渦流效應對動圈式地震檢波器芯體懸體質量的影響研究

趙雨晴 霍晗勇等

摘 要：渦流效應改變了檢波器芯體的懸體質量，懸體質量對檢波器性能指標產生了改變。永磁體的渦流效應以及外界環境溫度對永磁體懸體質量改變，進而對檢波器性能指標產生影響。科研攻關永磁體材料的研發制造，確保檢波器芯體磁性強，受外界環境影響小，永磁體磁性能居里溫度點提高，溫度特性增強，減少控制永磁體粉化腐蝕。

關鍵詞：渦流效應；懸體質量；永磁體；居里溫度點

1 概述

由于在地震勘探施工中因各種因素的影響造成其技術性能和指標的改變，嚴重制約了勘探質量的提高，使得諸多先進設備不能發揮技術優勢，造成設備資源的浪費。文章通過對常規動圈式檢波器中最具代表性的20DX-10 型檢波器的研究，提出由于渦流效應對檢波器懸體質量的影響，使檢波器懸體質量的改變對其性能指標產生了改變。

2 定義檢波器芯體的材料屬性

檢波器芯體涉及到的材料有硬磁材料（永磁體）、軟磁材料（磁靴和套筒）和空氣，如圖1所示。除了空氣可直接作真空處理外，其余材料都需要給出數據，下面分別討論材料的選取。

磁鋼材料的選擇：永磁體是動圈式檢波器重要組成元件，永磁體的磁性能是否穩定將直接影響到傳感器的精度，同時也影響檢波器的成本。實驗證明，經磁化的永久磁鐵的性能一般隨時間而變化，這是由永磁材料在淬火或鑄造后其內部組織不均勻、內部存在內應力造成的。此外，永磁體的磁性能還受其他一些因素的影響，比如，溫度、外界磁場以及振動和沖擊。描述永磁體的變量有四個：內稟矯頑力HC；剩磁Br；相對磁導率 Mu（μr）；極化強度MP。這四個變量只有兩個獨立的，在已知其中的兩個變量之后，另外兩個變量可以根據相互關系計算出來，如圖2所示。文章所選的永磁材料是相對磁導率Mu為1.05，剩磁Br為1.25T的磁性材料。

釹鐵硼是第三代稀土永磁材料，被稱為“永磁王”，釹鐵硼磁性材料是釹，氧化鐵等的合金又稱磁鋼。釹鐵硼具有極高的磁能積和矯力。

第三代稀土永磁釹鐵硼是當代磁體中性能最強的永磁體，它的主要原料有稀土金屬釹29%-32.5% 金屬元素鐵 63.95-68.65% 非金屬元素硼1.1-1.2% 少量添加鏑0.6-1.2% 鈮0.3-0.5% 鋁0.3-0.5% 銅0.05-0.15%等元素 。

釹為銀白色金屬，熔點1024℃，密度7.004g/cm3。釹是最活潑的稀土金屬之一，在空氣中能迅速變暗，生成氧化物；在冷水中緩慢反應，在熱水中反應迅速。鐵是一種化學元素是最常用的金屬，它是過渡金屬的一種。鐵活潑，在高溫時，則劇烈反應。硼的化學性質，在高溫時硼能與許多金屬和金屬氧化物反應，生成金屬硼化物。

3 渦流效應對永磁體的影響（如圖3所示）

繞在永磁體上的雙線圈在工作時，即線圈在磁場中產生了相對運動，在線圈兩端產生感生電動勢，從而有電壓輸出。圓筒形鋁制線圈架可看作是一個單匝閉合線圈。當線圈架隨同線圈一起在磁場中運動時，線圈架將產生渦流，這種現象稱為渦流效應，由于渦流效應產生的感生電流很大，把大量電能轉化成了熱能，所以永磁體的內部溫度會升的很高，這是一種電能的損耗，稱為渦流損耗。

我們把單個20DX-10型檢波器的芯體放在振動臺上，外接電流計，振動芯體，測得感生電流的范圍在0.2A-2A之間，根據以上資料分析，無論是在收發放過程中人為因素的振動和沖擊產生的感生電流，還是放炮過程中產生的感生電流會使永磁體的內部發生改變，再加上外界高溫工作環境的刺激，即永磁體的內部化學性質將發生質的改變，即產生的感生電流將會使永磁體的內部電解，也就是說檢波器懸體質量的會發生質的改變。這個我們在實際工作中也驗證到，有時我們用萬用表測量某個壞芯體的電阻，感覺到芯體有電流通過。好的芯體和壞的芯體的直觀比較，見圖4和圖5。

4 結束語

檢波器芯體的懸體質量對檢波器性能指標影響較大。在進行檢波器性能參數測試時，輸人測試儀器的懸體質量是否真實，直接影響檢波器的性能指標，特別是對靈敏度的影響最為突出，若實際檢波器懸體質量與輸人儀器的懸體質量相差較大，得到的測試結果即不真實。由此可見，要保證檢波器性能參數的穩定可靠，其中一個問題就是要保證檢波器懸體質量的穩定。由于檢波器在收發放搬運過程中，人為性因素的影響造成劇烈的撞擊，導致檢波器芯體上的并聯電阻斷裂或微小裂痕，也會致使阻尼系數發生改變，影響阻尼系數指標。造成檢波器芯體電阻變大，另外粉化的檢波器芯體造成檢波器芯體電阻變小或短路。人為性因素的影響造成劇烈的撞擊，也會導致檢波器芯體彈簧片上下運動時存在著扭曲及旋轉，往往彈簧片筋的寬窄和長短對失真度的影響較大，一般來講彈簧片的筋越長越對失真有利，筋的寬度也是越細越好，但是當彈簧片的筋細到一定程度時，失真度又會突然增加，這個界限值0.3mm，人為因素造成的失真度往往是處在一種不穩定的狀態，它時大時小，極其有害。

關于永磁體的渦流效應以及外界環境溫度對永磁體懸體質量改變，進而對檢波器性能指標的影響。我們可以和檢波器芯體的生產廠家聯手進行科研攻關永磁體材料的研發制造，確保檢波器芯體磁性強，受外界環境影響小，永磁體磁性能居里溫度點提高，溫度特性增強，減少控制永磁體粉化腐蝕等。

參考文獻

[1]薛立武.馬延芯.淺談稀土磁體地震檢波器的發展[J].石油儀器，2000，14（6）：9-12.

[2]趙永紅.謝石林.胡時岳.渦流檢波器動特性的研究[J].西安交通大學學報，2003，37（3）：260-265.

[3]嚴密.彭曉領.磁性基礎與磁性材料[M].杭州：浙江大學出版社，2001.

[4]劉麗萍.李淑清.均勻磁場對檢波器失真度的影響[J].石油儀器，1998，12（1）：32-36.

作者簡介：趙雨晴（1971-），女，籍貫：上海，學歷：本科，職稱：物探工程師，研究方向：物探設備。