检波器灵敏度和阻尼的关系.docx

本文论述的是检波器灵敏度、阻尼两项指标，讨论如何通过磁钢三参数测量和线圈架涡流测量控制阻尼、灵敏度的大小和匹配，以提高检波器质量

一、 引言
为了适应高分辨率地震勘探技术发展的需要，满足与目前24位地震仪配套的要求，我厂在SN4系列检波器的基础上开发了SN7C系列检波器，其技术参数具有严格的允差±2.5%，随着阻尼、灵敏度精度的提高，也就提高了检波器的相位一致性，大大有利于地震勘探获得良好的地震记录。
既要提高阻尼，灵敏度的精度，又使两者匹配，我们不仅从理论上积累了更深的认识，而且在实际生产中获得了许多宝贵的经验。
电动式地震检波器收到地震波的作用时，线圈相对磁钢作相对运动，切割磁力线，产生感应电动势，其大小与相对运动速度成正比，此感应电动势即为地震检波器的输出信号。不同地层，检波器都会有不同的输出信号，输出信号能否能真实反映地层情况，很大程度上受检波器各项参数的影响，这里我们重点讨论的是检波器灵敏度、阻尼两项指标。在实际生产中遇到两者不匹配的情况下，通常的方法是，通过试验改变磁钢格数或线圈架壁厚来调节两者的匹配，但一直未解决实质问题：为什么同一格数磁钢、同一壁厚线架，这一批装出的检波器合格，下一批装出的检波器阻尼、灵敏度相差很远，甚至用改变分流电阻调节也达不到合格。对于超级检波器的阻尼、灵敏度精度有更高要求，解决这一问题迫在眉睫。本文讨论如何通过磁钢三参数测量和线圈架涡流测量控制阻尼、灵敏度的大小和匹配，以提高检波器质量。
二、 检波器的灵敏度和阻尼的原理
1.灵敏度：
检波器磁钢与外壳被上下盖固定在一起，形成磁系统，而线圈通过柔软的弹簧片与外壳相连，当外壳跟随地面震动时，线圈由于具有惯性而滞后于外壳的运动，外壳与线圈之间就有一相对位移，根据法拉第电磁感应原理可知，线圈绕组中产生的感应电动势E为：
E=BL0Nv=BπDCNv
式中：B——工作气隙磁感应强度
L0——每匝线圈平均长度
N——工作气隙中线圈绕组的匝数
v——线圈对外壳的相对运动速度
DC——线圈的平均直径
对结构已确定的传感器，开路灵敏度为：
G0=BL0N=BπDCN
当加上负载电阻R2时，闭路灵敏度为：
G=R2R1+R2∙G0
R1——线圈电阻
R2——负载电阻
2.阻尼
当作用于检波器外力（地面震动）除去时，质量m由于惯性的作用不能立刻停止下来，这种运动成为检波器固有振动，为了缩短检波器的固有振动延续时间来保证检波器有足够的分辨能力，清楚的区别到达时差很短的有效波的振动，就要有足够的阻尼，阻尼不能太大也不能太小，一般自然频率偏高的检波器阻尼系数应当大些，以达到检波器相对阻尼0.70左右的最佳阻尼。
阻尼的产生是两部分力作用的结果：
1) 并联电阻产生的电磁阻尼力：
线圈与外壳相对运动产生感应电动势，当有负载电阻时，线圈与负载形成闭路，线圈中就有感应电流。
I=ER1+R2
根据楞次定律，当线圈中有电流流过时，线圈架随同线圈将受到阻止其运动的电磁力FL:
FL=BIL0=B∙ER1+R2∙L0=B2π2DC2N2R1+R2∙v
2) 铝制线圈架受到的涡流阻尼力：
铝制线圈作为一个单匝闭合线圈导体，当线圈架随地面震动相对于磁系统运动时，线圈架产生反电动势使导体中产生涡流，此电动势为：
ET=BLTv=BπDcpv
其中：LT——线圈骨架平均周长
Dcp——线圈骨架平均直径
因为线圈中有一部分在工作间隙外边，所以骨架的有效电阻比实际电阻小：
有效电阻
RT=ρπDcpLgδ
其中：ρ——线架材料的电阻率
δ——线圈架壁厚
Lg——线圈架侧面在磁场中的高度（工作气隙宽度）
所以涡流：
IT=BLgδρν
涡流力
FT=BITLT=B2LgδπDcpρ∙ν
FT+FL=B2LgδπDcpρ+B2π2DC2N2R1+R2∙ν
由检波器运动微分方程式得到：
h=B2LgδπDcpρ+B2π2DC2N2R1+R22m
其中h为衰减系数，m为惯性体质量
三、 对以上公式分析可知灵敏度与阻尼的关系：
1．影响检波器灵敏度G的参数很多，例如：R1、R2、N、B等等，而这些参数的变化都会影响到衰减系数h：
i）减小R1，G提高，可以通过减小圈数或加大导线直径，但两种方法均使h很快下降。
ii）增加R2，G提高，但h却很快下降。
iii）增加N，G和h均增加，但也使质量m增加，固有频率下降，m增加到一定的程度，h将不能满足勘探的要求，因此N不能无限制的增加。
iv）提高B，G和h均有提高，这需要提高磁钢性能，或改变磁路结构，这提高了检波器的成本。
2. h的大小与B、线圈架厚度、线架导电率、轭铁和外壳导磁率以及并联电阻有关：
i）增加线圈架厚度，h增大
ii）提高线架的导电率，h增大
iii）加并联电阻，或减小并联电阻的阻值，h增大
iv）提高磁钢性能、轭铁和外壳导磁率，提高了B，h增大
四、 在检波器的实际生产中，我们根据以上的各种关系找出主要因素、次要因素，根据实际情况改变某些参数，以下以SN7C-10Hz为例讨论如何调节灵敏度、阻尼的匹配。
检波器灵敏度与阻尼都直接受B的影响，而B决定于磁路的结构，SN7C-10Hz检波器的磁路结构与SN4-10Hz检波器的基本一样。
1.检波器的磁路结构：
检波器的外壳由优质低碳钢制成，它既是磁路的一部分，又起着磁屏蔽作用，永久磁铁的两端压着两块轭铁，轭铁材料一般用导磁率高的纯铁或优质低碳钢，以达到良好的聚磁效果，磁力线从永久磁铁的一段穿过轭铁，线圈骨架、线圈，并经过外壳，回到磁钢的另一端，构成一个完整的闭合磁路
2.工作气隙中的磁感应强度B受那些因素影响？
由漏磁系数的公式
ka=ϕϕs
得出
B=SmBmSδka
式中Sm——永久磁钢截面积
Sδ——工作间隙截面积
ka——漏磁系数
由上式可知，B与Sm、Bm成正比，与Sδ、ka成反比，一般Sm、Sδ已确定，提高B就要提高永久磁钢的Bm，活用磁导率更高的外壳、轭铁材料。永久磁钢的磁滞曲线如图所示：

Br——剩余磁感应强度
Hc——矫顽力
Bm——永久磁钢的磁感应强度
Hm——永久磁钢的磁场强度
BmHm——最大磁能积

永久磁钢的体积Vm与BmHm成正比，为了使永久磁铁的体积为最小，永久磁钢应尽可能工作在最大磁能积上。
我厂测量永久磁钢磁性能的测磁机就是根据SN4系列检波器的磁路结构设计的，其测量格数值是一个综合指标，它反映永久磁钢最大磁能积的相对大小值。
为什么格数一样的磁钢不一定装出一样的检波器？一方面原因是影响检波器指标的因素主要是磁钢的Bm，所以如果格数一样，而Bm不一样，那么情况就有变化了。比如有一批磁钢格数测量合格，但装出的检波器阻尼、灵敏度都偏低，也就是充不上磁，经过抽检三参数，发现剩磁Bm低于9000高斯（正常为9000~10000高斯），而矫顽力都高于1800奥斯特（正常为1500~1650奥斯特）以上。因此在装配超级检波器时，每一批磁钢不仅要测量格数，而且要抽测磁钢的三参数。对三参数合格的每一批磁钢其格数数值能反映磁性能大小，格数越大，磁性能越高，B就越大。
我们选取了格数202~204的磁钢装配出的检波器阻尼有大有小，可见线圈的涡流阻尼不一致，涡流阻尼主要与线圈架的厚度、材料的导电率有关，线圈架的厚度可以由机械加工保证，材料的导电率如何保证，线圈涡流如何测量？
1995年总厂和中国金属科学院共同研究改造的线圈架涡流测试仪，在我们经过一年多的摸索试验下，使其在超级检波器的生产中发挥了一定的作用。
用涡流测试仪测量配好的线圈架，涡流值为600~640，有一定的离散度，通过大量实验得出推论：在其他半成品合格的条件下：
i）202~204格数的磁钢与涡流为618~624的线圈可以装配出灵敏度与阻尼符合±2.5%精度要求的检波器
ii）203格数的磁钢与620左右的线圈可以装出中值的检波器。
用涡流测试仪测量上下线圈架，上架涡流值为350~382，下架涡流值为465~495，画出分布图其涡流值基本服从正态分布规律，由于上下架是松配合，分别取若干只上下架配合起来测其涡流值，实验表明上架最低值与下架最低值相配涡流值为600左右，反之为640左右，所以不能随即配对。我们按一定配对表将线圈架配对，使其100%配成涡流值616±2到624±2范围内，配对表如下：
上线圈架
下线圈架
377~382
464~470
372~376
471~476
364~371
477~483
350~356
490~495
配对后的整个线圈架涡流值（616~624）
在上下架测量分档过程中，有一小部分线架的涡流值超出了配对表中的下限值，如何提高这些线架的涡流值？
线圈架材料是易切削含铅铝2011T3，线架的涡流与材料的导电率成正比，根据铝合金的消除应力退火原理，可以消除金属内部的弹性应力，使晶粒变小，电荷运动得更为容易，提高了导电率，从而提高了线架的涡流
实验结果退火温度150℃以上退火起作用，如表所示：

炉温（℃）
恒温时间（h）
保温时间（h）
阻尼变化量
＜150
1
0
无变化
150
1
2
升高3个字左右
160
1
2
升高8个字左右
170
1
2
升高11个字左右
结论：如图检波器产品正态分布图