前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的輕便小型壓電陶瓷震源系統設計初探，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要:針對目前市場上的可控震源存在質量重、體積大、信號重復性差、精度低、操作繁瑣、無法廣泛應用于復雜地形微地震監測的問題，提出了一種輕便小型壓電陶瓷震源的設計方法。從材料選型、工作原理及結構設計角度展開了初步研究。經野外測試表明:研制的輕便小型壓電陶瓷震源具有體積小、重量輕、輸出信號穩定、可重復、操作簡便等優點，適合復雜地形的微地震監測。
關鍵詞:微地震監測;輕便小型;壓電陶瓷;震源;結構設計
0引言
對微地震震源進行有效可靠的定位是微地震監測技術的重要目標之一，但由于微地震震源具有不確定性，使得準確有效驗證當前微地震監測技術的定位效果成為難題。目前，澳大利亞礦震研究院正在研究一種主動震源微地震監測方法，期望通過該方法采用已知位置的主動震源來實時驗證當前微地震監測技術的定位效果，提高微地震監測的實時定位精度［1］。主動震源微地震監測技術的原理類似于地震勘探技術，主動震源可看作是地震勘探技術中的可控震源。現今市場上的夯擊震源輸出精度不高，電火花震源操作繁瑣、信號重復性差，液壓震源破壞環境，精密機械震源存在質量與體積過大、機動性差等問題［2～4］，都無法滿足復雜地形微地震監測的要求。因此，本文旨在研究一種適用于微地震監測領域的主動震源。壓電陶瓷作為現代智能材料之一［5］，具有介電與壓電常數高、體積小、響應快、靈敏度高、多次撞擊后輸出信號不減小等優點［6］。故本文的研究對象(即主動震源)是基于壓電陶瓷材料設計的一種輕便小型可控震源，與傳統可控震源相比，具有重量輕、體積小、機動性強、信號重復性好、安裝拆卸簡便等優勢。
1輕便小型壓電陶瓷震源系統總體設計
輕便小型壓電陶瓷震源采用模塊化方式設計，由信號發生器、功率放大器與壓電陶瓷激振體3個模塊組成。其中，信號發生器由主控電路、D/A轉換電路、低通濾波電路構成，功率放大器由主放大電路、直流供電電壓、安全保護構成，壓電陶瓷激振體是以壓電陶瓷為基礎元件，通過外部機械結構封裝而成。震源的控制信號由信號發生器產生，經功率放大，使信號的電壓電流達到一定閾值，從而驅動激振體振動，產生激振力。
1．1信號發生器的設計
信號發生器作為產生驅動激振體振動的信號來源［7］。chrip(線性調頻)信號具有良好的穩定性、脈沖壓縮性、高分辨率等優點，被廣泛用作可控震源的驅動信號［8，9］。采用FPGA結合DDS技術的方案設計chrip信號發生器，由硬件電路、邏輯設計兩部分構成。硬件電路模塊包括FPGA與AD9767芯片，外圍電路由電源轉換、外部時鐘源、復位電路、JTAG調試接口、電流/電壓轉換及放大、低通濾波等模塊組成。邏輯設計流程:首先，使用mif_maker軟件生成chrip信號的波形數據采樣點文件，保存至FPGA的ROMIP中。其次，地址計數器產生有效地址位，輸入ROM中。然后，判斷是否改變信號的頻率與相位，如需改變，分別輸入頻率與相位控制字，從而改變ROM中相位累加器內的頻率控制字與相位調制器內的相位控制字，獲取對應的chrip信號波形數據，經量化后輸出;如無需改變，則直接從ROM中獲取不改變頻率與相位的chrip信號波形數據，經量化后輸出。最后，輸出信號進入D/A轉換電路，再通過低通濾波電路，即得到了平滑的chrip信號。
1．2功率放大器的設計
信號發生器輸出幅值為±5V的chrip信號，由于該信號的電壓電流較小，無法驅動壓電陶瓷激振體振動，因此，需對該信號進行放大，放大后，可驅動激振體振動產生頻率、幅值可變的激振力。在信號發生器的輸出端與壓電陶瓷激振體的輸入端之間加入功率放大器，以保證對該信號放大。功率放大器由主放大電路、直流供電電源與安全保護裝置組成。功率放大器驅動的核心是激振體內部的壓電陶瓷，壓電陶瓷激振體工作時，內部的壓電陶瓷處于動態的伸張與收縮狀態，因此，設計功率放大器的各項指標與參數為:電壓放大20倍，輸出電壓為±100V，工作電流峰值為0．8A，工作頻率范圍為0～200Hz。主放大電路采用兩級結構設計，同時，采用電壓串聯負反饋方式構成了精密可控的閉環系統，如圖2所示。主放大電路的作用是對信號發生器的輸出信號進行放大，包括電壓與電流的放大。第一級采用集成式設計，選用高壓集成運放PA85為核心［10］，增加其外圍電路的元件可將信號發生器輸出的低壓信號放大為高壓信號，同時，也避免了分立式設計帶來穩定性、可靠性差等問題。但PA85的輸出電流較小，仍無法驅動激振體，故第二級需對輸出信號的電流進行擴展，以B類功率放大器工作原理為參考基礎設計放大電路第二級，通過4組NMOSFET與PMOSFET并聯的互補推挽式連接，可實現對電流的擴展。放大電路供電電源由變壓器、整流橋、濾波電容組成，由于放大電路具有較高的電源抑制比，供電電源微小的變化對輸出電壓幾乎無影響。因此，采用C形濾波電路對電源電路進行濾波，可滿足要求。根據放大電路的輸出電壓為±100V，并考慮到放大電路自身的壓降，將供電電源設計為±150V。
1．3壓電陶瓷激振體的設計
壓電陶瓷是可以將電能轉換成位移的功能性材料［11］。壓電陶瓷質量輕、體積小，易集成，可單獨使用，也可疊堆使用，將其制作成壓電陶瓷疊堆使用，可減小激振體的體積與質量。壓電陶瓷激振體的工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應［12，13］，將外加幅值與頻率變化的電壓信號轉換成周期性的輸出位移［14］，并產生對應的激振力輸出。壓電陶瓷激振體外形為低壓柱形，采用圓柱形不銹鋼殼體封裝，內置方形壓電陶瓷疊堆，頂部移動端為位移與激振力的輸出端，底部有安裝固定螺紋孔，便于固定激振體，同時，內部的預緊機械結構產生預緊力，使激振體可承受一定的拉力，壓電陶瓷疊堆外部正負電極，分別與同軸電纜的正負極連接，便形成了壓電陶瓷激振體。
2測試與結果分析
研制的輕便小型壓電陶瓷震源系統實物如圖5所示，經測量，震源單一模塊的質量不超過10kg，總質量不超過30kg，總體積約0．018m3。在實驗室中對功率放大器的主放大電路進行測試，出于安全考慮，先進行低壓測試，輸入電壓幅值為±1V信號，用常規的直流穩壓電源供電，通過示波器觀察輸入輸出信號波形，如圖6(a)，輸出信號跟隨放大、無失真。對其進行高壓測試，信號發生器輸出幅值為±5V信號作為主放大電路的輸入信號，使用研制的±150V供電電源供電，通過示波器觀察輸入輸出信號波形，如圖6(b)，輸出信號穩定、無失真，但測試過程中發現PA85與MOSFET發熱較嚴重，需加入散熱器與散熱風扇及時散熱。輕便小型壓電陶瓷震源于2018年9月25日至2018年9月26日在四川省綿陽市青義鎮青羊村龍山進行了野外測試，設計了對應的測試方案，在測試之前，對震源與檢波器進行了合理的布置，在山頂巖石上選取一個點作為震源的工作點，另在巖石上分別選取4個點，都距離震源位置4m，布置1～4號檢波器，采集震源信號數據。為測試震源的可靠性，使震源在野外環境下持續工作，每天工作時間約為5h，并對震源輸入不同頻率的驅動信號，采用連續觸發方式，頻率參數為:50，100，200Hz，對應1～4號檢波器采集不同輸入頻率的震源信號波形如圖7所示。由圖7分析知，4個檢波器采集到不同輸入頻率的震源信號波形幅值較穩定，表明震源可產生穩定的激振力。檢波器采集到的信號為震源連續觸發的輸出信號，表明震源的輸出信號可重復。同時，震源在野外環境中長時間持續工作，未出現一次故障，表明震源具有良好的可靠性。輕便小型壓電陶瓷震源的機動性在野外測試中得到了充分的驗證，全程只由2個人將震源與檢波器搬運至山頂測試位置，并對震源與檢波器進行組裝，各個模塊只需用信號線連接即可，組裝極為簡便，組裝用時約15min。
3結論
采用壓電陶瓷材料研制的輕便小型壓電陶瓷震源，與其他震源相比，重量輕、體積小、機動性強，而且其模塊化分離式設計，使其操作更加簡便，可快速安裝與拆卸，極大提高了工作效率。同時，輕便小型壓電陶瓷震源經野外測試表明:具有良好的可靠性，可長時間連續工作;輸出信號穩定、可重復，可產生穩定的激振力。因此，輕便小型壓電陶瓷震源適用于復雜地形微地震監測，也為主動震源微震監測這一新方法的發展提供一定的設備支持。
參考文獻:
［1］沈統，庹先國，李懷良，等．集成有主動震源的高精度三分量微地震檢波器及實現方法:106199688A［P］．2016—12—07．
［2］趙春蕾，盧川，郝天珧，等．高精度組合式輕便小型可控震源的研究［J］．地球物理學報，2013，56(11):3690－3698．
［3］王洪體，莊燦濤，薛兵，等．精密主動地震監測［J］．地球物理學報，2009，52(7):1808－1815．
作者:馮文亮 李懷良 庹先國 沈統 單位:西南科技大學 成都理工大學