專利名稱：可抵消機械振動信號的壓電式次聲波傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種次聲波傳感器，具體涉及一種可抵消機械振動的壓電式 次聲波傳感器。
背景技術(shù)：
次聲波由于其頻率很低、振幅隨時間衰減慢，可遠(yuǎn)距離傳播。利用次聲 波傳感技術(shù)，可遠(yuǎn)距離快速測量汽-液、液-固等界面的位置。世界各國的油田 在采油生產(chǎn)過程中，基本上均采用聲波,速檢測油井原油的動液面深度，
而確定井下動液面位置是實現(xiàn)高效采油的至關(guān)重要的前提。在采用聲波^^！1 井過程中，由于油井工作環(huán)境比較惡劣，井下含有大量的腐蝕性氣體，對測 量裝置有非常大的腐蝕作用，導(dǎo)致現(xiàn)有膠體封裝園柱筒形壓電傳感器的壽命 很低，而且該傳感器靈敏度低、信噪比差，其高阻抗弱電信號需要通過長導(dǎo) 線傳輸?shù)搅硗獾姆糯箅娐分羞M(jìn)行放大，該傳輸過程特別容易受到干擾。而且， 現(xiàn)有的聲波傳感器無法消除機械振動的影響，其輸出是聲波和機械振動的疊 加信號，當(dāng)?shù)孛娌捎驮O(shè)備本身振動時或受風(fēng)載作用時，會導(dǎo)致無法測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種機構(gòu)簡單、靈 敏度高、抗干擾能力強的可抵消機鵬動信號的壓電式次聲波傳感器。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括不銹鋼外殼，在外殼 的下端設(shè)置有聲波輸入孔，聲波輸入孔的上端設(shè)置有第一傳感單元的銅質(zhì)下 極板，第一傳感單元的下極板與外殼電氣導(dǎo)通，作為公共電極，第一傳感單 元的下極板的上端設(shè)置有第一絕緣內(nèi)套，第一絕緣內(nèi)套內(nèi)放置第一疊層壓電片，第一疊層壓電片的上端與銅質(zhì)上極板相連接，上極板與第一止旋絕緣隔 板連接，第一螺紋壓板固定于第一止旋隔板的上端，第一止旋隔板和第一螺
紋壓板的中間設(shè)有第一引線孔；第一螺紋壓板的上端是第二傳感單元，第二 傳感單元的銅質(zhì)下極板與外殼連接，第二傳感單元的下極板與外殼電氣導(dǎo)通, 作為公共電極，第二傳感單元的下極板的上端設(shè)置有第二絕緣內(nèi)套，第二絕 緣內(nèi)套內(nèi)放置有第二疊層壓電片，第二疊層壓電片的上端與第二銅質(zhì)上極板 相連接，第二上極板與第二止旋絕緣隔板連接，第二螺紋壓板固定于第二止 旋隔板的上端，第二止旋隔板和第二螺紋壓板的中間設(shè)有第二弓戰(zhàn)孔；外殼 上端部設(shè)有插座固定板，插座固定板連,座，放大濾波電路板與插座固定 板相連接，放大濾波電路板的前置差動放大電路的輸入端分別連接第一疊層 壓電片和第二疊層壓電片輸出的高阻抗電壓信號，前置差動放大電路的輸出 端連接帶通濾波電路，DC/DC變換電路給前置差動放大電路和帶通濾波電路 供電；在外殼的外側(cè)設(shè)置有橡膠密封墊。
本發(fā)明的第一疊層壓電片和第二疊層壓電片輸出的高阻抗電壓信號分別 接前置差動放大電路中插座J1的第一輸入端IN1和第二輸入端IN2，插座J1 的第一輸入端IN1接儀表放大器U1的正相輸入端，插座Jl的第二輸入端IN2 接儀表放大器Ul的反相i^入端，儀表放大器Ul的第一引腳接精密電位器 Pl的一端并與中間調(diào)節(jié)端短路，精密電位器P1的另一端接儀表放大器U1的 第八引腳，儀表放大器U1的負(fù)電源第四引腳搭5V電源，儀表放大器U1的 正電源第七弓卿接+5V電源，儀表放大器Ul的第五引腳接公共地，儀表放 大器U1的輸出端第六引腳與第一無極性電容Cl連接，第一無極性電容C1 的另一端分別接第二無極性電容C2和第一金屬膜電阻R1的一端，第二無極 性電容C2的另一端分別接運算放大器U2A的正相輸入端和第二金屬膜電阻 R2的一端，第一金屬膜電阻R1的另一端接運算放大器U2A的輸出端，第金屬膜電阻R2的另一端接公共地，運算放大器U2A的反相輸入端分別接第 三金屬膜電阻R3和第四金屬膜電阻R4的一端，第三金屬膜電阻R3的另一 端接運算放大器U2A的輸出端，第四金屬膜電阻R4的另一端接公共地，運 算放大器U2A的輸出端與第五金屬膜電阻R5連接，第五金屬膜電阻R5分 別接第六^M膜電阻R6和第三無極性電容C3的一端，第六金屬膜電阻R6 的另一端分別接運算放大器U2B的正相輸入端和第四無極性電容C4的一端， 第三無極性電容C3的另一端接運算放大器U2B的輸出端，第四無極性電容 C4的另一端接公共地，運算放大器U2B的反相輸入端分別接第七金屬膜電 阻R7和第八金屬膜電阻R8的一端，第七金屬膜電阻R7的另一端接運算放 大器U2B的輸出端，第八金屬膜電阻R8的另一端接公共地，運算放大器U2B 的輸出端與插座的J2的OUT端相連接，插座的J2的GND端接公共地，插 座的J2的VIN端和0V端作為5V供電電源輸入端分別接DC-DC變換電路 的電源模塊5D5的電源輸入第一、二引腳，DC-DC變換電路的電源模塊5D5 的第二引腳和第五弓卿分別輸出與5V供電電源電氣隔離的+5V和一5V電 壓，給電,電，DC-DC變換電路的電源模塊5D5的第四弓胸接公共地。
本發(fā)明利用二個傳感單元和差動放大電路，消除了機械振動信號，僅放 大輸出聲波傳感信號。敏感元件和放大濾波電路封裝在一金屬結(jié)構(gòu)中，由于 壓電片輸出的特別容易受到干擾的高阻抗信號不再作遠(yuǎn)距離傳輸，而是直接 輸入到同一封裝結(jié)構(gòu)中的放大濾波電路，所以極大地提高了抗干擾能力。本 發(fā)明適用于次聲波測量，頻率響應(yīng)范圍為0.15Hz 30Hz，在信噪比、靈敏度、 傳輸特性、耐高壓抗腐蝕性等方面有了較大的提高，尤其是消除了機械振動 的影響。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是本發(fā)明放大濾波電路18的框圖； 圖3是本發(fā)明放大濾波電路18的原理圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 參照圖1，本發(fā)明包括不銹鋼外殼1，在外殼1的外側(cè)設(shè)置有^^密套寸墊 2，在外殼1的下端設(shè)置有聲波輸入孔3，聲波輸入孔3的上端連,第一傳 感單元的銅質(zhì)下極板4，第一傳感單元的下極板4與外殼1電氣導(dǎo)通，作為 公共電極，第一傳感單元的下極板4的上端設(shè)置有第一絕緣內(nèi)套5，第一絕 緣內(nèi)套5內(nèi)放置有第一疊層壓電片6，第一疊層壓電片6的上端與銅質(zhì)上極 板7相連接，上極板7與第一止旋絕緣隔板8連接，第一螺紋壓板9固定于 第一止旋隔板8的上端，第一止旋隔板8和第一螺紋壓板9的中間有第一引 線孔10;第一螺紋壓板9的上端是第二傳感單元，第二傳感單元的銅質(zhì)下極 板11與外殼1連接，第二傳感單元的下極板11與外殼1電氣導(dǎo)通，作為公 共電極，第二傳感單元的下極板11的上端設(shè)置有第二絕緣內(nèi)套12，第二絕緣 內(nèi)套12內(nèi)放置第二疊層壓電片13，第二疊層壓電片13的上端與第二銅質(zhì)上 極板14相連接，第二上極板14與第二止旋絕緣隔板15連接，第二螺紋壓板 16固定于第二止旋隔板15的上端，第二止旋隔板15和第二螺紋壓板16的 中間有第二引線孔17;外殼1的上端部設(shè)有插座固定板19，插座固定板19 連接插座20，放大濾波電路板18與插座固定板19相連接。放大濾波電路板 18的前置差動放大電路21的輸入端分別連接第一疊層壓電片6和第二疊層 壓電片13輸出的高阻抗電壓信號，前置差動放大電路21的輸出端連接帶通 濾波電路22， DC/DC變換電路23給前置差動放大電路21和帶通濾波電路 22供電。
參照圖2、圖3，前置差動放大電路21的輸入端分別連接二個傳感單元的疊層壓電片輸出的高阻抗電壓信號，前置差動放大電路21的輸出端連接帶 通濾波電路22， DC/DC變換電路23給前置差動放大電路21和帶通濾波電路 22供電。第一疊層壓電片(6)和第二疊層壓電片(13)輸出的高阻抗電壓 信號分別接前置差動放大電路(21)中插座Jl的第一輸入端IN1和第二輸入 端IN2，插座Jl的第一輸入端IN1接儀表放大器U1的正相^A端，插座Jl 的第二輸入端IN2接儀表放大器U1的反相輸入端，儀表放大器U1的第一引 腳接精密電位器P1的一端并與中間調(diào)節(jié)端短路，精密電位器P1的另一端接 儀表放大器U1的第八引腳，儀表放大器U1的負(fù)電源第四引腳漆5V電源， 儀表放大器U1的正電源第七引腳接+5V電源，儀表放大器U1的第五引腳接 公共地，儀表放大器U1的輸出端第六引腳與第一無極性電容C1連接，第一 無極性電容Cl的另一端分別接第二無極性電容C2和第一金屬膜電阻Rl的 一端，第二無極性電容C2的另一端分別接運算放大器U2A的正相輸入端和 第二金屬膜電阻R2的一端，第一金屬膜電阻R1的另一端接運算放大器U2A 的輸出端，第二金屬膜電阻R2的另一端接公共地，運算放大器U2A的反相 輸入端分別接第三金屬膜電阻R3和第四金屬膜電阻R4的一端，第三金屬膜 電阻R3的另一端接運算放大器U2A的輸出端，第四金屬膜電阻R4的另一 端接公共地，運算放大器U2A的輸出端與第M屬膜電阻R5連接，第M 屬膜電阻R5分別接第六金屬膜電阻R6和第三無極性電容C3的一端，第六 金屬膜電阻R6的另一端分別接運算放大器U2B的正相輸入端和第四無極性 電容C4的一端，第三無極性電容C3的另一端接運算放大器U2B的輸出端， 第四無極性電容C4的另一端接公共地，運算放大器U2B的反相輸入端分別 接第七金屬膜電阻R7和第八金屬膜電阻R8的一端，第七金屬膜電阻R7的 另一端接運算放大器U2B的輸出端，第八金屬膜電阻R8的另一端接公共地， 運算放大器U2B的輸出端與插座(20)的J2的OUT端相連接，插座(20)的J2的GND端接公共地，插座(20)的J2的VIN端和0V端作為5V供電 電源輸入端分別接DC-DC變換電路(23)的電源模塊5D5的電源輸入第一、 二引腳，DC-DC變換電路(23)的電源模塊5D5的第二弓胸和第五弓腳分別 輸出與5V供電電源電氣隔離的+5V和一5V電壓，給電路供電，DC-DC變 換電路(23)的電源模塊5D5的第四引腳接公共地。
本發(fā)明將二組疊層壓電片輸出的高阻抗弱電信號輸入到偏置電流極低的 前置差動放大電路21,前置差動放大電路21的輸出接帶通濾波電路22，將 直流分量及高于30他的信號濾掉，DC/DC變換電路23給前置差動放大電路 21和帶通滄波電路22供電。利用二個傳感單元和差動放大電路，消除了機 械振動信號，僅放大輸出聲波傳感信號。敏感元件和放大濾波電路封裝在一 金屬結(jié)構(gòu)中，由于壓電片輸出的特別容易受到干擾的高阻抗信號不再作遠(yuǎn)距 離傳輸，而是直接輸入到同一封裝結(jié)構(gòu)中的放大濾波電路，所以極大地提高 了抗干擾能力。本傳感器的電壓靈敏度與疊層式壓電片的數(shù)量成正比，比較 方便的通過增鵬電片的數(shù)量來改變靈敏度大小。本發(fā)明適用于次聲波測量， 頻率響應(yīng)范圍為0.15Hz 30Hz，在信噪比、靈敏度、傳輸特性、耐高壓抗腐 蝕性等方面有了較大的提高，尤其是消除了機M動的影響。
權(quán)利要求
1、一種可抵消機械振動信號的壓電式次聲波傳感器，包括不銹鋼外殼(1)，在外殼(1)的下端設(shè)置有聲波輸入孔(3)，其特征在于聲波輸入孔(3)的上端設(shè)置有第一傳感單元的銅質(zhì)下極板(4)，第一傳感單元的下極板(4)與外殼(1)電氣導(dǎo)通，作為公共電極，第一傳感單元的下極板(4)的上端設(shè)置有第一絕緣內(nèi)套(5)，第一絕緣內(nèi)套(5)內(nèi)放置第一疊層壓電片(6)，第一疊層壓電片(6)的上端與銅質(zhì)上極板(7)相連接，上極板(7)與第一止旋絕緣隔板(8)連接，第一螺紋壓板(9)固定于第一止旋隔板(8)的上端，第一止旋隔板(8)和第一螺紋壓板(9)的中間設(shè)有第一引線孔(10)；第一螺紋壓板(9)的上端是第二傳感單元，第二傳感單元的銅質(zhì)下極板(11)與外殼(1)連接，第二傳感單元的下極板(11)與外殼(1)電氣導(dǎo)通，作為公共電極，第二傳感單元的下極板(11)的上端設(shè)置有第二絕緣內(nèi)套(12)，第二絕緣內(nèi)套(12)內(nèi)放置有第二疊層壓電片(13)，第二疊層壓電片(13)的上端與第二銅質(zhì)上極板(14)相連接，第二上極板(14)與第二止旋絕緣隔板(15)連接，第二螺紋壓板(16)固定于第二止旋隔板(15)的上端，第二止旋隔板(15)和第二螺紋壓板(16)的中間設(shè)有第二引線孔(17)；外殼(1)的上端部設(shè)有插座固定板(19)，插座固定板(19)連接插座(20)，放大濾波電路板(18)與插座固定板(19)相連接，放大濾波電路板(18)的前置差動放大電路(21)的輸入端分別連接第一疊層壓電片(6)和第二疊層壓電片(13)輸出的高阻抗電壓信號，前置差動放大電路(21)的輸出端連接帶通濾波電路(22)，DC/DC變換電路(23)給前置差動放大電路(21)和帶通濾波電路(22)供電。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可抵消機M動信號的壓電式次聲波傳感器， 其特征在于所說的外殼(1)的外側(cè)設(shè)置有^^密封墊(2)。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的可抵消機械振動信號的壓電式次聲波傳感器， 其特征在于所說的第一疊層壓電片(6)和第二疊層壓電片(13)輸出的高 阻抗電壓信號分別接前置差動放大電路(21)中插座Jl的第一輸入端IN1和 第二輸入端IN2,插座Jl的第一輸入端IN1接儀表放大器U1的正相輸入端， 插座Jl的第二輸入端IN2接儀表放大器Ul的反相l(xiāng)T入端，儀表放大器Ul 的第一引腳接精密電位器P1的一端并與中間調(diào)節(jié)端短路，精密電位器P1的 另一端接儀表放大器U1的第八引腳，儀表放大器U1的負(fù)電源第四引腳搭5V 電源，儀表放大器U1的正電源第七引腳^+5V電源，儀表放大器U1的第五 弓胸接公共地，儀表放大器U1的輸出端第六弓胸與第一無極性電容C1連接， 第一無極性電容Cl的另一端分別接第二無極性電容C2和第一金屬膜電阻 Rl的一端，第二無極性電容C2的另一端分別接運算放大器U2A的正相輸入 端和第二金屬膜電阻R2的一端，第一金屬膜電阻R1的另一端接運算放大器 U2A的輸出端，第二金屬膜電阻R2的另一端接公共地，運算放大器U2A的 反相輸入端分別接第三金屬膜電阻R3和第四金屬膜電阻R4的一端，第三金 屬膜電阻R3的另一端接運算放大器U2A的輸出端，第四金屬膜電阻R4的 另一端接公共地，運算放大器U2A的輸出端與第五金屬膜電阻R5連接，第 五金屬膜電阻R5分別接第六金屬膜電阻R6和第三無極性電容C3的一端， 第六金屬膜電阻R6的另一端分別接運算放大器U2B的正相輸入端和第四無 極性電容C4的一端，第三無極性電容C3的另一端接運算放大器U2B的輸 出端，第四無極性電容C4的另一端接公共地，運算放大器U2B的反相輸入 端分別接第七金屬膜電阻R7和第八金屬膜電阻R8的一端，第七金屬膜電阻 R7的另一端接運算放大器U2B的輸出端，第八金屬膜電阻R8的另一端接公 共地，運算放大器U2B的輸出端與插座(20)的J2的OUT端相連接，插座 (20)的J2的GND端接公共地，插座(20)的J2的VEST端和0V端作為5V供電電源輸入端分別接DC-DC變換電路(23)的電源模塊5D5的電源輸入 第一、二引腳，DC-DC變換電路(23)的電源模塊5D5的第二引腳和第五引 腳分別輸出與5V供電電源電氣隔離的+5V和一5V電壓，給電路供電， DC-DC變換電路(23)的電源模塊5D5的第四引腳接公共地。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可抵消機械振動信號的壓電式次聲波傳感器。包括外殼、壓電傳感單元、放大濾波電路板。其中壓電傳感單元設(shè)置有兩個結(jié)構(gòu)和機械振動特性完全相同的第一傳感單元和第二傳感單元，第一傳感單元用于測量聲波和機械振動的疊加信號；第二傳感單元與第一傳感單元結(jié)構(gòu)完全一樣，用于測量機械振動信號；放大濾波電路板固定在殼體最上端的插座固定板上，放大濾波電路板包括前置差動放大電路、帶通濾波電路，DC/DC變換電路，第一傳感單元和第二傳感單元輸出的高阻抗電壓信號與放大濾波電路板連接，通過信號相減，消除機械振動信號，僅放大輸出聲波信號；前置差動放大電路的輸出端連接帶通濾波電路，帶通濾波電路輸出次聲波傳感信號。
文檔編號E21B47/047GK101551268SQ20091002245
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月11日
發(fā)明者侯付明, 賈禮儀 申請人:陜西博睿數(shù)字視頻技術(shù)有限公司