一种具有高精度及高稳定性的低频检波器的制作方法

1.本发明涉及检波器领域，具体涉及一种具有高精度及高稳定性的低频检波器。


背景技术：

2.众所周知，在勘探及工程测振领域，低频检波器的应用越来越广泛，需求越来越多，从市场需求情况来看，大家都希望检波器的固有频率越低越好，频带越宽越好。
3.本领域技术人员通过增加检波器惯性体质量和对检波器弹簧片进行版型（花样）设计，实现了较低的自然频率。但是，以上举措自然而然的导致低频检波器的体积的增加，由此引起的结构和力学系统不平衡问题必然涌现。具体体现是检波器频率和失真大，不稳定，影响了检波器的采集效果，限制了大范围的推广使用。
4.并且在目前检波器芯体已经形成行业共识，通常采用直径25mm、35mm尺寸作为标准化尺寸，在改变动力臂ld来实现低频率响应时，可变动空间受到芯体直径限制，无法实现尺寸变化，即是要保持在标准尺寸小体积内实现动力臂ld增加相当困难；根据弹性元件的自然频率公式可知提高惯性体的质量f2也可以降低自然频率，与惯性体骨架材料有较大的关系，当惯性体骨架材料选择使用铝合金材料时，能够让整个检波器芯体的自然频率降低到4.5hz；当惯性体骨架材料选择使用铜及铜合金等高密度顺磁、顺磁导电材料时，能够让整个检波器芯体的自然频率降低到3hz；而铜及铜合金的理论密度是铝合金密度的3倍以上，说明了惯性体的质量提升后会让检波器可捕捉的自然频率降低。
5.在采用标准尺寸的小体积芯体限制造成动力臂无法继续增加，但成倍增加惯性体的质量会导致阻力臂弹性力成倍提高，造成检波器振动系统的平衡被打破，使得弹簧片在工作中出现轴向和径向的窜动现象，导致检波器频率和失真变大，稳定性变差；因此，还需要保证弹簧片阻力臂弹性力保持不变以防止其出现轴向和径向的窜动。
6.综上，需要解决的问题是让现有的检波器满足小体积芯体（即动力臂ld）基本不变、惯性体质量（即f2增大）提高、弹簧片本身的阻力臂弹性力（即f1）保持不变的三个限制条件下，还能满足检波器振动系统平衡，并能实现更低频率的捕捉。


技术实现要素：

7.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种具有高精度及高稳定性的低频检波器，解决了优化检波器低频率捕捉时，满足小体积芯体、弹簧片阻力臂弹性力不变，并在提高惯性体质量的情况下寻求检波器振动系统平衡以及实现更低频率的捕捉的问题。
8.为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种具有高精度及高稳定性的低频检波器，包括：壳体；磁系统，其包括自上而下依次安装在所述壳体内的上磁靴、磁体以及下磁靴；所述磁系统与所述壳体形成一闭合磁场；惯性体，其包括以及
探测电路，用于检测所述惯性体移动并切割所述闭合磁场产生的感应信号并输出；所述上磁靴或所述下磁靴的尺寸优化满足以下公式：ld
×
f2=lz
×
f1式中，ld表示动力臂，其为所述惯性体中弹性元件试样长度；lz表示阻力臂，其为所述上磁靴或所述下磁靴的端面外径与端面内径之差；f1表示阻力臂的弹性力；f2表示惯性体的质量。
9.优选的，所述惯性体包括自上而下依次连接并安装在所述壳体内的上线架、连接套及下线架；所述上线架上缠绕有上线圈；所述下线架上缠绕有下线圈，所述下线圈的出线端与所述上线圈的出线端连接；所述连接套与所述上线架、所述下线架连接位置缠绕有调重线圈；所述上线架上端依次安装有第一弹簧片及第二弹簧片，并通过上卡簧限位固定；所述下线架下端依次安装有第三弹簧片及第四弹簧片，并通过下卡簧限位固定。
10.优选的，所述第一弹簧片、第二弹簧片与所述上磁靴之间设有绝缘片。
11.优选的，所述探测电路包括安装在所述壳体上的电路板，以及固定在所述电路板上的第一接线柱、第二接线柱；所述第一接线柱与所述磁系统之间通过上内接触簧片电连接，并且磁系统与所述第三弹簧片、第四弹簧片电连接；所述第一弹簧片、第二弹簧片与所述上线圈电连接；所述第三弹簧片、第四弹簧片与所述下线圈电连接；所述第二接线柱与所述第一弹簧片、第二弹簧片之间通过上外接触簧片电连接。
12.优选的，所述第一弹簧片与第二弹簧片之间设有上接触垫片。
13.优选的，所述第一弹簧片于所述上卡簧之间设有上垫片。
14.优选的，所述第三弹簧片与第四弹簧片之间设有下接触垫片。
15.优选的，所述第四弹簧片与所述下卡簧之间设有下垫片。
16.优选的，所述壳体包括：外壳；上顶盖，安装在所述外壳上端并用于连接固定所述上磁靴；下顶盖，安装于所述外壳下端并用于连接固定所述下磁靴。
17.优选的，lz的取值范围为9mm~13mm。
18.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：1、通过构建检波器振动系统新的平衡公式将惯性体质量与阻力臂（磁靴端面内外径之差）之间进行联系，在增加惯性体质量的情况下，对阻力臂lz进行适应性变化，不仅能够满足现有标准化尺寸小体积芯体安装，并且能够让弹性元件在满足自然频率理论公式的前提下，实现稳定可靠的低频捕捉，有效提高制作工艺效率并降低成本；同时，让整个检波器在工作中能够获得更低的频率和失真更容易实现；2、通过构建检波器振动系统新的平衡公式，在小体积芯体尺寸、弹簧片阻力臂弹性力
保持不变的情况下，让惯性体的质量、阻力臂（磁靴端面内外径之差）之间形成新的平衡。
附图说明
19.图1为本发明一种实施例的结构示意图；图2为磁靴与弹性元件的力学模型图；图3为频率与阻力臂的关系图一；图4为失真与阻力臂的关系图一；图5为频率与阻力臂的关系图二；图6为失真与阻力臂的关系图二；图中，外壳101、上磁靴102、上顶盖103、上密封圈104、上接触垫片105、上垫片106、绝缘片107、上外接触簧片108、上内接触簧片109、第一接线柱110、第二接线柱111、电路板112、第一弹簧片113、第二弹簧片114、第三弹簧片115、第四弹簧片116、上卡簧117、上线圈118、上线架119、调重线圈120、下线架121、下线圈122、下接触片123、下接触垫片124、下垫片125、下卡簧126、下顶盖127、下密封圈128、下磁靴129、磁体130、连接套131。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
21.如图1所示，本发明的实施例中提出了一种具有高精度及高稳定性的低频检波器，包括壳体以及安装在壳体内的磁系统；其中磁系统包括自上而下依次安装在所述壳体内的上磁靴102、磁体130以及下磁靴129；通过所述磁系统与所述壳体形成一闭合磁场；在壳体内安装有置于磁系统外侧的惯性体，整个惯性体罩住所述磁系统；还包括探测电路，用于检测所述惯性体移动并切割所述闭合磁场产生的感应信号并输出；通过外壳101、磁体130、上磁靴102、下磁靴129形成的闭合磁场，在测量时，惯性体相对于壳体移动从而产生磁感线切割过程，产生的感应信号对当时检测到的波进行反馈。为了改善目前已经确定检波器芯体直径尺寸的情况下继续探讨对更低频率具有良好的检测及响应，让所述上磁靴102和/或所述下磁靴129的尺寸优化满足以下公式：ld
×
f2=lz
×
f1式中，ld表示动力臂，其为所述惯性体中弹性元件试样长度；lz表示阻力臂，其为所述上磁靴102或所述下磁靴129的端面外径与端面内径之差；f1表示阻力臂的弹性力；f2表示惯性体的质量；对于上述公式的推导过程如下：已知弹性元件作为频率元件的自然频率公式为；其中，l、d—— 弹性元件试样的长度和截面尺寸（直径或长、宽），k—— 常数，
e—— 材料弹性模量，变形转换后得到公式，此式中，k —— 弹性元件的刚度，它的大小与弹性模量有着直接的关系，m —— 检波器惯性体（质量块）的质量，通过对弹性元件与磁靴在磁场中的受力情况以杠杆原理为基础，结合图2所示力学模型可获得如下参数：d1——磁靴端面内径；d2——磁靴端面外径；d3——弹簧片外径；f1——阻力臂弹性力，此力影响检波器自然频率稳定（性）度、失真度、触点导电性；f2——惯性体（线圈架、线圈）动力，此力决定自然频率；f3——杠杆支点及支点力，此力影响检波器频率的捕捉、稳定度以及失真；f4——惯性体（线圈架、线圈）动力，动态过程产生的切线旋转力（不可抗自然力）；f5——以f1为主导作用，旋转间隙器件之间相对于f4产生的阻力，此力影响检波器失真指标、影响自然频率的捕捉和稳定；f6、f7——由惯性体（线圈架、线圈）动力，动态过程中产生的径向力分力；根据频率公式以及力学模型可以得到，m=f2；l=ld，ld即为动力臂；ld=d3-d2；lz=d2-d1；根据杠杆平衡原理推导出公式ld
×
f2=lz
×
f1从公式中可以看出，随着f2成倍增加的情况下还保持lz不变，则需要成倍提高f1，但f1主要对弹性元件的长度具有正相关，在f1跟着f2增加变化则会导致f3-f7产生紊乱而难以协调，从而打破检波器振动系统的平衡；并且弹性元件在工作中会出现轴向和径向窜动，使得检波器的频率和失真大，造成稳定性极差。
22.根据新推导出的公式可以获知，在f2增加的情况下，保持f1不变，使对应的阻力臂lz增加，即是对磁靴端面外径增大，在不改变弹性元件长度的情况下，让整个系统满足自然频率公式，并且在改变磁靴的直径后仍然能够在标准化芯体中进行安装。
23.通过新公式的推导过程，让检波器能够捕捉更低频率，并且能够对磁靴的尺寸变化起到了指导作用，在特定尺寸条件的限制下，能够计算出更为合适的参数。
24.在适应现有的芯体直径的前提下，阻力臂lz取值范围优选为9mm~13mm，当lz的取值范围在11mm~13mm时，垂直检波器能获得更低的频率和失真，如图3、图4所示；当lz的取值范围在9mm~13mm时，水平检波器能稳定的获得更低的频率和失真，如图5、图6所示。
25.如图1所示，惯性体包括自上而下依次连接并安装在所述壳体内的上线架119、连接套131及下线架121；在所述上线架119上缠绕有上线圈118；在所述下线架121上缠绕有下
线圈122，所述下线圈122的出线端与所述上线圈118的出线端连接；同时在所述连接套131与所述上线架119、所述下线架121连接位置缠绕有调重线圈120；在产生相对移动时，上线圈118、下线圈122会切割磁感线产生信号反馈当前振动频率；振动主要通过弹性元件进行反馈，在上线架119上端依次安装有第一弹簧片113及第二弹簧片114，并通过上卡簧117限位固定；在所述下线架121下端依次安装有第三弹簧片115及第四弹簧片116，并通过下卡簧126限位固定；整个惯性体在检测中形成移动，并使得第一弹簧片113、第二弹簧片114接触或者使得第三弹簧片115、第四弹簧片116接触并将产生的信号通过探测电路传出。
26.为了避免上磁靴102与第一弹簧片113、第二弹簧片114之间产生通路的情况，在第一弹簧片113、第二弹簧片114与上磁靴102之间设有绝缘片107。
27.在探测过程中，主要通过探测电路对信号进行采集传输，信号其实为切割磁感线产生的电信号；其中，探测电路包括安装在所述外壳101上的电路板112，以及固定在所述电路板112上的第一接线柱110、第二接线柱111；所述第一接线柱110与所述磁系统之间通过上内接触簧片109电连接，并且磁系统与所述第三弹簧片115、第四弹簧片116电连接；所述第一弹簧片113、第二弹簧片114与所述上线圈118电连接；所述第三弹簧片115、第四弹簧片116与所述下线圈122电连接；所述第二接线柱111与所述第一弹簧片113、第二弹簧片114之间通过上外接触簧片108电连接；当第一弹簧片113、第二弹簧片114接触后产生的电信号通过第二接线柱111传出，当第三弹簧片115、第四弹簧片116接触后产生的电信号通过第一接线柱110传出，通过后续信号处理即可获知当前捕捉的振动频率。
28.为了提高第一弹簧片113、第二弹簧片114之间的接触精确度，并且让第一弹簧片113与上卡簧117之间形成间隔，在第一弹簧片113与第二弹簧片114之间设有上接触垫片105；在第一弹簧片113与所述上卡簧117之间设有上垫片106。
29.同样的，在第三弹簧片115与第四弹簧片116之间设有下接触片123，在第四弹簧片116与下卡簧126之间设有下垫片125，也保证向下移动时，能够提高第三弹簧片115、第四弹簧片116之间的接触精确度，在下接触垫片124下方设有下接触片123。
30.在对磁系统、惯性体进行安装时主要通过壳体进行封装，而壳体包括外壳101，安装在外壳101上端的上顶盖103，上顶盖103用于连接固定上磁靴102；安装在外壳101下端的下顶盖127，下顶盖127用于连接固定下磁靴129；从而将磁系统及惯性体进行支撑安装，形成整体；其中，上顶盖103与外壳101之间设有上密封圈104，下顶盖127与外壳101之间设有下密封圈128，起到对内密封作用。
31.通过推导公式对磁靴端面外径的尺寸优化设计提供依据，并且在满足现有技术芯体直径不变的情况下，能够获得捕捉更低频率和失真的检测结果。
32.本发明的解释中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅是为了便于描述和理解，并非对具体技术特征的使用数量、安装顺序或重要程度进行限定。
33.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。