專利名稱：一種微音器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種微音器，屬于石油天然氣井液面深度測量用的“回聲儀”上使用的一種回聲接收裝置。
回聲儀是利用聲波反射原理測量油氣井液面深度的。其接收裝置實質(zhì)上是個類似話筒的低頻聲波及次聲波接收器。由于惡劣的工作環(huán)境的限制，不僅要求它在幾赫茲到幾十赫茲聲波范圍內(nèi)有較高的靈敏度和較高的濾雜波抗干擾能力以及很好的防腐蝕抗污染能力，更主要的是要求它既能在高達十幾兆帕甚至更高的氣壓環(huán)境下可靠地工作，又能承受瞬時強氣壓的沖擊。所以微音器都是由壓電陶瓷材料制成的。壓電陶瓷體表面積大，厚度薄，靈敏度就高，承壓和抗沖擊能力就低。反之，靈敏度就低，而承壓和抗沖擊能力就高些。當然，還和微音器的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)。在現(xiàn)技術(shù)中，主要有三種結(jié)構(gòu)的微音器。1、圓筒型。它是把2mm以上厚的圓筒型壓電陶瓷體兩端封堵后再用膠體封裹而成的一種全封閉的空芯結(jié)構(gòu)的微音器。它有較高的機械強度，承壓和抗沖擊能力相對較高，而靈敏度較低。同時其內(nèi)部為封閉空間，不能與外界進行氣體交換，所以承壓和抗沖擊的極限是由筒形壓電陶瓷體的厚度限定的，不可能很高。它的另外一個缺點是體積較大。2、氣門型。它是把帶有金屬基片的的薄型壓電陶瓷片用膠封貼到一有凹坑的殼體上，所形成的空間用由進氣門和排氣門構(gòu)成的雙向限壓閥與外界聯(lián)通，能自動平衡內(nèi)外氣壓差。無論工作環(huán)境氣壓高低，其氣壓差總是被限定在一極低的范圍內(nèi)，不會向圓筒型微音器那樣，使壓電陶瓷片單面承受高氣壓，不易損壞，而對聲波信號反應卻較靈敏。所以，它的承壓能力和靈敏度都比圓筒型要高些。但因使用環(huán)境惡劣，污染腐蝕會使氣門失靈，造成聲波信號短路，無法測試。3、阻尼管型。本方案參見公告號為2118815的中國專利《微音接收器》。它與氣門式微音器基本相同，只是將進氣門和排氣門用一根空氣阻尼管代替，使變化的氣壓或聲波信號在作用到壓電陶瓷片外面后再經(jīng)過一定時間的延遲才能進入空腔內(nèi)作用到壓電陶瓷片的里面。從而達到既能使內(nèi)外氣壓平衡又能使壓電陶瓷片響應聲波信號的目的。所以它與氣門式微音器性能相近，結(jié)構(gòu)卻更加簡單。但因阻尼管又細又長，易堵塞使壓電陶瓷片損壞，且聲波信號經(jīng)延時后終會作用到壓電陶瓷片的里面，會對其外面正在接收的剛到達的聲波信號產(chǎn)生干擾，所以輸出的信號波形不好。上述三種微音器還有一個共同的致命缺點，就是承受瞬間高氣壓沖擊的能力較差，壓電陶瓷片常因沖擊過載而碎裂。這是因為回聲儀的聲源大多是靠火藥聲彈的爆炸而產(chǎn)生的。其瞬間沖擊波很強。圓筒型微音器無氣壓平衡裝置，壓電陶瓷體雖然較厚且為圓筒形，卻也難以承受這種沖擊，故易碎裂。氣門式和阻尼管式微音器，因有氣門限壓或阻尼管平衡，所以理論上說可以承受極高的氣壓，但這只對緩變的氣壓有效。因為氣門或阻尼管通氣量小，內(nèi)外氣壓平衡的速度不可能很快，因而對于象聲彈爆炸瞬間產(chǎn)生的強沖擊波來說，常會因內(nèi)外氣壓未來的及平衡就使壓電陶瓷片受壓過載損壞了。
本發(fā)明的目的是要提供一種既能適應高的緩變的氣壓環(huán)境，又能承受聲彈爆炸瞬間所產(chǎn)生的強烈沖擊波的沖擊，且靈敏度高波形好的微音器。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了一種與現(xiàn)有技術(shù)有本質(zhì)區(qū)別的氣壓盒式結(jié)構(gòu)。它是將由彈性材料制成的膜與壓電陶瓷片直接貼合或通過墊圈相貼合構(gòu)成一種氣壓盒式結(jié)構(gòu)，也可以是先把壓電陶瓷片封貼到彈性膜上，再把此彈性膜與一基板或另一貼有或不貼有壓電陶瓷片的彈性膜相貼合構(gòu)成一種氣壓盒式結(jié)構(gòu)。并且在彈性膜的壁上有起雙向限壓作用的孔隙，也可以無此孔隙而在彈性膜上或墊圈上或基板上安裝上雙向限壓閥或空氣阻尼管。它們都可以使盒內(nèi)外氣壓差保持在一個很小的范圍內(nèi)，所以理論上說，無論工作環(huán)境的氣壓高低都不會使壓電陶瓷片單面受壓過載。但是，由于孔隙或雙向限壓閥或阻尼管通氣量不可能做得很大，當有突變的高氣壓脈沖到來時，卻會容易使壓電陶瓷片過載。在本發(fā)明中彈性膜受沖擊時能迅速發(fā)生彈性變形，且變形壓力遠低于壓電陶瓷片的過載壓力。這樣盒內(nèi)的氣體便會壓縮或膨脹，使內(nèi)外壓差迅速減小，甚至接近平衡，也就是使壓電陶瓷片兩面受壓基本一致。當然，由于孔隙或雙向限壓閥需要的開門壓力又遠大于聲波信號產(chǎn)生的微弱壓力，所以聲波信號不會使孔隙或雙向限壓閥打開，或者由于阻尼管的延時作用，聲波信號只能推動壓電陶瓷片的外面，產(chǎn)生足夠強的電信號輸出。
本發(fā)明由于采用了具有彈性的氣壓盒式結(jié)構(gòu)和具有雙向限壓作用的孔隙或雙向限壓閥或阻尼管這樣的復合結(jié)構(gòu)，所以與現(xiàn)有技術(shù)相比有著顯著的優(yōu)點。1、具有雙向限壓作用的孔隙或雙向限壓閥或阻尼管能對緩變氣壓進行自動調(diào)節(jié)，使盒內(nèi)外氣壓基本平衡，壓電陶瓷片內(nèi)外兩面所受的氣壓差始終被限定在一很小的范圍內(nèi)，而與工作環(huán)境的氣壓高低基本無關(guān)，所以理論上說可以在任意高的靜態(tài)氣壓環(huán)境下工作。2、彈性膜能靠自身的彈性變形快速地平衡突變氣壓，有效地保護壓電陶瓷片，使之避免因單面沖擊過載而損壞，因此，理論上說它可以適應任意高的動態(tài)沖擊氣壓。正因為如此，我們可以使用更薄的壓電陶瓷片，來提高接收靈敏度。3、彈性膜的快速平衡作用，也減小了對雙向限壓閥的沖擊。因此，可以直接在彈性膜上用鋒利器具切割或穿刺出一個或多個孔隙作為雙向限壓閥或阻尼管使用，不但結(jié)構(gòu)大為簡化，效果也極好，不易堵塞失靈。4、由于對聲波信號來說，雙向限壓閥或有雙向限壓作用的孔隙始終是關(guān)閉的，就如同圓筒型或氣門型微音器一樣，而不會象阻尼管型微音器那樣，會有部分聲波傳到壓電陶瓷片的背面，造成聲波短路或產(chǎn)生干擾。所以波形好，靈敏度高。
附

圖1至附圖5是依據(jù)本發(fā)明提出的微音器的5種典型實施例的結(jié)構(gòu)簡圖。為了簡便起見，圖2至圖5采用了簡化畫法并省略了保護層和雙向限壓閥或阻尼管。
下面結(jié)合實施例附圖，對本發(fā)明作進一步說明。
本發(fā)明公開的是一種微音器，即一種用聲波反射原理測量石油天然氣井液面深度的“回聲儀”上作聲波接收裝置用的微音器。主要由壓電陶瓷片(1)、彈性膜(2)、引線(3)和保護層(4)構(gòu)成。由附圖看出，根據(jù)具體實施方案的不同還可以包括雙向限壓閥或阻尼管(7)以及墊圈(5)或基板(6)等。彈性膜(2)最好是用橡膠、塑料等柔質(zhì)材料制成，以便在其上直接加工出具有雙向限壓作用的孔隙(2a)，從而省去雙向限壓閥或阻尼管(7)。當然也可以用波紋盒之類的金屬材料制成，但此時必須安裝雙向限壓閥或阻尼管(7)。但考慮到制作工藝及實際效果，最好使用柔質(zhì)材料做彈性膜(2)，這樣可以直接在膜上用刀、錐等鋒利器具切割或穿刺出或者用其他工藝加工出一個或多個孔隙(2a)作為雙向限壓閥，使整體結(jié)構(gòu)簡化，可靠性提高。其原理是由于膜自身的彈性作用，當它被割透或穿透后形成的孔隙(2a)會自動閉合，只有受到一定的外力作用時，才會由于彈性膜(2)發(fā)生形變而使孔隙(2a)張開。其張開所需的力量由材料的彈性性能、厚度、面積及孔隙的大小、形狀決定。但只要此力遠大于壓電陶瓷片(1)產(chǎn)生一定幅度的電信號所需的最小壓力，同時又遠小于壓電陶瓷片單成所能承受的最高壓力，就既不會使聲波信號泄漏到盒內(nèi)，影響測試，也不會使壓電陶瓷片(1)因單面受壓過載而損壞。因為盒內(nèi)外的氣壓可以通過孔隙(2a)的連通作用(或者還包括彈性膜的變形)達到基本平衡，孔隙(2a)完全可視為一個雙向限壓閥。所以，也完全可以利用這個原理制成獨立的結(jié)構(gòu)簡單性能可靠的雙向限壓閥(7)，并方便地安裝在彈性膜(2)上或墊圈(5)上或基板(6)上。當然，雙向限壓閥(7)也可以是滿足上述開門壓力的其他結(jié)構(gòu)的雙向限壓閥，也可以由兩個互為相反安裝的單向氣門代替。
附圖1是根據(jù)發(fā)明提出的一種微音器的第一個實施例。由壓電陶瓷片(1)、彈性膜(2)、引線(3)、保護層(4)等構(gòu)成。彈性膜(2)直接與接有引線(3)并有保護層(4)的壓電陶資片(1)相貼合成為氣壓盒式結(jié)構(gòu)。在彈性膜(2)上有起雙向限壓閥作用的孔隙(2a)，當然，也可以沒有孔隙(2a)而安裝上雙向限壓閥或阻尼管(7)。其工作原理如下工作環(huán)境氣壓的升高或降低都同時作用到彈性膜(2)和壓電陶瓷片(1)的外表面。如果氣壓波動的變化量低于孔隙(2a)或雙向限壓閥(7)的開門壓力，則彈性膜(2)僅發(fā)生極小的凹陷性或凸起性變形或基本不發(fā)生變形，孔隙(2a)或者雙向限壓閥(7)處于關(guān)閉狀態(tài)，壓電陶瓷片(1)因單面受壓變形產(chǎn)生足夠強的電信號輸出。如果氣壓變化量高于孔隙(2a)或雙向限壓閥(7)的開門壓力，則在壓電陶瓷片(1)產(chǎn)生電信號輸出的同時，氣體會通過孔隙(2a)或雙向限壓閥(7)向盒內(nèi)或盒外滲透，使盒內(nèi)外氣壓差穩(wěn)定在一接近平衡的范圍內(nèi)，壓電陶瓷片(1)不會因單面受壓過載而損壞。另外，如果環(huán)境氣壓發(fā)生強烈波動時，孔隙(2a)或者是雙向限壓閥或阻尼管(7)將無法使盒內(nèi)外氣壓迅速達到平衡，但彈性膜(2)將快速地、大幅度地發(fā)生凹凸性變形，使盒內(nèi)氣體急速壓縮或膨脹，對孔隙(2a)或雙向限壓閥或阻尼管(7)的欠平衡進行快速補償，避免了壓電陶瓷片的損壞，并產(chǎn)生正常的信號輸出。
附圖2是第二個實施例。它與上述實施例并無本質(zhì)區(qū)別，只是在壓電陶瓷片(1)和彈性膜(2)之間設(shè)有墊圈(5)。這樣彈性膜(2)可以使用加工簡便的平膜，且既可以在膜上直接加工出孔隙(2a)作為雙向限壓閥用，也可以不加工此孔隙，而把獨立的雙向限壓閥或阻尼管(7)安裝在彈性膜(2)上或墊圈(5)上。安裝在墊圈(5)上更便于拆裝維護。其工作原理與上例安全相同。
附圖3和附圖4是另兩個實施例。其特點是先把壓電陶瓷片(1)封貼到彈性膜(2)上，再由此膜與基板(6)構(gòu)成一個氣壓盒式結(jié)構(gòu)。它同樣可以直接在彈性膜(2)上做出孔隙(2a)或者不做孔隙而在彈性膜(2)上或基板(6)上安裝上獨立的雙向限壓閥或阻尼管。
附圖5是又一種實施例。其特點是氣壓盒是由兩片彈性膜(2)構(gòu)成的或由彈性材料直接做成的。壓電陶瓷片(1)就貼在盒的壁上。它的優(yōu)點是可以方便地貼上一片或兩片壓電陶瓷片，以串聯(lián)或并聯(lián)方式聯(lián)接，便于使壓電陶瓷片(1)增大輸出電流的強度或提高輸出電壓的幅度。與其他實施例一樣，既可以在盒壁上也就是彈性膜(2)上加工出孔隙(2a)也可以不加工孔隙而安裝上雙向限壓閥或阻尼管。
無論哪種方案的實施例，壓電陶瓷片(1)都應當向?qū)嵤├?一樣，在表面涂上保護層，增強其防潮、抗腐和絕緣能力。
權(quán)利要求
1.一種微音器，即一種石油天然氣開采井液面測深“回聲儀”上使用的回聲接收裝置，由接有引線(3)、涂有保護層(4)的壓電陶瓷片(1)和彈性膜(2)構(gòu)成，或者還包括墊圈(5)或基板(6)，或者還包括雙向限壓閥或阻尼管(7)，其特征是壓電陶瓷片(1)與彈性膜(2)相貼合或通過墊圈(5)相貼合也或者是先把壓電陶瓷片(1)封貼到彈性膜(2)上再把它與一硬質(zhì)基板(6)或另外一個貼有或不貼有壓電陶瓷片(1)的彈性膜(2)相貼合而構(gòu)成一種氣壓盒式結(jié)構(gòu)，且在彈性膜(2)上可以有一個或多個具有雙向限壓作用的能對氣盒內(nèi)外氣壓進行自動交換使之接近平衡的孔隙(2a)。
2.如權(quán)利要求1所述的微音器，其特征是孔隙(2a)是在柔性材料制成的彈性膜(2)上經(jīng)鋒利器具穿刺或切割或者經(jīng)其他方法加工后形成的在沒有外力作用下靠膜自身的彈性能自行關(guān)閉的孔或縫。
3.如權(quán)利要求1或2所述的微音器，其特征是所說的孔隙(2a)可以由一個利用在彈性膜(2)上加工孔隙(2a)這一原理制成的簡單可靠的獨立的雙向限壓閥或其他結(jié)構(gòu)的雙向限壓閥或阻尼管(7)代替，并可以任意安裝在彈性膜(2)上或墊圈(5)上或基板(6)上。
4.如權(quán)利要求1至3所述的微音器，其特征是壓電陶瓷片(1)可以是一片，也可以是多片以串聯(lián)或并聯(lián)方式聯(lián)接的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石油天然氣井液面深度測量用的“回聲儀”上作為聲波接收裝置用的微音器。由(3)帶有保護層(4)的壓電陶瓷片(1)、彈性膜(2)構(gòu)成一種氣壓盒式結(jié)構(gòu)。在彈性膜(2)上有對氣體起雙向限壓作用的孔隙(2a),或者無此孔隙而安裝有雙向限壓閥(7)?？紫痘蛳迚洪y能使盒內(nèi)外的氣壓接近平衡,彈性膜在強的沖擊波作用下會迅速變形,使盒內(nèi)外氣壓快速趨向平衡。因此壓陶瓷片不會單面承受高壓或單面受強沖擊,不易損壞,可用在極高的氣壓環(huán)境下,靈敏度高,可靠性也高。
文檔編號E21B47/14GK1179500SQ9612230
公開日1998年4月22日 申請日期1996年10月15日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月15日
發(fā)明者趙慶川 申請人:趙慶川