专利名称：三分向低频压电数字地震仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及地震监测、地震勘探、地震工程、地质灾害监测、地质工程勘察等 领域，具体地说涉及一种对天然地震和人工地震进行监测使用的三分向低频压电数字地震 仪。
背景技术：
地震对人类的影响巨大，其破坏力和影响力都是空前的。对地震过程进行提前和 准确预报一直以来都是地震工作者努力的方向。根据国内外研究机构对地震过程的研究和 监测，地震前会产生很弱的微小振动，如果能对这种信号进行及时监测，将会大大提高人类 对地震的监测水平以及满足地震勘探、地震工程、地质灾害监测应用的需要。目前使用的各 种地震监测用的加速度计对这种微小振动还难以记录到，尽管其可以监测到低频信号，但 灵敏度较低，难以满足观测弱信号的需求，特别是对0. IHz甚至更低监测信号的观测。压电 陶瓷晶片具有很高的灵敏度，能够监测到非常弱的信号，甚至可以监测到蝴蝶经过时扇动 翅膀的信号，若采用压电陶瓷晶片制成加速度计对天然地震或人工地震进行监测，将会克 服目前地震仪在监测弱信号方面的不足，在地震监测、地震工程中将会发挥重要作用。这也 正是本装置研制的出发点。
发明内容鉴于上述现有情况，本实用新型旨在提供一种既有高灵敏度，又能监测到低频信 号的三分向低频压电数字地震仪。本实用新型是通过以下技术方案来实现的三分向低频压电数字地震仪，包括外壳和密封于外壳内的数据采集管理单元、隔 离板以及三个相互正交的低频压电加速度计，数据采集管理单元、隔离板和三个低频压电 加速度计分别固定在外壳内；数据采集管理单元与三个低频压电加速度计之间分别电连 接，并通过电缆对外输出采集信号；隔离板位于数据采集管理单元与三个低频压电加速度 计之间。所述外壳内设有机架，机架上设有三个相对独立并正交的空腔，三个低频压电加 速度计分别镶嵌在三个空腔中。所述机架上的三个空腔为三个通孔，三个低频压电加速度计的外形为圆柱形，圆 柱形低频压电加速度计镶嵌在通孔中。所述低频压电加速度计包括壳体和位于壳体内的基座、压电陶瓷晶片、导电板、质 量体和阻抗适配器，基座固定在壳体内腔的底部，压电陶瓷晶片固定在基座顶部；质量体通 过导电板连接在压电陶瓷晶片上；阻抗适配器镶嵌在质量体顶部，阻抗适配器与导电板电 连接，阻抗适配器通过外接电缆与数据采集管理单元连接。所述压电陶瓷晶片为多层组合一体化压电陶瓷晶片。所述压电陶瓷晶片与基座为一体结构。[0011]所述基座镶嵌在壳体内腔的底部。所述数据采集管理单元包括相互电连接的采集板和主机板，采集板通过外接电缆 分别与三个相互正交的低频压电加速度计连接，采集板将采集到的模拟信号转换成数字信 号后传送到主机板上；主机板接受指令控制采集板工作并将数字信号在本地存储或通过电 缆向外界传输。所述的采集板和主机板为一体结构。本实用新型所述的三分向低频压电数字地震仪，采用多层组合一体化压电陶瓷晶 片对地震监测、地震工程进行探测，显著提高了加速度计的敏感性和灵敏度；镶嵌在质量块 顶部的阻抗适配器使加速度计可以记录低频天然或人工地震信号，其低频段扩展到0.1赫 兹以下；位于数据采集管理单元与三个相互正交的低频压电加速度计之间的隔离板，使三 分向低频压电加速度计和数据采集管理单元集成在一起，减少了连接环节的电缆长度，减 小了系统噪声，降低了信号的衰减，有利于数字化电路检测弱的地震信息，提高了地震计的 动态范围和抗干扰的能力。改进后的三分向低频压电数字地震仪体积和重量大大减小，系 统噪声低，功能强，可充分满足对于弱小低频信号的有效监测要求。
图1为本实用新型的结构示意剖视图；图2为低频压电加速度计的结构示意剖视图。
具体实施方式
以下结合附图1、图2对本实用新型做进一步的描述本实用新型所述的三分向低频压电数字地震仪，包括外壳7和密封于外壳7内的 数据采集管理单元2、隔离板3以及三个相互正交的圆柱形低频压电加速度计1。数据采集 管理单元2、隔离板3和三个低频压电加速度计1被分别固定在外壳7内，外壳7顶部设有封 盖4，封盖4将数据采集管理单元2、隔离板3和三个低频压电加速度计1密封在外壳7内。 隔离板3位于数据采集管理单元2与三个低频压电加速度计1之间，隔离板3可有效降低 数据采集管理单元2与低频压电加速度计1之间的相互干扰，同时最大限度的缩短二者之 间的传输距离，保证采集信息的传输质量，避免信号衰减对监测灵敏性和准确性带来影响。其中，低频压电加速度计1包括一个圆柱形壳体11和位于壳体11内的基座15、压 电陶瓷晶片14、导电板13、质量体12和阻抗适配器10。基座15镶嵌在壳体11内腔的底 部，压电陶瓷晶片14为多层组合一体化压电陶瓷晶片，一体化的压电陶瓷晶片14与基座15 顶部设计成一体结构，这样可大幅提高基座15与压电陶瓷晶片14间的结构稳定性，保证压 电陶瓷晶片14探测过程的灵敏性和可靠性。导电板13连接在压电陶瓷晶片14上方，质量 体12连接在导电板13顶部，阻抗适配器10镶嵌在质量体12顶部，阻抗适配器10通过导 线16与导电板13电连接，阻抗适配器10接收来自压电陶瓷晶片14上产生的电荷变化情 况并转换成相应的电信号，最后，阻抗适配器10通过外接电缆9将此信息传送到壳体11外 的数据采集管理单元2中，在数据采集管理单元2中完成采集信息的再处理。数据采集管理单元2包括相互电连接的采集板和主机板，采集板和主机板制作成 一体结构，采集板通过外接电缆9分别与三个相互正交的低频压电加速度计1上的阻抗适
4配器10连接，接收来自阻抗适配器10上的信息。主机板通过接受外部指令控制采集板工 作，并将采集板采集到的模数转换后的信号通过电缆5向外界传输，最终在外部实现数字 信号观察，实现地震前微小振动的数字化监测、分析。为便于稳定、牢固的将三个低频压电加速度计1固定在外壳7内，在外壳7内相对 于三个低频压电加速度计1的位置上还设有机架6，机架6固定在外壳7内，机架6上设有 三个相互正交的通孔，三个低频压电加速度计1分别镶嵌在三个通孔中，通孔将低频压电 加速度计1牢固固定并与低频压电加速度计1充分接触，保证了低频压电加速度计1在外 壳7内的结构稳定性，保证其监测过程使用的可靠性。当然，上述结构中，基座15也可采用其它方式固定在壳体11内腔的底部，压电陶 瓷晶片14与基座15也可不为一体结构，只要能保证压电陶瓷晶片14稳固、充分地连接在 基座15顶部即可。而设置于机架6中的三个相对独立且正交的通孔，同样也可为相互正交 且独立的三个其它形状的空腔，只要这三个空腔的形状分别与三个低频压电加速度计1的 外形相匹配，这样就可将三个低频压电加速度计1充分固定在三个空腔中，保证其结构的 稳固性和可靠性。实际监测过程中，将三分向低频压电数字地震仪放置在需监测地，当有地震信号 产生时，多层组合的一体化结构的压电陶瓷晶片14在质量块12的作用下发生挤压、变形， 同时，受到外力作用的压电陶瓷晶片14分子内部产生极化现象，其两个表面上产生数量相 等、符号相反的电荷，即产生了电动势。电动势通过导电板13和导线16与阻抗适配器10 连通，阻抗适配器10把压电陶瓷晶片14的高阻抗输出变换为低阻抗输出，同时，采集板采 集来自三个方向上的阻抗适配器10中的信息，经模数转换后分别经主机板读取、存储，并 通过电缆5发送到外界，最终在外界得到监测地三个方向上的数字信号监测和观察，实现 了人们对地震微弱信号的情况了解和掌握，从而为有效避免地震对人类造成的巨大伤害提 供了有力的数据保障。
权利要求三分向低频压电数字地震仪，其特征在于，包括外壳和密封于外壳内的数据采集管理单元、隔离板以及三个相互正交的低频压电加速度计，所述数据采集管理单元、隔离板和三个低频压电加速度计分别固定在外壳内；所述数据采集管理单元与三个低频压电加速度计之间分别电连接，并通过电缆对外输出采集信号；所述隔离板位于数据采集管理单元与三个低频压电加速度计之间。
2.根据权利要求1所述的三分向低频压电数字地震仪，其特征在于，所述外壳内设有 机架，机架上设有三个相对独立并正交的空腔，三个低频压电加速度计分别镶嵌在三个空 腔中。
3.根据权利要求2所述的三分向低频压电数字地震仪，其特征在于，所述机架上的三 个空腔为三个通孔，三个低频压电加速度计的外形为圆柱形，圆柱形低频压电加速度计镶 嵌在通孔中。
4.根据权利要求1、2或3所述的三分向低频压电数字地震仪，其特征在于，所述低频压 电加速度计包括壳体和位于壳体内的基座、压电陶瓷晶片、导电板、质量体和阻抗适配器， 所述基座固定在壳体内腔的底部，压电陶瓷晶片固定在基座顶部；所述质量体通过导电板 连接在压电陶瓷晶片上；所述阻抗适配器镶嵌在质量体顶部，阻抗适配器与导电板电连接， 阻抗适配器通过外接电缆与数据采集管理单元连接。
5.根据权利要求4所述的三分向低频压电数字地震仪，其特征在于，所述压电陶瓷晶 片为多层组合一体化压电陶瓷晶片。
6.根据权利要求4所述的三分向低频压电数字地震仪，其特征在于，所述压电陶瓷晶 片与基座为一体结构。
7.根据权利要求4所述的三分向低频压电数字地震仪，其特征在于，所述基座镶嵌在 壳体内腔的底部。
8.根据权利要求1、2或3所述的三分向低频压电数字地震仪，其特征在于，所述数据采 集管理单元包括相互电连接的采集板和主机板，所述采集板通过外接电缆分别与三个相互 正交的低频压电加速度计连接，采集板将采集到的模拟信号转换成数字信号后传送到主机 板上；所述主机板接受指令控制采集板工作并将数字信号在本地存储或通过电缆向外界传 输。
9.根据权利要求8所述的三分向低频压电数字地震仪，其特征在于，所述的采集板和 主机板为一体结构。
专利摘要本实用新型公开了一种三分向低频压电数字地震仪，包括外壳和密封于外壳内的数据采集管理单元、隔离板以及三个相互正交的低频压电加速度计；数据采集管理单元与三个低频压电加速度计之间分别电连接，并通过电缆对外输出采集信号；隔离板位于数据采集管理单元与三个低频压电加速度计之间；其结构缩短了连接环节的电缆长度，降低了信号衰减和干扰。多层组合一体化压电陶瓷晶片的使用，显著提高了加速度计的敏感性和灵敏度。阻抗适配器使地震仪可以记录低频天然地震信号。整个装置体积和重量大大减小，系统噪声低，功能强，可充分适用于对弱小低频信号的有效监测。
文档编号G01V1/22GK201622354SQ201020109399
公开日2010年11月3日 申请日期2010年2月8日 优先权日2010年2月8日
发明者刘兆琦, 张旸, 张炼, 滕云田, 王喜珍 申请人:中国地震局地球物理研究所;西安海丰传感技术发展有限责任公司