Hz、速度0.7吋/s时测得的。

压电检波器速度灵敏度值和加速度值之间也可用式3转换。

y=2πf0x …………………………… ③
式(3)中，
y为加速度灵敏度值；
x为速度灵敏度值；
f0为灵敏度测试点频率，例如80Hz.有：y=160πx。

由于压电检波器没有磁电检波器的线圈架、磁钢和弹簧片等电磁系统，因此，一般不测试阻尼和假频。

但不是说陆地压电检波器没有阻尼和假频。

陆地压电检波器用常规测试设备一般用dB表示，这主要是压电检波器灵敏度较高，而且随着频率的增加而曲线不断地升高。

所以速度检波器曲线无法满足显示要求。

用分贝表示比较明了。

分贝和V/m/s的关系如下：
1V/m/s ＝0dB …………………………… ④
比如：测出压电检波器为30 dB，用公式④得：
30 ＝20lg x
30lg x
20
X = 101.5 =31.62 V/m/s
3 结束语
石油压电地震检波器应用愈加广泛，制造商所给出的压电地震检波器产品技术性能的参数指标描述还不尽相同。

明确不同参数单位之间的相互转换关系，可以方便进行压电检波器不同的灵敏度速度、加速度等转换，使其规范和统一，方便压电检波器用户或设计人员测试应用。

参考文献：
[1]、《电子元件与材料》电子元件与材料编辑部特刊
电子工业科技情报网，压电陶瓷材料性能测试方法专集（特刑）
主编人：王永令金同寿1984年。

[2]、秦曾煌主编。

《电子学》（下册，第四版）。

高等教育出版社，1965
[3]、于海勋陆尧主编《压电传感器测量》西北工业大学《电子刊物》。

1996年。

1)第一作者简介：杜克相，男，1954年生，高级工程师，1978年毕
业于西北工业大学航空机械专业。

现在东方物探西安物探装备分公司从事新型检波器的研发工作。

邮编71000
(收稿日期：2014-03-15 编辑：梁保江）
2)所列参考文献在正文中对应出现的地方标注。

公式①来自：于海勋陆尧主编《压电传感器测量》第10页。

公式③来自：于海勋陆尧主编《压电传感器测量》第15页。

公式④来自：于海勋陆尧主编《压电传感器测量》第19页。