一种新型小型化动圈机芯

技术领域

本发明属于电磁检测传感器技术领域，尤其涉及一种新型小型化动圈机芯。

背景技术

传统的地震物探采集系统主要由检波器、采集站和地震仪三个部分组成其中，检波器把地震反射仪号转变成模拟电信号后，传输给采集站，采集站将模拟电信转变数字电信号，再传给地震仪，地震仪把这些数字电信号存贮下来，从而完成了地震仪号的采集工作。随着油气勘探对成本控制要求的进一步提高，传统的地震物探采集系统施工作业复杂、人工成本高、效率低受地形限制等短板愈显突出，于是，国际上出现了最新的地震物探采集系统—节点仪。

节点仪是把传统的地震采集系统中的检波器、采集站和地震仪功能集成在一起，形成一种微型的独立地震物探采集系统，这种系统具有施工作业简单、人工成本低、效率高、不受地形限制等诸多优点，受到了行业人员的喜爱，由于在传统的地震物探采集系统中，检波器、采集站和地震仪是分立状态，检波器可以是12只串组合，也可以是单只，而节点仪中的检波器只允许是单只，因而对检波器机芯的对外形尺寸有一定限制，下面是节点仪目前所使用的检波器及主要关注项目与传统地震物探采集系统所对应的项目对比表（见表一），节点仪与传统系统所用检波器主要项目对比表一：

从表一的对比中可以清楚地看到，节点仪所采用的检波器在灵敏度和内阻两项上明显不如传统系统中所用的检波器参数，而动圈检波器的工作原理类似于发电机原理，其传输带载和抗干扰能力，取决于其产生的功率大小，根据公式N=V

从表二中可以明确地看到，这两种典型的机芯都有不能满足节点仪对机芯所要求的项目，由此看来，目前的单只检波器机芯都无法满足节点仪对机芯要求的所有项目。

下面剖析一下为什么上述机芯不能满足节点仪要求的原因：先对smart solo进行一个剖析，solo属于小体积、较低灵敏度类型。根据总阻尼系数公式：h=h

综上所述，目前面世的各种动圈检波器，共同的特点是：都是采用单磁钢磁路结构，见图1和图2，其磁路由内磁路和外磁路组成，内磁路由上1下3轭铁和一块磁钢2组成，外磁由外壳4承担。为了更好地满足节点仪对检波器芯体尺寸要求，必须对检波器芯体的径向尺寸有一个合理控制，同时为了保证足够的绕线圈数，因此，单磁钢的绕线窗口尺寸应是：轴向尺寸较大，径向尺寸较小。而要使得线圈作最大位移运动时，线包处于一个匀强磁场之中，轭铁的导磁宽度应大于线包的轴向尺寸，这时会出现的情况是：如果磁钢的高度降低的话，磁钢的源能量就会减少，导致灵敏度急剧降低；如果磁钢高度增加的话，又会出现明显地轴向和径向漏磁现象，这种漏磁现象使得磁电转换效能损耗很大，造成灵敏度增加大打折扣，这已成为单磁钢检波器提高灵敏度的一个症结；由于采用了全铝架线圈骨架带线包结构，当线圈作最大位移运动时，为了保证线包处于一个匀强磁场中，轭铁的导磁宽度应大于线包的轴向绕线尺寸，这时线圈的铝骨架切割磁力线量达到了最大化，造成线圈骨架上的涡流达到了最大化，致使涡流阻尼呈现了最大化，加上为了追求高灵敏度，使得电磁阻尼h

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种新型小型化动圈机芯，采用了非金属材料与铝材料件对线圈架进行复合，复合结构去除了铝件制作的所有金属挡线筋结构，将其改变为非金属挡线筋及中非金属架。同时针对轴向径向漏磁的问题，分别采用了轴向隔磁衰减技术和径向聚磁技术进行处置，取得了良好的效果。具体的做法是，针对轴向漏磁问题，在磁钢的顶部与上轭铁底部设置了一个隔磁衰减垫片，在磁钢的底部与下轭铁顶部设置了另一个隔磁衰减垫片，通过隔磁衰减作用，使得轴向漏磁得到了很大的抑制，所用的隔磁材料可以是金属铋、铜、铝等不导磁材料；针对径向漏磁问题，对外壳进行了材料复合技术，利用坡莫合金或微晶材料具有良好的聚磁作用，使得径向漏磁得到了良好的抑制。与现有技术相比，本发明实现了节点仪替代传统地震物探技术系统的可行性，突破了单只检波器机芯灵敏度与小型化矛盾的固疾，节省了野外施工作业成本，方便了各种复杂环境下的施工作业。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种新型小型化动圈机芯，其特征在于，包括上轭铁、上弹簧片、上铝架、上挡线筋、中非金属架、复合外壳、下挡线筋、下铝架、下弹簧片、磁钢和下轭铁，其中：所述外壳为复合材料且由壳体和盖体组成，壳体与两端盖体组成密封腔体；所述磁钢安装在上轭铁和下轭铁之间、且固定于外壳中部；所述上铝架、上挡线筋、中非金属架、下挡线筋和下铝架组成线圈架，上铝架和下铝架分别设置在中非金属架的两侧，上挡线筋紧贴上铝架的水平面布置，下挡线筋紧贴下铝架的水平面布置，线包分别设置在上挡线筋与中非金属架形成的环形凹槽内、以及中非金属架与下挡线筋形成的环形凹槽内，线包与轭铁耦合匹配、且通过导电金属游丝连接外部的导电柱；所述线圈架的上下两端分别通过上弹簧片和下弹簧片弹性连接在轭铁的两端。

优选的，所述中非金属架为环状开口槽结构，环状开口槽结构内设置有配重体。

优选的，所述上轭铁和下轭铁的间隙还设置有补偿环，所述补偿环套装在磁钢上。

优选的，所述中非金属架的背面上、下侧开设有安装槽，所述安装槽用于连接上铝架和下铝架。

优选的，所述磁钢的顶部与上轭铁的底部之间还设置有隔磁垫片，所述磁钢的底部与下轭铁的顶部之间还设置有隔磁垫片。隔磁材料不只是金属铋，还应有铜、铝等不导磁材料。

优选的，还包括线圈架骨架，所述线圈架骨架由上铝架、中非金属架和下铝架组成，其中，所述上铝架、中非金属架、下铝架通过轴孔紧配合关系装配，上铝架和下铝架分别固定安装在中非金属架的上下两端。

优选的，所述磁钢采用钕铁硼材料或铝镍钴材料制作，当磁钢采用铝镍钴材料制作时，可以省去磁路中的补偿环。

优选的，所述上轭铁和下轭铁采用工业纯铁、低碳钢、坡莫合金或高导磁微晶材料制作。

优选的，所述外壳为复合材料外壳，外壳上开设有固定槽，所述固定槽内缠绕有坡莫合金或微晶材料带材。

优选的，所述上铝架和下铝架采用铝合金材料制作。

优选的，所述中非金属架采用聚碳酸酯、聚枫或增强尼龙材料制作。

优选的，所述上挡线筋和下挡线筋采用聚碳酸酯、聚枫或增强尼龙材料制作。

本发明的一种新型小型化动圈机芯具有以下有益效果：

该机芯包括上轭铁、上弹簧片、上铝架、上挡线筋、中非金属架、复合外壳、下挡线筋、下铝架、下弹簧片、磁钢和下轭铁组成，该方案采用了非金属材料与铝材料件进行复合，复合结构去除了铝件制作的所有金属挡线筋结构，将其改变为非金属挡线筋及中非金属架。并且保持了全铝架线圈架绕线壁的特点，使得绕线窗口径向尺寸不增大时，获得最大的绕线圈数，从而解决了机芯小型化问题。至此，当前单磁钢检波器存在的高灵敏度、全铝架及小型化结构带来的阻尼超量程问题；高灵敏度带来的轴向和径向漏磁问题；复合线架带来的绕线圈数减少问题，都得以解决。与现有技术相比，本发明真正意义上实现了节点仪替代传统地震物探技术系统的可行性。同时，突破了单磁钢检波器机芯灵敏度与小型化矛盾的固疾。此外，节省了野外施工作业成本，方便了各种复杂环境下的施工作业，加快了行业的技术进步速度。其次，机芯体积减小后，节省了检波器制造所用的主要贵重材料磁钢，漆包线等材料成本。进一步的，为其它行业技术升级提供了一个好的平台。最后，该机芯突破了2020年10月1日实施的新国标GB/T24260—2420中灵敏度设定的最高值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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是现有全铝线圈架结构示意图；

图2是现有单磁钢磁路结构示意图；

图3是现有复合线圈架结构；

图4是本发明的整体结构示意图；

图5是本发明的单磁钢磁路结构示意图。

其中，1-上轭铁、2-上弹簧片、3-上铝架、4-上挡线筋、5-中非金属架、6-配重体、7-外壳、8-下挡线筋、9-下铝架、10-下弹簧片、11-磁钢、12-下轭铁、13-补偿环、14-隔磁垫片、15-聚磁材料。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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发明和简化描述，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发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以下将结合附图对本发明进行详细说明。

如图4和图5所示，该小型化动圈机芯，包括上轭铁1、上弹簧片2、上铝架3、上挡线筋4、中非金属架5、外壳7、下挡线筋8、下铝架9、下弹簧片10、磁钢11和下轭铁12，其中：外壳7由壳体和盖体组成，壳体与两端盖体组成密封腔体，磁钢11安装在上轭铁1和下轭铁12之间、且固定于外壳7中部，上轭铁1的底部和下轭铁12的顶部均设置有安装磁钢11的凹台，上轭铁1和下轭铁12由盖体固定安装，图中，上铝架3、上挡线筋4、中非金属架5、下挡线筋8和下铝架9组成线圈架，上铝架3和下铝架9分别设置在中非金属架5的两侧，上挡线筋4紧贴上铝架3的水平面布置，下挡线筋8紧贴下铝架9的水平面布置，线包分别设置在上挡线筋4与中非金属架5形成的环形凹槽内、以及中非金属架5与下挡线筋8形成的环形凹槽内，线包与轭铁耦合匹配、且通过导电金属游丝连接外部的导电柱；线圈架的上下两端分别通过上弹簧片2和下弹簧片10弹性连接在轭铁的两端。

本实例中，中非金属架5为环状开口槽结构，环状开口槽结构内设置有配重体6，中非金属架5采用聚碳酸酯、聚枫或增强尼龙材料制作。上轭铁1和下轭铁12的间隙还设置有补偿环13，补偿环13套装在磁钢11上，磁钢11采用钕铁硼材料或铝镍钴材料制作，当磁钢采用铝镍钴材料制作时，可以省去磁路中的补偿环。图4中，线圈架骨架由上铝架3、中非金属架5、下铝架9三个零件组成，其中上铝架3、中非金属架5、下铝架9通过轴孔紧配合关系，分别固定安装在中非金属架5的上下两端，为了增强相互之间的连接强度，可给配合面上涂上合适的胶液，一个整体的线圈架骨架形成。此外，上轭铁1和下轭铁12采用工业纯铁、低碳钢、坡莫合金或高导磁微晶材料制作，上铝架3和下铝架9采用铝合金材料制作，上挡线筋4和下挡线筋8采用聚碳酸酯、聚枫或增强尼龙材料制作。

需要说明的是，磁钢11的顶部与上轭铁1的底部之间还设置有隔磁垫片14，所述磁钢11的底部与下轭铁12的顶部之间还设置有隔磁垫片14，隔磁材料不只是金属铋，还应有铜、铝等不导磁材料。

本实施例中，采用了非金属材料与铝材料件进行复合，这部分复合结构去除了铝件制作的所有挡线的结构，将其改变非金属挡线筋4 、8及中非金属架5，选用的非金属挡线筋4、8及中非金属架5材料为聚碳酸酯、聚枫。增强尼龙等强度好的绝缘材料。这样做的目的在于，保持了全铝线圈架具有的良好机械刚度及最小的铝材料所占比重。从而使铝材料对涡流影响达到了最小化。当线圈架作最大位移运动时，所有的挡线筋都参与了切割磁力线，必然在挡线筋中产生了一定量的涡流，每根挡线筋折合成涡流面积约占总涡流面积的12.5%，4根挡筋的涡流面积约占总涡流面积的50%。去掉了所有挡线筋后就意味着涡流阻尼系数h2可降低约50%，再对所用的铝材料进行一个硬质阳极氧化绝缘处理后，约可降低总涡流阻尼约20%以上，两项合计可使得涡流阻尼系数h2降低约70%以上。从而可使总阻尼系数控制到满足节点仪所要求的阻尼系数。

需要说明的是，所用的铝材料常有：2024-T351系列，Ly12系列及其它铝合金材料，其第二个关键的技术点是：在大幅度降低了涡流阻尼系数h2时，保持了全铝架绕线窗口结构，因此磁路长度l2可做到最短，也就是空气隙中的磁场强度H最大化，使得这部分产生的灵敏度得到了最大化，同时绕线窗口的有效面积未受到任何影响，保证了足够的绕线圈数W。根据机电耦合系数公式G=W*dφ/dx —③可知，式中G为机电耦合系数，其等效于检波器机芯开路灵敏度。W为绕线圈数，dφ/dx为磁流梯度，磁流梯度大，检波器空气隙中磁场强度也就大，故这种结构可获得最大的灵敏度，同时由于径向尺寸不增大，又达到了体积小型化的目的；

需要进一步说明的是，上述结构的第三个关键技术点是：通过大量的根据比对试验，得到了最佳导磁宽度与绕线窗口宽度和高度的尺寸关系，即;导磁宽度b的尺寸范围是9~13mm，绕线窗口宽度b1尺寸范围是7~11mm绕线窗口高度尺寸范围是2.0~3.0mm从上述数据中取出一组数据组合，如导磁宽度为：11mm绕线窗口宽度尺寸为9mm绕线窗口高度尺寸为2.7mm，按节点仪要求的数据见表三，新型机芯与节点仪希望的数据对比表三。

从表三中可以清楚地看到新型检波器机芯的各项数据都满足了节点仪的要求，特别可喜之处是新型机芯的灵敏度超出了美国的smart solo约49%，而灵敏度是节点仪获取地震信息量的前题，灵敏度的大小直接决定了节点仪获取信息量的大小，复合线圈架的装配工艺是：先将挡线筋4、8按图4所示，分别与上铝架3和下铝架9组合在一起，并用胶粘起来，再与中非金属架5胶接在一起，复合线架制作完毕，复合材料外壳的制作方法是采用坡莫合金或微晶材料带材缠绕在外壳的凹槽内，用胶液或焊接方法收口即可。检波器的其它组装工艺同常规检波器。与现有技术相比，本发明实现了节点仪替代传统地震物探技术系统的可行性，突破了单只检波器机芯灵敏度与小型化矛盾的固疾，节省了野外施工作业成本，方便了各种复杂环境下的施工作业。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。