多轴线、单质量加速度计的制作方法

对相关申请的交叉引用

本申请要求享有2108年9月13日提交的标题为“multi-axis,singlemassaccelerometer(多轴线、单质量加速度计)”的美国临时申请no.62/730598的依据美国法典第35编第119条(e)款的优先权的权益，该美国临时申请由此通过引用以其整体并入本文中。

本申请总体上涉及运动传感器和惯性导航系统。在示例性实施方式中，该技术可并入到用于海洋地震勘测的地震数据采集和传感器系统(包括但不限于海底线缆和自主地震节点应用)中。

背景技术：

地震勘测技术通常用于勘探和开发用于石化工业的资源。石化产品普遍存在于现代经济中，且可在从石油和汽油到医疗设备、儿童玩具以及多种多样的其它日常生活用品的每件事物中找到。为了满足对这些产品的持续需求，必须准确地定位和勘测油气储备，使得可有效地管理这些重要资源。结果，存在对新的地震传感器系统以及更先进的勘探技术的持续的需要。

科学家和工程师典型地利用基于地震波的勘探技术来定位新的油气储藏，且随时间推移勘测和管理现有储备。地震勘测通过以下方式执行：在所关注的区域上部署地震传感器或接收器的阵列，且监测对经由地震源(诸如振动器和空气枪阵列)或爆炸性的引爆的地震能量的受控排放的响应。响应取决于从地下结构反射的地震能量，从而允许对应的地质特征(包括矿藏和其它所关注的地下结构)成像。

海洋地震勘测可通过在勘测船后面拖曳地震传感器或接收器的阵列来进行，其中接收器沿着一根或多根等浮线缆分布。成组的空气枪或其它地震源用于产生地震能量，该地震能量通过水柱向下传播到海床(或其它底表面)。地震能量的部分穿透海床并从地下结构反射，然后通过水柱返回以在等浮阵列中被检测。地震接收器也可沿着海底线缆设置，或以分布在海床上的单独的自主地震节点的形式设置。

典型的地震接收器包括压力传感器和粒子运动检测器，其可设置为单独的传感器构件，或与紧密靠近地位于接收器模块或地震节点内的两种传感器类型一起组合。例如，成组的压力传感器可构造在水听器阵列中，且适于记录通过水柱或其它地震介质传播的地震波场的标量压力测量值。粒子运动传感器包括加速度计和地震检波器，其可配置成提供表征介质响应于传播地震波的运动的单轴线或三维矢量速度测量值。

通过利用这样的接收器构件的阵列观察反射的地震能量来获取与地下结构有关的地球物理数据。观察到的地震信号用于产生地震图像，该图像描述在勘测区域中和周围的地下地质和构成。总体图像质量不仅取决于信号灵敏度，而且取决于噪声影响，从而导致对更先进的传感器和接收器技术的持续需求。

包括在说明书的该背景部分中的信息(包括本文中所引用的任何参考文献及其任何描述或讨论)仅出于技术参考目的而被包括，且将不被视为如权利要求书中所限定的本发明的范围将由其限制的主题。

技术实现要素：

本申请针对一种多轴线、单质量粒子运动传感器或加速度计，其适合于在地震勘测以及可使用加速度计的其它应用中使用，这些应用包括运载工具导航(例如，航空、海洋船和机动车辆)、技术设备传感器、消费者设备传感器等。在示例实施方式中，多个传感器构件可联接到单个中心质量块，从而提供对在三个独立的方向上的平移运动的灵敏度和对围绕三条正交轴线的旋转加速度的灵敏度。单独传感器构件可配置成基于到质量块的动态联接器(包括但不限于对力敏感的平移联接器和旋转联接器)感测对应的平移和旋转运动。平移和旋转联接器可优先地对声波或对剪切效应敏感，从而提供具有改进的矢量保真度的组合的传感器信号，如本文中所描述的那样。

在一些实施例中，地震传感器包括壳体或框架和设置在框架内的中心质量块。中心质量块可由三条主轴线限定。多个换能器可机械地联接在框架和中心质量块之间，且成对地布置成沿着三条主轴线中的每条定位在中心质量块的相对侧上。取决于应用，压电晶体换能器可用作感测元件，其中晶体对准以提供对剪切应力的信号灵敏度。可提供电子设备以组合来自每对中的换能器的信号，以便产生表征框架的平移和旋转加速度的输出。

在一种示例性实施方式中，一种多轴线、单质量加速度传感器包括三维框架、测试质量块、多个换能器和多个支柱。测试质量块可设置在框架内并与框架间隔开。换能器在框架上的多个相应的部位处机械地联接到框架。支柱构造成分别在多个相应的位置处联接到中心质量块，并在多个相应的部位处与相应组的换能器联接，从而将测试质量块悬挂在框架内。因此，传感器响应于在多个独立方向上的平移运动且响应于围绕多条独立轴线的旋转运动。

在另一示例性实施方式中，一种多轴线、单质量加速度传感器包括三维框架、具有三条正交主轴线的空心球形测试质量块、六对剪切晶体和六个悬挂叶片。测试质量块放置在框架内并与框架间隔开。剪切晶体机械地联接到框架。悬挂叶片各自分别垂直于三条正交主轴线中的每条的相反端在中心部分处联接到中心质量块，且在悬挂叶片的每个侧向端处与相应的成对的剪切晶体联接，从而将测试质量块悬挂在框架内。传感器相对于三条正交主轴线取向，正交主轴线各自穿过测试质量块的质量中心。因此，传感器响应于平行于三条正交主轴线的平移运动且响应于围绕三条正交主轴线的旋转运动。

提供本概述，从而以简化形式介绍一系列概念，所述概念在下面在详细描述中进一步描述。本概述既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必需特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。如权利要求书中所限定的本发明的特征、细节、效用和优点的更详尽的呈现在以下书面描述中提供，包括本发明的多种代表性实施例，并且如附图中所图示的那样。

附图说明

图1是根据本文中所公开的示例性实施例的多轴线、单质量加速度计的等距视图。

图2是图1的多轴线、单质量加速度计的正视图。

图3是图1的多轴线、单质量加速度计的等距视图，其中去除框架的上半部。

图4是图1的多轴线、单质量地震加速度计的沿着图1的线4-4的横截面的正视图。

图5是图1的多轴线、单质量地震加速度计的图4的等距视图。

图6是图1的多轴线、单质量加速度计的框架的等距视图。

图7是图6的框架的下半部的等距视图。

图8a是悬挂叶片的等距视图，该悬挂叶片连接到处于隔离的图1的多轴线、单质量加速度计的成对的传感器和绝缘体。

图8b是图8a的悬挂叶片、传感器和绝缘体的正视图。

图9是图示在x轴线的正方向上施加到多轴线、单质量加速度计的框架的平移外部刺激力的示意图。

图10是针对多轴线、单质量加速度计中的成组的换能器的代表性示意性接线图。

图11是用于配置多轴线、单质量加速度计以显著地提高晶体传感器响应的灵敏度的示例性方法的示意性表示。

具体实施方式

在本公开中，参考本发明的示例和实施例。然而，应当理解，本发明不限于这些或任何其它具体地描述的实施例。设想所公开的特征和元件(无论是否与不同的实施例相关)的任何组合以实施和实践本发明。此外，在多种示例和实施例中，本发明提供优于现有技术的许多优点。尽管某些实施例可实现优于其它潜在解决方案和优于现有技术的这些和其它优点，但是通过任何给定的实施例是否实现特定的优点不限制如所要求保护的本发明。本公开的以下示例、方面、特征、实施例和优点仅仅是说明性的，且不应当被认为是权利要求书的要素或限制，除了在权利要求语言中明确地指定的情况。同样，对“本发明”的引用不应解释为所公开的任何发明主题的概括，并且不应解释成代表任何权利要求的要素或限制，除了其中明确地叙述的情况。

多轴线、单质量传感器

在附图1-5中描绘了多轴线、单质量加速度计100的实施方式。加速度计100配置成检测平移和旋转加速度两者。加速度计100主要由测试主体或测试质量块102构成，测试主体或测试质量块102由框架108容纳、悬挂在框架108内且通过多个传感器106连接到框架108。(注意：在图中，传感器标记为106a1-106f2；然而，在本讨论中对所有传感器的集体指示可仅通过对“传感器106”的引用作出。)框架108提供参考结构，其用于通过传感器106测量质量块102在受到外部刺激或能量时相对于框架108的加速度的惯性阻力。框架108可限定六个平坦面或侧部110，其形成围绕质量块102的立方体。这样的框架108可形成为单体式或类似结构壳构件，其由合适的金属材料、陶瓷(例如，macor材料)或由具有合适刚度和其它机械性质的另一材料机加工而成。框架108应当为极其坚硬的且应当承受在将由加速度计100经历的典型力和载荷下的变形。在一种示例性实施方式中，框架108可由黄铜机加工而成。在图1-5中所示出的实施例中，框架108呈由第一半部112a和第二半部112b组成的两部分式构造，其以更好的优势在图6和图7中示出。第一半部112a和第二半部112b中的每个可利用螺纹轴机加工，以接收螺钉或其它紧固件以固定第一半部112a和第二半部112b。

可在框架108的侧面110中的每个中形成中心孔口132，中心孔口132由多个侧向柱或梁114限定和环绕，多个侧向柱或梁114在拐角结构116之间延伸，以为立方框架108提供周边框架。中心孔口132如示出那样在形状方面可为椭圆形的，但可以以在尺寸(面积)方面足以暴露测试质量块102的表面以用于与传感器106结构连接的任何其它形状(例如正方形、八边形等)形成。在对称的实施例中，梁114和拐角结构116可类似地形成为在尺寸、厚度和构造上基本上相同。梁114中的每个的一个外表面可凹入以形成凹部130。相对的梁114可在框架108的每个面110上限定成对的凹部130。面110上的每对凹部130的取向正交于每个相邻面110上的成对的凹部130且平行于框架108的相对面110上的凹部130的取向。框架108的内表面可被机加工以匹配测试质量块102的形状的曲率，以便在框架108和测试质量块102之间提供紧密的公差，以保持在框架108的内表面和悬挂在框架108中的测试质量块102之间的均一的分开距离。备选地，框架108的内表面不需要为了紧密的公差而被机加工，且在框架108的多种内表面与悬挂在框架108中的测试质量块102之间的分开距离可为不同的。然而，测试质量块102典型地在框架108内居中。

在一些实施方式中，测试质量块102可为空心球体，例如，其由相对致密或“重”的材料(即具有高比重以相对于测试质量块102的尺寸提供显著的惯性矩的材料)制成，特别是当加速度计100在尺寸方面小(例如，小于3cm)时。在示例性实施例中，测试质量块102可由形成为空心球体的黄铜或钛制成，空心球体具有构成质量块的均一壁厚。在一些实施例中，在球形质量块上的区域可被平坦化以辅助将测试质量块102附接到框架108。在其中测试质量块102的密度不均一(例如，由于在表面形状或壁厚或两者方面的变化)的这样的实施例中，合乎期望的是，测试质量块102的质量分布是对称的。在待测量旋转移动时，测试质量块102的极惯性矩是在测试质量块102的设计中待考虑的额外因素。因此，可选择测试质量块102的尺寸、质量和密度，以优化针对平移和旋转加速度灵敏度两者的响应特性。取决于待测量的加速度的类型，可将测试质量块102以及框架108的特性调整成在期望的频率带宽中为敏感的，同时衰减不期望的带宽。

测试质量块102的其它构造也是可能的；例如，具有关于轴线x、y和z的对称性的实心球体或多面形状(例如，对称多面体)。大体上，关于一条或多条平移或旋转轴线对称的形状适合于在加速度计中实现所期望的感测结果，如本文中所描述的那样。在其它实施方式中，测试质量块102可为实心的而不是空心的，且由单一的基本上均一的材料形成，或由一种或多种不同类型的芯材料和扩建到测试质量块102的外层或外表面的额外层或构件形成。确定质量块102的主体应当是空心的还是实心的以及是均质的还是由多种材料和层制成是如下的设计选择：作出该设计选择以实现针对特定的环境或应用的平移和角加速度测量二者的动态要求。

取决于实施例，测试质量块102和其外表面中的一者或两者可由导电材料形成，以便提供用于与如本文中所描述的传感器或换能器的电极连接的导电路径。例如，测试质量块102可形成为铝、黄铜、铜、铍铜或其它导电材料的实心或空心球体，或者测试质量块102可由在外表面上具有导电涂层(例如，呈镀有金、铝或其它导电金属的构造)的陶瓷或其它绝缘材料形成。

备选地，测试质量块102和测试质量块102的外表面中的一者或两者可由非导电或电绝缘材料制成，例如，以减小杂散电容对加速度计100的信噪(s/n)比的影响(例如由测试质量块102的导电区域引起)。例如，测试质量块102可形成为可机加工的陶瓷(例如macor材料)的实心或空心球体或由注射模制塑料形成。

如图1-5中所示出的那样，测试质量块102可通过多个支架或支柱附接到多个传感器106。在示例性实施方式中，这些支柱可形成为扁平的叶片状结构，在下文中称为悬挂叶片120a-120f，其在侧向端处附接到传感器106且沿着每个悬挂叶片120a-120f的长度在中心部位处附接到测试质量块102。传感器106安装在框架108上的多种部位处。在图1-5中所示出的实施例中，为了辅助附接到悬挂叶片120a-120f，球形测试质量块102可形成有多个平面联接表面104，其中每个附接表面104距球形测试质量块102的中心的径向距离小于球形测试质量块102的半径。如果期望相对于多于一个的独立方向而确定平移和旋转加速度，则换能器可沿着独立(例如，横向或正交)轴线x、y和z设置。在图1-5的实施例中，六个平面联接表面104在测试质量块102的外表面上以相对的对形成，与具有在测试质量块102的中心处的原点的三条正交轴线x、y和z的相对端对准；并且因此，在每个相对的对之间的轴线与在其它相对的对中的每个之间延伸的轴线正交。联接表面104提供用于附接悬挂叶片120a-120f的结合和对准表面。另外，绝缘体134(例如陶瓷垫)可放置在联接表面104和相应的悬挂叶片120a-120f之间，以便在测试质量块102和传感器106之间提供电隔离。悬挂叶片120a-120f可经由粘合剂或其它结合剂(例如，如果测试质量块102和悬挂叶片120a-120f两者为能够焊接的金属且电隔离不是必要的，则为金属焊接)固定到相应的联接表面(利用或不利用绝缘体134)。

在图1-5中所示出的实施例中，例如，十二(12)个单独的传感器106a1-106f2布置成联接到框架108内的相应的凹部130中的附接表面的六组侧向相对的对。绝缘体118(例如，陶瓷垫)可放置在凹部130中的每个的附接表面和相应的传感器106a1-106f2之间，以便在传感器106和框架108之间提供电隔离。在一个实施例中，绝缘体118可为单侧的，使得联接到传感器106的外侧是导电的，以提供用于电引线的连接，而连接到框架108的凹部130的附接表面的内侧是不导电的。测试质量块102在框架108内取向成使得平面联接表面104各自分别平行于框架108的相应的面110，且因此平行于相应的面110上的对应的成对的凹部130。然而，如图4和图5中所示出的那样，相对于在测试质量块102内居中的对应的平行轴线a(即，轴线x、y或z中的一条)，每对凹部130的深度可大于联接表面104的深度，使得在联接表面104与轴线a之间的距离d1大于在凹部130的附接表面与轴线a之间的距离d2。

如图1-5中所示出的那样，例如，十二个加速度传感器106a1、106a2、106b1、106b2、106c1、106c2、106d1、106d2、106e1、106e2、106f1和106f2附连到框架108的每个面110上的侧向相对的凹部130，以便感测框架108相对于测试质量块102在由垂直轴线x、y和z限定的三个正交方向上的平移和旋转运动。在特定的实施方式中，压电晶体换能器106a1–106f2可用于测量由于框架108围绕测试质量块102的平移和旋转而引起的局部限定应力响应，例如，响应于由于入射能量(例如，物理运动、声波、地震能量等)而引起的外部扭矩和力。力换能器或加速度传感器106a-106f可选择成高度敏感或调整成测量施加到加速度传感器或由加速度传感器经历的入射能量的具体类型或带宽，以便合适地表征测试质量块102对待测量的入射能量的响应。

在这样的构造中，可为有利的是，选择诸如加速度传感器106a-106f的压电换能器，其配置成对压电晶体设备的相对侧上的剪切应力作出反应。合适的换能器构造包括但不限于铌镁酸铅-钛酸铅(pmn-pt)剪切模式晶体(例如，可从cts公司获得)和压电加速度计传感器(pas)元件。由于测试质量块102在框架108内的构造和测量两者之间的相对加速度的目标，寄存剪切应力或响应于剪切应力的这样的换能器可提供比备选方案更高的灵敏度。在一些示例性实施方式中，换能器可为单个弛豫铁电晶体(例如pmn-pt晶体)或其它合适的换能器。晶体响应相对于频率基本上是无变化的。发生这样的情况是因为晶体共振显著地在所关注的频带之外。

相对于多晶的元件，由单晶制造的压电元件可表现出优异的感测性质。单晶换能器也可对温度影响相对不敏感，且可具有高的机械能至电能的转换因子。如果将单晶横向于晶体排列的取向以适当的角度切割(例如，如由cts公司在制造其<111>极化横向剪切单晶中所做的那样)，则可形成高度响应于优选的剪切载荷和应力(与拉伸或压缩载荷和应力或离轴剪切载荷和应力对照)的换能器。在一些特定的实施例中，传感器106可为剪切模式压电换能器，例如，具有大约3.5mm×2mm×1mm的尺寸的椭圆形、矩形或类似形状的单晶换能器。更一般地，取决于应用，形成传感器106的晶体的形状和尺寸可单独地或成组地变化。

三组(每组两对)压电换能器传感器106a1-106f2可各自安装(例如，使用导电粘合剂)到先前固定到框架108的凹部130的单侧绝缘材料上。单个面110上的成对的传感器106可通过悬挂叶片120a-120f连接在一起且连接到测试质量块102。悬挂叶片120a-120f更详细地示出在图8a和图8b中。每个悬挂叶片120可由铍铜或具有良好导电性和高的拉伸模量与拉伸屈服的比的类似材料的扁平板形成(例如，冲压或切割)。如所示出的那样，悬挂叶片120可形成为伸长的矩形叶片，在其中形成有两个孔口122。孔口122可为椭圆形的或伸长的。孔口122将两个侧向传感器接触区域126与中心质量块联接区域128分开。传感器接触区域中的每个附连(例如，利用导电粘合剂)到面110上的每对传感器中的传感器106中的一个。质量块联接区域128类似地连接到测试质量块102上的联接表面104中的一个。

可为优选的是，悬挂叶片120与测试质量块102电隔离。因此，可在悬挂叶片120和测试质量块104之间放置且粘附刚性绝缘材料134(例如，陶瓷垫)。绝缘材料134优选地是刚性的，以便在没有衰减的情况下在框架108和测试质量块102之间传递能量。传感器叶片120被设计成沿着它们的纵向方向平行于框架108的相应的面110上的每对传感器106之间的感测轴线170是坚硬的或刚性的。然而，悬挂叶片120也被设计成沿着非感测轴线172和174为相对较柔软的或不那么坚硬的。这样的构造造成对沿着每个相应的感测叶片120的感测轴线170的平移力的更大的响应。通过以下方式来实现这种结构响应：去除材料以形成孔口122，从而沿着悬挂叶片120的边缘留下窄的材料梁124。

该设计的结果是在主要的感测方向或主感测方向上(例如沿着对应的悬挂叶片120的纵向尺寸170)在传感器106上产生相对高的机械剪切应力。相反地，相对于主感测方向在横轴线方向上可存在较低的剪切应力，该剪切应力通过由悬挂叶片120在横向方向上吸收剪切应力来减小。如上面所注意到的那样，安装在悬挂叶片120和框架108之间的传感器106响应于剪切应力，该剪切应力显现在由感测轴线170和非感测轴线174限定的平面中，非感测轴线174从测试质量块102的质量中心垂直于相应的悬挂叶片120的纵向感测轴线170向外延伸。因此，在力冲击框架108时，出现相对于测试质量块102的相对加速度且悬挂叶片的每端上的晶体传感器106在由轴线170、174限定的平面中倾斜，且产生电压，该平面是晶体传感器106的制造的剪切感测平面。

悬挂叶片120的构造还减小从主传感器轴线170到其它独立轴线172、174的“串扰”的影响。加速度计100的构造因此通过以下方式来提高灵敏度：增强单独传感器106的晶体取向性质的影响，以便在传感器106的优选感测方向上受到应力时产生相对更大的电压，且减小离轴效应，以便实现期望的矢量保真度水平。更具体地，加速度计100配置成沿着每条独立的测量轴线产生加速度或脉冲的一致表示，而不管传感器取向如何。加速度计100还配置成显著地减小对沿着一条特定传感器轴线的脉冲(如通过其它两条独立(正交)轴线观察到的)的响应。这通过以下方式来提高矢量保真度：提供在加速度计100处观察到的实际(物理)矢量波场的更准确表示，同时减小非物理传感器响应影响。

传感器构造

如上面所描述的，测试质量块102可具有设置在正交轴线x、y、z的相反端处的平行的平面联接表面104，且框架108的每个面110具有定位在联接表面的侧向侧上的凹部130，凹部130定尺寸成接收传感器106，传感器106可使用粘合剂或其它机械附接件来安装在凹部130中。第一对传感器106a1、106a2(例如，压电晶体换能器)安装在质量块102的相对侧上，且在第一面110上沿着线性感测轴线170(在该情况下为水平的x轴线160)隔开；并且第二对传感器106b1、106b2安装在质量块102的相对侧上且在相对的第二面110上沿着水平的x轴线隔开。每对传感器中的压电晶体以相反的晶体取向安装，使得例如，第一传感器106a1的用于剪切灵敏度的正输出沿着x轴线，但是在与第二传感器106a2的用于剪切灵敏度的正输出相反的方向上(非正交)。在框架108的相反面110上，第三传感器106b1的用于剪切灵敏度的正输出沿着x轴线在与第四传感器106b2的用于剪切灵敏度的正输出相反的方向上(非正交)。另外，第三传感器106b1和第四传感器106b2的取向布置成平行于第一传感器106a1和第二传感器106a2的取向并与其成镜像，使得第一传感器106a1的正输出在与第三传感器106b1的正输出相同的方向上，且第二传感器106b2的正输出在与第四传感器106b2的正输出相同的方向上。该组四个传感器106a1-106b2共同地形成沿着水平的x轴线的平移加速度计和对围绕y轴线的旋转敏感的旋转加速度计。

第二组传感器106c1-106d2可类似地在x轴线的相对端上安装在框架108的面110上且平行于y轴线162取向，使得传感器106c1-106d2的感测轴线170垂直于第一组换能器106a1-106b2的感测轴线旋转。每对传感器中的压电晶体以相反的晶体取向安装，使得例如，第五传感器106c1的用于剪切灵敏度的正输出沿着y轴线，但是在与第六传感器106c2(在图中不可见)的用于剪切灵敏度的正输出相反的方向上(非正交)。在框架108的相反面110上，第七传感器106d1的用于剪切灵敏度的正输出沿着y轴线在与第八传感器106d2的用于剪切灵敏度的正输出相反的方向上(非正交)。另外，第七传感器106d1和第八传感器106d2的取向布置成平行于第五传感器106c1和第六传感器106c2的取向并与其成镜像，使得第五传感器106c1的正输出在与第七传感器106d1的正输出相同的方向上，且第六传感器106c2的正输出在与第八传感器106d2的正输出相同的方向上。该组四个传感器106c1-106d2共同地形成沿着y轴线的平移加速度计和对围绕z轴线的旋转敏感的旋转加速度计。

第三组传感器106e1-106f2可在y轴线的相对端上安装在框架108的面110上。第五对传感器106e1、106e2安装在质量块102的相对侧上，且在第五面110上沿着线性感测轴线170(在该情况下为z轴线164)隔开；并且第六对传感器106f1、106f2安装在质量块102的相对侧上且在相对的第六面110上沿着z轴线隔开。每对传感器中的压电晶体以相反的晶体取向安装，使得例如，第九传感器106e1的用于剪切灵敏度的正输出沿着z轴线，但是在与第十传感器106e2的用于剪切灵敏度的正输出相反的方向上(非正交)。在框架108的相反面110上，第十一传感器106f1的用于剪切灵敏度的正输出沿着z轴线在与第十二传感器106f2的用于剪切灵敏度的正输出相反的方向上(非正交)。另外，第十一传感器106f1和第十二传感器106f2的取向布置成平行于第九传感器106e1和第十传感器106e2的取向并与其成镜像，使得第九传感器106e1的正输出在与第十一传感器106f1的正输出相同的方向上，且第十传感器106e2的正输出在与第十二传感器106f2的正输出相同的方向上。该组四个传感器106e1-106f2共同地形成沿着z轴线的平移加速度计和对围绕x轴线的旋转敏感的旋转加速度计。因此，每组四个传感器106a1-106b2；106c1-106d2；106e1-106f2的取向可与其它组的取向正交，例如，其中成对的相应的晶体安装成使得它们的感测轴线170分别取向成平行于x、y和z轴线(160、162和164)。

在其它实施例中，质量块102的每侧上的成对的传感器106可在相同的方向上取向。在该构造中，每对传感器中的压电晶体以相同的晶体取向(即，晶体灵敏度在相同的方向上取向)安装，使得例如，每对传感器的用于剪切灵敏度的正输出沿着相同的轴线且在相同的方向上。测试质量块102的相对侧上的成对的传感器106取向成使得相对侧上的传感器106沿着相同的轴线且在相同的方向上，即，传感器106布置为彼此的镜像。

传感器响应

图9是图示施加到加速度计100的外部刺激的示意图。如图9中所示出的那样，平移外部刺激在x轴线的正方向上向壳体或框架108施加力。单独传感器106(例如压电晶体换能器)安装到框架108，其中单侧绝缘体118夹在中间。如图9的示意性视图中所示出的那样，覆盖在换能器106a1-106b2中的每个上的“+”和“－”符号指示传感器106的剪切应力灵敏度对准，且针对每个传感器对在相对的方向上取向。“+”和“－”符号不一定指示连接到换能器106的电极的部位或极性。绝缘体118的与框架108相反且与传感器106相邻的表面或侧部可导电以充当用于连接从处理电路至传感器106的线的电极。悬挂叶片120a、120b将测试质量块102机械地连接到传感器106。悬挂叶片120a、120b优选地是导电的且提供到传感器106的负电极的接地连接。悬挂叶片120a、120b优选地经由刚性绝缘体134机械地连接到测试质量块102的联接表面104，以将测试质量块102与传感器106电隔离，以减小测试质量块102的潜在噪声源。

对于平移加速度计传感器100而言，当合适的外部脉冲沿着指定的正感测轴线行进时，传感器106响应于在传感器106上所得的剪切应力而产生正(或负/反向)信号。测试质量块102的惯性阻力抵抗外部加速度或刺激，且剪切应力跨越定位成响应于外部加速度的每对传感器106a1-106b2而产生。框架108和测试质量块102的主体经由悬挂叶片120在传感器106的相对的面上推动和拉动，从而产生剪切应力。传感器106a1和106a2取向成在输出的极性方面彼此相反，使得当在指示的方向上向加速度计100施加力时，第一传感器106a1的输出将为正值，且第二传感器106a2的输出将为负的，因为力与晶体取向相反。类似地，第三传感器106b1的输出将为正值，且第四传感器106b2的输出将为负的。备选地，在不丧失一般性的情况下可颠倒符号约定。如果要针对每对传感器106a1、106a2和106b1、106b2而仅对传感器响应(压电晶体电压输出)求和，则每对的正值和负值将彼此抵消，并提供基本上为零的电压响应。

然而，如所示出的，成对的传感器106a1、106a2和106b1、106b2的电压输出被传输到成对的差分放大器150a、150b。差分放大器150a、150b在放大之前从第一电压信号输入中减去第二电压信号输入。因此，鉴于针对每对传感器106a1、106a2和106b1、106b2的晶体灵敏度的相反取向，结果是累加的。因此，从传感器106接收的输入信号可能是来自每个单独晶体的输出的量值的两倍。如图9中所指示的那样，每对传感器106a1、106a2和106b1、106b2产生由差分放大器150a、150b放大且作为v1和v2输出的信号。在考虑直流偏移去除、灵敏度校正和正交性校正的情况下，可对这些电压输出求和，以产生针对特定轴线的平移加速度响应值。

如上面所描述的，悬挂叶片120的机械设计使传感器106对离轴力的响应最小化，这进一步有助于衰减离轴噪声。另外，可归因于离轴力分量(其显现为共模信号电压)的噪声由于在差分放大器中固有的共模抑制滤波而在很大程度上被抑制且从最终信号中滤波。作为示例，考虑图8a中的隔离的悬挂叶片120，其在方向174中受到纯平移加速度。悬挂叶片所安装到的框架108的加速度在垂直于悬挂叶片120的长度的方向174上，悬挂叶片120在方向170上延伸。尽管悬挂叶片120中的开口122限制悬挂叶片120垂直于方向170的刚度(以便使晶体对在方向170上的运动的响应最大化)，但是在测试质量块102响应于框架108在方向174上的移动而向内或向外移动时，对附接到悬挂叶片120的晶体产生一定的张力。悬挂叶片120的两个晶体传感器106对该运动的电荷/电压响应然而具有相同的极性，但是被差模放大器150a、150b的共模抑制有效地抑制。类似地，对于框架108在测试质量块102周围围绕平行于方向174的轴线的旋转而言，在悬挂叶片120上引发的力引起对晶体106的张力，从而再次引起被差模放大器150a、150b抑制的共模信号。双晶/差模放大器的总体效果是进一步抑制来自沿垂直轴线(方向172和174)的平移运动以及来自围绕方向170和174的旋转运动的在纵向轴线方向170上的不需要的信号(污染)，从而促进高保真度转导。

如上面所注意到的那样，在备选的实施例中，当成对的压电晶体传感器106以相同的取向对准时，成对的传感器的输出可并行地传输到对应的电路以用于滤波和放大。本领域技术人员将理解传感器的该备选的接线布置且因此在此不更详细地描述。值得注意的是，在该布置中，从在测试质量块102的一侧上对准的每对传感器106接收的输入电荷可能是来自每个单独晶体的输出的量值的两倍。在又一个另外的实施例中，围绕测试质量块102的每个传感器106可单独地且直接地接线到感测电路内的对应的放大器。在这样的构造中，通过在传感器106和悬挂叶片120之间放置额外的绝缘垫，传感器106除了与测试质量块102电绝缘之外还可与悬挂叶片120电绝缘。同样，本领域技术人员将理解传感器的该备选的构造和接线布置，且因此在此不更详细地描述。这些接线构造中的每个可提供独特的优点，取决于所期望的输出数据，这些优点可为优选的。

旋转响应

三条传感器轴线x、y、z可正交地布置，例如，其中每条轴线的正极性取向满足右手法则(见图1)。对于旋转加速度传感器而言，如本文中所公开的联接的一组成对的压电晶体换能器106将产生用于围绕它们的公共轴线在顺时针方向上的加速度的正极性的电压(通过运动平面且沿着垂直于平面的正轴线观察)。以另一种方式描述，从垂直于旋转平面的轴线的正向端向下看，联接的一组成对的传感器在逆时针方向上围绕轴线的加速度将产生正极性的电压。备选地，在不丧失一般性的情况下可颠倒符号约定。从测量沿着x轴线的平移加速度的相同传感器，可针对围绕y轴线的旋转移动而计算旋转加速度。从测量沿着y轴线的平移加速度的相同传感器，可针对围绕z轴线的旋转移动而计算旋转加速度。并且，从测量沿着z轴线的平移加速度的相同传感器，可针对围绕x轴线的旋转移动而计算旋转加速度。

图10是用于如本文中所描述的多轴线、单质量加速度计中的一组压电换能器或传感器的代表性接线图。图10是表示前置放大器板和对应于本文中所公开的多轴线、单质量加速度计的实施例中的传感器106的十二个通道xa1-zf2的接线的简化示意图。在一些实施例中，可将集成的前置放大器/数字转换器放置在缓冲前置放大器的后面。在额外的实施例中，在例如经由数字求和和差分形成最终的平移和旋转运动输出信号之前，可使用用于增益调节和偏移去除的后数字化处理器。

在一些构造中，多轴线、单质量加速度计可具有十二个传感器输出，来自框架的同一面的成对的传感器输出由差分放大器组合，以造成六个轴向电压输出：vxa、vxb、vyc、vyd、vze和vzf。然后，这些电压输出可用于产生三个正交的平移加速度响应和三个旋转加速度响应。针对每条轴线的平移和旋转加速度响应(其分别指定为xt、xr；yt、yr；和zt、zr)由来自差分放大器的六个电压输出的总和和差形成。符号约定确定平移和旋转输出是通过对轴向电压输出求和还是求差来导出。出于特定的设计目的，可通过将针对轴线的相对电压输出求和来产生平移响应信号。结果，沿着轴线的相对电压输出的差可用于产生旋转加速度响应。然而，符号约定是任意的，并且可在不丧失一般性的情况下颠倒。

例如，在如上面所描述的备选的实施例中，当成对的压电晶体传感器106以相同的取向对准时，测试质量块的相对侧(平行于同一感测轴线取向)上并联地接线的成对的传感器的电压输出可被差分，以便检测围绕正交于感测轴线的第二轴线的旋转运动。本领域技术人员将理解传感器的该备选的接线布置和针对传感器的计算输出，且因此在此不对其更详细地描述。

信号增强

图11是用于将如本文中所公开的多轴线、单质量加速度计配置成显著地增加晶体传感器响应的灵敏度的示例性方法的示意性表示。在平面视图中呈现了半径为r0的简单二维圆盘；考虑类似于本文中所描述的三维传感器中的单轴线传感器的旋转传感器，在其中压电晶体将这样的圆盘连接到外部框架。由框架传递且在圆盘的圆周上在r0处作用的力f产生扭矩(τ=fr0)。在旋转主体的情境下，扭矩可用角加速度(α)表示，即τ＝iα，其中i是旋转主体的惯性矩。对于围绕轴线z旋转的半径为r0的薄圆盘而言：

。

假设晶体面积相对于作为整体的圆盘为小的，则产生扭矩的力可表示为晶体上的平均剪切应力(σ)和晶体的面积(a)的乘积，即f=σa，平均剪切应力在很大程度上确定晶体产生的电压。在替换后，扭矩方程然后变为：

。

假设测试质量块102的质量相对于测试质量块102所附接到的框架108的质量且相对于框架108自身所附接到的任何设备的质量为小的，则给定的外部旋转加速度刺激将产生测试质量块102和框架108的给定的角加速度(α)，而无论刺激作用在其处的半径如何。因此，上面方程的右手侧可看作相对常数；并且压电传感器上的应力可看成标度为：

，

其中r1是晶体传感器距测试质量块的中心的半径，在该半径处，晶体传感器用作将框架108连接到惯性质量块102的扭矩臂。

例如，如图11中所示出的那样，如果扭矩臂的半径r1可减小到测试质量块的半径r0的一半，则相对于在其中晶体连接在测试质量块的圆周处的传感器，晶体传感器上的剪切应力可显著地增加，且从而提高传感器的灵敏度。换而言之，当r1=0.5r0时：

。

在该示例中，灵敏度可能会加倍。

返回到图1-5，现在应当显而易见的是，通过在测试质量块102上形成联接表面104，悬挂叶片120(其进一步附接到传感器106)的附接点处的扭矩臂的长度缩短距离d3，如图4中所示出的那样。因此，通过减小在支柱与测试质量块104联接在其处的点和质量块的中心(在该示例中，为悬挂叶片120与联接表面104之间的界面)之间的距离d1，传感器106对作用在加速度计100上的力的响应的灵敏度增强百分之几(相对于在其中传感器附接在测试质量块102的全半径处的设计)。

地震感测应用

当地震感测节点联接到海床(或水的主体的其它沉积底部)时，平移和旋转测量将反映沉积物(其被认为是固体)在该部位处的对应的移动。与仅p波(也称为纵向波或压缩波)传播的流体中不同，在固体中人们遇到p波和s波(也称为剪切波或横向波)两者的传播。此外，由于海床是将固体沉积床与水的流体主体(有时称为“自由边界”)分开的想象上的界面，因此海床通常引起其它类型的波，即所谓的界面波，诸如scholte波。在现有的工业实践中，为了辨别地震波的传播方向，人们必须使用测量平移运动的地震仪的空间分布阵列，使得在x方向上测量的竖直加速度的空间导数(daz/dx)和在y方向上测量的竖直加速度的空间导数(daz/dy)可作为有限差分逼近被计算。

由于流体不支持s波，因此自由边界的独特方面是(x、z)和(y、z)竖直平面中的剪切应力在边界(即固体/流体界面)处消失。这继而导致以下结果：围绕x轴线测量的旋转(rx)等于daz/dy，即在y方向上测量的竖直加速度的空间导数，并且类似地，围绕y轴线测量的旋转(rv)等于daz/dx，即在x方向上测量的竖直加速度的空间导数。注意，传播波的空间导数表征传播波的传播方向。与现有的传感器不同，本文中所公开的多轴线、单质量加速度计是6分量传感器，并且可与其平移和旋转分量组合来记录所有这些波。因此，多轴线、单质量加速度计能够针对地震波场(vz)的某个分量在自由边界界面处测量传播方向，并充当“点地震阵列”。(见参考文献：investigatingthepointseismicarrayconceptwithseismicrotationmeasurements(利用地震旋转测量研究点地震阵列概念)，d.aldridge和r.abbott，桑迪亚国家实验室，reportsand2009-0798)。因此，全组的6分量测量可足以在算法上确定任何入射平面波的类型(压缩或剪切)、速度和方向，因此省去部署空间上延伸的接收器阵列的需要。

因此，由于它涉及竖直加速度，因此借助于在同一点处记录函数vz的值并经由rx和rv记录函数vz的空间导数(函数的斜率)的值两者，人们可取决于二次采样的网格的混叠频率限制而精确地将定期采样的网格插值两倍。作为示例，人们可使用500m×500m而不是250m×250m的采样网格，并以显著地降低的成本从前者精确地插值到后者，该成本在理论极限上等于75%。这继而对降低获取海底地震数据的成本具有深远的影响。

结论

因此，多轴线、单质量加速度计可被实施为十二分量地震传感器，该十二分量地震传感器配置成用于测量在沿着三个独立方向的平移运动中的三个自由度和在围绕三条独立轴线的旋转中的三个自由度。在这些实施例中的一些中，加速度计设置有三组压电传感器，所述三组压电传感器沿着独立的或正交的轴线布置，并且以相对的对联接到框架和悬挂在框架中的测试质量块。

这样的多轴线、单质量加速度计的共振可比其它传感器(例如，典型的粒子加速度传感器)高一个或多个数量级，这实现高频切除的机械冲击系统的合理实施，同时在选定的所关注的频带内保持无变化的响应。加速度计可通过将晶体传感器和梁以独特的取向构造和/或通过利用沿着主要的感测轴线为“坚硬的”且沿着横轴线为“柔软的”的支承件将晶体传感器附接到测试质量块来并入定向的感测。通过这样的构造可实现的一个目的是减小或最小化框架中的变形，同时增强或最大化沿着主感测方向的晶体中的剪切应力。

换能器或传感器中的每个可具有限定剪切灵敏度的晶体取向，其中在每对中的换能器的剪切灵敏度大体上彼此平行地取向，但是在灵敏度的相对方向上，并且基本上垂直于相应的主轴线。换而言之，每个晶体可对由感测方向170和法线方向174限定的平面中的剪切敏感，其中成对的晶体中的一个晶体针对围绕法线方向172的正旋转变形产生正电压，并且另一个晶体针对围绕法线方向172的负旋转变形产生正电压。另外，三组相对的换能器对的剪切灵敏度可在相互垂直的方向上取向。相互垂直的方向可对应于主轴线。

框架或壳体可包括成对布置在中心质量块的相对侧上的多个侧部，如沿着三条主轴线限定的那样，其中每对换能器联接到框架的侧部中的相应的一个。悬挂叶片可沿着框架的每侧的中心部分设置。每个悬挂叶片的每个侧向端构造成联接到相应的传感器，并且每个悬挂叶片的中间部分构造成联接到测试质量块。每个悬挂叶片可具有非均一的横截面，该横截面沿着相应的换能器的主感测方向170限定相对较高的刚度(例如，如由晶体取向限定的那样，其中剪切灵敏度在由感测方向170和法线方向174限定的平面中)和垂直于主感测方向(例如在法线方向172和174上)的相对较低的刚度。

在这些示例和实施例中的任何示例和实施例中，悬挂叶片可为导电的。传感器中的每个可电联接到导电悬挂叶片，以便限定公共端子电势。例如，换能器中的每个可取向成使得负电极侧朝向悬挂叶片布置，并且所有的悬挂叶片可电连接以限定公共接地端。

电子设备可配置成使用差分放大组合每对中的传感器的信号，以便产生表征框架在平行于对应的主轴线的方向上的加速度的输出。类似地，电子设备可配置成组合每组换能器对中的换能器的信号，以产生表征框架围绕相应的主轴线的旋转加速度的输出。取决于用于所选定的换能器晶体取向的电极和响应约定，可通过求和来组合来自每组中的传感器对的放大信号以产生(平移)加速度输出，并通过减法来组合来自每组中的传感器对的放大信号以产生旋转加速度输出，利用合适的前置放大器电子设备、增益因子和其它参数。

示例

可提供一种多轴线、单质量加速度传感器，其包括：三维框架；测试质量块，其设置在框架内并与框架间隔开；多个换能器，其在框架上的多个相应的部位处机械地联接到框架；以及多个支柱，其构造成在多个相应的位置处联接到中心质量块，并在多个相应的部位处与相应组的换能器联接，从而将测试质量块悬挂在框架内；例如，其中传感器响应于在多个独立方向上的平移运动且响应于围绕多条独立轴线的旋转运动。

每组换能器可包括定位在框架的相应面的相对侧上的成对的换能器；例如，其中相应支柱的侧向端连接到框架的每个相应面的相对侧上的每对换能器。每个支柱可沿着纵向感测轴线比沿着垂直于纵向感测轴线的轴线更坚硬。多个支柱可成对地布置，其中每对中的支柱彼此平行地布置；例如，其中每对支柱中的每个支柱定位在测试质量块的与该支柱的对偶相反的侧部上，和/或其中每个支柱定位成垂直于传感器的多条主轴线中的一条。

在这些示例和实施例中的任何示例和实施例中，传感器的多条主轴线可彼此正交；例如，其中多个平面联接表面形成在测试质量块的外表面上并且平面联接表面中的每个定位成垂直于主轴线中的一条，和/或其中支柱中的每个的中心部分附接到测试质量块的相应的平面联接表面。每个平面联接表面可平行于由在测试质量块内居中的两条正交轴线限定的平面，并且与该平面相距第一距离；例如，其中相应的换能器所联接到的框架的附接表面距该平面第二距离，和/或其中第一距离大于第二距离。刚性绝缘体可定位在支柱中的每个与测试质量块的相应的平面联接表面之间。

在这些示例和实施例中的任何示例和实施例中，刚性绝缘体可定位在换能器中的每个与框架之间。测试质量块可为具有均一厚度的壁的空心球体，和/或测试质量块可由黄铜形成。换能器可相对于相应的支柱取向，以便主要地或基本上响应于平行于每个相应的支柱的纵向感测轴线的加速度。换能器可响应于剪切应力并且相对于相应的支柱取向，以主要地响应于由每个相应的支柱的纵向感测轴线和从测试质量块的质量中心垂直于每个相应的支柱的纵向感测轴线向外延伸的对应的轴线限定的平面中的剪切应力。

在这些示例和实施例中的任何示例和实施例中，对于每组换能器和与相应组的换能器联接的支柱中的对应的一个而言，每个换能器可联接到框架上的相应的附接表面，每个附接表面可平行于由在测试质量块中居中的两条正交轴线限定的平面并且与该平面间隔开，和/或在每个附接表面与该平面之间测量的第一距离可小于在支柱中的对应的一个与测试质量块联接在其处的点与该平面之间测量的第二距离。例如，第二距离可小于测试质量块的半径。

在这些示例和实施例中的任何示例和实施例中，在支柱中的对应的一个与测试质量块联接在其处的点与测试质量块的中心之间测量的距离可小于测试质量块的半径。

提供了一种多轴线、单质量加速度传感器，其包括：三维框架；空心的基本上球形的测试质量块，其设置在框架内并与框架间隔开；机械地联接到框架的六对剪切晶体；以及六个悬挂叶片，其各自分别垂直于三条正交主轴线中的每条的相反端在中心部分处联接到中心质量块；例如，在悬挂叶片的每个侧向端处与相应的成对的剪切晶体联接，从而将测试质量块悬挂在框架内。传感器可相对于各自穿过测试质量块的质量中心的三条正交主轴线取向，并且传感器可响应于平行于三条正交主轴线的平移运动且响应于围绕三条正交主轴线的旋转运动。

在这些示例和实施例中的任何示例和实施例中，测试质量块的质量分布可为对称的。六个悬挂叶片可布置成三对。例如，其中每对中的悬挂叶片在测试质量块的相对侧上彼此平行地布置。悬挂叶片可为导电的；例如，其中在每对剪切晶体和对应的悬挂叶片之间形成电连接。

在这些示例和实施例中的任何示例和实施例中，可将刚性绝缘体定位在悬挂叶片的中心部分中的每个和测试质量块之间。悬挂叶片可由铍铜制成，和/或形成为平坦板，其具有在中心区段和相应的侧向端区段之间形成的两个孔口。每个悬挂叶片可沿着纵向感测轴线比沿着垂直于纵向感测轴线的轴线更坚硬；例如，其中每个悬挂叶片的纵向感测轴线平行于正交主轴线中的一条，并且垂直于正交主轴线中的第二正交主轴线。

在这些示例和实施例中的任何示例和实施例中，多个平面联接表面可形成在测试质量块的外表面上；例如，其中平面联接表面中的每个定位成垂直于三条主轴线中的一条，和/或其中悬挂叶片中的每个的中心部分附接到测试质量块的相应的平面联接表面。

刚性绝缘体可定位在悬挂叶片中的每个与测试质量块的相应的平面联接表面之间。在悬挂叶片中的对应的一个与测试质量块联接在其处的相应的平面联接表面与测试质量块的质量中心之间测量的距离可小于测试质量块的半径。每个平面联接表面可平行于由正交主轴线中的两条限定的平面，且与该平面相距第一距离，例如，其中框架由十二个梁限定，并且框架的每个梁限定沿着梁的长度在中途的凹部，和/或其中每个凹部的基部限定附接表面，相应的剪切晶体联接到该附接表面。每个附接表面可平行于该平面；例如，距该平面第二距离，并且由相应的悬挂叶片通过相应的剪切晶体在对应的平面联接表面处连接到测试质量块。第一距离可大于第二距离。

在这些示例和实施例中的任何示例和实施例中，在悬挂叶片中的对应的一个与测试质量块联接在其处的相应联接点与测试质量块的质量中心之间测量的距离可小于测试质量块的半径。框架可由十二个梁限定；例如，其中框架的每个梁限定沿着梁的长度在中途的凹部，和/或其中每个凹部的基部限定相应的剪切晶体所联接到的附接表面。刚性绝缘体可定位在换能器中的每个与框架的凹部中的每个相应的附接表面之间。

在这些示例和实施例中的任何示例和实施例中，空心球形测试质量块的壁可具有均一厚度。测试质量块可由黄铜形成。剪切晶体可相对于相应的悬挂叶片取向，以主要地或基本上响应于平行于每个相应的悬挂叶片的纵向感测轴线的加速度。剪切晶体可响应于剪切应力并且相对于相应的悬挂叶片取向，以主要地响应于由每个相应的感测叶片的平行于主轴线中的第一主轴线的纵向感测轴线和主轴线中的从测试质量块的质量中心垂直于每个相应的悬挂叶片的纵向感测轴线向外延伸的第二主轴线限定的平面中的剪切应力。备选地，每对剪切晶体可串联接线在第一放大电路内，和/或每对剪切晶体可并联接线在第二放大电路内。

本文中的说明书、示例和数据提供如权利要求书中所限定的本发明的示例性实施例的结构和使用的完整描述。尽管以某种程度的特定性或参考一个或多个单独的实施例描述所要求保护的本发明的多种实施例，但是设想其它实施例。本领域技术人员可对所公开的实施例作出多种改变，并且可替代等同体，以使本公开适应于不同的问题和应用，而不落在权利要求书的范围之外。意图的是，描述中所包含以及附图中所示出的所有内容应被解释为仅是对特定实施例的说明而不是限制性的。因此，本发明不限于本文中所描述的示例，而是包含落在所附权利要求书的范围内的所有实施例。