基于PVDF压电薄膜的压电地震检波器研究

发布时间：2020-07-03 06:05

【摘要】：地震勘探法是现代社会探寻矿产资源最常用的方法,对于解决我国的能源问题具有十分重要的意义。另外,地震勘探法对于工程安全检测和地质灾害评估都有重要作用。地震检波器作为地震勘探系统的最前端设备,其性能在很大程度上决定着地震勘探系统的性能指标。地震检波器发展至今经历了动圈式模拟地震检波器、数字式地震检波器和MEMS数字地震检波器三个阶段,出现了磁电式、压阻式、压电式、电化学式、光纤式和MEMS数字地震检波器等多种形式的地震检波器。磁电式和压阻式地震检波器因灵敏度低、频带窄、动态范围小,无法满足未来地震勘探工程的需求;电化学式、光纤式和MEMS数字地震检波器虽然技术比较先进,但是价格也比较昂贵,在不同地区的适用性也有待验证,距离大规模推广使用还需进一步改进。压电式地震检波器灵敏度高、频带宽、动态范围大,适用性强、价格适中,在海洋地震勘探中已经获得广泛应用。现有压电地震检波器多以压电陶瓷为敏感元件,受限于压电陶瓷厚重易碎的缺陷,压电陶瓷地震检波器结构不够灵活、低频截止频率多在10Hz左右,无法发挥压电陶瓷作为机电换能元件的宽频特性,存在明显的缺陷。PVDF是一种新型的共聚物压电材料。相对于传统压电陶瓷,PVDF压电薄膜具有压电电压常数高、有效频率范围宽、动态范围大、轻便、柔韧、易于加工成各种形状、声阻抗易匹配和耐化学腐蚀等优势,可用以研制在宽频范围内具有高灵敏度、低频截止频率更低的新型压电地震检波器。本文将根据PVDF的优良特性,综合运用理论模型分析、有限元仿真对比分析、对比实验分析、信号调理及数字化、数据存储、校准测试等技术方法对基于PVDF压电薄膜的压电地震检波器进行研究。本文主要研究内容如下:根据地震勘探法的基本原理以及地震反射波的本质和特征,提出本文所研究基于PVDF压电薄膜的数字式压电地震检波器的总体研究方案。首先探讨了PVDF压电薄膜的工作原理及优势,为实现增大检波器灵敏度和降低其低频截止频率的研究目标,分析了不同结构形式对敏感单元的灵敏度及固有频率的影响,进而设计了PVDF压电薄膜与带有质量块的螺旋形悬臂梁相结合的敏感单元结构;然后通过理论分析、有限元仿真分析和对比实验分析,研究了结构参数对敏感单元性能的影响;又根据压电薄膜的电学性质和地震检波器的应用环境,设计了由放大、滤波组成的信号调理电路;为增强信号传输过程中的抗干扰能力,设计了数字模块电路;最终进行了地震检波器的封装设计,对所设计地震检波器进行性能测试和校准实验,验证了所设计的基于PVDF压电薄膜的数字式压电地震检波器的有效性。经过相对校准和绝对校准,得出本文所研究的基于PVDF压电薄膜的压电地震检波器在4~90Hz频率范围内有着稳定的灵敏度230mV/m/s~2。本研究为基于PVDF压电薄膜的压电地震检波器的研制提供了新思路和借鉴意义。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P631.436
【图文】：

结构图,结构图,铜套,永久磁铁

图 1.1 动圈式地震检波器结构图图 1.2 涡流式地震检波器结构图（2）涡流式地震检波器。涡流式地震检波器的结构如图 2.2 所示，它、弹簧、铜套、线圈和永久磁铁组成。铜套套在永久磁铁空气隙中，环绕线圈与外壳固定[12]。当外壳和永久磁体随大地震动时，铜套因弹簧弹性而

结构图,结构图,铜套,永久磁铁

【参考文献】