專利名稱：三分向低頻壓電數(shù)字地震儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及地震監(jiān)測(cè)、地震勘探、地震工程、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、地質(zhì)工程勘察等 領(lǐng)域，具體地說涉及一種對(duì)天然地震和人工地震進(jìn)行監(jiān)測(cè)使用的三分向低頻壓電數(shù)字地震 儀。
背景技術(shù)：
地震對(duì)人類的影響巨大，其破壞力和影響力都是空前的。對(duì)地震過程進(jìn)行提前和 準(zhǔn)確預(yù)報(bào)一直以來都是地震工作者努力的方向。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)地震過程的研究和 監(jiān)測(cè)，地震前會(huì)產(chǎn)生很弱的微小振動(dòng)，如果能對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)，將會(huì)大大提高人類 對(duì)地震的監(jiān)測(cè)水平以及滿足地震勘探、地震工程、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)應(yīng)用的需要。目前使用的各 種地震監(jiān)測(cè)用的加速度計(jì)對(duì)這種微小振動(dòng)還難以記錄到，盡管其可以監(jiān)測(cè)到低頻信號(hào)，但 靈敏度較低，難以滿足觀測(cè)弱信號(hào)的需求，特別是對(duì)0. IHz甚至更低監(jiān)測(cè)信號(hào)的觀測(cè)。壓電 陶瓷晶片具有很高的靈敏度，能夠監(jiān)測(cè)到非常弱的信號(hào)，甚至可以監(jiān)測(cè)到蝴蝶經(jīng)過時(shí)扇動(dòng) 翅膀的信號(hào)，若采用壓電陶瓷晶片制成加速度計(jì)對(duì)天然地震或人工地震進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將會(huì)克 服目前地震儀在監(jiān)測(cè)弱信號(hào)方面的不足，在地震監(jiān)測(cè)、地震工程中將會(huì)發(fā)揮重要作用。這也 正是本裝置研制的出發(fā)點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容鑒于上述現(xiàn)有情況，本實(shí)用新型旨在提供一種既有高靈敏度，又能監(jiān)測(cè)到低頻信 號(hào)的三分向低頻壓電數(shù)字地震儀。本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的三分向低頻壓電數(shù)字地震儀，包括外殼和密封于外殼內(nèi)的數(shù)據(jù)采集管理單元、隔 離板以及三個(gè)相互正交的低頻壓電加速度計(jì)，數(shù)據(jù)采集管理單元、隔離板和三個(gè)低頻壓電 加速度計(jì)分別固定在外殼內(nèi)；數(shù)據(jù)采集管理單元與三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)之間分別電連 接，并通過電纜對(duì)外輸出采集信號(hào)；隔離板位于數(shù)據(jù)采集管理單元與三個(gè)低頻壓電加速度 計(jì)之間。所述外殼內(nèi)設(shè)有機(jī)架，機(jī)架上設(shè)有三個(gè)相對(duì)獨(dú)立并正交的空腔，三個(gè)低頻壓電加 速度計(jì)分別鑲嵌在三個(gè)空腔中。所述機(jī)架上的三個(gè)空腔為三個(gè)通孔，三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)的外形為圓柱形，圓 柱形低頻壓電加速度計(jì)鑲嵌在通孔中。所述低頻壓電加速度計(jì)包括殼體和位于殼體內(nèi)的基座、壓電陶瓷晶片、導(dǎo)電板、質(zhì) 量體和阻抗適配器，基座固定在殼體內(nèi)腔的底部，壓電陶瓷晶片固定在基座頂部；質(zhì)量體通 過導(dǎo)電板連接在壓電陶瓷晶片上；阻抗適配器鑲嵌在質(zhì)量體頂部，阻抗適配器與導(dǎo)電板電 連接，阻抗適配器通過外接電纜與數(shù)據(jù)采集管理單元連接。所述壓電陶瓷晶片為多層組合一體化壓電陶瓷晶片。所述壓電陶瓷晶片與基座為一體結(jié)構(gòu)。[0011]所述基座鑲嵌在殼體內(nèi)腔的底部。所述數(shù)據(jù)采集管理單元包括相互電連接的采集板和主機(jī)板，采集板通過外接電纜 分別與三個(gè)相互正交的低頻壓電加速度計(jì)連接，采集板將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號(hào)后傳送到主機(jī)板上；主機(jī)板接受指令控制采集板工作并將數(shù)字信號(hào)在本地存儲(chǔ)或通過電 纜向外界傳輸。所述的采集板和主機(jī)板為一體結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型所述的三分向低頻壓電數(shù)字地震儀，采用多層組合一體化壓電陶瓷晶 片對(duì)地震監(jiān)測(cè)、地震工程進(jìn)行探測(cè)，顯著提高了加速度計(jì)的敏感性和靈敏度；鑲嵌在質(zhì)量塊 頂部的阻抗適配器使加速度計(jì)可以記錄低頻天然或人工地震信號(hào)，其低頻段擴(kuò)展到0.1赫 茲以下；位于數(shù)據(jù)采集管理單元與三個(gè)相互正交的低頻壓電加速度計(jì)之間的隔離板，使三 分向低頻壓電加速度計(jì)和數(shù)據(jù)采集管理單元集成在一起，減少了連接環(huán)節(jié)的電纜長(zhǎng)度，減 小了系統(tǒng)噪聲，降低了信號(hào)的衰減，有利于數(shù)字化電路檢測(cè)弱的地震信息，提高了地震計(jì)的 動(dòng)態(tài)范圍和抗干擾的能力。改進(jìn)后的三分向低頻壓電數(shù)字地震儀體積和重量大大減小，系 統(tǒng)噪聲低，功能強(qiáng)，可充分滿足對(duì)于弱小低頻信號(hào)的有效監(jiān)測(cè)要求。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意剖視圖；圖2為低頻壓電加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意剖視圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖1、圖2對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的描述本實(shí)用新型所述的三分向低頻壓電數(shù)字地震儀，包括外殼7和密封于外殼7內(nèi)的 數(shù)據(jù)采集管理單元2、隔離板3以及三個(gè)相互正交的圓柱形低頻壓電加速度計(jì)1。數(shù)據(jù)采集 管理單元2、隔離板3和三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)1被分別固定在外殼7內(nèi)，外殼7頂部設(shè)有封 蓋4，封蓋4將數(shù)據(jù)采集管理單元2、隔離板3和三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)1密封在外殼7內(nèi)。 隔離板3位于數(shù)據(jù)采集管理單元2與三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)1之間，隔離板3可有效降低 數(shù)據(jù)采集管理單元2與低頻壓電加速度計(jì)1之間的相互干擾，同時(shí)最大限度的縮短二者之 間的傳輸距離，保證采集信息的傳輸質(zhì)量，避免信號(hào)衰減對(duì)監(jiān)測(cè)靈敏性和準(zhǔn)確性帶來影響。其中，低頻壓電加速度計(jì)1包括一個(gè)圓柱形殼體11和位于殼體11內(nèi)的基座15、壓 電陶瓷晶片14、導(dǎo)電板13、質(zhì)量體12和阻抗適配器10。基座15鑲嵌在殼體11內(nèi)腔的底 部，壓電陶瓷晶片14為多層組合一體化壓電陶瓷晶片，一體化的壓電陶瓷晶片14與基座15 頂部設(shè)計(jì)成一體結(jié)構(gòu)，這樣可大幅提高基座15與壓電陶瓷晶片14間的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證壓 電陶瓷晶片14探測(cè)過程的靈敏性和可靠性。導(dǎo)電板13連接在壓電陶瓷晶片14上方，質(zhì)量 體12連接在導(dǎo)電板13頂部，阻抗適配器10鑲嵌在質(zhì)量體12頂部，阻抗適配器10通過導(dǎo) 線16與導(dǎo)電板13電連接，阻抗適配器10接收來自壓電陶瓷晶片14上產(chǎn)生的電荷變化情 況并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，最后，阻抗適配器10通過外接電纜9將此信息傳送到殼體11外 的數(shù)據(jù)采集管理單元2中，在數(shù)據(jù)采集管理單元2中完成采集信息的再處理。數(shù)據(jù)采集管理單元2包括相互電連接的采集板和主機(jī)板，采集板和主機(jī)板制作成 一體結(jié)構(gòu)，采集板通過外接電纜9分別與三個(gè)相互正交的低頻壓電加速度計(jì)1上的阻抗適
4配器10連接，接收來自阻抗適配器10上的信息。主機(jī)板通過接受外部指令控制采集板工 作，并將采集板采集到的模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過電纜5向外界傳輸，最終在外部實(shí)現(xiàn)數(shù)字 信號(hào)觀察，實(shí)現(xiàn)地震前微小振動(dòng)的數(shù)字化監(jiān)測(cè)、分析。為便于穩(wěn)定、牢固的將三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)1固定在外殼7內(nèi)，在外殼7內(nèi)相對(duì) 于三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)1的位置上還設(shè)有機(jī)架6，機(jī)架6固定在外殼7內(nèi)，機(jī)架6上設(shè)有 三個(gè)相互正交的通孔，三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)1分別鑲嵌在三個(gè)通孔中，通孔將低頻壓電 加速度計(jì)1牢固固定并與低頻壓電加速度計(jì)1充分接觸，保證了低頻壓電加速度計(jì)1在外 殼7內(nèi)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證其監(jiān)測(cè)過程使用的可靠性。當(dāng)然，上述結(jié)構(gòu)中，基座15也可采用其它方式固定在殼體11內(nèi)腔的底部，壓電陶 瓷晶片14與基座15也可不為一體結(jié)構(gòu)，只要能保證壓電陶瓷晶片14穩(wěn)固、充分地連接在 基座15頂部即可。而設(shè)置于機(jī)架6中的三個(gè)相對(duì)獨(dú)立且正交的通孔，同樣也可為相互正交 且獨(dú)立的三個(gè)其它形狀的空腔，只要這三個(gè)空腔的形狀分別與三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)1的 外形相匹配，這樣就可將三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)1充分固定在三個(gè)空腔中，保證其結(jié)構(gòu)的 穩(wěn)固性和可靠性。實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中，將三分向低頻壓電數(shù)字地震儀放置在需監(jiān)測(cè)地，當(dāng)有地震信號(hào) 產(chǎn)生時(shí)，多層組合的一體化結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷晶片14在質(zhì)量塊12的作用下發(fā)生擠壓、變形， 同時(shí)，受到外力作用的壓電陶瓷晶片14分子內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，其兩個(gè)表面上產(chǎn)生數(shù)量相 等、符號(hào)相反的電荷，即產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)通過導(dǎo)電板13和導(dǎo)線16與阻抗適配器10 連通，阻抗適配器10把壓電陶瓷晶片14的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出，同時(shí)，采集板采 集來自三個(gè)方向上的阻抗適配器10中的信息，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后分別經(jīng)主機(jī)板讀取、存儲(chǔ)，并 通過電纜5發(fā)送到外界，最終在外界得到監(jiān)測(cè)地三個(gè)方向上的數(shù)字信號(hào)監(jiān)測(cè)和觀察，實(shí)現(xiàn) 了人們對(duì)地震微弱信號(hào)的情況了解和掌握，從而為有效避免地震對(duì)人類造成的巨大傷害提 供了有力的數(shù)據(jù)保障。
權(quán)利要求三分向低頻壓電數(shù)字地震儀，其特征在于，包括外殼和密封于外殼內(nèi)的數(shù)據(jù)采集管理單元、隔離板以及三個(gè)相互正交的低頻壓電加速度計(jì)，所述數(shù)據(jù)采集管理單元、隔離板和三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)分別固定在外殼內(nèi)；所述數(shù)據(jù)采集管理單元與三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)之間分別電連接，并通過電纜對(duì)外輸出采集信號(hào)；所述隔離板位于數(shù)據(jù)采集管理單元與三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三分向低頻壓電數(shù)字地震儀，其特征在于，所述外殼內(nèi)設(shè)有 機(jī)架，機(jī)架上設(shè)有三個(gè)相對(duì)獨(dú)立并正交的空腔，三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)分別鑲嵌在三個(gè)空 腔中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三分向低頻壓電數(shù)字地震儀，其特征在于，所述機(jī)架上的三 個(gè)空腔為三個(gè)通孔，三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)的外形為圓柱形，圓柱形低頻壓電加速度計(jì)鑲 嵌在通孔中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的三分向低頻壓電數(shù)字地震儀，其特征在于，所述低頻壓 電加速度計(jì)包括殼體和位于殼體內(nèi)的基座、壓電陶瓷晶片、導(dǎo)電板、質(zhì)量體和阻抗適配器， 所述基座固定在殼體內(nèi)腔的底部，壓電陶瓷晶片固定在基座頂部；所述質(zhì)量體通過導(dǎo)電板 連接在壓電陶瓷晶片上；所述阻抗適配器鑲嵌在質(zhì)量體頂部，阻抗適配器與導(dǎo)電板電連接， 阻抗適配器通過外接電纜與數(shù)據(jù)采集管理單元連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三分向低頻壓電數(shù)字地震儀，其特征在于，所述壓電陶瓷晶 片為多層組合一體化壓電陶瓷晶片。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三分向低頻壓電數(shù)字地震儀，其特征在于，所述壓電陶瓷晶 片與基座為一體結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三分向低頻壓電數(shù)字地震儀，其特征在于，所述基座鑲嵌在 殼體內(nèi)腔的底部。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的三分向低頻壓電數(shù)字地震儀，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采 集管理單元包括相互電連接的采集板和主機(jī)板，所述采集板通過外接電纜分別與三個(gè)相互 正交的低頻壓電加速度計(jì)連接，采集板將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳送到主機(jī) 板上；所述主機(jī)板接受指令控制采集板工作并將數(shù)字信號(hào)在本地存儲(chǔ)或通過電纜向外界傳 輸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的三分向低頻壓電數(shù)字地震儀，其特征在于，所述的采集板和 主機(jī)板為一體結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種三分向低頻壓電數(shù)字地震儀，包括外殼和密封于外殼內(nèi)的數(shù)據(jù)采集管理單元、隔離板以及三個(gè)相互正交的低頻壓電加速度計(jì)；數(shù)據(jù)采集管理單元與三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)之間分別電連接，并通過電纜對(duì)外輸出采集信號(hào)；隔離板位于數(shù)據(jù)采集管理單元與三個(gè)低頻壓電加速度計(jì)之間；其結(jié)構(gòu)縮短了連接環(huán)節(jié)的電纜長(zhǎng)度，降低了信號(hào)衰減和干擾。多層組合一體化壓電陶瓷晶片的使用，顯著提高了加速度計(jì)的敏感性和靈敏度。阻抗適配器使地震儀可以記錄低頻天然地震信號(hào)。整個(gè)裝置體積和重量大大減小，系統(tǒng)噪聲低，功能強(qiáng)，可充分適用于對(duì)弱小低頻信號(hào)的有效監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01V1/22GK201622354SQ201020109399
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2010年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月8日
發(fā)明者劉兆琦, 張旸, 張煉, 滕云田, 王喜珍 申請(qǐng)人:中國(guó)地震局地球物理研究所;西安海豐傳感技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司