压电陶瓷浅层全波勘探换能器的制作方法

本实用新型地表浅层勘探施工中波阻抗测量和评价的仪器，尤其涉及一种能够有效地测量地下浅层10-200米的地层声速和波阻抗的高密度采集，高频高分辨率振动换能器。

背景技术：

在现有的地震波勘探技术中，发射和接收均在地面。用的探头有动圈式和压电陶瓷片式。探头存在的问题是如何提高分辨率和灵敏度。动圈式探头的固有频率比较低，只有几百赫兹。只能接收几百赫兹的低频信号，不能接收几千赫兹的高频信号，因此探头接收的信号波长比较长，分辨率比较低，不能满足浅层勘探对高分辨率的要求。而压电陶瓷片的固有频率比较高，有几百千赫兹到几兆赫兹，波长比较短，分辨率比较高。但是实际的信号没有那么高的频率，所以用压电片接收灵敏度比较低，需要用前置放大电路对接收的信号进行放大。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服传统的动圈式探头固有频率(500Hz)偏低和压电陶瓷片式探头固有频率(2MHz)偏高，与实际的信号频率(1kHz-10kHz)不接近,灵敏度低的缺点，提供一种压电管制作的浅层全波勘探换能器，测量1kHz到10kHz的高频信号。压电管的固有频率为1kHz到10kHz，与高分辨率信号的频率接近，接收灵敏度比较高，不需要放大电路，接收信号的波长比较短，空间分辨率比较高，能够满足浅层勘探对分辨率的需要。

压电陶瓷浅层全波勘探换能器，包括塑料圆形底座，在所述的塑料圆形底座上固定有一个圆柱形外壳，在所述的圆柱形外壳内的底座中间沿竖直方向设置有一个压电管，在所述的压电管的内壁和外壁上分别镀有电极，在所述的压电管顶部支撑设置有一个圆柱形质量块，质量块的中轴线与压电管的中轴线重合；在所述的底座以及质量块的中间分别开有一个中间连接孔，一个螺钉穿过底座上的中间连接孔以及质量块上的中间连接孔并通过螺母和垫片固定在质量块上以将底座、质量块以及压电管固定在一起；在外壳的顶面和侧壁上分别开有顶面过孔以及侧面过孔，在所述的压电管内壁上焊接有内壁引线，所述的内壁引线从顶面过孔穿出，在压电管的外壁上焊接有外壁引线，所述的外壁引线从侧面过孔穿出，内壁引线和外壁引线用作信号线输出。

压电陶瓷浅层全波勘探换能器，包括塑料圆形底座，在所述的塑料圆形底座上固定有一个圆柱形外壳，在所述的圆柱形外壳内的底座中间沿竖直方向设置有一个压电管，用压电管作为振动与电的转换器件，压电管是纵向极化，压电管的顶面和底面上分别镀有电极，在压电管顶部支撑设置有一个圆柱形质量块，质量块的中轴线与压电管的中轴线重合，在质量块与压电管顶壁之间以及压电管底壁与底座之间通过直接接触分别安装有中间带孔的圆片状上铜电极和圆片状下铜电极，圆片状上铜电极和圆片状下铜电极分别与压电管顶面和底面的电极通过接触相连，在圆片状上铜电极和圆片状下铜电极上分别设置有上侧耳和下侧耳；底座以及质量块的中间分别开有一个中间连接孔，一个螺钉穿过底座上的中间连接孔以及质量块上的中间连接孔并通过螺母和垫片固定在质量块上以将底座、质量块以及压电管固定在一起；在外壳的顶面和侧壁上分别开有顶面过孔以及侧面过孔，在所述的压电管上端的圆片状铜电极的上侧耳上焊接有上引线，所述的上引线从顶面过孔穿出，在压电管下端的圆片状铜电极的下侧耳上焊接有下引线，所述的下引线从侧面过孔穿出，所述的上引线和下引线用作信号线输出。

压电陶瓷浅层全波勘探换能器，包括塑料圆形底座，在所述的塑料圆形底座上固定有一个圆柱形外壳，在所述的圆柱形外壳内的底座中间沿竖直方向设置有两个压电管，所述的两个压电管纵向同轴上下叠置在一起，两个压电管是径向极化，在两个压电管的内壁和外壁上分别镀有电极，在位于上方的压电管的顶部支撑设置有一个圆柱形质量块，质量块的中轴线与压电管的中轴线重合，在两个压电管的交界处以及底座和位于下方的压电管之间通过直接接触分别安装有中间带孔的圆片状上铜电极和圆片状下铜电极，第一引线的一端与位于下方的压电管的内壁焊接相连并且另一端与圆片状上铜电极焊在一起，第二引线的一端与上铜电极的上侧耳焊接相连并且另一端与位于上方的压电管的外壁焊在一起；底座以及质量块的中间分别开有一个中间连接孔，一个螺钉穿过底座上的中间连接孔以及质量块上的中间连接孔并通过螺栓固定在质量块上以将底座、质量块以及压电管固定在一起；在外壳的顶面和侧壁上分别开有顶面过孔以及侧面过孔，在所述的位于上方的压电管的内壁上焊接有内壁引线，所述的内壁引线从顶面过孔穿出，在位于下方的压电管的外壁上焊接有外壁引线，所述的外壁引线从侧面过孔穿出，所述的内壁引线和外壁引线用作信号线输出。

压电陶瓷浅层全波勘探换能器，包括塑料圆形底座，在所述的塑料圆形底座上固定有一个圆柱形外壳，在所述的圆柱形外壳内的底座中间沿竖直方向设置有两个压电管，所述的两个压电管纵向同轴上下叠置在一起，两个压电管是径向极化，在两个压电管的内侧面和外侧面上分别镀有电极，在两个压电管的交界处以及底座和位于下方的压电管之间通过直接接触分别安装有中间带孔的圆片状上铜电极和圆片状下铜电极，第一引线一端焊在位于下方的压电管的外壁上并且另一端焊在位于上方的压电管的外壁上，第二引线一端焊在位于下方的压电管的内壁上并且另一端焊在位于上方的压电管的内壁上；底座以及质量块的中间分别开有一个中间连接孔，一个螺钉穿过底座上的中间连接孔以及质量块上的中间连接孔并通过螺栓固定在质量块上以将底座、质量块以及压电管固定在一起；在外壳的顶面和侧壁上分别开有顶面过孔以及侧面过孔，在所述的位于上方的压电管的内壁上焊接有内壁引线，所述的内壁引线从顶面过孔穿出；在位于上方的压电管的外壁上焊接有外壁引线，所述的外壁引线从侧面过孔穿出，所述的内壁引线和外壁引线用作信号线输出。

压电陶瓷浅层全波勘探换能器，包括塑料圆形底座，在所述的塑料圆形底座上固定有一个圆柱形外壳，在所述的圆柱形外壳内的底座中间沿竖直方向设置有两个压电管，所述的两个压电管纵向同轴上下叠置在一起，两个压电管是纵向极化，两个压电管的上端面和下端面分别镀有电极，位于上部的压电管上端面为正极并且下端面为负极，位于下部的压电管上端面为正极并且下端面为负极，上部压电管的下端面与下部压电管的上端面通过直接接触相连，在底座和位于下方的压电管之间通过直接接触安装有中间带孔的圆片状下铜电极，在质量块和位于上方的压电管之间通过直接接触安装有中间带孔的圆片状上铜电极；底座以及质量块的中间分别开有一个中间连接孔，一个螺钉穿过底座上的中间连接孔以及质量块上的中间连接孔并通过螺栓固定在质量块上以将底座、质量块以及压电管固定在一起；在外壳的顶面和侧壁上分别开有顶面过孔以及侧面过孔，在所述的圆片状上铜电极的侧耳上焊接有第一引线，所述的第一引线从外壳的顶面过孔穿出，在所述的圆片状下铜电极的侧耳朵上焊接有第二引线，所述的第二引线从侧面过孔穿出，所述的第一引线和第二引线用作信号线输出。

压电陶瓷浅层全波勘探换能器，包括塑料圆形底座，在所述的塑料圆形底座上固定有一个圆柱形外壳，在所述的圆柱形外壳内的底座中间沿竖直方向设置有两个压电管，所述的两个压电管纵向同轴上下叠置在一起，两个压电管是纵向极化，两个压电管的上端面和下端面分别镀有电极，位于上部的压电管的上端面是负极并且下端面是正极，位于下部的压电管的上端面是正极并且下端面是负极，在底座与下方压电管之间通过直接接触安装有圆片状下铜电极，在两个压电管的连接处安装有圆片状中间铜电极，在质量块与上方压电管之间安装有圆片状上铜电极，上方压电管的正极与下方压电管的正极通过中间铜电极相接触，第一引线的一端焊接在下铜电极的侧耳上并且另一端焊接在上铜电极的侧耳上；底座以及质量块的中间分别开有一个中间连接孔，一个螺钉穿过底座上的中间连接孔以及质量块上的中间连接孔并通过螺栓固定在质量块上以将底座、质量块以及压电管固定在一起；在外壳的顶面和侧壁上分别开有顶面过孔以及侧面过孔，在所述的上铜电极的侧耳上焊接有上部引线，所述的上部引线从外壳的顶面过孔穿出，在中间铜电极的侧耳上焊接有中部引线，所述的中部引线从侧面过孔穿出，所述的上部引线和中部引线用作信号线输出。

本实用新型的有益效果是：

1.压电管的侧面面积大，径向电位移Dr对侧面积分得到的电荷量Q大，电流I是电荷量Q对时间的导数，相应的也增大。跟电流有关的输出信号的幅度也增大，灵敏度高。

2.压电管的固有频率比压电片的固有频率低很多，固有频率在1千赫兹到10千赫兹之间，与高分辨率勘探的高频信号接近。此时，压电管工作在共振状态，等效弹性系数小，容易振动，振动位移大，灵敏度高。

3.压电管的直径、壁厚、高度以及配重都可调，可以适用不同的高分辨率勘探的需要。

附图说明

图1是本实用新型的压电陶瓷浅层全波勘探换能器的结构图；

图2是使用一个压电管且压电管纵向极化的浅层压电陶瓷全波勘探探头结构图；

图3是使用两个压电管且压电管径向极化，焊引线时采用串联方式的浅层压电陶瓷全波勘探探头结构图；

图4是使用两个压电管且压电管径向极化，焊引线时采用并联方式的浅层压电陶瓷全波勘探探头结构图；

图5是使用两个压电管且压电管纵向极化，焊引线时采用串联方式的浅层压电陶瓷全波勘探探头结构图；

图6是使用两个压电管且压电管纵向极化，焊引线时采用并联方式的浅层压电陶瓷全波勘探探头结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型加以详细说明。

如附图1所示，本实用新型的压电陶瓷浅层全波勘探换能器，包括塑料圆形底座1，在所述的塑料圆形底座1上固定有一个圆柱形外壳3，在所述的圆柱形外壳3内的底座1中间沿竖直方向设置有一个压电管，在所述的压电管的内壁5和外壁6上分别镀有电极，在所述的压电管顶部支撑设置有一个圆柱形质量块2，质量块2的中轴线与压电管的中轴线重合。

在所述的底座1以及质量块2的中间分别开有一个中间连接孔，一个螺钉4穿过底座1上的中间连接孔以及质量块上的中间连接孔并通过螺母和垫片固定在质量块2上以将底座1、质量块2以及压电管固定在一起。

在外壳3的顶面和侧壁上分别开有顶面过孔以及侧面过孔，在所述的压电管内壁5上焊接有内壁引线8，所述的内壁引线8从顶面过孔穿出。在压电管的外壁上焊接有外壁引线7，所述的外壁引线7从侧面过孔穿出。内壁引线8和外壁引线7用作信号线输出。

如附图2所示,本实用新型的压电陶瓷浅层全波勘探换能器，包括塑料圆形底座1，在所述的塑料圆形底座1上固定有一个圆柱形外壳3，在所述的圆柱形外壳3内的底座1中间沿竖直方向设置有一个压电管，用压电管作为振动与电的转换器件。压电管是纵向极化，压电管的顶面和底面上分别镀有电极。在压电管顶部支撑设置有一个圆柱形质量块2，质量块2的中轴线与压电管的中轴线重合。在质量块2与压电管顶壁之间以及压电管底壁与底座1之间通过直接接触分别安装有中间带孔的圆片状上铜电极5和圆片状下铜电极8。圆片状上铜电极5和圆片状下铜电极8分别与压电管顶面和底面的电极通过接触相连。在圆片状上铜电极5和圆片状下铜电极8上分别设置有上侧耳10和下侧耳11。

底座1以及质量块2的中间分别开有一个中间连接孔，一个螺钉4穿过底座1上的中间连接孔以及质量块2上的中间连接孔并通过螺母和垫片固定在质量块2上以将底座1、质量块2以及压电管固定在一起。

在外壳3的顶面和侧壁上分别开有顶面过孔以及侧面过孔，在所述的压电管上端的圆片状铜电极的上侧耳10上焊接有上引线9，所述的上引线从顶面过孔穿出。在压电管下端的圆片状铜电极的下侧耳11上焊接有下引线12，所述的下引线从侧面过孔穿出。所述的上引线9和下引线12用作信号线输出。

如附图3所示,本实用新型的压电陶瓷浅层全波勘探换能器，包括塑料圆形底座1，在所述的塑料圆形底座1上固定有一个圆柱形外壳3，在所述的圆柱形外壳3内的底座1中间沿竖直方向设置有两个压电管，所述的两个压电管纵向同轴上下叠置在一起。两个压电管是径向极化。在两个压电管的内壁和外壁上分别镀有电极。在位于上方的压电管的顶部支撑设置有一个圆柱形质量块2，质量块2的中轴线与压电管的中轴线重合。在两个压电管的交界处以及底座1和位于下方的压电管之间通过直接接触分别安装有中间带孔的圆片状上铜电极8和圆片状下铜电极5。焊引线时采用串联方式，第一引线15的一端与位于下方的压电管的内壁7焊接相连并且另一端与圆片状上铜电极8焊在一起，第二引线12的一端与上铜电极8的上侧耳13焊接相连并且另一端与位于上方的压电管的外壁11焊在一起。

底座1以及质量块2的中间分别开有一个中间连接孔，一个螺钉4穿过底座1上的中间连接孔以及质量块2上的中间连接孔并通过螺栓固定在质量块2上以将底座1、质量块2以及压电管固定在一起。

在外壳3的顶面和侧壁上分别开有顶面过孔以及侧面过孔，在所述的位于上方的压电管的内壁9上焊接有内壁引线10，所述的内壁引线从顶面过孔穿出。在位于下方的压电管的外壁6上焊接有外壁引线14，所述的外壁引线从侧面过孔穿出。所述的内壁引线和外壁引线用作信号线输出。

如附图4所示,本实用新型的压电陶瓷浅层全波勘探换能器，包括塑料圆形底座1，在所述的塑料圆形底座1上固定有一个圆柱形外壳3，在所述的圆柱形外壳3内的底座1中间沿竖直方向设置有两个压电管，所述的两个压电管纵向同轴上下叠置在一起。两个压电管是径向极化。在两个压电管的内侧面和外侧面上分别镀有电极。在两个压电管的交界处以及底座和位于下方的压电管之间通过直接接触分别安装有中间带孔的圆片状上铜电极8和圆片状下铜电极5。焊引线时采用并联方式，第一引线13一端焊在位于下方的压电管的外壁6上并且另一端焊在位于上方的压电管的外壁10上。第二引线12一端焊在位于下方的压电管的内壁7上并且另一端焊在位于上方的压电管的内壁9上。

底座1以及质量块2的中间分别开有一个中间连接孔，一个螺钉4穿过底座上的中间连接孔以及质量块2上的中间连接孔并通过螺栓固定在质量块2上以将底座1、质量块2以及压电管固定在一起。

在外壳3的顶面和侧壁上分别开有顶面过孔以及侧面过孔，在所述的位于上方的压电管的内壁9上焊接有内壁引线16，所述的内壁引线从顶面过孔穿出。在位于上方的压电管的外壁10上焊接有外壁引线15，所述的外壁引线从侧面过孔穿出。所述的内壁引线和外壁引线用作信号线输出。

如附图5所示,本实用新型的压电陶瓷浅层全波勘探换能器，包括塑料圆形底座1，在所述的塑料圆形底座1上固定有一个圆柱形外壳3，在所述的圆柱形外壳3内的底座1中间沿竖直方向设置有两个压电管，所述的两个压电管纵向同轴上下叠置在一起。两个压电管是纵向极化。两个压电管的上端面和下端面分别镀有电极。位于上部的压电管上端面为正极并且下端面为负极。位于下部的压电管上端面为正极并且下端面为负极，上部压电管的下端面与下部压电管的上端面通过直接接触相连。在底座1和位于下方的压电管之间通过直接接触安装有中间带孔的圆片状下铜电极5，在质量块2和位于上方的压电管之间通过直接接触安装有中间带孔的圆片状上铜电极8。

底座1以及质量块2的中间分别开有一个中间连接孔，一个螺钉4穿过底座1上的中间连接孔以及质量块2上的中间连接孔并通过螺栓固定在质量块2上以将底座1、质量块2以及压电管固定在一起。

在外壳3的顶面和侧壁上分别开有顶面过孔以及侧面过孔，在所述的圆片状上铜电极8的侧耳14上焊接有第一引线12。所述的第一引线从外壳3的顶面过孔穿出。在所述的圆片状下铜电极5的侧耳朵9上焊接有第二引线11，所述的第二引线从侧面过孔穿出，所述的第一引线和第二引线用作信号线输出。

如附图6所示,本实用新型的压电陶瓷浅层全波勘探换能器，包括塑料圆形底座1，在所述的塑料圆形底座1上固定有一个圆柱形外壳3，在所述的圆柱形外壳3内的底座1中间沿竖直方向设置有两个压电管，所述的两个压电管纵向同轴上下叠置在一起。两个压电管是纵向极化。两个压电管的上端面和下端面分别镀有电极。位于上部的压电管的上端面是负极并且下端面是正极。位于下部的压电管的上端面是正极并且下端面是负极。在底座1与下方压电管之间通过直接接触安装有圆片状下铜电极5，在两个压电管的连接处安装有圆片状中间铜电极6，在质量块2与上方压电管之间安装有圆片状上铜电极7。上方压电管的正极与下方压电管的正极通过中间铜电极6相接触。第一引线10的一端焊接在下铜电极的侧耳上并且另一端焊接在上铜电极7的侧耳8上。

底座1以及质量块2的中间分别开有一个中间连接孔，一个螺钉4穿过底座1上的中间连接孔以及质量块2上的中间连接孔并通过螺栓固定在质量块2上以将底座1、质量块2以及压电管固定在一起。

在外壳3的顶面和侧壁上分别开有顶面过孔以及侧面过孔，在所述的上铜电极7的侧耳8上焊接有上部引线11，所述的上部引线11从外壳的顶面过孔穿出。在中间铜电极6的侧耳9上焊接有中部引线9，所述的中部引线从侧面过孔穿出，所述的上部引线11和中部引线用作信号线输出。

下面对本实用新型的使用效果进行详细说明：

1理论依据

将探头放置于被测物体上，当被测物体上有一个振动时，底座首先感受到振动。该振动可以是任意形状的波形，该波形可以按复立叶级数展开成一系列正弦函数的叠加，对每一个单一频率的正弦波，设其表达式为：ξ1＝ξ10(ω)e^jωt，式中ω是角频率，t是时间，j是虚数符号，ξ10是正弦波的振幅，ξ1是位移。求出每一个频率的正弦波作用下探头的响应，然后把所有频率的响应叠加，即可求出任意振动作用下探头的响应。

下面求输入为单一频率正弦波时探头的响应。底座首先感受到输入正弦波的振动，所以底座的位移为：ξ1＝ξ10(ω)e^jωt，该位移通过压电管传给质量块，使原处于静止位置的质量块产生位移ξ2，质量块所受的弹力应同质量块与底座的相对位移成正比，即：Fk＝-KM(ξ2-ξ1)，KM为压电管的弹性系数。质量块还受到空气的摩擦阻力，摩擦阻力同质量块与底座的相对速度成正比，即：其中RM为空气阻力系数。质量块受到的合外力为Fk与FR的和，设质量块的质量为MM，根据牛顿第二定律，可得：

设：ξ＝ξ2-ξ1为质量块相对于底座的位移，则可将上式改为：

将ξ1＝ξ10(ω)e^jωt代入上式，得：

求解该微分方程，令解为：ξ＝Ae^iωt，将它代入上式，这里A是未知系数，表示振幅。得：

令：则：

令：

，则：

将A代入，得：

从上式可以看出，在正弦输入下，质量块相对于底座的位移也是一个正弦波，幅度为相位较输入正弦波的相位有所偏移。

由于质量块与压电管的上端固定在一起，所以质量块的位移与压电管上端的位移一样，因此压电管上端的位移也为：压电管的下端与底座相连，所以压电管的下端相对于底座位移为零。在频率固定时，压电管上端的位移与输入振动的位移幅度成正比。在频率比较低时，ωZM≈KM，工作在弹性控制区，响应的幅度与KM成反比。用压电管，弹性系数比较小，在共振时，弹性系数最小，灵敏度最高。

对压电圆管，当外部振动为正弦波时，压电管的z方向的位移ξz也为正弦波，可以推出，ξz满足微分方程其中ωr＝v/a v＝Y0^E/ρY0^E为压电管材料的杨氏模量，ρ为压电管材料的密度，v是纵波速度，a是压电管的半径，ω是角频率。

解微分方程，可得：ξz＝C sin kz+D cos kz,这里C是未知系数，D是未知系数，两个未知系数在代入下面的边界条件后求出。

已知压电管上端位移为下端位移为0，所以

这里l代表压电管的高度，根据上面的边界条件，可以求得：，

再根据ξz求z方向的应变SZ，

可以推出，r方向的电位移其中Y0^E为压电管材料的杨氏模量，σ是压电材料的泊松比，

d31是压电方程的系数，

将Dr对圆柱表面积分，得到柱面上带的电荷为：

而

从上式可以看出，当外部输入的角频率ω固定时，压电管的输出电流跟外部输入的简谐振动的幅度呈线性关系。