NO171133B - Transduseranordning for trykkboelger, og fremgangsmaate forfremstilling av slik transduseranordning - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en transduseranordning av den piezoelektriske type for avføling av trykkbølger samt en fremgangsmåte for fremstilling av denne.

Anordningen ifølge oppfinnelsen er særlig anvendbar i forbindelse med seismiske undersøkelser hvor det benyttes mottageranordninger dannet av et antall seismiske mottagere, ofte et høyt antall, anbrakt med mellomrom fra hverandre og forbundet med et sentralt registreringslaboratorium. Akustiske bølger sendes ned i undergrunnen, og signaler som er blitt reflektert eller refraktert fra de forskjellige grenselag i undergrunnen, blir mottatt med denne mottagergruppen. Ved hjelp av regi-strering og behandling av de mottatte signaler tilveiebringes et sett med traser som er representative for undergrunnens beskaf-fenhet, på kjent måte.

Hver mottager omfatter en eneste sensor eller flere sensorer koblet i serie og/eller i parallell for henholdsvis å øke deres spenning og belastningsfølsomhet. For marine anvendelser er mottagerne anordnet langs en tett kappe eller seismisk kabel eller streamer som slepes neddykket av et skip.

De sensorer som brukes er av den piezoelektriske type. De omfatter skiver av forholdsvis små dimensjoner laget av et piezoelektrisk materiale, og hver er tilordnet et par elektroder. Disse skivene befinner seg i hus med en eller flere flater som

er transparente for de akustiske bølger. Slike sensorer er for eksempel beskrevet i US Patentnummer 3 489 995.

Fra Fransk patent nr. 2 145 099 eller US patent nr. 3 798 474 er det kjent en sensoranordning dannet av minst ett følsomt element i form av en strimmel. Denne strimmelen er dannet av et fleksibelt bånd laget av et piezoelektrisk materiale og to elektroder på hver side av båndet, og mer generelt er flere følsomme elementer koblet i serie for å øke den elektriske spenningsfølsomheten til sammensetningen. I en utførelsesform er en seismisk mottager dannet ved å vikle en første følsom strimmel med sine to elektroder på en sylindrisk, isolerende kjerne. En fleksibel isolerende strimmel er lagt oppå den første følsomme strimmelen ved hjelp av vikling. Over denne er det igjen viklet en annen følsom strimmel i en spiral i den motsatte retning av den første. Ringer i kontakt med hver av elektrodene til de to følsomme strimlene, er forbundet ved hjelp av ledningstråder for å danne en seriekobling.

En praktisk utførelsesform av et slikt arrangement har visse ulemper. Den elektriske kobling av elektrodene til de to følsomme strimlene blir vanligvis tilveiebrakt ved endene av bæreren gjennom ledende ringer. Siden motstanden eller resistansen til de ledende filmer som utgjør elektrodene, ikke er neglisjerbar i for eksempel en parallell kombinasjon av de to følsomme strimlene, kan elektrodenes lengde bidra til å begrense sensorens passbånd.

Videre er den ikke velegnet for industriell fremstilling, fordi samleringene ved hver ende av hver mottagerseksjon må plasseres i flere forskjellige fremstillingstrinn for å være i kontakt med de tilhørende elektroder, før vikling av andre lag.

Ved hjel av transduseranordningen og fremgangsmåten til fremstilling ifølge oppfinnelsen unngås de ovennevnte ulemper.

Transduseranordningen ifølge oppfinnelsen har kontinuerlig oppbygging og er av piezoelektrisk type, og . omfatter minst to følsomme elementer som hvert er dannet av et bånd laget av et syntetisk plastmateriale som har piezoelektriske egenskaper og som er tilordnet en indre og en ytre elektrode anbrakt på hver sin side av båndet, idet de to følsomme elementer er overlagret på en rørformet bærer og anbrakt i to kryssende spiralviklinger.

Transduseranordningen er kjennetegnet ved at et fleksibelt ledende bånd som er transparent for de akustiske bølger, er spiralviklet på den indre viklingen for å overlappe sidekantene til alle dens vindinger, idet det ledende bånd tilveiebringer kontakt mellom den indre viklingens ytre elektrode og den derpå overlagrede ytre viklingens indre elektrode.

Anordningen kan omfatte minst en kollektoranordning i elektrisk kontakt med elektrodene som er tilordnet de to følsomme elementer. Denne kollektoranordningen omfatter for eksempel en første ledende strimmel som omgir den rørformede bærer og minst en annen ledende strimmel som er smalere enn den første,.idet de to ledende strimler er lagt ovenpå og adskilt fra hverandre ved hjelp av et isolerende lag, og hvor det nedre følsomme element er i kontakt med den bredeste ledende strimmel.

Med dette arrangementet tilveiebringes en transduseranordning som har to følsomme elementer koblet i parallell ved hjelp av to elektroder som er anbrakt i elektrisk kontakt. Det tynne ledende bånd som er innskutt mellom de to viklingene, er transparent for de akustiske bølger og over-fører derfor det trykk som skal måles, med neglisjerbar dempning. På grunn av den intime kontakt som det har med elektrodene i de to følsomme elementer, blir også de mekaniske deformasjonene av den rørformede bæreren som for eksempel er et resultat av bøyning, også overført til de to følsomme elementer, noe som letter kompenseringen av de parasittiske spenninger som skyldes disse deformasjoner. Det ledende båndet tilveiebringer videre perfekt inngrep med de elektrodene som vender mot de to følsomme elementer, noe som reduserer den elektriske resistansen til forbindelsene og forbedrer den elektriske påliteligheten.

Siden elektrodene i hvert følsomt element videre har en bredde lik bredden av det piezoelektriske substratet, kan kortslutninger opptre mellom vindinger ved krysningspunktet for de to viklinger. Ved å dekke kantene av det nedre følsomme elementet med det ledende båndet, unngås denne ulempen.

Videre angår oppfinnelsen en fremgangsmåte for fremstilling av en trykkbølge-følsom transduseranordning av den ovennevnte type, dvs. en transduseranordning av kontinuerlig konstruksjon og av piezoelektrisk type, som har minst to følsomme elementer, som hvert utgjøres av et bånd av et syntetisk plastmateriale som har piezoelektriske egenskaper og er tilordnet en indre og en ytre elektrode anbrakt på hver sin side av båndet. De to følsomme elementene er anbrakt ovenpå hverandre på en sylindrisk bærer og anordnet i to kryssende spiralviklinger, med et ledende bånd innskutt mellom de følsomme elementene for å være i elektrisk kontakt med det indre følsomme elementets ytre elektrode og med det ytre følsomme elementets indre elektrode, idet båndet er spiralviklet på det nedre følsomme elementets viklinger for å overlappe sidekantene på alle vindingene i disse. De særskilte og nye trekk ved fremgangsmåten er

at det anvendes en rørformet bærer med stor lengde på

hvilken det med jevne mellomrom er festet kollektoranordninger som hver omfatter en første ledende strimmel som omgir den rørformede bærer, et par andre tilstøtende ledende strimler som er lagt over den første ledende strimmelen og i nærhet av hverandre, hvor den andre ledende strimmel i hvert par er atskilt fra den første ledende strimmel med et isolasjonslag, og hvor en del av den første strimmel ved hver av sine ender ikke er dekket

av de andre ledende strimler,

at det første følsomme element, det ledende bånd og det annet følsomme element i rekkefølge vikles spiralformet

langs hele den rørformede bærer,

at det rørformede element som er forsynt med viklingene,

kuttes i gapet mellom de to andre tilstøtende ledende

strimler i hvert par,

at viklingene kuttes ved enden av hver seksjon for å

bringe de to elektrodene tilordnet det nedre følsomme element i elektrisk kontakt med henholdsvis en første ledende strimmel og en andre ledende strimmel i hvert

par, og

at ringer av ledende materiale festes henholdsvis rundt den første ledende strimmel, rundt hver annen ledende strimmel i hvert par og rundt den ytre elektrode i det ytre følsomme element, idet dettes indre elektrode er i elektrisk kontakt med det ledende bånd.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen letter massefrem-stilling av et stort antall transdusere ut fra en rørformet bærer med stor lengde som på forhånd er forsynt med kollektor-

anordninger, og gir en meget god fabrikasjonskvalitet.

Andre trekk og fordeler ved anordningen og fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse av to utførelsesformer som er gitt som ikke-begrensende eksempler, under henvisning til de vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1 viser en rørformet bærer og de forskjellige viklinger som dekker den; Fig. 2 viser en del av en rørformet bærer med to kollektoranordninger før de følsomme elementer og det ledende bånd er påviklet; Fig. 3 viser skjematisk i snitt, og i stor forstørrelse for å gjøre fremstillingen klarere, en del av den rørformede bærer i nærheten av en kollektoranordning og de forbindelser som er dannet mellom denne og de forskjellige viklinger; Fig. 4 viser en lignende skisse av en annen utførelsesform av oppfinnelsen.

Transduseranordningen omfatter (fig. 1) en langstrakt, rørformet bærer 1 laget av et plastmateriale som er tilstrek-kelig stivt til å motstå sammenklemming, men som er tilstrek-kelig fleksibelt til å underkastes bøyningsbevegelser. Dette er nødvendig for mange anvendelser, spesielt ved marine, seismiske undersøkelser hvor transduserne er anbrakt inne i seismiske kabler eller streamere. De er viklet opp på tromler og blir for undersøkelsesformål viklet av bak et skip og slept neddykket. Under manøvrering blir de seismiske transduserne utsatt for meget forskjellige mekaniske påkjenninger. For å gi de seismiske kablene en viss oppdrift, blir de vanligvis fylt med hydrokarboner. Følgelig blir det valgt plast-materialer som er bestandige overfor hydrokarboner, ved konstruksjon av de rørformede bærere.

På den rørformede bærer er det i en første retning spiralviklet et følsomt element 2 av en kjent type som omfatter en strimmel av piezoelektrisk plastmateriale og to metallfilmer som tjener som elektroder. Stigningen for vikling av det følsomme elementet er valgt større enn dets bredde for å unngå enhver overlapping av vindingene. Ovenpå er i samme retning viklet et ledende bånd 2 3 som for eksempel er dannet av en tynn kobberstrimmel. Vindingene ligger inntil hverandre eller litt fra hverandre, og båndet er slik anbrakt i forhold til det første viklede følsomme element, at det overlapper dets sidekanter. Et annet følsomt element 4 er spiralviklet ovenpå det ledende bånd 3. Stigningen mellom vindingene er identisk med stigningen til det første følsomme element 2, men viklingsretningen er motsatt av det første. Kobberstrimmelen forhindrer de kortslutninger som kan

inntreffe ved kryssingen mellom to vindinger i motsatte retninger, og som vist forenkler den ikke bare mekanisk, men også elektrisk kobling av de mot hverandre vendende elektrodene til de to følsomme elementene.

For'seriefremstilling av transduseranordningen blir det benyttet en rørformet bærer med stor lengde (fra et par meter til et par titalls meter og mer) på hvilken kollektoranordninger (figur 2} er festet ved jevne mellomrom (for eksempel 1 meter) idet hver dannes av en første metallstrimmel eller ring 6 på hvilken det er overlagret to andre metallstrimler eller ringer 7. To isolerende lag 8 er innskutt henholdsvis mellom den første ringen 6 og hver av de to andre ringer. De to andre ringene er adskilt fra hverandre. Bredden av den første ringen 6 er valgt slik at dens to motstående endepartier 9 er udekket.

Med en viklingsmaskin av kjent type blir det første følsomme element 2 viklet over hele lengden av den rørformede bærer, og så, i samme retning, blir det ledende bånd 3 viklet. På toppen blir det annet følsomme element 4 viklet. Så blir den rørformede bærer kuttet på høyde med alle kollektoranordningene 5 (eller ved noen av dem avhengig av lengden til transdusere man ønsker å tilveiebringe). Kuttingen blir utført i et medianplan 15 mellom de to andre ringer 7. Så blir viklingene forkortet for å danne de elektriske kontakter som er vist mer detaljert på figur 3 og 4.

I den utførelsesform som er vist på figur 3, er det første følsomme element 2 kuttet slik at den nedre elektrode med sin siste vinding kommer til å ligge mot den udekkede del 9 av den første ring 6 (figur 2). Et isolerende lag 10 blir viklet på toppen. Det ledende båndet blir kuttet slik at dets siste vinding kommer i kontakt med den annen ring 7.

Et annet isolerende lag 11 er viklet på det ledende båndet på høyde med den udekkede del, og er derfor lagt ovenpå det isolerende lag 10. Så blir det annet følsomme element 4 kuttet slik at dets siste vinding blir liggende mot det isolerende lag 11.

Tre festeringer av metall sørger for intim kontakt mellom viklingene og tilveiebringer de elektriske forbindelser. En første festering 12 er i kontakt med den første ring 6. En annen 13 holder det ledende bånd 3 mot den annen ring 7. En tredje 14 er fastspent på det annet følsomme element 4 på høyde med det isolerende lag 10 og 11.

Elektriske ledere kan være sveiset på de tre ringene. Avhengig av tilfellet er ringene 12 og 14 koblet direkte sammen for å bringe de to følsomme elementer i parallell, eller de spenninger som de genererer, blir tatt opp separat mellom ringene 12 og 13 på den ene side og ringene 13 og 14 på den annen. De to spenningene blir så tilført forsterknings- og filtreringstrinn (ikke vist) før de adderes, om nødvendig.

I denne utførelsesformen blir de to følsomme elementene kuttet over det samme tverrsnitt, og det er det ledende bånd 3 som er forlenget så langt som til den annen ring.

I den utførelsesformen som er vist på figur 4, er det ledende bånd 3 avbrutt nær det isolerende lag 10, og det annet følsomme element er forlenget slik at dets siste vinding kommer i kontakt med den annen ring 7. I dette tilfellet er det den nedre elektroden i det annet følsomme element 4 som overfører de elektriske ladninger fra det ledende bånd 3 til ringen 14.

Den andre utførelsesform har den fordel at den er tynnere ved sitt endeparti. For at de to følsomme elementer skal kunne ha en identisk lengde for å tilveiebringe en bedre kompensasjon av de parasittiske spenninger som skyldes den rørformede bærerens bøyningsbevegelser, forkortes det annet følsomme element 4 symmetrisk ved den motsatte enden av transduseranordningen .

Siden det mellomliggende rom som kutteplanet 15 passerer gjennom mellom de to andre ringene 7 i den samme kollektoranordning 5, er uten noen viklinger, er sensorene festet til sin bærer (for eksempel inne i en seismisk kabel) ved hjelp av kraver (ikke vist) som er spent omkring den rørformede bærer på høyde med dette mellomliggende rom.

Innenfor rammen av oppfinnelsen kan de to følsomme elementer 2, 4 vikles med sammenføyde vindinger på en rørformet bærer, og de således dannede viklinger kan være festet kant mot kant slik at den rørformede bæreren kan fjernes.

Claims (8)

1. Transduseranordning for trykkbølger med en kontinuerlig oppbygning og av den piezoelektriske type, med minst to følsomme elementer (2, 4) som hvert er dannet av et syntetisk bånd av plastmateriale med piezoelektriske egenskaper, og som er tilordnet en indre og en ytre elektrode anbrakt på hver sin side av båndet, idet de to følsomme elementer er overlagret på en rørformet bærer og anbrakt i to kryssede spiralviklinger, karakterisert ved at et fleksibelt ledende bånd (3) som er transparent for de akustiske bølger, er spiralviklet på den indre viklingen for å overlappe sidekantene til alle dens vindinger, idet det ledende bånd (3) tilveiebringer kontakt mellom den indre viklingens ytre elektrode og den derpå overlagrede ytre viklingens indre elektrode.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved minst en kollektoranordning (5) i elektrisk kontakt med elektrodene som er tilordnet de to følsomme elementer.

3. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at hver kollektoranordning (5) omfatter en første ledende strimmel (6) som omgir den rørformede bærer (1), og minst en annen ledende strimmel (7) som er smalere enn den første, idet de to ledende strimler er anbrakt ovenpå hverandre og adskilt fra hverandre ved hjelp av et isolerende lag (8), og ved at det nedre følsomme element (2) er i kontakt med den bredeste ledende strimmelen.

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at det ledende bånd (3) er viklet ovenpå det første følsomme element (2) inntil det kommer i kontakt med den øvre, smaleste ledende strimmel (7), idet de to følsomme elementer er avbrutt i det samme tverrsnitt av den rørformede bærer, og er overlagret gjennom et isolerende lag (10) på den udekkede del av den bredeste ledende strimmel (6) og ved at hver kollektoranordning (5) også omfatter tre ringer (12, 13, 11) fremstilt av et ledende materiale i kontakt med henholdsvis de to ledende strimler (6, 7) og en elektrode i det ytre følsomme element.

5. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at det nedre følsomme element (2) og det øvre følsomme element (4) henholdsvis er i kontakt med den nedre ledende strimmel (6) og den øvre, smalere ledende strimmel (7), idet det ledende bånd (3) er avbrutt nær en ende av den nedre ledende strimmel (6), og ved at hver kollektoranordning også omfatter tre ringer (12, 13, 14) laget av et ledende materiale i kontakt henholdsvis med de to ledende strimler (6, 7) og en elektrode i det ytre følsomme element (4).

6. Fremgangsmåte for fremstilling av en trykkbølge-følsom transduseranordning av kontinuerlig konstruksjon og av piezoelektrisk type, som har minst to følsomme elementer (2, 4) som hvert utgjøres av et bånd av et syntetisk plastmateriale som har piezoelektriske egenskaper og er tilordnet en indre og en ytre elektrode anbrakt på hver sin side av båndet, idet de to følsomme elementer er anbrakt ovenpå hverandre på en sylindrisk bærer og anordnet i to kryssende spiralviklinger, med et ledende bånd (3) innskutt mellom de følsomme elementene for å være i elektrisk kontakt med det indre følsomme elementets ytre elektrode og med det ytre følsomme elementets indre elektrode, idet båndet er spiralviklet på det nedre følsomme elementets viklinger for å overlappe sidekantene på alle vindingene i disse, karakterisert ved : - at det anvendes en rørformet bærer (1) med stor lengde på hvilken det med jevne mellomrom er festet kollektoranordninger (5) som hver omfatter en første ledende strimmel (6) som omgir den rørformede bærer, et par andre tilstøtende ledende strimler (7) som er lagt over den første ledende strimmelen (6) og i nærhet av hverandre, hvor den andre ledende strimmel i hvert par er atskilt fra den første ledende strimmel (6) med et isolasjonslag (8), og hvor en del av den første strimmel (6) ved hver av sine ender ikke er dekket av de andre ledende strimler (7), - at det første følsomme element (2), det ledende bånd (3) og det annet følsomme element (4) i rekkefølge vikles spiralformet langs hele den rørformede bærer, - at det rørformede element (1) som er forsynt med viklingene, kuttes i gapet mellom de to andre tilstøtende ledende strimler i hvert par, - at viklingene kuttes ved enden av hver seksjon for å bringe de to elektrodene tilordnet det nedre følsomme element (2) i elektrisk kontakt med henholdsvis en første ledende strimmel (6) og en andre ledende strimmel (7) i hvert par, og - at ringer (12, 13, 14) av ledende materiale festes henholdsvis rundt den første ledende strimmel (6), rundt hver annen ledende strimmel (7) i hvert par og rundt den ytre elektrode i det ytre følsomme element (4), idet dettes indre elektrode er i elektrisk kontakt med det ledende bånd (3).

7. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at det ledende bånd (3) kuttes slik at det kommer i kontakt med den annen ledende strimmel (7), idet de to følsomme elementer (2, 4) blir kuttet til den samme lengde og anbrakt henholdsvis i kontakt med den første ledende strimmel (6) og med en ledende ring (14).

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at de to følsomme elementer (2, 4) kuttes i to ulike lengder slik at de er i elektrisk kontakt med henholdsvis den første ledende strimmel (6) og med en annen ledende strimmel (7), idet det ledende bånd (3) blir kuttet i nærheten av sidekanten til den første ledende strimmel (6).