多线圈多端子闭环地震检波器加速计的制作方法

多线圈多端子闭环地震检波器加速计的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于检测振动的装置和方法。装置包括壳体，磁体结构，该磁体结构在壳体中形成磁场，以及线圈结构，该线圈结构在磁场中，与磁体结构同心。响应外部振动，线圈结构和磁体结构可彼此相对运动。线圈结构包括至少两组线圈，这些线圈在空间中交叠，且这些线圈组中的第一线圈组用于检测振动，第二线圈组用于根据控制信号来施加控制。
【专利说明】多线圈多端子闭环地震检波器加速计

【技术领域】
[0001] 本发明通常涉及一种地震数据获取装置，特别是涉及一种多线圈、多端子的地震 检波器加速计。

【背景技术】
[0002] 振动传感器已经用于多种领域，例如油和天然气的探测、建筑物、桥梁和其它民用 建筑的振动监测。因为用于地震探测、地震和建筑物振动监测的振动传感器通常由电池供 电，因此通常优选具有低功率消耗的振动传感器。此外，优选的是，振动传感器为低成本和 可靠的，并具有较宽的频率带宽。
[0003] 传统的地震检波器是一种已经广泛使用很多年的振动传感器。地震检波器具有在 磁场中可运动的线圈。由外部振动触发的线圈运动产生横过线圈端子的电压，该电压可以 用于确定外部振动的特征。
[0004] 例如，欧洲专利申请No. 0110431教导了一种使用换能器的加速度响应地震检波 器，该换能器包括传感器线圈和驱动线圈，它们都布置在由磁体结构产生的磁场中。磁体结 构和线圈安装在壳体内，用于彼此相对运动。磁体结构布置成使得在传感器线圈和驱动线 圈之间的电磁耦合降低至基本为零。传感器线圈与电子放大器的输入耦合，该电子放大器 的输出与驱动线圈耦合，以提供反馈电路。换能器-放大器的组合具有带通滤波器的性能。 为了使得该组合基本与温度无关，同时在很宽的温度范围内保持它的带通特征，该放大器 是具有输入阻抗和输出阻抗的跨导放大器，该输入阻抗和输出阻抗分别与传感器线圈的阻 抗和驱动线圈的阻抗高度相关。基本与温度无关的电阻与驱动线圈串联连接，并与输出端 子连接，换能器-放大器的输出信号能够通过该输出端子可以被收集。
[0005] 美国专利No. 5172345 (也公开为欧洲专利No. 0434702和PCT专利申请No. PCT/ NL89/00063)教导了一种用于测量机械振动（例如地震波）的地震检波器系统。该地震检 波器系统包括机械换能器，该机械换能器有电子处理电路。机械换能器包括惯性质量，该惯 性质量适用于通过输入加速度信号和通过力换能器来激励。该激励通过传感器元件来检 测，且地震检波器的处理电路控制力换能器，并通过传输线路与中心站相连接。
[0006] 传统的地震检波器有合适的低成本、电效率高和基本可靠。不过，它们的频率带宽 通常较窄（频率响应下降大约12dB/倍频程），且它们的总谐波失真（THD)通常较高（大约 0. 1 %或-60dB)，从而导致在发展市场方面并不令人满意。
[0007] 传统的地震检波器通常在低频范围内具有较差的频率响应。因为低频地震信号更 通常地用于地震工业中（例如，目前振动器扫描频率通常开始于大约2Hz或更低），因此传 统的地震检波器不能满足监测低频振动的要求。因此希望具有较宽带宽的，特别是在低频 范围中具有良好的频率响应的传感器。
[0008] 也可以利用其它振动传感器，例如开环或闭环微机电系统（MEMS)传感器。根据传 感器结构，它们分成两类：开环振动传感器和闭环振动传感器。传统的地震检波器也是开环 振动传感器。
[0009] 与传统的地震检波器类似，开环振动传感器通常是经济的、可靠的和电效率高的。 一些开环振动传感器装置甚至根本不需要电源，尽管开环MEMS传感器确实需要电力，并且 是节能普遍化的例外情况的例子。不过，开环振动传感器通常有非常有限的频率带宽和较 差THD质量。
[0010] 与开环振动传感器相比，闭环振动传感器（例如闭环MEMS传感器）通常有在大约 3至375Hz范围内的更大带宽和大约0. 001 %或-100dB的更低的THD。不过，这些传感器昂 贵并脆弱，从而使得它们在一些使用情况下并不可靠。
[0011] 另外，闭环MEMS振动传感器功率效率低。例如，闭环MEMS传感器的功率消耗可以 高至125mw或更高。这种相对较高的功率消耗需要严重阻碍了闭环MEMS传感器成功进入 地震市场。
[0012] 因此，需要一种振动传感器，它具有小的总谐波失真、宽的频率带宽和在低频的良 好频率响应，以及低功率消耗。


【发明内容】

[0013] 根据本发明的一个方面，一种用于检测振动的装置包括：壳体；磁体结构，该磁体 结构在壳体中形成磁场；以及线圈结构，该线圈结构包括两组或更多组线圈，这些线圈与磁 体结构同心地交叠在所述磁场中，所述两组或更多组线圈包括掺混的至少两组线圈；其中， 响应所述振动，所述线圈结构和所述磁体结构可彼此相对运动，且运动方向横过磁场的磁 通的方向。
[0014] 根据本发明的另一方面，该装置的至少第一组线圈输出表示振动的感应信号。可 选择地，该装置的两组或更多组线圈可以连接成用于输出表示振动的感应信号。
[0015] 根据本发明的还一方面，该装置的至少第二组线圈接收控制信号，用于控制该装 置对振动的响应。可选择地，该装置的两组或更多组线圈可以连接成用于接收控制信号，用 于控制该装置对振动的响应。
[0016] 该装置对振动的响应可以是对振动的灵敏性和/或对振动的频率响应。控制信号 可以是感应信号的函数。
[0017] 根据本发明的另一方面，一些或全部组的线圈可以以相同方向缠绕。可选择地，一 些组的线圈可以以相反方向缠绕。
[0018] 根据本发明的另一方面，该装置还包括至少两组电端子，这些电端子从壳体的外 部连接，每组电端子连接至少一组线圈。
[0019] 电端子可以通过用于在所述两组或更多组线圈上指示信号相位关系的标记来进 行标记。该标记可以分别在终端和/或壳体上。该标记可以包括颜色标记、条纹等。
[0020] 电端子可以通过用于指示电端子的组的标记来进行标记。
[0021] 根据本发明的另一方面，控制器可以与装置电连接，用于控制所述装置对外部振 动的响应。控制器可以在装置外部，或者可选择地，控制器可以是包含在所述装置的壳体中 的印刷电路板中。
[0022] 根据本发明的另一方面，一种检测振动的方法包括：
[0023] 形成磁场；
[0024] 使得至少第一线圈组和第二线圈组在空间中掺混；
[0025] 将该至少第一线圈组和第二线圈组定位在所述磁场中，这样，响应所述振动，磁场 以及该至少第一线圈组和第二线圈组彼此相对运动，其中运动方向横过磁场的磁通的方 向；
[0026] 自所述第一线圈组检测承载所述振动的信息的感应信号；以及
[0027] 向所述第二线圈组施加控制信号，用于控制所述感应信号。

【专利附图】

【附图说明】
[0028] 图1是根据一个实施例的双线圈、四端子地震检波器的透视图；
[0029] 图2是图1的地震检波器沿A-A截面的剖视图；
[0030] 图3是图2的地震检波器的盖的放大剖视图；
[0031] 图4是图2的地震检波器的基座的放大剖视图；
[0032] 图5是图2的地震检波器的磁体结构的放大剖视图；
[0033] 图6表示了由图2的地震检波器的磁体结构形成的磁场，其中箭头表示磁通；
[0034] 图7是图2的地震检波器的可运动线圈结构的放大剖视图；
[0035] 图8A和8B表示了在图2的地震检波器中形成的两个电路，这两个电路分别与两 组线圈连接；
[0036] 图9是图7的可运动线圈结构的内部和外部线圈组的缠绕的简化三维视图；
[0037] 图10表示了根据这里所述实施例的、使用地震检波器的通用振动检测系统的示 意图；
[0038] 图11是根据可选实施例的、图7的可运动线圈结构的线圈组的简化三维视图；
[0039] 图12A至12G是根据多个可选实施例的、图7的可运动线圈结构的线圈组配置的 示意图；
[0040] 图13A至14B表示了在线圈组中产生的电压的方向和线圈组的缠绕方向之间的关 系；
[0041] 图15A和15B表示了在由线圈组中的电流产生的力的方向和线圈组的缠绕方向之 间的关系；
[0042] 图16表示了用于在电路图中表示线圈组的标识；
[0043] 图17A至17N是根据多个可选实施例的、图7的可运动线圈结构的线圈组连接方 案的不意图；
[0044] 图18A至18C是根据多个可选实施例的多线圈、多端子地震检波器的透视图；
[0045] 图19A和19B是根据多个可选实施例的多线圈、多端子地震检波器的透视图，其中 一些电端子通过电导线连接；
[0046] 图20A是根据另一实施例的多线圈、多端子地震检波器的俯视图，该地震检波器 具有在其壳体上的标记，用于指示电端子的分组和相位关系；
[0047] 图20B是根据另一实施例的多线圈、多端子地震检波器的俯视图，该地震检波器 具有在其电端子上的标记，用于指示电端子的分组和相位关系；
[0048] 图21A和21B表示了三线圈、六端子的地震检波器，该地震检波器具有用于振动检 测的一个线圈组和用于响应控制的另一线圈组；
[0049] 图22A和22B表示了三线圈、六端子的地震检波器，该地震检波器具有用于振动检 测的两个线圈组和用于响应控制的另一线圈组；
[0050] 图23A和23B表示了三线圈、六端子的地震检波器，该地震检波器具有用于振动检 测的一个线圈组和用于响应控制的另外两个线圈组；
[0051] 图24是根据一个实施例的闭环地震检波器系统的电路图；
[0052] 图25是表示闭环地震检波器系统的理论的分析图；
[0053] 图26表示了两线圈、四端子（2C4T)的闭环地震检波器的步骤相应的模拟结果；
[0054] 图27A和27B分别是2C4T闭环地震检波器的Bode幅值和相位图；以及
[0055] 图28和29是表示了 2C4T闭环地震检波器的总谐波失真和环境噪音测试的结果。

【具体实施方式】
[0056] 参考图1和图2,四端子地震检波器100包括圆柱形壳体102,该圆柱形壳体102 具有盖104、基座106和在它们之间延伸的柱形壁108。在该实施例中，柱形壁108利用压 接结构而与盖104和基座106机械地密封连接，在它们之间有具密封元件110、130,例如0 形环。
[0057] 参考图2和图3,盖104包括从底表面向下延伸的中心部分172,该中心部分172 包括沿其周边的环形凸肩174和从该凸肩174径向向内间开的向下延伸的凸出部176。电 触点162安装在凸肩174上，并通过电导线或连接器166而与端子116连接。向下偏压的 簧片或弹簧板电触点164安装在凸出部176上，并大致水平地朝着盖104的中心轴线B延 伸。
[0058] 盖104包括四个端子112至118,这四个端子112至118从盖104的内侧向外延伸 至它的外侧，用于与外部信号处理电路和/或装置（未示出）电连接。端子114的底端位 于弹簧板触点164附近，这样，当地震检波器装配时，它与弹簧触点164电接触。其它端子 112、116和118与弹簧板触点164电绝缘。
[0059] 参考图2和图4,基座106包括中心部分182,该中心部分182从顶表面向上延伸。 中心部分182包括沿其周边的环形凸肩184和从该凸肩184径向向内间开的向上延伸环形 凸出部186。环形凸出部186是不连续的，形成间隙186'，用于允许弹簧板电触点152的一 部分径向穿过。弹簧板触点152安装在凸肩184上，该弹簧板触点152的一部分穿过间隙 186'，并从凸肩184向上和向内延伸至凸出部186的顶表面。
[0060] 再参考图1和图2,柱形壁108由合适的铁磁材料来制造，例如钢、铁、镍、钴或者它 们的合金，以方便磁体结构120形成所需的磁场（后面将介绍）。在该实施例中，盖104和 基座106由刚性塑料制造，以便提供用于支承封闭在壳体102内的部件的机械强度。
[0061] 在该实施例中，壳体102中封闭由可轴向运动的、环形线圈结构140和定位在该环 形线圈结构140内部的磁体结构120,其中它们的纵向轴线重合或同心。磁体结构120固定 或夹在盖104和基座106之间。图3、图4和图5以沿共同轴线B对齐的分解结构表示了该 104、磁体结构120和基座106。
[0062] 参考图2,磁体结构120是轴向延伸的柱形结构，它轴向牢固地装配在壳体102中 并位于盖104和基座106之间。在本文中，地震检波器显示为它的轴线垂直表示。因此，在 本文中，术语"垂直"和"轴向"可互换地使用，而并不是将轴线的实际方位限制为垂直。磁 体结构120的直径小于壳体102的直径，这样，在磁体结构120和壳体102之间形成环形空 间，用于容纳可运动线圈结构140。
[0063] 参考图3、图4和图5,磁体结构120在壳体102内被轴向引导，并且磁体结构120 包括磁体块124,该磁体块124与其上面的上部磁靴122相连接，并与其下面的底部磁靴 126相连接。在该实施例中，底部磁靴126的直径大于磁体块124的直径，并包括在它的上 表面上的第一凹口 202,用于接收磁体块124的底部。底部磁靴126还包括在它的底表面 上的环形脊204,该环形脊204环绕磁体结构120的纵向轴线B-B定中心，并向下延伸，以 形成第二凹口 206。环形脊204的位置与基座106的凸肩184的位置相匹配，这样，当装配 时，环形脊204搁置在凸肩184上，且基座106的凸出部186的外侧壁与底部磁靴126的第 二凹口 206的内侧壁接触，以便引导磁体结构120和防止磁体结构120水平运动。此外，环 形脊204的高度为在装配时使得它的底表面与基座106的凸出部186的顶表面相啮合。
[0064] 类似的，上部磁靴122的直径大于磁体块124的直径，并且上部磁靴122包括在它 的底表面上的第一凹口 208,用于与磁体块124的顶部相配合。上部磁靴122还包括在它的 顶表面上的环形脊210,该环形脊210环绕磁体结构120的纵向轴线B-B定中心，并向上延 伸，以形成第二凹口 212。环形脊210的径向位置与基座106的凸肩174的位置相匹配，这 样，当装配时，环形脊210定位在凸肩174下面，且盖104的凸出部176的外侧壁与上部磁靴 122的第二凹口 212的内侧壁相接触，以便防止磁体结构120水平运动。此外，环形脊210 的高度与盖104的凸出部176的高度相匹配，这样，在装配时凹口 212的顶表面与盖104的 凸出部176的底表面相啮合。
[0065] 在该实施例中，磁体块124是永磁体，上部磁靴122和底部磁靴126由铁磁材料制 成，例如钢、铁、镍、钴或者它们的合金。磁体块124以及上部磁靴122和底部磁靴126在壳 体102内部形成稳定的圆形磁场。因为柱形壁108也是由合适的铁磁材料制造的，因此它 调节由磁体结构120形成的磁场，以使得磁场的磁通在磁体结构120和壳体102之间的环 形空间中大致水平地分布，如图6中箭头242所示。
[0066] 还参考图7,可运动线圈结构140包括线轴142,用于在其上支承线圈缠绕。在该 实施例中，线轴142是由铝或铝合金制造的管形或中空柱形结构，该铝或铝合金通过阳极 氧化来处理，以便在它的表面上形成阳极氧化膜的电绝缘涂层。线轴142的上端略微径向 向外延伸，以便形成大致朝向下的凸肩268。线轴142的上端包括安装于其上和从其内表面 大致向内延伸的一对电端子264和266。电端子264和266与线轴142电绝缘。
[0067] 线轴142的上端还包括至少一个孔（未示出），用于使得线圈组144 (后面将介绍） 穿过，以便与电端子264和266连接。在它的外侧壁上，线轴142包括一对轴向间开的凹口， 包括上部环形凹口 262A和底部环形凹口 262B，用于接收缠绕于其中的线圈。
[0068] 可运动线圈结构140还包括顶部环形金属弹簧板156和底部环形金属弹簧板158， 该顶部环形金属弹簧板156和底部环形金属弹簧板158分别安装在线轴142的上端和底端 上。顶部环形金属板156从线轴142的内侧表面大致水平地向内延伸至在上部磁靴122的 环形脊210附近的位置。底部环形金属板158也从线轴142的内侧表面大致水平地向内延 伸至在底部磁靴126的环形脊204附近的位置。
[0069] 可运动线圈结构140还包括缠绕在线轴142上的两组线圈144和146,内线圈组 144在外圈组146内径向向内平移，并且彼此电隔离。线圈组144和146中的每个包括一圈 或多圈的线圈缠绕。内线圈组144缠绕在线轴142上，并包括缠绕在线轴142的上部凹口 262A中的上部部分144A和缠绕在它的下部凹口 262B中的下部部分144B。线圈组144的 下部部分144B的缠绕方向与它的上部部分144A的缠绕方向相反。内线圈组144的一端与 电端子264相连接，其另一端与电端子266相连接。
[0070] 外线圈组146缠绕在内线圈组144上面。与内线圈组144类似，外线圈组146还包 括上部部分146A和下部部分146B。如图9所示，线圈组146的上部部分146A缠绕在线轴 142的上部凹口 262A中的线圈组144的上部部分144A上面，线圈组146的下部部分146B 缠绕在线轴142的下部凹口 262B中的线圈组144的下部部分144B上面，下部部分146B缠 绕方向与上部部分146A的缠绕方向相反。在本实施例中，外线圈组146的上部部分146A和 下部部分146B分别直接缠绕在内线圈组144的上部部分144A和下部部分144B上。然而， 本领域技术人员可知的是，外线圈组146可以卷绕在内线圈组144上，并在它们之间具有环 形间隔。例如，内线圈组144可以由一块保护纸包装，外线圈组146缠绕在该保护纸上。
[0071] 在下文中，各线圈组有中空的圆柱形形状。由线圈组占据的空间包括由线圈组的 缠绕占据的空间和由线圈缠绕封闭的内部空间。因此内部线圈组144和外部线圈组146在 空间中交叠，意思是由内部线圈组144占据的空间在由外部线圈组146占据的空间内。
[0072] 外部线圈组146、内部线圈组144和磁体结构120成具有重合的纵向轴线B-B的同 心结构。外部线圈组146的一端与顶部弹簧板156电连接，外部线圈组146的另一端与底 部弹簧板158电连接。图9表示了内部线圈组144和外部线圈组146的位置的简化三维视 图。
[0073] 当如图2中所示装配时，柱形侧壁108压接在基座106上。0形环130用于密封在 侧壁108和基座106之间的交接面。在侧壁108内部，磁体结构120装配在基座106上。特 别的是，底部磁靴126的环形脊204搁置在基座106的凸肩184上，且可运动线圈结构140 的底部弹簧板158夹在它们之间。环形脊204的内侧壁与基座106的凸出部186的外侧壁 相啮合，以便防止磁体结构120水平运动。
[0074] 当可运动线圈结构140的底部弹簧板158夹在底部磁靴126的环形脊204和基座 106的凸肩184之间时，可运动线圈结构140的底部弹簧板158与其下面的基座106的凸 肩184上的弹簧板触点152接触，并且还与其上面的底部磁靴126的环形脊204接触。接 着弹簧板152再与底部磁靴126的第二凹口 206的底表面接触。
[0075] 壳体102包括顶部和底部环形凹口，用于分别接收盖104和基座106,并使它们间 开。当装配时，可运动线圈结构140的顶部弹簧板156与其上面的盖104的凸肩174上的 电触点162相接触。不过，可运动线圈结构140的顶部弹簧板156通过绝缘垫片154而搁 置在其下面的上部磁靴122的环形脊210上，以使得顶部弹簧板156与上部磁靴122的环 形脊210电绝缘。
[0076] 因为上部磁靴122的环形脊210的高度与盖104的凸出部176的高度相匹配，因此 当装配时，上部磁靴122的第二凹口 212的顶表面压靠弹簧触点164,接着该弹簧触点164 再压靠盖104中的端子114。电端子264和266分别通过弹簧电线282和284而与端子112 和118连接。
[0077] 在盖104压入配合和压接在柱形侧壁108的顶部上之后，盖104将磁体结构120 按压至基座106,以便将磁体结构120轴向牢固地固定在壳体102中。可运动线圈结构140 安装在壳体102中，其中，上部弹簧板156牢固保持在盖104和上部磁靴122之间，底部弹 簧板158牢固地保持在底部磁靴126和基座106之间。因此，可运动线圈结构140被横向 限制，但是可通过推压地震检波器100的外部力（例如地震运动）而在壳体102内轴向运 动。
[0078] 四个端子112至118分成两个端子组，各端子组在地震检波器100装配时与线圈 组144或146连接。因此形成两个电路。
[0079] 图8A和图8B分别表示了由粗线272和274表示的两个电路，其中，虚线的粗线部 分表示缠绕线圈。本领域技术人员应当知道，这些附图只是用于示例说明目的，而并不必须 表示在地震检波器100中的物理布线。
[0080] 如图8A中所示，第一电路272包括在盖104上的端子112,该端子112通过电线 282而与在可运动线圈结构140上的端子264导电连接。端子264再与内部线圈组144的 一端导电连接。内部线圈组144的另一端与在可运动线圈结构140上的端子266导电连接， 该端子266通过电线284而与在盖104上的端子118导电连接。当端子112和118与外部 电路和/或装置连接时，第一电路272完成。
[0081] 如图8B中所示，第二电路274包括在盖104上的端子114,该端子112通过电触点 164而与上部磁靴122导电连接。接着上部磁靴122再与磁体块124和底部磁靴126导电 连接，因为它们由导电材料制造的。底部磁靴126通过电触点152而与底部弹簧板158导电 连接，该底部弹簧板158与外部线圈组146的一端连接。外部线圈组的另一端与顶部弹簧 板156相连接。顶部弹簧板156通过电触点162而与端子116导电连接。顶部弹簧板156 与上部磁靴122电绝缘，以避免形成短路。当端子114和116与外部电路和/或装置连接 时，第二电路274完成。
[0082] 在使用中，一个或多个地震检波器100可以部署在作业现场，埋入或附接在地上 或物体中，或者包含在井孔中的井下工具中，用于感测振动或地震运动。物体的振动使得壳 体102和磁体结构120轴向振动。弹簧板156和158使得线圈结构140能够相对于磁体结 构120轴向运动。因为线圈结构140通过弹簧板156和158而可轴向地、运动地悬挂在壳 体上，因此它由于惯性而有时间差地轴向振动。因此，线圈结构140相对于磁体结构120有 效地轴向振动。如图6中所示，线圈组144和146的运动方向244大致垂直于磁通的方向 242和线圈组144和146的缠绕方向。
[0083] 如本领域技术人员所知的，导体在磁场中的运动（其中，运动方向横过磁通方向） 将沿与磁通方向和导体的运动方向都垂直的方向引起电压。另一方面，在磁场内的导体中 流动的电流（其中，电流方向横过磁通）将沿与电流方向和磁通方向都垂直的方向引起机 械力。地震检波器100有两组线圈144和146。因此，内部线圈组144和外部线圈组146中 的一个（例如，在该实施例中的内部线圈组144)用于感应振动，内部线圈组144和外部线 圈组146中的另一个（例如，外部线圈组146)用于调节线圈结构140的运动，以便控制地 震检波器100对外部振动的响应，例如灵敏性和/或频率响应。
[0084] 图10表示了使用地震检波器100的通用振动检测系统。在该图中，实线表示电通 路，虚线表示机械力通路。
[0085] 如图10中所示，施加在地震检波器100上的外部振动302 (该外部振动302是具 有变化强度和方向的机械力）使得线圈结构140在磁体结构120的磁场中运动，这产生电 感应信号304,该电感应信号304由信号检测单元306来检测。如本领域技术人员所知，感 应信号304带有振动302的信息。在信号检测单元中的信号处理单元（未示出）根据电感 应信号304来计算振动302的特征。根据电检测信号304来确定振动302的特征的能力可 以用系统300对振动302的频率响应和灵敏性来描述。
[0086] 同时，控制单元308向外部线圈组146施加控制信号310,这引起机械控制力312， 该机械控制力312与振动302交叠（314)并施加给可运动线圈结构140。通过根据振动302 和/或地震检波器100的电和机械特征而施加仔细设计的控制信号310,施加的控制力的强 度和方向可以被调节成控制感应信号，以便提高地震检波器100对外部振动的响应，例如 灵敏性和/或频率响应。在一些实施例中，控制单元308根据由信号检测单元306检测的 感应信号304来产生控制信号310,即控制信号310是感应信号304的函数，从而形成闭环 控制系统。在一些其它实施例中，控制单元308根据使用独立于信号检测单元306的装置 或元件来获得的其它测量值（例如振动的方向测量值）而产生控制信号310,从而形成开环 控制系统。
[0087] 如本领域技术人员所知的，轴向定向的磁体（例如地震检波器100的磁体结构 120)提供了具有分别在其顶端和底端周围的上部和底部三维区域（该三维区域具有最强 的磁场强度）的磁场。一些现有技术的地震检波器（例如在前述美国专利No. 5172345中 所公开的地震检波器）包括定位在磁体结构的顶端周围的信号输出线圈和定位在磁体结 构的底端周围的控制信号。因此，无论是信号输出线圈还是控制线圈都没有充分利用磁场。
[0088] 另一方面，在这里所述的地震检波器100中，内部和外部线圈组在空间中交叠，具 有线圈的第一部分和线圈的第二部分的各线圈组分别定位在最强磁场强度的上部和底部 区域中。因此，内部线圈组144和外部线圈组146利用由磁体结构120提供的基本整个磁 场，分别用于产生与振动相关的感应信号304和用于根据控制信号来施加控制，从而引起 改进的对振动的频率响应和/或灵敏性。
[0089] 其它实施例也容易获得。例如，在可选实施例中，外部线圈组146与用于检测外部 振动的信号检测单元连接，内部线圈组144与用于施加控制信号以便控制地震检波器对外 部振动的响应（例如灵敏性和/或频率响应）的控制单元连接。
[0090] 尽管在上述实施例中，盖104、柱形壁108和基座106使用压接结构来连接，但是在 可选实施例中，柱形壁108可以使用其它合适的紧固方法和/或紧固件（例如螺纹、夹子、 螺钉、凸缘、螺母和螺栓、胶水等）而与盖104和基座106连接。
[0091] 在还一实施例中，上部磁靴122、磁体块124和底部磁靴126可以使用其它合适的 紧固方法和/或紧固件（例如螺纹、夹子、螺钉、凸缘、螺母和螺栓、胶水等）来连接。
[0092] 如本领域技术人员可知的，上部磁靴122、磁体块124和底部磁靴126也可以选择 由其它磁性和/或铁磁材料来制造，或者是适合在壳体102内形成大致均匀和稳定的环形 磁场的电磁体结构。
[0093] 尽管在上述实施例中地震检波器100包括固定在壳体102中的磁体结构120和可 在壳体102中轴向运动的线圈结构140,但是在可选实施例中，地震检波器100包括固定在 壳体102上的线圈结构140和可在壳体102中轴向运动的磁体结构120。类似的，线圈结 构140包括两组交叠的线圈，这两组线圈包括缠绕在线轴142上的内部线圈组144和缠绕 在内部线圈组144上面的外部线圈组146。
[0094] 虽然在上述实施例中，壳体102包括盖104、柱形壁102和基座106,但是在可选实 施例中，壳体102是由合适的铁磁性材料制成的一个整体结构。
[0095] 虽然在上述实施例中，壳体102通常具有圆柱形的形状，但是在可选实施例中，壳 体102可以是另一种合适的形状，例如，一个长方体形状。类似地，磁体结构120和/或线 圈结构140可以选择地具有包括矩形的横截面的其它合适的形状。
[0096] 在可选实施例中，两个线圈组144和146中的每一组可以仅包括仅仅定位在磁体 结构120 -端的线圈的单一部分。
[0097] 图11表示根据可选实施例的可运动线圈结构140的两个线圈组144和146的简 化三维视图。在该实施例中，两个线圈组144和146同时缠绕在线轴（未示出）上，从而形 成掺混线圈结构。由于它们占据相同空间，因此两个线圈组144和146在空间中交叠。根 据实施方式，线圈组144和146中的一个可以用于振动检测，线圈组144和146中的另一个 可以用于控制。如图11中所示，线圈组144的各缠绕可以与线圈组146的各缠绕交替。其 它实施例也容易获得。例如，一个线圈组缠绕可以与另一线圈组的每两个或更多缠绕交替。
[0098] 具有掺混线圈组144和146的一个优点是掺混的线圈组144和146能够使用现有 缠绕设备（或者对现有缠绕设备进行很小变化）而同时缠绕在线轴142上。当线圈组144 和146平行缠绕时，可以缩短地震检波器的制造时间。
[0099] 线圈组的其它结构也容易在多个实施例中获得，它们都导致沿整个磁场延伸的有 效线圈组。例如，线圈结构140可以包括超过两个线圈组。多个线圈组可以一个缠绕在另 一个上面、平行缠绕或者它们的组合，这样，一些线圈组平行缠绕，一些其它线圈组缠绕在 其它线圈组上面。图12A至12E表示了线圈组结构的一些实例。在上述实施例中的线圈组 结构也表示为用于比较的目的。在这些附图中，符号"X"表示与纸张垂直向下的缠绕方向， 符号"0"表示与纸张垂直向上的缠绕方向。各线圈组包括沿相反方向缠绕的上部部分（在 图中以后缀"A"表示）和底部部分（在图中以后缀"B"表示），且根据实施方式，各部分可 以包括一圈或多圈线圈。
[0100] 图12A表示了图9的线圈组结构，其中，线圈结构140包括缠绕在线轴142上的内 部线圈组144和缠绕在内部线圈组144上面的外部线圈组146。在该实施例中，线圈组144 的各部分144A、144B的缠绕方向与线圈组146的相应部分146A、146B的缠绕方向相同。
[0101] 图12B表示了根据可选实施例的线圈组结构，其中，线圈结构140包括缠绕在线轴 142上的内部线圈组144和缠绕在内部线圈组144上面的外部线圈组146。在该实例中，线 圈组144的各部分的缠绕方向与线圈组146的相应部分的缠绕方向相反。
[0102] 图12C表示了根据另一实施例的线圈组结构，其中，线圈结构140包括三个线圈组 144、146和148,线圈组144缠绕在线轴142上，线圈组146缠绕在线圈组144上面，而线圈 组148缠绕在线圈组146上面。在该实例中，线圈组144U46和148的相应部分的缠绕方 向相同。
[0103] 图12D表示了根据另一实施例的线圈组结构，其中，线圈结构140包括三个线圈组 144、146和148,线圈组144缠绕在线轴142上，线圈组146缠绕在线圈组144上面，而线圈 组148缠绕在线圈组146上面。在该实例中，线圈组144和146的相应部分的缠绕方向相 同。不过，线圈组148的各部分的缠绕方向与线圈组144和146的相应部分相反。
[0104] 图12E表示了图11的线圈组结构，其中，线圈结构140包括平行地缠绕在线轴142 上的两个掺混的线圈组144和146。在该实例中，线圈组144的各部分的缠绕方向与线圈组 146的相应部分的缠绕方向相同。
[0105] 图12F表示了根据还一实施例的线圈组结构，其中，线圈结构140包括平行地缠绕 在线轴142上的三个掺混的线圈组144、146和148。在该实例中，线圈组144、146和148的 相应部分的缠绕方向相同。
[0106] 图12G表示了根据还一实施例的线圈组结构，其中，线圈结构140包括平行地缠绕 在线轴142上的两个掺混的线圈组144和146以及缠绕在掺混的线圈组144和146上面的 第三线圈组148。在该实例中，线圈组144U46和148的相应部分的缠绕方向相同。
[0107] 本领域技术人员可知，借助于上述实例，线圈结构可以包括相互掺混地缠绕的多 个线圈组。一些线圈组可以沿相同方向缠绕，一些其它线圈组可以沿相反方向缠绕。在一 些可选实施例中，掺混的线圈组可以沿相反方向缠绕。
[0108] 一个或多个线圈组可以用于振动检测。一个或多个其它线圈组可以用于控制地 震检波器的响应。这里公开的地震检波器包括多个机械和电信号，这些信号包括输入信号 (例如振动和用于控制地震检波器的响应的控制信号）、输出信号（例如带有振动信息的电 压输出）以及内部信号（例如在各振动检测线圈组上产生的电压输出，它们的组合形成地 震检波器的输出信号，以及由控制线圈组产生的控制力）。通常，输入信号确定了内部和外 部信号的幅值和相位。不过，对于给定的输入信号，施加输入信号的线圈组的缠绕方向也确 定相关内部和输出信号的相位。在地震检波器的科学原理的简化解释中，图13A至图15B 表不了在线圈缠绕方向和输入、内部和输出信号的相位之间的关系。
[0109] 如本领域技术人员公知，当线圈结构140相对于磁体结构120运动时，电压在线圈 结构140中产生。根据Faraday原理，电压可按下式计算：
[0110] E=BXLXV=SXV
[0111] 其中，粗体符号表示矢量变量，"X"表示矢量叉乘。E表示横过线圈结构140的线 圈缠绕的电压，B表示磁体结构120的磁场，V表示线圈结构140相对于磁体结构120的速 度，L表示线圈缠绕的长度，且S=BL。通常，在开环地震检波器中，| |S| |称为地震检波器的 灵敏性。在线圈组上产生的电压E可以通过用于测量振动的信号处理电路或装置来检测。
[0112] 当环绕线圈结构140的磁场B的磁通密度为基本恒定时，电压E的幅值通常与线 圈结构150相对于磁体结构120的速度成正比。在线圈组中产生的电压E的方向由线圈的 缠绕方向来确定。图13A至14B比较了分别在第一线圈组502和第二线圈组542 (该第二 线圈组542的缠绕方向与第一线圈组502的缠绕方向相反）中产生的电压E的方向。
[0113] 图13A和13B表不了位于由如上述磁体结构（未不出）形成的磁场B中的第一线 圈组502。磁场B的上部部分的磁通从线圈502的内侧径向向外延伸，如箭头504A所示，且 磁场B的底部部分的磁通径向向内伸入线圈502内，如箭头504B所示。
[0114] 如上所述，线圈组502包括分别位于磁场B的上部部分504A和底部部分504B中 的上部部分502A和底部部分502B。当从线圈组502的顶部观察时，线圈组502的上部部分 502A的缠绕方向为顺时针，线圈组502的底部部分502B的缠绕方向为逆时针。
[0115] 当外部振动使得线圈组502在磁场B中轴向向上运动时，如箭头506所示，电压E 产生的方向为使得线圈组502的顶端508具有比线圈组502的底端510更高的电势，如分 别由" + "和符号来表示。检测器512可以与线圈组502电连接，以便检测顶端508和 底端510之间的电压。
[0116] 类似地，当线圈组502在磁场B中向下移动时，电压E产生的方向使得线圈组502 的顶端508具有比线圈组502的底端510更低的电势。在地震检波器100中，线圈结构140 的线圈组轴向振动，即交替地轴向向上和向下运动。然后，检测器512接收交替的电压信 号。
[0117] 图14A和14B表示了位于由磁体结构（未示出）形成的磁场B中的第二线圈组 542。在图14A、14B和13A、13B之间的区别为第二线圈组542的缠绕方向与第一线圈组542 的缠绕方向相反，即，当从线圈组542的顶部看时，线圈组542的上部部分542A的缠绕方向 为逆时针，线圈组542的底部部分542B的缠绕方向为顺时针。
[0118] 当外部振动使得线圈组542在磁场B中轴向向上运动，如箭头506所示时，电压E 产生为使得线圈组542的顶端548具有比线圈组542的底端550更低的电势，分别由" + " 和符号来表不。
[0119] 类似的，当线圈组542在磁场B中轴向向下运动时，电压E产生为具有这样的方 向，使得线圈组542的顶端具有比线圈组542的底端550更高的电势。在地震检波器100 中，线圈结构140的线圈组轴向振动，即交替地向上和向下运动。然后，检测器512接收交 替的电压信号。
[0120] 比较线圈组502和542,可以看见，当在相同磁场B中运动时，具有相反缠绕方向的 线圈组产生反相电压信号，即电压信号之间具有180°相位差，而具有相同缠绕方向的线圈 组产生同相电压信号，即电压信号具有0°相位差。
[0121] 如上所述，一个或多个线圈组可以用于控制地震检波器100的响应。根据Lorentz 定律，当电流经过磁场中的线圈时，机械力施加在线圈上，该机械力可以表示为：
[0122] F=IXLXB=IXS
[0123] 其中，F表示施加在线圈上的机械力，I表示由控制器（例如控制电路、部件或装 置）施加在线圈中的电流。
[0124] 根据这样的原理，电流可以施加在线圈组上，以便引起施加在线圈结构140上的 机械力F。当产生的机械力F和线圈结构140的运动方向同相时，即在相同方向时，机械力 F提高了线圈结构140的振动。当产生的机械力F和线圈结构140的运动方向反相时，即在 相反方向时，机械力F阻碍了线圈结构140的振动。因为机械力F(包括它的方向和幅值） 是电流I的函数，因此人们可以仔细设计电流I，该电流I可以是外部振动的函数，以便补充 或者抵消施加给线圈结构140的振动力，用于提高地震检波器100的响应。
[0125] 产生的机械力F的方向也由线圈组的缠绕方向来确定。图15A和图15B比较了分 别在第一线圈组602和第二线圈组642中的机械力F的方向，该第二线圈组642的缠绕方 向与第一线圈组602的缠绕方向相反。
[0126] 图15A表示了定位在由如上述磁体结构（未示出）形成的磁场B中的第一线圈组 602。磁场B的上部部分的磁通从线圈602的内部水平向外延伸，如箭头640A所示，磁场B 的底部部分的磁通水平地向内伸入线圈602中，如箭头604B所示。
[0127] 线圈组602包括分别位于磁场B的上部部分604A和底部部分604B中的上部部分 602A和底部部分602B。当从线圈组602的顶部看时，线圈组602的上部部分602A的缠绕 方向是顺时针，线圈组602的底部部分602B的缠绕方向是逆时针。
[0128] 控制装置614与线圈组602的顶端610和底端612连接，并向线圈组602施加电 流，且电流方向为从顶端610流向底端612,如箭头606所示。在磁场B中的施加电流I引 起施加在线圈组602上的向上机械力F,如由箭头608所示。
[0129] 相反，在图15B中，当从线圈组602的顶部观察时，线圈组642以与图15A中的线 圈组602相反的方向缠绕，即线圈组642的上部部分642A的缠绕方向为逆时针，线圈组642 的下部部分642B的缠绕方向为顺时针。
[0130] 控制装置614与线圈组642的顶端650和底端652相连接，并向线圈组642施加 电流I，且方向如箭头606所示，这在底端652处引起比顶端650处更高的电势，如分别由 " + "和符号所示。在磁场B中施加的电流I引起施加在线圈组642上的向下机械力F， 如由箭头648所示。
[0131] 通过比较线圈组602和642,可以看见，当具有相反缠绕方向的两个线圈组与相同 控制器连接，以便接收相同控制信号时，两个线圈组产生反相机械力。另一方面，当具有相 同缠绕方向的两个线圈组与相同控制器连接，以便接收相同控制信号时，两个线圈组产生 同相机械力。
[0132] 下面参考图13A和图15A，可以看见，当施加在线圈组602上的控制信号与由线圈 组502输出的振动检测信号同相时，控制信号产生与振动同相的机械力，即产生的机械力 将加强线圈结构的振动。
[0133] 进一步参考图13A和15B，可以看见，当施加在线圈组602上的控制信号与由线圈 组502输出的振动检测信号反相时，控制信号产生与振动反相的机械力。
[0134] 图16表示了将在后面的电路图中使用的线圈组标识700。线圈组标识700包括 两个垂直连接的电感器标识702和704,且具在线圈组标识700的各端处标识电端子的圆。 线圈组标识700还在其各端处标记有" + "和符号。符号代表参考端子，" + "代表信 号端子。因此，当两个线圈组用于振动检测时，在信号端子处测量的输出信号参考相应参考 端子为同相。另一方面，当线圈组用于控制地震检波器的响应时，在信号端子处施加的、参 考该参考端子具有正电压的控制信号产生与振动同相的内部控制力。
[0135] 信号和参考端子与物理线圈组的顶端和底端的映射由物理线圈组的缠绕方向来 确定。例如，在一种映射情况中，当从顶部看时，线圈组顺时针缠绕时，信号和参考端子分别 对应于物理线圈组的顶端和底端（见图13A和图15A);当从顶部看时，线圈组逆时针缠绕 时，信号和参考端子分别对应于物理线圈组的底端和顶端（见图14A和图15B)。
[0136] 在多个实施例中，各线圈组可以与在壳体上的一组电端子连接，用于与外部电路 或装置连接，该外部电路或装置用于检测振动或施加控制信号。也可选择，一些线圈组可以 在地震检波器100的制造过程中连接或组合，且各组合的线圈组与在壳体上的一组电端子 连接，用于与外部电路或装置连接。图17A至17N是表示在根据多个实施例的地震检波器 100中的组合线圈组的实例的电路图。
[0137] 在图17A至17N中，线圈组标识的图形位置也不需要与它的物理位置直接匹配。例 如，在这些图中表现为彼此相邻的线圈组（例如在图17G中的线圈组742和744)并不一定 意味着或暗示它们在地震检波器100的线圈结构140中物理相邻或掺混。
[0138] 图17A和17B表示了具有两个线圈组的地震检波器100的实例图。在图17A中， 各线圈组与一对端子连接，两个线圈组并不连接。地震检波器100再包括在它的壳体上的 四个端子，如图1中所示。
[0139] 在图17B中，两个线圈组在一端处电连接，该端再与端子连接。各线圈组的另一端 与相应端子连接。地震检波器1〇〇再包括在它的壳体上的三个端子，如图18A中所示。
[0140] 图17C至17H是用于具有三个线圈组的地震检波器100的实例图。在图17C中， 各线圈组与一对端子连接，三个线圈组并不连接。地震检波器100再包括在它的壳体上的 六个端子，如图18C中所示。
[0141] 在图17D中，三个线圈组在一端处电连接在一起，不过，该端的公共引线并不与任 何端子连接。各线圈组的另一端与各自的端子连接。地震检波器100再包括在它的壳体上 的三个端子，它的透视图可以与图18A相同。
[0142] 在图17E中，三个线圈组在一端处电连接，该端再与端子连接。各线圈组的另一端 与各自的端子连接。地震检波器100再包括在它的壳体上的四个端子，它的透视图可以与 图1相同。
[0143] 在图17F中，两个线圈组在两端处电连接，各端再与端子连接，从而形成平行电 路。另一线圈组单独地与一对端子连接。地震检波器100再包括在它的壳体上的四个端子， 它的透视图可以与图1相同。
[0144] 在图17G的实例中，两个线圈组在一端处电连接，该端再与端子连接。这两个线圈 组的另一端各自与端子连接。第三线圈组单独地与一对端子连接。地震检波器100再包括 在它的壳体上的五个端子，如图18B中所示。
[0145] 在图17H的实例中，两个线圈组在一端处电连接，不过，该端并不与任何端子连 接。这两个线圈组的另一端各自与端子连接。第三线圈组单独地与一对端子连接。地震检 波器100再包括在它的壳体上的四个端子，它的透视图可以与图1相同。
[0146] 图171至17N是用于具有四个线圈组的地震检波器100的实例图。线圈组结构的 详细说明将省略，因为技术人员的读者借助于上面说明的图17A至17H将清楚。
[0147] 在一些可选实施例中，一些线圈组在一端连接，该端再与作为公共地线的金属壳 体连接。
[0148] 本领域技术人员应当知道，图17A至17N只是实例，在地震检波器100中的线圈组 可以根据需要以其它方式组合。线圈组可以如图17A至17N中所示的组合在地震检波器的 壳体内部。在一些可选实施例中，线圈组可以使用外部电线而组合在壳体的外部，用于最终 的电路灵活性。例如，图19A表示了具有如图17A的两个线圈组和四个端子的地震检波器 800,其中，电端子802和804分别对应于两个" + "符号端子。用户可以通过使用外部电线 806连接电端子802和804而组合如图17B中的线圈组。用于用户规定电路的外部端子能 够在确定地震检波器性能时有很大的灵活性，而不需要过多的地震检波器模型。
[0149] 在还一些其它实施例中，一些线圈组在制造过程中组合在地震检波器的壳体内 部，且用户还可以使用外部电线来组合壳体外部的一些线圈组。例如，图19B表示了具有如 图17G设置的三个线圈组的地震检波器820,其中，电端子822和824分别对应于图17G中 的端子746和748。用户还可以通过使用电线826连接电端子822和824而进一步组合如 图17E的线圈组。
[0150] 在可选实施例中，电端子进行标记，以便指示在不同线圈组的信号之间的相位关 系，包括输出电压信号、输入控制信号和/或由输入控制信号引起的机械控制力。
[0151] 例如，图20A表示了具有两个线圈组和四个电端子842至848的地震检波器840的 俯视图。各线圈组与一对电端子连接。四个端子由在地震检波器840的盖上画出或刻出的 圆850以及由该圆850附近的" + "或标识来标记。圆850表示包围于其中的端子844 和846与相同线圈组连接，其它两个端子842和848与另外线圈组连接。
[0152] 端子842和844各自标记有" + "符号，端子846和848各自标记有符号，表示 当它们都用于检测振动时由端子842和844输出的信号参考相应端子846和848为同相， 而当一对端子用于振动检测和其它对端子用于控制地震检波器的响应时，向控制线圈组的 " + "符号端子施加与由振动检测信号的" + "符号端子输出的振动检测信号同相的控制信号 (参考相应符号端子）将引起与振动同相的机械控制力。
[0153] 图20B表示了根据另一实施例具有标记电端子862至868的地震检波器860。在 该实施例中，端子862至868使用不同颜色和条纹来标记，其中，具有相同颜色的端子与相 同线圈组连接，具有相同条纹870数目的端子同相。
[0154] 这里公开的多线圈、多端子地震检波器使得用户能够定制地震检波器以便满足他 们的需要。图21A至2313表示了定制地震检波器900的一些实例，该地震检波器900有三 个线圈组922、924和926以及在其壳体上的六个电端子902至912。线圈组922与端子902 和904连接，线圈组924与端子906和908连接，线圈组926与端子910和912连接。端子 902至912由用于表示端子对的、印刷在地震检波器900的盖上的圆932、934和936以及 由用于表示相位关系的颜色来标记。圆932包围端子902和904,圆934包围端子906和 908,圆936包围端子910和912。端子902、906和910具有第一颜色，端子904、908和912 具有第二颜色，表示顺序的端子对（902、904)、（906、908)和（910、912)同相。
[0155] 在图21A和21B中，端子902和904与振动检测装置942相连接，该振动检测装置 942用于通过测量从该端子输出的电压来检测振动，因此线圈组922用作振动检测线圈组。 端子910和912与控制装置944相连接，该控制装置944用于向该端子施加控制信号，以便 控制地震检波器900的响应，因此线圈组926用作控制线圈组。因此，端子906和908以及 线圈组924并不使用。
[0156] 在图22A和22B中，端子904和906通过电线952来连接。振动检测装置942与 端子902和908连接。控制装置944与端子910和912连接。在该实例中，线圈组922和 924相互串联地连接，用于检测振动，线圈组926用于控制地震检波器900的响应。
[0157] 在图23A和23B中，振动检测装置942与端子902和904连接。控制装置944与 端子910和912连接，该端子910和912再分别通过电线954和956而与端子906和908 连接。在该实例中，线圈组922用于检测振动。线圈组926和928平行连接，用于施加控制 信号以便控制地震检波器900的响应。
[0158] 因此，这里公开的多线圈、多端子地震检波器向用户提供了灵活性，以便通过改变 用于振动检测的线圈组的数目和用于地震检波器控制的线圈组的数目来组合线圈组，从而 在地震检波器灵敏性和频率响应之间折衷选择。例如，当需要更高灵敏性时，更多线圈组 可以连接在一起和用于振动检测，同时折衷选择为更少数目的线圈组可用于地震检波器控 制。在特殊情况下，所有线圈组都连接和用于振动检测，而没有线圈组可用于地震检波器控 制。
[0159] 另一方面，当需要控制频率响应时，更多线圈组可以连接在一起和用于地震检波 器控制，特殊折衷选择为更少数目的线圈可用于振动检测。不过，至少一个线圈组必须用于 振动检测。
[0160] 如上所述，线圈组可以在地震检波器100的制造过程中进行连接或组合，或者可 以通过从地震检波器100外部连接相应端子而由用户进行组合。具有在制造过程中组合的 一些线圈组的地震检波器可以通过在用户需要时从地震检波器外部连接端子而由用户来 进一步定制。
[0161] 图24表示了使用两线圈、四端子（2C4T)地震检波器100的闭环地震检波器系统 970的简化电路图。地震检波器100的内部线圈组144用于振动检测，它向具有转换函数 Kjs)的第一放大电路972输出振动检测信号。下文中，包括放大电路972的放大电路可以 是放大器，且当系统设计者需要时可以包括其它电路，例如滤波器。
[0162] 放大电路972放大振动检测信号，并向具有转换函数K2(s)的第二放大电路974输 出放大信号，该第二放大电路974向信号分析器976输出放大信号，以便确定由地震检波器 100检测的振动特征。第一放大电路972的输出也与由测试信号源980产生的测试信号交 叠，并反馈给地震检波器100的外部线圈组146,用于控制它的响应。
[0163] 在正常使用中，测试信号源980关闭或者以其它方式与地震检波器970断开，并在 测试地震检波器100时打开，用于向地震检波器100的外部线圈组146注入测试信号，例如 正弦信号。
[0164] 在该实例中，控制信号以相对于从内部线圈组144输出的振动检测信号反相的方 式注入外部线圈组146,这样，控制信号通常引起施加给可运动线圈结构140的、与它的运 动反相的机械力，以阻碍可运动线圈结构140的运动。因此，控制线圈结构在外部振动作 用下的位移距离，并通常压缩成较小距离。例如，在一个实施例中，如图24中的反馈控制 系统控制线圈结构的运动，并将它的位移压缩至在各侧轴向离线圈结构的静止位置在大约 0. lym(微米）内。作为比较，传统的地震检波器的线圈结构的位移通常在各侧轴向离线圈 结构的静止位置在〇· 5mm和2mm之间。
[0165] 图25是表示闭环地震检波器系统970的原理的分析图。在该图中，虚线部件和虚 线箭头分别表示机械部件和信号通路。实线部件和实线箭头分别表示电部件和信号通路。
[0166] 如图25中所示，外部振动引起具有机械噪音分量1004的运动或等效机械力1002, 该运动或等效机械力1002以反相方式（由圆1008中的" + "和符号表示）与反馈机械 力1048(后面将介绍）交叠，然后施加给振动检测线圈组1010。振动检测线圈组1010响 应施加于其上的力而轴向振动，从而引起振动信号。这里，振动检测线圈组分隔成机械部件 1010和机电转换部件1012,该机电转换部件1012在这里通过放大器标识来图形表示，用于 指示振动检测线圈的灵敏性。
[0167] 振动检测线圈组的机电转换部件1012将速度输入转换成电压信号，如前所述，其 中，电压信号的幅值取决于振动检测线圈组的灵敏性。从机电转换部件1012输出的振动检 测电压信号注入具有转换函数!^。）的放大电路1018中。如本领域技术人员已知，放大器 输入噪音分量1016也注入放大电路1018中。放大电路1018的输出1024(包括放大输入 信号和放大噪音组分1020)输出给具有转换函数K 2(s)的第二放大电路1030。类似的，第 二放大电路1030也有在它的输入处注入的放大器输入噪音1028和在它的输出中的放大器 噪音1032。
[0168] 第二放大电路1030的输出1036发送给分析器装置1038,用于进一步处理，例如外 部振动的计算参数。
[0169] 在反馈环路中，放大电路1018的输出1024(包括放大振动检测电压信号和多种噪 音分量）也与来自测试信号源1042的测试信号交叠，以便形成用于反馈至控制线圈组1046 的控制信号1044,从而控制地震检波器100的响应。测试信号源1042在正常使用中关闭或 者以其它方式与地震检波器系统970断开，并在测试地震检波器100时打开，用于向地震检 波器100的控制线圈组1044注入测试信号，例如正弦信号。
[0170] 控制信号1044以反相方式注入至控制线圈组1046。控制线圈组1046将电控制信 号1044转换成反馈机械力1048。当控制信号以反相方式注入至控制线圈组时，反馈机械力 1048阻碍振动检测线圈的运动。
[0171] 通过压缩可运动线圈结构的位移，多线圈、多端子的闭环地震检波器系统970能 够检测高幅值的振动，否则该高幅值的振动将引起传统的开环地震检波器的可运动线圈结 构到达它的最大位移距离并饱和。与传统的开环地震检波器比较，多线圈、多端子的闭环地 震检波器系统970还具有更小的谐波失真。当可运动线圈结构的位移通常较小时，线圈感 应的冲击也通常较小。地震检波器100的制造成本也通常合理的较低。
[0172] 图26表示了 2C4T闭环地震检波器100的阶跃响应的模拟结果。响应时间为大约 0. 3ms (毫秒）。
[0173] 图27A和27B分别表示了通过模拟而获得两线圈、四端子的闭环地震检波器100 和传统的开环地震检波器的Bode幅值和相位图。根据幅值响应，2C4T闭环地震检波器具有 大得多的带宽，范围为从大约〇. 45Hz至大约400Hz。2C4T闭环地震检波器在与传统的开环 地震检波器相比时还有提高的相位响应。特别的是，2C4T闭环地震检波器在从大约1Hz至 大约200Hz的频率范围内呈现明显提高的相位响应。
[0174] 还进行了 2C4T闭环地震检波器的实地测试。在带宽、谐波失真和灵敏性方面，实 地测试的结果表示与传统的开环地震检波器相比改进的地震数据获取。
[0175] 图28和29表示了 2C4T闭环地震检波器在使用31.25Hz正弦测试信号测试 时的总谐波失真和环境噪音测试结果。测试结果表示了在从大约〇. 45Hz至大约400Hz 的频率带宽中的基本上的扁平的幅值和相位。2C4T闭环地震检波器的谐波失真为大 约-107dB (0. 0005 % )，与之相比传统的开环地震检波器为大约-60dB (0. 1 % )。2C4T闭环 地震检波器的灵敏性为大约2. 5V/g (电压每标准重量）。对于2C4T闭环地震检波器，噪音 在1000Hz的取样频率下减小至小于1微克（即10_6g)。2C4T闭环地震检波器的功率消耗为 对于全尺寸lg设计（即最大电压输出表示lg的设计）是大约8. 5mw (毫瓦），为对于全尺 寸0. 6g设计（即最大电压输出表示lg的设计）是大约5mw (毫瓦）。而且，2C4T闭环地震 检波器有大约120dB的较大动态范围，与之相比传统的开环地震检波器为60dB动态范围。
[0176] 在图24的实施例中，可以认为是控制器的第一放大电路972布置在地震检波器 100外部。在可选实施例中，第一放大电路972实施为较小的印刷电路板组件（PCB)，它包 含在地震检波器的壳体中，并形成它的一部分。
[0177] 在另一实施例中，多线圈、多端子地震检波器还包括包含在其壳体中的模拟数字 (A/D)转换器和电源（例如电池）。A/D转换器将模拟振动检测信号转换成带有振动信息的 数字信号用于输出。在还一实施例中，多线圈、多端子地震检波器输出模拟和数字振动检测 信号。在还一实施例中，电源在多线圈、多端子地震检波器的外部，且多线圈、多端子地震检 波器包括一组端子，例如两个或三个端子（根据设计），用于从外部电源接收电。
[0178] 本领域技术人员应当知道，电端子可以使用其它合适方式来标记。例如，颜色可以 用于指示线圈组的相位关系，条纹可以用于表示端子的分组。标记可以依据设计者和/或 用户的需要印刷、刻出或以其它方式附接在壳体和/或端子上。
[0179] 如本领域技术人员公知，电端子可以是从壳体伸出的导电凸出部、电导线、在壳体 上的电触点或者它们的组合。金属壳体自身可以是电端子。
[0180] 在可选实施例中，壳体由不导电材料来制造，例如塑料、木等。在该实施例中，壳体 并不用作电端子或电接地。
【权利要求】
1. 一种用于检测振动的装置，所述装置包括： 壳体； 磁体结构，所述磁体结构在壳体中形成磁场；以及 线圈结构，所述线圈结构包括两组或更多组线圈，所述两组或更多组线圈与所述磁体 结构同心地重叠在所述磁场中，所述两组或更多组线圈包括掺混的至少两组线圈； 其中，所述线圈结构和所述磁体结构可彼此相对运动且运动方向横过磁场的磁通的方 向，以响应振动。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中：至少第一组线圈输出显示振动的感应信号。
3. 根据权利要求1所述的装置，其中：至少两组线圈连接，以输出显示振动的检测信 号。
4. 根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，其中：至少第二组线圈接收控制信号， 以控制所述装置对振动的响应。
5. 根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，其中：至少两组线圈连接，以接收控制 信号，所述控制信号用于控制所述装置对振动的响应。
6. 根据权利要求4或5所述的装置，其中：所述装置对振动的所述响应包括对振动的 灵敏性和对振动的频率响应中的至少一个。
7. 根据权利要求4至6中任意一项所述的装置，其中：所述控制信号是感应信号的函 数。
8. 根据权利要求1至7中任意一项所述的装置，其中：全部线圈组进行掺混。
9. 根据权利要求1至7中任意一项所述的装置，其中：所述两组或更多组线圈还包括 第三组线圈，该第三组线圈与所述掺混的至少两组线圈径向偏离。
10. 根据权利要求1至9中任意一项所述的装置，其中：所述两组或更多组线圈中的至 少两组以相同方向缠绕。
11. 根据权利要求1至9中任意一项所述的装置，其中：所述两组或更多组线圈中的至 少两组以相反方向缠绕。
12. 根据权利要求1至11中任意一项所述的装置，其中：所述线圈结构还包括空心柱 形结构，用于所述至少两组或更多组线圈环绕它缠绕。
13. 根据权利要求1至12中任意一项所述的装置，其中：所述线圈结构是可移动的。
14. 根据权利要求1至12中任意一项所述的装置，其中：所述磁体结构是可移动的。
15. 根据权利要求1至14中任意一项所述的装置，其中：所述壳体的所述至少一部分 由铁磁材料制成，以调节所述磁场。
16. 根据权利要求1至15中任意一项所述的装置，其中：所述磁体结构接收于所述线 圈结构中。
17. 根据权利要求1至16中任意一项所述的装置，还包括：至少两组电端子，所述至少 两组电端子从壳体外部连接，每组电端子连接至少一组线圈。
18. 根据权利要求17所述的装置，其中：所述电端子通过用于指示在所述两组或更多 组线圈上的信号的相位关系的标记来标记。
19. 根据权利要求18所述的装置，其中：所述至少一个标记在端子上。
20. 根据权利要求18或19所述的装置，其中：至少一个标记在壳体上。
21. 根据权利要求18至20中任意一项所述的装置，其中：至少一个标记是颜色标记。
22. 根据权利要求18至21中任意一项所述的装置，其中：至少一个标记是条纹标记。
23. 根据权利要求17至22中任意一项所述的装置，其中：所述电端子通过用于指示电 端子的组的标记来进行标记。
24. 根据权利要求1至23中任意一项所述的装置，其中：控制器与所述装置电连接，以 控制所述装置对外部振动的响应。
25. 根据权利要求24所述的装置，其中：所述控制器在所述装置外部。
26. 根据权利要求24所述的装置，其中：所述控制器包含在所述装置的壳体中。
27. -种检测振动的方法，所述方法包括： 形成磁场； 使得至少第一线圈组和第二线圈组在空间中掺混； 将该至少第一线圈组和第二线圈组定位在所述磁场中，这样，响应所述振动，磁场以及 该至少第一线圈组和第二线圈组可彼此相对运动，其中运动方向横过磁场的磁通的方向； 自所述第一线圈组来检测承载所述振动的信息的感应信号；以及 向所述第二线圈组施加控制信号，用于控制所述感应信号。
28. 根据权利要求27所述的方法，还包括： 响应所述振动使得所述至少第一线圈组和第二线圈组在所述磁场中运动。
29. 根据权利要求27所述的方法，还包括：响应所述振动使得所述磁场运动。
30. 根据权利要求27至29中任意一项所述的方法，还包括： 测定基于所述感应信号的控制信号。
【文档编号】G01V1/18GK104101899SQ201410131132
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2013年4月2日
【发明者】付振堂, 高春华, 陈都 申请人:赛思地球物理科技有限公司