地震压电检波器及其测试仪原理与测试方法
地震检波器原理与结构
其中: x0为振动物体的绝对位移、xm为振动物体的绝对位移、Xt=xm-x0为质量 块与振动体（即检波器壳体）之间的相对位移
检波器原理 –速度型检波器结构
速度型检波器：由线架、悬浮弹簧、磁钢、磁靴及弹簧
片组成。它可以看作是由质量体 m 、弹簧 k 、和阻尼 c 构成的 二阶惯性振动系统(工作在线性区）。
检波器原理 –速度型检波器 速度型检波器（常规检波器）
■它是一种基于电磁感应原理的机电变换。这种传感器能够 实现机械能与电能的相互转换。 当导体以速度 V垂直磁场方向运动时，导体上两端产生感 生电动势u。根据棂次定律，
u=BLV(其方向由右手定则确定)。
当导体上有电流时，导体将受到磁场的电磁力 fi 的作用。 根据安培定律，不计导体本身电阻抗时：
（常规或模拟输出检波器）数据采集示意图
前
言 引言
地震检波器作为野外数据采集过程中最为关键的采
集前端装备，其性能及所采集的数据质量直接关系到地 质效果而倍受关注。随着高分辨率勘探的深入，对地震 数据采集质量提出了新的要求。特别是 宽频、高保真、 高信噪比的低成本采集要求越来越迫切。 为了满足低成本以及数据采集的高质量要求，仪器 的道数、种类也在不断的增加：有线地震仪、无线地震 仪、节点地震仪、无缆地震仪、光纤地震仪等等。道数 也是从“多道”上升到了几万道、几十万道，并且期望 百万道。
检波器原理—参数描述3
失真度（畸变） ：作为一个信号通路，对通过的信号所产生的失 真程度。定义为输出中谐波分量的总有效值与基波分量有效值之比的 百分比。失真决定了检波器的动态分辨率。
☺低失真增加了动态分辨率，有助于记录到淹没在低频强噪声 ( 如地
地震勘探检波器原理和特性及问题分析.
地震勘探检波器原理和特性及问题分析2010-07-19
在地震勘探工作中,由于对检波器的原理和性能了解和认识得不够,致使在检波器的选择和使用上存在着一些不当之处,不清楚检波器的.参数与响应特性之间的关系,以及这些参数对地震信号的影响,在检波器使用和对比时往往针对性不强.为此,从检波器的振动力学原理入手,分析了位移、速度和加速度3种类型检波器的频率响应特性,并阐述了检波器不同的机电转换原理;在此基础上,深入分析了检波器的特性参数对地震信号的影响以及地震勘探对检波器性能和参数的要求.根据地震勘探中地震波冲击振动信号的特点,认为具有频率范围宽、动态范围大、失真度小、灵敏度高、检波器允差小等特点的检波器才能满足地震勘探的需要.同时,对目前检波器使用中的一些做法进行了探讨,尤其是检波器对比试验中存在的问题.综合分析认为,只有掌握了检波器的原理、性能和参数,才能正确地选择和使用检波器.
作者：吕公河 Lv Gonghe 作者单位：中国石油化工集团公司胜利石油管理局地球物理物探开发公司,山东东营,257100 刊名：石油物探 ISTIC PKU 英文刊名：GEOPHYSICAL PROSPECTING FOR PETROLEUM 年，卷(期)：
2009 48(6) 分类号：P631.4 关键词：地震检波器检波器性能特性参数振动系统机电转换原理频率响应特性seismic geophone geophone performance characteristic
parameters vibration system electro-mechanical transform principle frequency response characteristics。
地震勘探检波器原理和特性及有关问题解析
地震勘探检波器原理和特性及有关问题解析摘要:地震勘探检波器的应用，能够接收地震信号，在地震勘探中起到了非常关键的作用。
本文在分析地震勘探检波器原理及特性的基础上，进一步对地震勘探检波器相关问题及排除方法进行分析，以期为地震勘探检波器的正确、科学使用提供有效建议。
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关键词:地震勘探检波器;原理;特性;问题在地震勘探工作中，检波器主要的作用为接收地震信号，属于对地震信号进行接收的前段环节，投入应用能够以直接的方式感知大地质点振动。
但是，从实际工作来看，倘若不能了解地震勘探检波器的原理和特性，那么在使用过程中将会出现一些问题，从而影响地震勘探效果[1]。
基于地震勘探工作的效率提升角度考虑，本文便有必要对地震勘探检波器原理和特性及有关问题进行分析。
1.地震勘探检波器原理及特性分析1.1地震勘探检波器原理对于地震勘探检波器来说，属于一种振动传感器，其工作原理和振动传感器相同，为一个单自由度的振动系统。
以感应振动信号的物理量差异，可细分为三类传感器，即:位移传感器、速度传感器以及加速度传感器。
但是，不论哪一类型的振动传感器，均对当中的一个物理量感应，切主要以输出的电信号和哪个物理量成正相关为准则[2]。
此外，从地震检波器的机电转换来看，其主要作用为把振动系统感应的振动信号等比例地转换成电信号。
根据转换原理角度来看，涵盖的检波器较多，如:电磁感应检波器、电容检波器以及压电检波器等。
1.2地震勘探检波器特性从地震勘探检波器的特性来看，主要有两类:其一为动态特性;其二为静态特性。
两方面的特性对检波器的品质有非常重要的影响。
对于动态特性参数来说，涵盖了固有频率、阻尼系数、频率响应范围以及频率特性等等。
对于静态特性参数来说，涵盖了有线性度、灵敏度、分辨率以及稳定性等。
地震仪器原理
地震仪器原理
地震仪器是用于测量地震活动的仪器。
它的原理基于地震波的传播和记录。
地震波是在地震发生时在地球内部传播的能量波动。
地震仪器的原理是利用地震波的传播过程中对地震波进行测量和记录。
常见的地震仪器包括地震仪、地震计和地震测震器等。
地震仪是用来记录地震波传播的仪器。
它通常由一个垂直悬臂和一个记录仪表组成。
当地震波经过地震仪时，它会通过地震仪的底部传播到上方的悬臂上。
由于地震仪的底座固定在地面上，而悬臂上的记录仪表可以自由振动，地震波会使得悬臂上的记录仪表偏转。
这个偏转的幅度和方向可以用来测量地震波的振幅和方向。
地震计是一种用来测量地震波振动的仪器。
它通常由一个可以记录振动幅度的棒状物和一个固定在地面上的底座组成。
当地震波经过地震计时，它会使得棒状物振动。
地震计通过测量棒状物的振动幅度来记录地震波的振动情况。
地震测震器是一种用于测量地震波传播速度和地震波到达时间的仪器。
它通常由一组位于不同位置的探测器和一个记录仪表组成。
当地震波经过探测器时，每个探测器都会记录到地震波到达的时间。
通过比较不同探测器记录到的到达时间，可以计算地震波传播速度和地震波到达的位置。
总的来说，地震仪器的原理是基于地震波的传播过程中对地震波进行测量和记录，从而获取地震活动的信息。
地震检波器
一、运动方程的建立
检波器内部各组 成部分的运动关系如 右图所示。于是有：
y=z+x
1.弹簧克服惯性体重力后
的拉力FK FK kx
2.线圈受到的电磁阻尼力
FL
s2 R
dx dt
3.铝制线圈的电磁阻尼力
FT
dx dt
根据牛顿第二定律导出电动式检波器的运动方程如
信号的？
3.（独立）分析电动式检波器的幅频特性和 相频特性。
第二节 压电式地震检波器
压电效应：某些介质。当沿一定方向对其施力而使 它变形时，内部就会产生极化现象，同时在它的两个表面 上便产生符号相反的电荷（作用力方向改变时，电荷的极 性也随着改变）。当外力去掉后，又重新恢复不带电的状 态，这种现象称为压电效应。
时，没有尖峰出现。
③当 D=h/ω0 1/ 2
时，刚好不出现尖峰，或 者说尖峰出现在无穷远处， 这种状态称为最佳阻尼。
D=h/ω0 1/ 2
（2）电动式检波器 的相位特性为：
φ （ ω ）＝ -arctan2Dω ω 0 ω 20-ω 2
绘出电动式检波器的 相位特性如图：
可知，φ（0）=0°， φ （ω0）=-90°， φ（∞）=180°，在ω=0、 ω0、 ∞三个 频率处，不同阻尼的电动 势检波器均有相同的相移， 而其它频率上，不同阻尼 的电动式检波器的相移是 不相同的。
压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造 的多晶压电材料。它具有类似铁磁材料磁畴结构的 电畴结构。
这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转 换为电能的现象，就是正压电效应，而由电效应转变 为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆 压电效应。
第二章 地震检波器
第二章地震检波器地震检波器是把传输到地面或水中的地震波转换成电信号的机电转换装置，它是野外地震数据采集的关键部件。
第一节电动式地震检波器工作原理：当地震波到达地面引起机械振动时，线圈对磁铁作相对运动而切割磁力线，根据电磁感应原理，线圈中产生感生电动势，且感生电动势的大小与线圈和磁铁的相对运动速度成正比。
图2-1（a）电动式检波器基本结构图2-1（b）电动式检波器外形图2-2 检波器内各部分的运动关系图2-2 检波器内各部分的运动关系12一、运动方程的建立运动方程反应的是检波器线圈运动与地面运动的关系。
规定：z ——地面产生的向上位移y ——线圈框架（惯性体）的向上位移x ——线圈相对磁铁的向下位移（x ＜0），并且：y z x =+1．弹簧克服惯性体重力后的拉力K FK F kx =- （2-1）2． 线圈受到的电磁阻尼力根据法拉第电磁感应定律，线圈两端输出的电动势为dtdxs dt dx dx d n dt d ne ⋅=⋅==φφ dxd ns φ=称为机电转换系数，也叫空载灵敏度。
线圈中的感应电流为：c o e ei R R R==+式中c R 是线圈内阻，o R 是线圈负载电阻。
感应电流受到的电磁力L F ：dtdx R s R e s i dx d n F L ⋅-=⋅-=⋅-=2φ （2-2） 3． 铝制线圈框架受到的电磁阻尼力当圆筒形铝制线圈框架在磁场中运动时，线圈框架内将产生涡电流。
涡电流产生涡旋磁场，此涡旋磁场与永久磁场相互作用的结果也是阻止线圈框架的运3动，这种电磁阻尼力与线圈框架相对磁铁的运动速度成正比：dtdxF T μ-= (2-3) 根据牛顿第二定律，将式（2-1）、（2-2）和（2-3）相加：2222222()k L T s dxF F F k x R dtd yd z d x M M dt dtdt μ++=-⋅-+⋅⎛⎫=⋅=⋅+ ⎪⎝⎭ 即 222221dtzd x M k dt dx R s M dt x d -=+⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅+μ （2-4） 一般式 2220222dtz d x dt dx h dt x d -=++ω （2-5）MRs h 2/2+=μ——衰减系数，M K /0=ω——自然频率 。
地震检波器假频
线圈位置与振幅及频率的关系曲线
二、实验室测量假频的方法
大的振幅信号施加到检波器可以看到假频，造成线圈偏移 和促使假共振。检波器倾斜时线圈位置发生变化，倾斜的 检波器对假频的开始更敏感。
目 录
一、假频定义
在共振时相位角和敏感性发生变化，而且相位角和振幅难 以测量。 假频主要以回环噪音为特征，地滚波易激起假频。
取样率为1ms，频率180HZ，假频与抗混叠过滤器之间产生错配。
一、假频定义
以往检波器抗混叠频率为1/2-2/3Nyquist，在2ms取样 时抗混叠频率为125HZ-167HZ。在高采样率时抗混叠过 滤器频率为4/5Nyquist，可以过滤200HZ以上的频率。 弹簧设计要点： 固有频率和假频之间关系在于弹簧设计，弹簧质量系统 分为垂直和水平两种。 弹簧的垂直方向与水平方向的刚度比要适中，高假频检 波器有会存在一些弊端，如高固有频率、大的扭转、易 损坏及寿命短。 一般会在弹簧内安放微冲击阻尼器，以便弹簧释放应力 及回弹。
三、现场测试
圆形伸展和爆点方式很成功，所有迹象表明产生了假频。
在通道36出现 了假频。
三、现场测试
出现了190HZ 正弦波的叠加。
三、现场测试
两种类型的检波器都有假频，通道3采用低假频检波器记 录，通道4采用高假频检波器。
三、现场测试
高频检波器能使假频高于200HZ抗混叠过滤器。
三、现场测试
二、实验室测量假频的方法
信号的振幅很难测量。假频的振幅取决于相对轴的信号偏 频入射角。由于入射角是随机的，且弹簧的取向在检波器 外面无法显示。因此在特定的水平冲击角度下，很难测量 假频。 目前可以采用geopinger转动脉冲悬架测量，它可用于测 量检波器外壳地面的耦合，其由压电晶体组成。
地震检波器
(1)电动式检波器的幅频特性如图式： ①当阻尼系数 D=h/ω0 1/ 2 时，G(ω)将出现尖峰。 ②当 D=h/ω0 1/ 2 时，没有尖峰出现。
D=h/ω0 1/ 2
③当 D=h/ω0 1/ 2
时，刚好不出现尖峰，或 者说尖峰出现在无穷远处， 这种状态称为最佳阻尼。
（2）电动式检波器 的相位特性为：
一、涡流检波器的传递函数 涡流检波器的运动方程为：
2 d 2x dx d z 2 2h ω 0 x 2 dt dt dt 2
2 E ( j ) 传递函数为： H ( j ) G 2 Z ( j ) 0 2 j 2h
振幅特性为：H ( ) H ( j )
•
压电检波器在水中的使用
压电检波器用于海上勘探
超级检波器
• 超级检波器的原理和结构与电磁感应式 检波器完全一致，区别主要在于检波器 的制造工艺和器件材料，实质上，超级 检波器就是传统检波器的改进型。
数字检波器
• 数字检波器的核心是MEMS (Micro Electro Mechanical System，即(微电子 机械系统)技术，这种技术就是以硅材料为 基底，采用微机械加工工艺和IC工艺加工 出差动电容式微机械加速度计。这种加速 度计(数字检波器)是集微型传感器、执行 器、信号处理器以及控制电路、接口电路、 通信电路和电源为一体的微型机电系统。
d x dx d z 2 2h ω 0 x 2 2 dt dt dt
二、输出电压方程和固有振动
电动式检波器的输出电压方程为：
dV dV d z 2 2h ω 0V G0 3 2 dt dt dt
2
3
电动式检波器的固有振动有三种情况：欠阻尼、过阻 尼和临界阻尼，振动波形如下页图示：
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地震压电检波器及其测试仪原理与测试方法12 易碧金穆群英()11 中油集团东方地球物理公司装备研究中心河北涿州 072751() 21 西安石油仪器总厂西安 710049摘要 :随着勘探和生产技术的发展 ,压电传感器在地质勘探中的应用越来越多 ,本文从分析压电检波器的原理出发 ,对目前地震勘探中的几种检波器测试仪的测试原理和测试方法进行了详细的介绍。
关键词 :压电检波器对比测量灵敏度声场) 1 所示。
它可被看作是单自由度二阶力学系统 , 图 1 概述由于原始地震数据的准确性与可靠性取决于地其运动状态的微分方程为 :2 震检波器与数字地震仪的性能 ,在地震勘探中必须 d x d x ( )( )m + c 1 + k x = F t2 d t d t 对检波器性能定期作检测分析和记录。
对于常规动压电压敏型检波器的有阻尼谐振频率为 : 圈式检波器 ,因其用量大 ,目前测试设备比较多 ; 对 1 2 2于压电检波器 ,由于其过去用量相对较少 ,所以有关ω2 -( ) f = c n π 2() 压电检波器或水听检波器的测试设备也很少。
但ω k/ m ; k - 组合刚度 ; m - 质量 ; c - 阻尼式中 :=n 随着勘探的发展 ,对水网和过渡带地区的勘探逐渐系数。
压电压敏型检波器的灵敏度定义为输出量普及 ,作为水中传感器的压电检波器的使用也越来与被越多 ,生产压电检波器的厂家也越来越多 ,国内外勘测物理量的比值 :探施工单位对压电检波器的性能作定期测试分析的 Q ( )要求也越来越强烈。
为了加强对压电检波器的管理 K3 = Q P 和性能测试 ,加强对各种物探仪器设备技术指标的式中 : K - 压敏型检波器的电荷灵敏度 ; Q - 压Q 定量评价与检定 ,合理地评价其使用价值 ,满足质量敏型检波器的输出电荷 ; P - 压力。
控制要求 ,一些单位生产了专门测试压电检波器的测试仪器。
然而目前能够对压电检波器的性能作测试分析的仪器很少 , 严重影响了地震勘探的质量。
本文从压电检波器的原理分析出发 ,对目前地震勘探中的几种压电检波器测试仪的测试原理和测试方法进行了详细介绍。
图 1 压电检波器内部结构剖面图压电加速度型检波器是以压电晶体为转换元件 , 2 地震压电检波器原理(,它们具有相似的灵敏度 - 频率响应特变压器耦合压电加速度检波器的灵敏度是指其输出电量电) () () 如图 2,在约 10,400 Hz 间 ,灵敏度变化很小。
性荷或电压与所承受的振动或冲击加速度的比值。
因此对它的测试一般都是采用选定频率点的方式进Q ( ) = 5 KQα ( ) 行对比测量 ,即用参考晶体标准检波器作对比测 KQ 量。
所谓对比测量方法 ,是指在相同条件下测量已 ( )K= 6 uC u 知标准检波器和未知待测检波器的响应 ,然后利用式中 : K—压电加速度检波器的电荷灵敏度 ; K— Q u 声源、标准检波器、待测检波器都是线性的原理 ,两压电加速度检波器的电压灵敏度 ; Q —压电加速度者进行比较 , 而计算出待测检波器的最终响应值。
α检波器的输出电荷 ;—振动或冲击加速度 ; Ca —压其计算公式为 : 电加速度检波器的电容。
U x ( )M = M 8 x s压电加速度检波器的主谐振频率可由下式求得 Us理论值 : 式中 : M —待测水听器的声压灵敏度 , V/ Pa ; M — x s1 k 标准水听器的声压灵敏度 , V/ Pa ; U —待测水听器x ( )7 F= nπ 2m 输出端的开路电压 ,V ; U s —标准水听器输出端的开式中 : K —检波器等效刚度系数 ; m —惯性体质量 ; 路电压 ,V 。
一般地震压电检波器的电压输出与频率响应的 ,必须满足驱为了对压电检波器进行准确测试特性曲线如图 2 所示。
动和耦合的要求 :例如耦合腔内声场基本均匀 ,腔内的设计包括耦合腔要求具有刚性的边界、腔内部无释压材料以及腔的体积、尺寸等等需要满足测试条件。
由于要求地震压电检波器对频率的响应范围在1 k Hz 以下 ,因此它是类似包含对次声波有响应的声学传感器 ,因此对它的测试需要建立一个稳定压( ) 力场或声场包含次声波。
目前国外 I/ O 公司有一种只能够快速测试压电检波器好坏的测试仪( ) S HA R P ,它采用具有代表性的单一声场 170 Hz来测试地震压电检波器的灵敏度。
国内有东方公司生产的 S H T - 2 型压电检波器测试器 ,这种测试仪在S HA R P 的基础上增加了测试数据的计算机存储、打印和数据分析功能。
S HA R P 和 S H T - 2 都是便图 3 压电检波器测试仪器原理方框图图 3 所示。
,而要看是否符合在的高低不能说明检波器的好坏测试仪一般由测试检波器的测试声场及其功率一起使用的检波器的误差范围。
例如一个灵敏度为放大驱动器、测试信号源、检波器输入匹配电路、检15 ?01 10V/ Ba r 的检波器 , 与灵敏度标称值为 15波器输出信号调理电路、模拟 - 数字转换电路以及 V/ Ba r 的检波器一起使用是合格的 ,但是如果它与 ( ) 作为中央控制和处理系统的计算机 C PU 等部件灵敏度标称值为 10 V/ Ba r 的检波器一起使用 ,它就组成。
另外包括人机对话的显示器、打印机、键盘、鼠标以及数据存储部件等设备。
测试原理是 C PU 是一个不合格的检波器。
( ) 根据测试的需要 ,控制信号源一般为函数发生器) 2厂家提供的标称值只是同一型号检波器灵敏产生一个给定频率的测试信号 ,通过功率放大器使度的典型值。
实际上 ,各检波器在某个频率时灵敏测试声场产生一个恒定的声压场。
使参考晶体和待度与标称值都存在或大或小的偏差 ,这是因为压电测检波器同时检测到声压 ,然后采集板采集在相同晶体在切割、封装时的差异及耦合变压器的差异造 () 声场条件下的标准检波器和待测检波器的输出电压值 ,进行比较而计算或分析出待测检波器性能。
() 成的 ,是允许的。
至于允许偏差多少容限值,由用对于小型的快速测试器 ,一般只能够产生31 Hz 或户根据有关规定或甲方要求来定 , 一般选 10 ,170 Hz 等具有代表性的单一频率的声场 ,声压约为20 % 。
如果标称值本来就低 , 如 10 V/ ba r , 而选择 1 mba r 。
对于多频率点的测试 , 需要复杂的信号源的容限值又太大 ,如 ?20 % ,那么灵敏度为 81 00 V/(和高设计标准的声场 ,测试的频率范围越宽特别是 ba r 的检波器被程序视为合格。
而实际上 , 灵敏度) 次声波的低频部分,则声场的体积越大。
声场的频过低对拾取弱地震信号不利。
所以从这个角度说 , 率一般由参考检波器检测数据反馈到信号源作为锁它是不合格的 ,应该选择小一点的容限值。
如果标相信号而控制声场 ,是一个相对稳定的共振频率。
称值较高 , 如 15 V/ ba r , 而所选容限值太低 , 如 ?10 %的话 , 那么小于 131 5 V/ ba r 和大于 161 5 V/ba r 的检波器均视为不合格。
实际上 ,略低于 131 5V/ ba r 和略高于 161 5 V/ ba r 的检波器都能满足地) 4对压电检波器进行测试时 ,要选择合适的量参考文献 :程。
不要选择过小的灵敏度范围 ,否则 ,会导致电路 1 王雪文 ,张志勇 1传感器原理及应用 1 北京航空航天大学出版社 ,2004 饱和 ,从而出现错误读数 ,得出错误结论。
有时候选金先级 1 机电系统的计算机仿真 1 清华大学出版社 ,1991 择较大的灵敏度范围比较方便 ,特别是进行快速测 2 Ma r k Pro duct s1 A Divi sio n of Shaw Reso urce Service s 3 试时 ,筒内的压电检波器还没完全静止 ,就能得到较Inc1 Mar k Pro duct s , Inc1 稳定的读数 ,不过精度稍低。
()收稿件日期 :2005 年 6 月 24 日) 5目前市场上的测试设备一般是以扬声器作为The Pri nciple s a nd Mea sure me nt of Hydrop ho nea nd it s Mea suri ng In st r ume nt sAbstract : A s t he develop me nt of t he e xp lo ratio n a nd p ro ductio n t ech nolo gy , t here a re mo re a nd mo re hy2 drop ho ne s a re u sed i n geolo gical e xp lo ratio n1 The p ri ncip le s of hydrop ho ne i s a nal yzed i n t hi s p ap e r . The( t heo r y a nd met ho d s of seve ral mea suri ng i n st r ume nt s of hydrop ho ne s a re i nt ro duced i n det ail1 by Y i B i n2 )j i n & M u Q u n y i n gKey words : Hydrop ho ne s , Pai ri ng Co mp a ri so n Mea sure ment , Se n sitivit y , So u nd fiel d()上接第 41 页化组合使企业和科研单位都获得较好的经济效益。
国家的一些知名企业集团每年投入的科研费用有的为提高企业对市场需求的敏感性 ,尽快将一个高达销售收入的 15 %以上 ,而我国的多数企业用于新的产品投放市场 ,可以发展战略联盟或在多个经科研的经费较低 ,高新技术企业也不过 3 , 5 % , 高济实体之间进行阶段性合作。
任何一个企业靠自身的也只是 7 %左右。
由于高新技术的研究开发具有的人力、资金、能力都很难独立完成一个全新的产一定的探索性 ,高新技术产品受到市场等诸因素的品。
如主机生产企业可与电子、自动化、液压等制造行业企业建立项目性网络式的战略联合体 ,实现对影晌有一个被市场接受和认可的过程 ,不可能在短市场的快速反应。
期内获得预期的市场效益。
因此 ,科技创新的投入和新产品开发具有很大的不确定性和风险性。
企业有限的资金投入是否会获得预期的市场回报这是企5 具有创新力的企业文化是持续发展之源泉业要慎重考虑的问题。