差动式压电地震数字检波器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种差动式压电地震数字检波器，包括检波器芯体，检波器芯体由圆桶型屏蔽壳、基座、压电元件、质量块、信号调理单元、信号预处理单元、穿心电容、引出电缆构成，基座设置于屏蔽壳内部中心、与屏蔽壳刚性连接；两组压电元件对称紧贴设置在基座两侧，两个质量块分别对称紧贴设置在一组压电元件外侧；两组压电元件分别通过各自两端的引出电极与信号调理单元的输入端连接，信号调理单元的输出端与信号预处理单元的输入端连接，信号预处理单元的输出端通过穿心电容与引出电缆连接。通过对称结构的检波器芯体、差动信号输出和信号的直接数字化处理使得该地震检波器具有灵敏度高、抗干扰能力强、动态范围宽、轻便耐用等优点。
【专利说明】差动式压电地震数字检波器
【技术领域】
[0001]本发明属于地震勘探领域，具体涉及一种差动式压电地震数字检波器。
【背景技术】
[0002]地震勘探法在勘探石油、天然气和其他矿产资源及工程检测、地质灾害预测等方面有极为重要的研究意义。地震勘探仪器的主要技术指标由地震检波器决定。动圈式结构的检波器目前依然是国内外地震勘探中使用最为广泛的地震检波器。但由于其固有的机械特征，相对于现有地震仪器能达到的精度和动态范围而言，它具有灵敏度低、动态范围小、质量和体积较大、抗干扰能力差等缺点，且对弹簧材料要求高、制造工艺复杂。压电式结构的检波器在水陆地震勘探中也有所应用，取得了较好的效果，但也存在质量和体积较大、灵敏度不够高、抗干扰能力差等有待改进之处。
[0003]地震检波器在陆上地震勘探中，当炮检距较大时，信号整体幅度变小，特别是其中包含的高频成分将衰减为微小信号，为了防止信噪比在信号拾取传输过程中进一步恶化，应从提高地震检波器的灵敏度和抗干扰能力方面入手解决。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是，为克服现有地震检波器存在的上述不足，提供一种差动式压电地震数字检波器，采用对称结构的检波器芯体，在有限空间内增大检波器的灵敏度和抗干扰能力。
[0005]本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:
差动式压电地震数字检波器，包括检波器芯体，检波器芯体由圆桶型屏蔽壳、基座、压电元件、质量块、信号调理单元、信号预处理单元、穿心电容、引出电缆构成，所述基座设置于屏蔽壳内部中心，基座与屏蔽壳刚性连接；所述压电元件设有两组，两组压电元件对称紧贴设置在基座两侧，所述质量块设有两个，两个质量块分别对称紧贴设置在一组压电元件外侧；所述两组压电元件分别通过各自两端的引出电极与信号调理单元的输入端连接，信号调理单元的输出端与信号预处理单元的输入端连接，信号预处理单元的输出端通过穿心电容与引出电缆连接。
[0006]按上述方案，所述屏蔽壳采用一定厚度的铝合金或铝质材料制成。
[0007]按上述方案，所述压电元件由多层压电片叠加而成。
[0008]按上述方案，所述两组压电元件结构完全相同(保证其性能相同)。
[0009]按上述方案，所述穿心电容直接安装在屏蔽壳上。
[0010]按上述方案，所述信号调理单元由依次相连的差分放大器、滤波器及Α/D转换器组成。
[0011]按上述方案，所述信号预处理单元由依次相连的复杂可编程逻辑器件CPLD和数字信号处理器DSP组成。
[0012]按上述方案，所述信号调理单元、信号预处理单元均封装在屏蔽壳内。
[0013]本发明的工作原理:两组压电元件用于产生反映地面地震振动特性的交变电压，且构成一对差动信号，两个质量块用于感知地震波的运动。在实际工作过程中，当外界振动时，如用小钢珠敲击检波器芯体，由于压电片的压电效应，其两端引出电极将输出与振动信号成正比的电压信号。由于两组压电元件对称安装在基座两边，两组压电元件产生的电压信号的交流部分将构成一对差动信号，通过示波器输出的交变电压波形基本对称，相位相差约为180度，较好地构成了一对差动信号。这种对称结构的检波器芯体设计，能在有限的空间内增大检波器的灵敏度，同时其输出的差动信号相对于单端信号来说具有更强的抗干扰能力。提高了检波器的动态范围和抗干扰能力。输出的差动信号直接被送入检波器内部集成的信号调理单元中，经差分放大、滤波及Α/D转换成为数字信号，该数字信号进一步被送入信号预处理单元，经数字滤波、FFT变换处理后通过安装在屏蔽壳上的穿心电容经引出电缆进行长距离传输。
[0014]本发明具有如下优点:
1、结合地震勘探的特点，将压电元件对称安装在基座两端，采用对称结构的检波器芯体，在有限的空间内增大检波器的灵敏度并输出差动式电压信号，输出的差动信号在后续的差分处理后幅值加倍，且两差动信号中混叠的相同的各类环境噪声、共模干扰信号则相互抵消，相对于传统地震检波器输出的单端信号具有更强的抗干扰能力，提高检波器芯体自身的抗干扰能力；
2、屏蔽壳采用一定厚度的铝合金或铝质材料制成，轻便耐用，可以屏蔽大部分电场、磁场和电磁场的干扰；压电元件采用多层压电片叠加而成，增加了输出电压信号的幅值；穿心电容用于滤除导线上高频干扰，提高检波器的信号保真度；
3、信号调理单元、信号预处理单元均封装在屏蔽壳内，检测到的地震信号(差动式模拟信号)在检波器内进行信号调理、模/数转换、数字滤波等处理后再输出，使得数字化过程直接在检波器芯体内直接处理，避免了地震信号在长距离传输中引入干扰失真，保留了弱信号的有效成分，提高了检波器的动态范围和抗干扰能力；
4、该地震检波器具有灵敏度高、抗干扰能力强、动态范围宽、轻便耐用等优点，地震检波器在井下槽波地震勘探、陆上地震勘探等领域应用更为可靠和广泛。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明差动式压电地震数字检波器的整体结构示意图；
图2为本发明检波器两端压电材料输出的一对差动信号示意图；
图3为本发明检波器内部集成的信号调理单元及信号预处理单元的结构示意图；
图4为本发明差动式压电地震数字检波器的屏蔽壳的结构示意图；
图中，1-屏蔽壳，2-基座，3-压电元件，4-质量块，5-信号调理单元，6-信号预处理单元，7-穿心电容，8-引出电缆。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0017]参照图1所示，本发明所述的差动式压电地震数字检波器，包括检波器芯体，检波器芯体由圆桶型屏蔽壳I (作为检波器芯体框架)、基座2、压电元件3、质量块4、信号调理单元5、信号预处理单元6、穿心电容7、引出电缆8构成，所述基座2设置于屏蔽壳I内部中心，基座2与屏蔽壳I刚性连接(基座2方便拆卸检查，便于更换检波器芯体内部的压电元件3);所述压电元件3设有两组，两组压电元件3对称紧贴设置在基座2两侧，所述质量块4设有两个，两个质量块4分别对称紧贴设置在一组压电元件3外侧(中间基座2两边各安装一套压电元件3和质量块4,压电元件3、质量块4相对基座2的两侧对称设置)；所述两组压电元件3分别通过各自两端的引出电极与信号调理单元5的输入端连接，信号调理单元5的输出端与信号预处理单元6的输入端连接，信号预处理单元6的输出端通过穿心电容7与引出电缆8连接(图1中，压电元件3与信号调理单元5连接的引出电极、信号调理单元5与信号预处理单元6连接的导线均封装在屏蔽壳I内未标出)。
[0018]所述屏蔽壳I采用一定厚度的铝合金或铝质材料制成，轻便耐用，可以屏蔽大部分电场、磁场和电磁场的干扰。
[0019]所述压电元件3由多层压电片叠加而成，以便增大输出信号的幅值，两组压电元件3结构完全相同、保证其性能相同。
[0020]所述穿心电容7安装在屏蔽壳I上，用于滤除引出电缆8上的高频干扰，提高检波器的信号保真度。
[0021]所述信号调理单元5由依次相连的差分放大器、滤波器及Α/D转换器组成。
[0022]所述信号预处理单元6由依次相连的复杂可编程逻辑器件CPLD和数字信号处理器DSP组成。
[0023]所述信号调理单元5、信号预处理单元6均封装在屏蔽壳I内。
[0024]两组压电元件3用于产生反映地面地震振动特性的交变电压，且构成一对差动信号，两个质量块4用于感知地震波的运动。在实际工作过程中，当外界振动时，如用小钢珠敲击检波器芯体，由于压电元件3的压电片的压电效应，其两端引出电极将输出与振动信号成正比的电压信号。由于两组压电元件3对称安装在基座2两边，两组压电元件3产生的电压信号的交流部分将构成一对差动信号，通过图2所示示波器输出的交变电压波形基本对称，相位相差约为180度，较好地构成了一对差动信号。这种对称结构的检波器芯体设计，能在有限的空间内增大检波器的灵敏度，同时其输出的差动信号相对于单端信号来说具有更强的抗干扰能力。提高了检波器的动态范围和抗干扰能力。输出的差动信号直接被送入检波器内部集成的信号调理单元5中，经差分放大、滤波及Α/D转换成为数字信号，该数字信号进一步被送入信号预处理单元6，经数字滤波、FFT变换处理后通过安装在屏蔽壳I上的穿心电容7经引出电缆8进行长距离传输。
[0025]本发明检波器芯体内部集成的信号调理单元5及信号预处理单元6的组成如图3所示。
[0026]本发明差动式压电地震数字检波器的屏蔽壳I (检波器芯体框架)的结构如图4所
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[0027]最后信号预处理单元预留有控制和数据接口，方便日后检波器的输出信号与先进的通讯技术(例如无线传感网络)对接；检波器芯体再安装外部保护壳并与电缆连接后则完成了检波器的整体设计。
[0028]以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
【权利要求】
1.差动式压电地震数字检波器，其特征在于，包括检波器芯体，检波器芯体由圆桶型屏蔽壳、基座、压电元件、质量块、信号调理单元、信号预处理单元、穿心电容、引出电缆构成，所述基座设置于屏蔽壳内部中心，基座与屏蔽壳刚性连接；所述压电元件设有两组，两组压电元件对称紧贴设置在基座两侧，所述质量块设有两个，两个质量块分别对称紧贴设置在一组压电元件外侧；所述两组压电元件分别通过各自两端的引出电极与信号调理单元的输入端连接，信号调理单元的输出端与信号预处理单元的输入端连接，信号预处理单元的输出端通过穿心电容与引出电缆连接。
2.根据权利要求1所述的差动式压电地震数字检波器，其特征在于，所述屏蔽壳采用一定厚度的铝合金或铝质材料制成。
3.根据权利要求1所述的差动式压电地震数字检波器，其特征在于，所述压电元件由多层压电片叠加而成。
4.根据权利要求1或3所述的差动式压电地震数字检波器，其特征在于，所述两组压电元件结构完全相同。
5.根据权利要求1所述的差动式压电地震数字检波器，其特征在于，所述穿心电容直接安装在屏蔽壳上。
6.根据权利要求1所述的差动式压电地震数字检波器，其特征在于，所述信号调理单元由依次相连的差分放大器、滤波器及Α/D转换器组成。
7.根据权利要求1所述的差动式压电地震数字检波器，其特征在于，所述信号预处理单元由依次相连的复杂可编程逻辑器件CPLD和数字信号处理器DSP组成。
8.根据权利要求1所述的差动式压电地震数字检波器，其特征在于，所述信号调理单元、信号预处理单元均封装在屏蔽壳内。
【文档编号】G01V1/18GK104237934SQ201410515341
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】宋俊磊, 王典洪, 施芬 申请人:中国地质大学