地震计磁场结构及磁电式地震计的制作方法

本实用新型涉及地震监测技术领域，具体涉及一种地震计磁场结构及磁电式地震计。

背景技术：

地震计作为一种振动传感器，是地震监测仪器的最前端设备。地震计用于采集和记录地震波信号，准确的反映地面运动情况，并将其转变为对应的电信号，其性能的优劣直接影响地震监测结果的可靠性。地震计所记录到的信号是地震研究的基础，是整个地震学科的发展的关键。

地震计作为一种测量振动的仪器，其最基本的工作原理惯性原理。实际中一般把重的物体悬挂起来，通俗称之为“摆”。重物与地面间存在着这种相对运动，客观上也反映了实际的地面运动函数。我国在地震监测方面始终位于世界前列，国内大小观测台站所用到的地震仪普遍为摆式地震仪。

磁电式地震计作为一种常见的摆式地震计，目前广泛应用在我国大小观测台站。磁电式地震计的最基本的工作原理是电磁感应。磁电式地震计主体部分一般由质量块(重锤)、簧片、磁铁和线圈组成。当地面发生振动时，线圈由于自身的惯性运动在空气隙中运动切割磁感线，随即产生了对应的感应电动势，检测有电压输出。磁电式地震计是一种振动传感器,由于其具有无源性、可靠性好、频带宽以及动态范围大等优点,因此在地震监测领域有着广泛的应用。

在磁电式地震计中，永磁体的作用是为线圈提供一个均匀的磁场。永磁体是该类地震计的核心部件之一,不同的永磁体具有不同的参数指标和特性表征,因此永磁体材料或者永磁体形状结构的不同会影响到线圈切割磁感线的工作空间。

在理想状况下，线圈只有工作在均匀的磁场中其生成的电压才会与线圈的运动速度呈线性关系。即E＝BLV。一般情况下，地震计中磁场分布的均匀度会影响传感器的整个性能,如果设计的不合理则会引起谐波失真。研究发现,线圈在非线性的磁场中运动时,检波器的输出电压不与线圈的相对速度成正比,而按其切割磁力线的瞬时密度而变化。这样,使检波器的输出波形产生了明显的非线性畸变,也就使检波器产生了谐波失真。

传统的磁电式地震计中磁场结构的设计，常常采用单个圆柱型永磁体，结合磁靴在空气隙中形成工作磁场。然而，这样的设计由于采用半开放结构，会产生磁漏，使空气隙中磁感应强度降低，同时这种结构的磁场没有较好的均匀性，使输出结果失真。传统磁电式地震计中的磁场设计虽然考虑到了磁场均匀程度的重要性，但其结构很难保障线圈的实际工作环境。

因此如何提高空气隙中的磁场强度和均匀性，是改进磁电式地震计的方向。

技术实现要素：

本实用新型的第一目的在于提供一种地震计磁场结构，能够提高磁场的磁感应强度和均匀性，从而可以使地震计的输出结果较为真实的反映客观地面变化。

本实用新型的第二目的在于提供一种磁电式地震计，采用上述的地震计磁场结构。

基于上述第一目的，本实用新型提供的地震计磁场结构，包括导磁外壳以及设置在所述导磁外壳内的磁靴和永磁体；

所述磁靴的两端部分别设置有安装槽口，以使所述磁靴形成H形结构；

所述安装槽口内分别安装所述永磁体；

所述导磁外壳、所述磁靴和所述永磁体共同组成的磁场结构使得在空气隙中产生分布在所述磁靴周围的环形柱状结构的匀强磁场，以形成上下对称且呈差分式的磁场结构。

进一步的，所述导磁外壳内壁有一圈环状凸起，以梳理磁感线，使磁场更加均匀。

进一步的，所述环状凸起位于所述导磁外壳内壁中央，所述环状凸起的高度与磁靴等高。

进一步的，所述磁靴的高度要大于所述磁靴上缠绕的线圈的宽度，以保证所述线圈在切割磁感线的工作范围内。

进一步的，位于所述磁靴的两端的两个所述永磁体极性相同的一端相对设置，以使磁场范围充分分布在空气隙中。

进一步的，所述磁场由两个所述永磁体产生的磁场叠加而成，呈差分式结构分布。

进一步的，所述永磁体为圆柱形。

进一步的，所述导磁外壳和所述磁靴的材料为具有良好导磁性的坡莫合金。

进一步的，所述永磁体材料为钕铁硼强磁。

基于上述第二目的，本实用新型提供的磁电式地震计，包括上述的地震计磁场结构。

本实用新型提供的地震计磁场结构的有益效果：

1、导磁外壳、磁靴和永磁体共同组成的磁场结构使得在空气隙中产生分布在所述磁靴周围的环形柱状结构的匀强磁场，以形成上下对称且呈差分式的磁场结构。由于该地震计磁场结构中的永磁体采用差分结构，且磁靴的作用使更多的磁感线聚集在工作气隙中，使得该区域的磁感应强度较强。这样提高了地震计的灵敏度，在相同的地面振动情况下，使输出结果更明显且准确的反应地面运动的实际情况。

2、本实用新型采用较为封闭的磁场结构设计，这样能很好的减少磁漏，提高工作区域的磁感应强度。同时这样能有效避免其他分向的传感器和外界环境对其产生干扰。

3、本实用新型提供的地震计磁场结构的磁场设计，使得气隙磁场在整个设计结构的中间位置，该结构的优点是可以根据线圈的实际宽度，通过改变磁靴的尺寸使工作区域的磁场宽度大于线圈的实际宽度。这样保证了线圈在做切割磁感线运动时，始终保持在恒定的磁场中。

本实用新型提供的磁电式地震计，包括上述的地震计磁场结构，因此具有该地震计磁场结构的上述优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例一提供的地震计磁场结构的结构示意图；

图2为本实用新型实施例一提供的地震计磁场结构中，导磁外壳的结构示意图；

图3为本实用新型实施例一提供的地震计磁场结构中，磁靴的结构示意图；

图4为本实用新型实施例一提供的地震计磁场结构中，永磁体的结构示意图。

图标：100-导磁外壳；110-环状凸起；200-磁靴；210-安装槽口；300- 永磁体；400-线圈；500-空气隙。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例一

本实施例提供了一种地震计磁场结构，该地震计磁场结构能够提供一种适用于磁电式地震计的均匀气隙磁场。参见图1-图3所示，该地震计磁场结构包括导磁外壳100以及设置在导磁外壳100内的磁靴200和永磁体 300。

其中，磁靴200的两端部分别设置有安装槽口210，以使所述磁靴200 形成H形结构；

所述安装槽口210内分别安装永磁体300，两个永磁体300大小和形状要求完全一致；

导磁外壳100、磁靴200和永磁体300共同组成的磁场结构使得在空气隙500中产生分布在磁靴200周围的环形柱状结构的匀强磁场，磁场强度由两个永磁体300产生的磁场叠加而成。以形成上下对称且呈差分式的磁场结构。

请参照图1和图2所示，本实施例的一个优选技术方案中，所述导磁外壳100内壁有一圈环状凸起110，以梳理磁感线，使磁场更加均匀。具体实施时，所述环状凸起110位于导磁外壳100内壁中央，并且，环状凸起 110的高度与磁靴200等高。

本实施例中，利用两个永磁体300发出的磁感线，在磁靴200和导磁外壳100的作用下，协同导磁外壳100内部环状凸起110的导磁壁，使磁场进行组合叠加与疏导，这样在空气隙500中形成匀强磁场。地震波的能量一旦被地震计所接收，由于惯性作用，与质量块连接的工作线圈400便在空气隙500中往复切割磁感线，切割的速度与地面的速度呈正比。根据电磁感应定律，感生电动势E＝BLV，在磁感应强度B和切割线圈400有效线圈400长度L恒定的情况下，输出电压将和运动速度V成正比。

该结构的目的就是提供一个较为恒定的磁感应强度B。较传统的电磁式地震计磁场，该设计能使磁场的均匀度进一步提高，使结果的线性度更好，大大较少了谐波失真。

本实施例的一个优选技术方案中，所述磁靴200的高度要大于所述磁靴200上缠绕的线圈400的宽度(即，线圈400在磁靴200高度方向上的长度)，以保证所述线圈400在切割磁感线的工作范围内。使得气隙磁场在整个设计结构的中间位置，这样的好处是可以根据线圈400的实际宽度，通过改变磁靴200的尺寸使工作区域的磁场宽度大于线圈400的实际宽度。这样保证了线圈400在做切割磁感线运动时，始终保持在恒定的磁场中。

请参照图3和图4所示，磁靴200的两端部分别设置的安装槽口210 为圆柱形槽，所述永磁体300同样设置为圆柱形，安装槽口210的内部尺寸与永磁体300的尺寸相适配，以便于进行组装。具体实施时，可以使磁靴200的上下圆柱形的安装槽口210的内径等于圆柱型的永磁体300的直径，便于永磁体300的安装，永磁体300与磁靴200之间、以及永磁体300 与导磁外壳100之间均可以采用AB胶粘接的方式，具有组装简便的特点。

两个永磁体300在安装时，在两个永磁体300尺寸大小完全一致的情况下，还要求位于磁靴200的两端的两个所述永磁体300极性相同的一端相对设置，以使磁场范围充分分布在空气隙500中。

例如，在具体安装过程中，如S极与S极相对或N极与N极相对，采用这种布置方式，能够使磁场范围更多的分布在空气隙500中。

本实施例提供的地震计磁场结构中的磁场由上述两个永磁体300产生的磁场叠加而成，并且，呈差分式结构分布。由于该磁场结构中的永磁体 300采用差分结构，且磁靴200的作用使更多的磁感线聚集在工作气隙中，使得该区域的磁感应强度较强。这样提高了地震计的灵敏度，在相同的地面振动情况下，使输出结果更明显且准确的反应地面运动的实际情况。

本实施例的优选实施方案中，导磁外壳100的材质在选择时，优选为具有良好导磁性的坡莫合金。

同样的，所述磁靴200的材质也选择为具有良好导磁性的坡莫合金。

所述永磁体材料为钕铁硼强磁。

本实施例采用较为封闭的磁场结构设计，外壳为导磁性良好的坡莫合金材料制成。这样能很好的减少磁漏，提高工作区域的磁感应强度。同时这样能有效避免其他分向的传感器和外界环境对其产生干扰。

本实施例提供的地震计磁场结构中，磁靴可具体分为两部分，其中，一部分即H形磁靴200，它与两个永磁体300连接，两个圆柱型永磁体300 分别嵌套在磁靴200上下两个安装槽口210中，形成组合磁体；另一部分磁靴则是导磁外壳100内部的环状凸起110的部分组成。上述的两部分磁靴高度相同，且处于同一水平面上。线圈400与外界质量块连接，两个永磁体300所产生的磁场会叠加到空气隙500中，接收到振动信号时，线圈 400会在空气隙500中做往复切割磁感线运动。

在具体工作时，由于该传感器结构的外壳与地面接触形成一个整体，当其接收到地震波能量时，外壳由于外力而做受迫运动，由于与簧片连接的质量块本身具有惯性，不会立即随着大地一起运动，而是保持相对静止，故在一定的频率下质量块与地面间存在着相对运动，与质量块连接的线圈 400就会切割磁场中的磁感线。由于两个磁靴间形成了匀强磁场，且磁靴的高度大于线圈400的宽度，这就保证了线圈400在切割磁感线的时候，始终处在恒定磁场中，即磁感应强度B为一恒定值。线圈400切割有了V的变化，生成的电压此时只与速度的变化有关。这样就完成了由地面振动情况向传感器输出电压的转换过程。之后由线圈400中引出的导电铜丝与后面的电子电路相连接，经过数据采集器，最后将输出信号经计算机处理并显示。

通过该实施例所提供的地震计磁场结构，由于受到永磁体300材料和加工工艺的不同，传感器的气隙磁感应强度会存在差异。若不考虑永磁体 300本身因素，本实施例所涉及的地震计磁场结构在一定程度上提高了磁电式地震计的灵敏度，较传统的磁场结构相比较，工作气隙中的磁感应强度提升约30％。更为重要的是，改进后的磁场结构均匀磁场区域明显增加，提高近75％。有效的降低了谐波失真，使地震计更加客观的反应了地面变化。

另外，本实施例提供的地震计磁场结构还可以应用在换能方式为磁—电转换的传感器结构中，用以较准确的测量被测物位移、速度、加速度等参数的测量。

实施例二

本实施例提供的磁电式地震计，包括上述实施例一提供的地震计磁场结构。由于该地震计磁场结构的结构和优点以在实施例一已做充分的说明，因此，本实施不在赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。