專利名稱：一種圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于石油勘測聲波測井技術(shù)，涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)聲波發(fā)射和接收功能的、 聲波測井用的電聲換能器，具體地說，涉及一種圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器。
背景技術(shù)：
近年來，隨著地質(zhì)和石油勘探的不斷深入，聲波測井技術(shù)已經(jīng)逐漸成為石油測井 的重要方法之一。這種采用聲波作為信息載體進(jìn)行信息傳輸?shù)募夹g(shù)，其中電/聲換能器作 為一個(gè)不可或缺的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣以及其特殊應(yīng)用環(huán)境下的可實(shí)現(xiàn)性成為制約聲 波測井技術(shù)向更高層次發(fā)展的難題。長期以來，人們開發(fā)出了形式多樣的聲波測井換能器， 以解決地質(zhì)和石油勘探中的需求。中國發(fā)明專利CN 1441261A中公開了一種聲波測井發(fā)射震源，它采用稀土超磁致 伸縮材料作為其電聲轉(zhuǎn)換的功能元件，通過線圈中的交變電流產(chǎn)生磁場，再進(jìn)一步激勵(lì)超 磁致伸縮棒伸縮并牽引發(fā)射板振動(dòng)發(fā)聲；而在實(shí)用新型專利CN 201460882U中則展示了另 外一類采用壓電陶瓷作為電聲轉(zhuǎn)換功能材料的聲波測井發(fā)射換能器，具有較好的耐高溫特 性。在發(fā)明專利CN 101881157A中公開了一種收發(fā)分置的聲波測井換能器，它是由一 個(gè)發(fā)射器和兩個(gè)接收器構(gòu)成，其功能材料也是壓電陶瓷的。上述專利所展示的換能器都有各自的性能優(yōu)勢，都是有效的聲波測井電聲轉(zhuǎn)換裝 置。然而在實(shí)際應(yīng)用中，目前的聲波測井換能器仍存在諸多的不足和問題(1).換能器的結(jié)構(gòu)形式受限。由于安裝換能器的鉆鋌是中空的圓柱形結(jié)構(gòu)，而目 前普遍采用的方式是在鉆鋌的一側(cè)開一個(gè)狹長的小槽用于安裝換能器，很顯然體積空間和 安裝方式的限制，將致使換能器結(jié)構(gòu)單一；(2).換能器的功率容量有限。換能器有限的安裝空間不能為用于實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換的 功能材料提供足夠的體積空間，這將直接導(dǎo)致?lián)Q能器可轉(zhuǎn)換的電聲能量是有限的；(3).換能器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拆裝不便。傳統(tǒng)的聲波測井換能器一般要考慮在其外包覆 注油皮囊，這是一個(gè)極易受損的器件，顯然井下的惡劣工況也將依此威脅到換能器的使用安全?？梢姙榱藵M足聲波測井技術(shù)所要求的大功率、高靈敏度、輕小型以及可靠、穩(wěn)定、 拆裝便捷等苛刻的應(yīng)用要求，必須對現(xiàn)有的聲波測井換能器進(jìn)行完全設(shè)計(jì)改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種圓柱 環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器，其目的是充分利用鉆鋌的體積空間，合理優(yōu)化換能器的 結(jié)構(gòu)形式，能夠?qū)崿F(xiàn)聲波發(fā)射和接收功能的、適用于聲波測井用的電聲換能器，并且其能夠 在500Hz 30kHz的頻率范圍內(nèi)兼顧實(shí)現(xiàn)聲波的大功率發(fā)射和高靈敏度接收功能，具有結(jié) 構(gòu)簡單、拆裝便捷、可靠穩(wěn)定的特點(diǎn)。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是該聲波測井換能器包括輻射 頭、壓電晶堆、尾質(zhì)量塊、硫化橡膠、預(yù)應(yīng)力螺栓及輸出電纜；所述的壓電晶堆粘接在輻射頭 和尾質(zhì)量塊之間，并通過預(yù)應(yīng)力螺栓施加合適的預(yù)應(yīng)力，壓電晶堆外包覆硫化橡膠，輸出電 纜通過尾質(zhì)量塊將壓電晶堆的引線連接至外激勵(lì)源。所述的壓電晶堆共有八組，沿圓周方向均布，每個(gè)壓電晶堆由偶數(shù)個(gè)壓電陶瓷薄 片串聯(lián)粘接而成，相鄰兩個(gè)壓電陶瓷薄片的極化方向相反，且其粘接面處有電極片引出電 極，每個(gè)壓電晶堆的同性電極片電學(xué)并聯(lián)連接，按極化方向的“正”、“負(fù)”共引出兩個(gè)抽頭。 壓電晶堆兩端各有一個(gè)絕緣墊片，起電絕緣作用。壓電晶堆外包覆硫化橡膠，起防水、絕緣 的作用。八組壓電晶堆兩端均粘接在輻射頭與尾質(zhì)量塊之間，，并通過預(yù)應(yīng)力螺栓施加合適 的預(yù)應(yīng)力。為了保證良好的傳聲效果，輻射頭材料宜與鉆鋌材料相一致，尾質(zhì)量塊可采用銅 等重金屬，如此可獲得較大的前、后端面振速比，從而，可盡可能多的從輻射面發(fā)送聲能量。本發(fā)明圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器為圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)，圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)分為 相互對稱的左半部分和右半部分，左、右兩半部分通過輻射頭連接件、尾質(zhì)量塊連接件和緊 固螺栓及緊固螺栓彈墊組合安裝成一體，并可同軸安裝在鉆鋌之上。本發(fā)明圓柱環(huán)形壓電陶瓷電聲換能器的有益效果是換能器兼顧實(shí)現(xiàn)了聲波的發(fā) 射和接收雙重功用；換能器左、右兩半部分組合安裝的形式使其在鉆鋌上的拆裝更加便捷； 換能器的圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)充分利用了鉆鋌內(nèi)的體積空間，有效的增加了換能器的發(fā)聲功率容 量，從而使得換能器的發(fā)射能力和接收靈敏度均得以很大的提高；本發(fā)明圓柱環(huán)形壓電陶 瓷電聲換能器具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、穩(wěn)定可靠以及低頻率、輕小型的優(yōu)勢，特別適合于 對于性能指標(biāo)、應(yīng)用環(huán)境和拆裝受到限制等要求苛刻的聲波測井技術(shù)領(lǐng)域。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本發(fā)明一種圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器作 進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1為本發(fā)明圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明換能器的壓電晶堆部分的結(jié)構(gòu)及其級聯(lián)關(guān)系示意圖。圖3為本發(fā)明圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器的裝配關(guān)系示意圖。圖中1.輻射頭 2.緊固螺栓 3.輻射頭連接件 4.硫化橡膠5.尾質(zhì)量塊連接件 6.尾質(zhì)量塊 7.輸出電纜 8.壓電晶堆 9.預(yù)應(yīng)力螺栓10.彈簧墊片 11.絕緣墊片 12.絕緣套管13.電極連線14.電極片15.壓電陶瓷片16.緊固螺栓彈墊
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例是一種圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器。如圖1所示，是本發(fā)明圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器的結(jié)構(gòu)，包括輻射頭 1、壓電晶堆8、尾質(zhì)量塊6、硫化橡膠4、預(yù)應(yīng)力螺栓9以及輸出電纜7等。所述的壓電陶瓷 電聲換能器包括左、右兩半部分，兩半部分結(jié)構(gòu)一樣，通過輻射頭連接件3、尾質(zhì)量塊連接件 5以及相應(yīng)的緊固螺栓2和緊固螺栓彈墊16拼裝成一個(gè)圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)。其中輻射頭1材料 與鉆鋌材料相一致；尾質(zhì)量塊6可采用銅等重金屬。
所述的壓電晶堆8共八組，沿圓周方向均勻排布，每個(gè)壓電晶堆8由偶數(shù)個(gè)壓電陶 瓷片15串聯(lián)粘接而成，相鄰兩個(gè)壓電陶瓷片15的極化方向相反，且其粘接面處有電極片14 引出電極，每個(gè)壓電晶堆8的同性電極片通過電極連線13電學(xué)并聯(lián)連接在一起，按極化方 向共引出兩個(gè)抽頭“極化+”和“極化_”，壓電晶堆8兩端各有一個(gè)絕緣墊片11，壓電晶堆8 外包覆硫化橡膠4 ；八組壓電晶堆8兩端均粘接在輻射頭1和尾質(zhì)量塊6之間，并通過預(yù)應(yīng) 力螺栓9施加合適的預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力螺栓9需彈簧墊片10配合使用，其外套有絕緣套管12 ； 八組壓電晶堆的“極化+”和“極化_”抽頭需要全部并聯(lián)在一起，然后通過輸出電纜7與外 激勵(lì)源相接。本發(fā)明圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器的具體裝配過程如下(1).首先用環(huán)氧樹脂將壓電陶瓷片15和電極片14交叉串聯(lián)粘接在一起，并在兩 端分別粘接絕緣墊片11，形成壓電晶堆8，其中壓電陶瓷片的極化方向如圖2所示，共粘接 八組；(2).將八組壓電晶堆8沿圓周方向等間隔均布，用環(huán)氧樹脂粘接在輻射頭1和尾 質(zhì)量塊6之間，并通過預(yù)應(yīng)力螺栓9施以合適大小的預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力螺栓9需彈簧墊片10 配合使用，其外套有絕緣套管12，如圖2、圖3所示；(3).將上面的八組壓電晶堆的電極片14進(jìn)行并聯(lián)連線，最終引出“極化+”、“極 化-，，兩個(gè)抽頭，并分別與輸出電纜7對應(yīng)連接在一起；(4).為上述壓電晶堆包覆硫化橡膠4 ；(5).實(shí)際應(yīng)用時(shí)以拼裝的方式將換能器左、右兩半部分同軸置放于鉆鋌之上，并 通過輻射頭連接件3、尾質(zhì)量塊連接件5以及相應(yīng)的緊固螺栓2和緊固螺栓彈墊16形成一 個(gè)圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器所實(shí)現(xiàn)的主要功能包括換能器能夠 在500Hz 30kHz的頻率范圍內(nèi)兼顧實(shí)現(xiàn)聲波的大功率發(fā)射和高靈敏度接收雙重功用；換 能器圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)充分利用了鉆鋌內(nèi)的體積空間；換能器由左、右兩半部分拼裝而成的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)使其在實(shí)際應(yīng)用中的拆裝非常便捷；換能器具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、穩(wěn)定可靠以及 低頻率、輕小型的優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.一種圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器，其特征在于包括輻射頭(1)、壓電晶堆 (8)、尾質(zhì)量塊(6)、硫化橡膠0)、預(yù)應(yīng)力螺栓(9)及輸出電纜(7)；所述的壓電晶堆(8)粘 接在輻射頭(1)和尾質(zhì)量塊(6)之間，并通過預(yù)應(yīng)力螺栓(9)施加合適的預(yù)應(yīng)力，壓電晶堆 ⑶外包覆硫化橡膠G)，輸出電纜(7)通過尾質(zhì)量塊(6)將壓電晶堆⑶的引線連接至外 激勵(lì)源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器，其特征在于圓柱環(huán) 形結(jié)構(gòu)分為相互對稱的左、右兩半部分，通過輻射頭連接件(3)、尾質(zhì)量塊連接件( 和緊 固螺栓( 及緊固螺栓彈墊(16)組合安裝成一體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器，其特征在于所述的 壓電晶堆(8)共有八組，沿圓周方向均勻排布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器，其特征在于所述的 壓電晶堆(8)由偶數(shù)個(gè)壓電陶瓷片(15)串聯(lián)粘接而成，壓電晶堆(8)的同性電極片通過電 極連線(13)電學(xué)并聯(lián)連接在一起。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷電聲換能器，包括前輻射頭、壓電晶堆、尾質(zhì)量塊、硫化橡膠以及預(yù)應(yīng)力螺栓，壓電晶堆共有八組，沿圓周方向均勻排布，壓電晶堆兩端粘接在輻射頭和尾質(zhì)量塊之間，并通過預(yù)應(yīng)力螺栓施以合適大小的預(yù)應(yīng)力，輸出電纜通過尾質(zhì)量塊將壓電晶堆的引線連接至外激勵(lì)源。本發(fā)明換能器由左、右兩半部分拼裝成了一個(gè)圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)，同軸安裝在鉆鋌上，充分利用了鉆鋌的體積空間，使得換能器能夠在500Hz～30kHz的頻率范圍內(nèi)兼顧實(shí)現(xiàn)聲波的大功率發(fā)射和高靈敏度接收雙重功用，兩個(gè)半部拼裝成圓柱環(huán)形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其拆裝非常便捷，具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、穩(wěn)定可靠以及低頻率、輕小型的優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用于聲波測井技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號E21B47/14GK102071927SQ20111003059
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月27日
發(fā)明者朱寧, 楊虎, 滕舵, 陳航 申請人:西北工業(yè)大學(xué)