CN1987373A - 基于磁悬浮原理的振动传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于磁悬浮原理的振动传感器，由磁体和线圈组成。其特征为：当传感器感应外部振动时磁悬浮的磁体相对于固定于传感器中的磁体发生相对运动，由于悬浮磁体振动，通过线圈的磁通量发生变化，根基法拉第电磁感应定律，线圈产生随振动速度呈正比的感应电动势。该传感由于无需固定悬浮磁体的金属簧片和弹簧，结构简单紧凑，感应的振动频谱范围广泛，为一种新型无源速度型振动传感器。
Description
发明领域
本发明涉及一种基于磁悬浮原理的振动传感器。本发明在地质勘探以及振动安全监测方面，例如在石油勘探及地震测量方面具有特殊用途，但仍可广泛用于如机械振动、声波及超声波测量方面。
发明背景
振动是工程技术以及科学研究中广泛涉及的一个研究课题，如地震勘探、机械振动以及声波、超声波测量等方面。振动测量包括位移、频率、位相以及振动速度和加速度等物理量。目前传统的振动测量方法有机械式、电感式、电容式、压敏电阻式、压电式等传感器件。这些传统传感器件的局限在于灵敏度低，抗电磁干扰能力较差，测量频带较窄，对环境要求苛刻等。而目前在许多领域，例如在石油地震勘探方面，由于对地质深部构造的探测及相应的分辨率有很高的要求，迫切需要高灵敏度及宽频带的振动传感器，因此新型振动传感器的研制就成为许多工程领域迫切需要解决的技术问题。
在传感器销售额中，目前处于第一位的是压力振动传感器。振动传感器在噪声、冲击波、爆炸、水声探测等工程技术领域也有广泛的应用。石油地震勘探广泛使用振动传感器。目前石油地震勘探数据采集和处理普遍采用24位Δ-∑技术，动态记录范围可达120dB，同时在国内外石油物探行业广泛使用的是传统的“活动线圈速度型检波器”，可记录的最大动态范围仅为60dB，接收信号的畸变大，响应频带窄，需几个至几十个检波器组合以降低噪音干扰，这样加大了油气勘探的成本。随着勘探目的层深度的加大，深部石油地震反射信号中的高频信号衰减快，主要表现为低频特征，而传统“活动线圈速度型检波器”却对低频信号(特别是小于6Hz的信号)接收能力差。同时，传统检波器的高频响应能力也差，不利于高分辨率勘探，因此检波器技术成为高精度和深部地震勘探技术的一瓶颈环节。
高分辨率地震勘探要求检波器类型从单分量向多分量发展；从模拟型向数字型发展；从低灵敏度、小动态范围向高灵敏度大动态范围发展；从检波器组合接收方式向单点接收方式发展(即单道单只检波器接收信号)；检波器施工方法由大道距多只检波器串并组合方式向单道单只小道距接收方式发展。
用于石油物探的“活动线圈速度型检波器”是将活动的线圈固定在与磁铁同轴的弹簧上，通过感应外部振动使弹簧和线圈相对于磁铁产生移动而由线圈产生感应电动势。由于弹簧的固有频率，因此“活动线圈速度型检波器”的探测频带很窄，不足以探测由人工爆炸产生的全部宽频带弹性波。而且这类传统的速度型检波器噪音干扰较大，为了压制噪音，必须采用几个至几十个的串并组合。
传统振动传感器的数学模型均基于配重物受振动而使承受配重物体的弹簧或簧片产生振动。并将这种弹性振动转变成可测的物理量，如电压等。因此弹簧或簧片的固有频率及阻尼是两个十分重要的物理量。由于成千上万只用于石油物探的速度型检波器的一致性要求很高，对弹簧的刚性系数及加工工艺要求也很高，因此寻找替换弹簧震动的新技术是研制新型振动传感器的关键。
发明内容
本发明的原理如下：
将一块永久磁体(磁铁和钕铁硼材料等)置于另一块磁体上方，如图1所示，如果两块永久磁体的磁场方向相反，而且两磁场的相互作用力μH2A/2大于上方磁体的重力mg(μ：磁体的磁导率；H：磁场强度；A：相互平行的两磁体的平面面积；m：上方磁体质量)即：μH2A/2＞mg，则上方磁体悬浮于另一磁体之上。将下方磁体固定于被测振动体上并感应外部振动时，则悬浮磁体在重力和磁力作用下相对于固定磁体反向振动。将线圈固定于振动传感器上，由于悬浮磁体上下振动，通过线圈的磁通量发生变化，根基法拉第电磁感应定律，线圈两端产生感应电动势，感应电动势与振动速度呈正比。因此本磁悬浮振动传感器为速度型传感器。线圈的长度尽可能与悬浮磁体长度相等，并将悬浮磁体一个端面置于线圈中间位置。为了改善传感器的线性度和提高灵敏度，可以采用如图1所示的差分形式。将永久磁体悬浮于两块磁体之间，并在静止状态下将磁悬浮磁体的上下两个端面悬浮于两组相同线圈的中间位置。在相同振动条件下，并联两组线圈产生的感应电动势是一组线圈的两倍，并且速度传感的线性度大为提高。
根据上述磁悬浮原理，新型磁悬浮传感器的支撑磁体可由永久磁体(如磁铁和钕铁硼磁性材料等)，电磁体以及通电流的线圈组成。通电流的线圈产生的悬浮磁场的大小可随电流的改变而改变。磁悬浮磁体可由永久磁体，电磁体以及磁性流体构成。
三分量的磁悬浮振动传感器是这样实现的：在立方的磁铁或铁氧体等可磁化的固体或者其他立方体的三个方向分别安装三对磁体，如图2所示。将这一磁体悬浮于由另三对磁体构成的立方空间内；每一对磁体的磁场方向与悬浮磁体对应的磁场方向相反；并在每个方向绕制两组线圈；并联两组线圈形成差分形式的三分量磁悬浮振动传感器。
在同等磁场条件下，磁悬浮振动传感器的固有频率随两磁体间的距离呈指数衰减关系，并随悬浮磁体重量的增加而减小。由于悬浮磁体与支撑磁体的相对运动而在磁体表面产生涡流，这一涡流可阻尼悬浮磁体的振动。因此本磁悬浮振动传感器的特征为无需弹簧或弹簧片支撑，并且具有自动阻尼作用。这种磁悬浮振动传感器具有结构简单，紧凑，灵敏度高，稳定性及一致性好以及便于组装的特点。由于悬浮磁体无需机械支撑，经受碰撞和冲击之后自动恢复原位，没有机械疲劳的影响因素，因此本磁悬浮振动传感器可应用于环境比较恶劣的野外作业。
本磁悬浮传感器具有高灵敏度，宽频带的特点。本磁悬浮振动传感器接收的高频信息比传统检波器丰富，这为高精度的石油地震勘探提供了一种新技术。
附图说明
图1为本发明的构造示意图；
图2为三分量的磁悬浮振动传感器构造示意图；
图3为一维磁悬浮振动传感器的幅-频特性测量结果图；
图4为单只磁悬浮传感器与24只传统动圈式检波器的组合对比实验结果图；
图5为单只磁悬浮振动传感器接收的反射波信号的频谱图；
图6为24只传统动圈式检波器组合接收的反射波信号频谱图。
实施例
基于上述磁悬浮原理，我们构筑了300余个一维磁悬浮振动传感器，并对传感器的幅-频特性进行了测量，结果如图3所示。将构筑的磁悬浮振动传感器在江苏某地用于石油物探，并将单只磁悬浮传感器与法国进口的24只传统动圈式检波器的组合进行了单炮对比实验，结果如图4所示，左图为单只磁悬浮振动传感器的结果，右图为24只传统动圈式检波器的组合结果。可以看出，本磁悬浮传感器用于石油物探的分辨率高于传统动圈式检波器的组合。图5为单只磁悬浮振动传感器接收的反射波信号的频谱图。图6为24只传统动圈式检波器组合接收的反射波信号频谱图。可以看出，本磁悬浮振动传感器接收的高频信息比传统检波器丰富，这为高精度的石油地震勘探提供了一种新技术。
Claims (7)
1.基于磁悬浮原理的振动传感器，由磁体和线圈组成，其特征为：当传感器感应外部振动时悬浮的磁体相对于其支撑磁体发生远动，并由线圈产生随振动速度呈正比的感应电动势。
2.如权利要求1所述的振动传感器，磁体悬浮于与其磁场方向相反的另一固定磁体之上。
3.如权利要求1所述的振动传感器，磁体悬浮于与其磁场方向相反的另外两块固定磁体之间。
4.如权利要求1所述的振动传感器，磁体悬浮于与其磁场方向相反的两对固定磁体之间。
5.如权利要求1所述的振动传感器，磁体悬浮于与其磁场方向相反的三对固定磁体之间。
6.如权利要求1，2，3，4或5所述的振动传感器，磁体由永久磁体(如磁铁和钕铁硼磁性材料等)，电磁体，磁性液体，及通电流的线圈组成。
7.如权利要求1，2，3，4或5所述的振动传感器，当磁体悬浮于一对磁体，两对磁体和三对磁体之间时，分别构成一维，二维和三维振动传感器并用于感应一维，二维和三维振动。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |