地震檢波器高教課件

邁克爾·法拉第邁克爾·法拉第（MichaelFaraday，公元1791～公元1867）英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家，也是著名的自學(xué)成才的科學(xué)家。生于薩里郡紐因頓一個(gè)貧苦鐵匠家庭，僅上過(guò)小學(xué)。邁克爾·法拉第是英國(guó)著名化學(xué)家戴維的學(xué)生和助手，他的發(fā)現(xiàn)奠定了電磁學(xué)的基礎(chǔ)，是麥克思韋的先導(dǎo)。1831年10月17日，法拉第首次發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在電磁學(xué)方面做出了偉大貢獻(xiàn)。法拉第最先提出電場(chǎng)概念和電場(chǎng)線概念。更主要的是他在電化學(xué)方面（對(duì)電流所產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)的研究）所做出的貢獻(xiàn)。經(jīng)過(guò)多次精心試驗(yàn)，法拉第總結(jié)了兩個(gè)電解定律，這兩個(gè)定律均以他的名字命名，構(gòu)成了電化學(xué)的基礎(chǔ)。他將化學(xué)中的許多重要術(shù)語(yǔ)給予了通俗的名稱，如陽(yáng)極、陰極、電極、離子等。法拉第的照片在1991年至2001年時(shí)，被印在20元的英鎊紙幣上。南極洲的前英國(guó)實(shí)驗(yàn)室：法拉第氣候研究站以他為名，而電容則以法拉作為單位。此外，一莫耳的電子所含的電量（約96485庫(kù)侖）也稱為法拉第常數(shù)，讓世人緬懷他在電學(xué)上無(wú)與倫比的貢獻(xiàn)。法拉第電磁感應(yīng)定律陳述一隨時(shí)間改變的磁通量會(huì)創(chuàng)造電動(dòng)勢(shì)。法拉第在英國(guó)皇家研究院（RoyalInstitution）中任富勒里安化學(xué)教授，并指為終身職。在所有任過(guò)此職者中，法拉第為第一個(gè)，也是最為出名的學(xué)者。愛因斯坦在他的學(xué)習(xí)墻上放著法拉第的一張照片，并將其與牛頓和麥克斯韋放在一起。2021/10/10星期日1技術(shù)研究一、運(yùn)動(dòng)方程的建立

檢波器內(nèi)部各組成部分的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如右圖所示。于是有：y=z+x1.彈簧克服慣性體重力后的拉力FK2.線圈受到的電磁阻尼力3.鋁制線圈的電磁阻尼力2021/10/10星期日2技術(shù)研究二、輸出電壓方程和固有振動(dòng)

電動(dòng)式檢波器的輸出電壓方程為：

根據(jù)牛頓第二定律導(dǎo)出電動(dòng)式檢波器的運(yùn)動(dòng)方程如下示：2021/10/10星期日3技術(shù)研究

電動(dòng)式檢波器的固有振動(dòng)有三種情況：欠阻尼、過(guò)阻尼和臨界阻尼，振動(dòng)波形如下頁(yè)圖示：2021/10/10星期日4技術(shù)研究三、頻率響應(yīng)電動(dòng)式檢波器的幅頻特性為：

可見電動(dòng)式檢波器在以地面振動(dòng)速度作為輸入量時(shí)，輸出電壓呈現(xiàn)二階高通濾波器的頻率特性，因此對(duì)低頻面波干擾可以有一定的壓制作用。2021/10/10星期日5技術(shù)研究(1)電動(dòng)式檢波器的幅頻特性如圖式：時(shí)，G(ω)將出現(xiàn)尖峰。②當(dāng)時(shí)，沒(méi)有尖峰出現(xiàn)。③當(dāng)時(shí)，剛好不出現(xiàn)尖峰，或者說(shuō)尖峰出現(xiàn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處，這種狀態(tài)稱為最佳阻尼。①當(dāng)阻尼系數(shù)2021/10/10星期日6技術(shù)研究

（2）電動(dòng)式檢波器的相位特性為：

繪出電動(dòng)式檢波器的相位特性如圖：可知，φ（0）=0°，φ（ω0）=-90°，φ（∞）=-180°，在ω=0、ω0、∞三個(gè)頻率處，不同阻尼的電動(dòng)勢(shì)檢波器均有相同的相移，而其它頻率上，不同阻尼的電動(dòng)式檢波器的相移是不相同的。2021/10/10星期日7技術(shù)研究四、性能參數(shù)1.阻尼電動(dòng)式檢波器的阻尼為：2.自然頻率3.靈敏度電動(dòng)式檢波器輸出電壓是：4.非線性5.絕緣電阻

可見，機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)S越高，則檢波器輸出電壓越大，因此機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)S也稱為固有靈敏度。2021/10/10星期日8技術(shù)研究作業(yè)：1.電動(dòng)式檢波器由哪幾部分組成？2.電動(dòng)式檢波器是如何將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的？3.（獨(dú)立）分析電動(dòng)式檢波器的幅頻特性和相頻特性。2021/10/10星期日9技術(shù)研究第二節(jié)壓電式地震檢波器

壓電效應(yīng)：某些介質(zhì)。當(dāng)沿一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷（作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變）。當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料。它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。2021/10/10星期日10技術(shù)研究2021/10/10星期日11技術(shù)研究

這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)，而由電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。2021/10/10星期日12技術(shù)研究

壓電檢波器等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如右圖a示,或等效成一個(gè)電壓源，如右圖b示。若壓電檢波器附近的水壓為P，則壓電檢波器的開路輸出電壓為：一、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

式中K—一個(gè)與壓電常數(shù)成正比且與壓電檢波器結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)的常數(shù)，稱為壓電檢波器的開路靈敏度。2021/10/10星期日13技術(shù)研究二、變壓器耦合式海上檢波器V0為變壓器次級(jí)電壓，它與儀器輸入端得到的電壓Va關(guān)系為：圖中R為：2021/10/10星期日14技術(shù)研究傳遞函數(shù)為：式中自然頻率：阻尼系數(shù)：傳輸常數(shù)：其中2021/10/10星期日15技術(shù)研究三、帶電荷放大器的海上檢波器該電路傳遞函數(shù)為：2021/10/10星期日16技術(shù)研究

變換后可得帶電荷放大的海上檢波器的傳遞函數(shù)為：

變壓器耦合海上檢波器阻抗匹配較好.

但是盡管帶電荷放大器的海上檢波器比變壓器耦合式海上檢波器容易接受串音干擾，但它沒(méi)有因?yàn)樽儔浩鹘邮芨蓴_而產(chǎn)生噪聲，而且便于在勘探船上測(cè)試整個(gè)電路，因此在海上勘探中得到廣泛的應(yīng)用。2021/10/10星期日17技術(shù)研究第三節(jié)渦流式地震檢波器

慣性部件和固定在機(jī)殼里的永久磁場(chǎng)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生渦流，渦流又使固定在機(jī)殼里的線圈感應(yīng)出電流，根據(jù)這一原理制成渦流檢波器。2021/10/10星期日18技術(shù)研究一、渦流檢波器的傳遞函數(shù)渦流檢波器的運(yùn)動(dòng)方程為：傳遞函數(shù)為：振幅特性為：相位特性為：2021/10/10星期日19技術(shù)研究二、渦流式地震檢波器的主要技術(shù)指標(biāo)（見課本）2021/10/10星期日20技術(shù)研究作業(yè)1.獨(dú)立分析壓電式檢波器的工作原理。2.渦流檢波器工作原理分析，并了解它與電動(dòng)式檢波器相比較有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？

結(jié)論：渦流檢波器能提升高頻信號(hào)，但它的靈敏度與常規(guī)檢波器的靈敏度相比較太低，大約低50倍左右。2021/10/10星期日21技術(shù)研究四、地震檢波器的分類

從使用環(huán)境分有：陸上檢波器沼澤檢波器海上檢波器從工作原理分有：動(dòng)圈式檢波器（常規(guī)檢波器和超級(jí)檢波器）壓電檢波器數(shù)字傳感器(數(shù)字檢波器)

按輸出信號(hào)所跟蹤的物理量分有：速度檢波器加速度檢波器壓力檢波器2021/10/10星期日22技術(shù)研究陸上地震檢波器

（動(dòng)圈式速度檢波器）2021/10/10星期日23技術(shù)研究檢波器的埋置2021/10/10星期日24技術(shù)研究

檢波器組合——檢波器串2021/10/10星期日25技術(shù)研究2021/10/10星期日26技術(shù)研究檢波器組合的連接方式2021/10/10星期日27技術(shù)研究渦流檢波器（加速度檢波器）2021/10/10星期日28技術(shù)研究壓電檢波器2021/10/10星期日29技術(shù)研究HYD-1型壓電檢波器

HYD-1型壓電檢波器是一種壓電傳感器，它具有體積小、密封性能好、靈敏度高等特點(diǎn)。水下工作深度1米—35米，可以和美國(guó)2512型壓電檢波器互換使用?？捎糜诤Ｑ?、水庫(kù)、河流等水域地震勘探。2021/10/10星期日30技術(shù)研究壓電檢波器在水中的使用2021/10/10星期日31技術(shù)研究壓電檢波器用于海上勘探2021/10/10星期日32技術(shù)研究超級(jí)檢波器超級(jí)檢波器的原理和結(jié)構(gòu)與電磁感應(yīng)式檢波器完全一致，區(qū)別主要在于檢波器的制造工藝和器件材料，實(shí)質(zhì)上，超級(jí)檢波器就是傳統(tǒng)檢波器的改進(jìn)型。

2021/10/10星期日33技術(shù)研究數(shù)字檢波器數(shù)字檢波器的核心是MEMS(MicroElectroMechanicalSystem，即(微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)，這種技術(shù)就是以硅材料為基底，采用微機(jī)械加工工藝和IC工藝加工出差動(dòng)電容式微機(jī)械加速度計(jì)。這種加速度計(jì)(數(shù)字檢波器)是集微型傳感器、執(zhí)行器、信號(hào)處理器以及控制電路、接口電路、通信電路和電源為一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。2021/10/10星期日34技術(shù)研究數(shù)字檢波器工作原理2021/10/10星期日35技術(shù)研究數(shù)字檢波器與傳統(tǒng)檢波器的區(qū)別

數(shù)字檢波器和傳統(tǒng)檢波器在原理和功能上完全不同，傳統(tǒng)意義上的地震檢波器是以電磁感應(yīng)方式將地震(振動(dòng)速度)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)輸出，而數(shù)字檢波器是以重力平衡方式(MEMS技術(shù))將地震(振動(dòng)加速度)信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù)字信號(hào)。2021/10/10星期日36技術(shù)研究2021/10/10星期日