ПЬЕЗОПРИЕМНИК Российский патент 1994 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения упругих колебаний в жидких, газообразных и твердых средах, и может быть использовано как часть измерительного тракта, для регистрации сейсмических колебаний в море, в скважине при сейсморазведке, при акустическом каротаже и при ультразвуковом озвучивании межскважинного пространства при геофизической разведке, при измерении давления при обратном промерзании многолетнемерзлых пород в околоскважинном пространстве.

Известен датчик давления, содержащий упругий полый цилиндр с двумя крышками на торцах, во внутренней полости которого соосно установлен пьезоэлемент в виде диска с нанесенным на его поверхность первым электродом, крышка, расположенная против 1-го электрода, выполнена в виде жесткого стакана, дно которого, в виде мембраны является вторым электродом [1] .

Известный датчик принимает сигнал на радиальных колебаниях как на сжатие, так и на растяжение. Недостатком датчика является то, что он выдерживает малые нагрузки и работает на небольших давлениях.

Известен пьезоприемник для морской сейсморазведки [2] . Пьезоприемник состоит из корпуса с размещенным в нем сферическим пьезоэлементом с нанесенными на его поверхность электродами.

Недостатком известного устройства является то, что при больших давлениях сферические элементы изгибаются как консольные тела. В плоскости действия давления и в точке закрепления возникают большие механические напряжения. Таким образом, пьезоэлементы работают не только от всестороннего сжатия, но и от растяжения на изгибе.

Целью изобретения является подавление побочных мод колебаний.

Цель достигается тем, что пьезоприемник, содержащий корпус и размещенный в нем сферический пьезоэлемент с нанесенными на его поверхность электродами, снабжен диэлектрической втулкой, диэлектрически упругим стаканом и патрубком из жесткого материала с отверстием для вывода проводов, причем пьезоэлемент через диэлектрическую втулку закреплен в диэлектрически упругом стакане, размещенном в патрубке из жесткого материала, а корпус пьезоприемника выполнен из компаунда.

На чертеже изображен пьезоприемник высокого давления.

Пьезоприемник состоит из поляризованного по разрезу сферического пьезоэлемента 1, закрепленного через герметизирующую диэлектрическую втулку 2 в диэлектрически упругом стакане 3, размещенном в патрубке 4 из жесткого материала и имеющем отверстие для вывода проводов. Цилиндрическая форма пьезоприемника выполнена из компаунда 5.

Пьезоприемник работает на радиальных колебаниях при всестороннем сжатии. Цилиндрическая конструкция пьезоприемника, а также совпадение направления приема давления и вектора поляризации обеспечивают симметрическую нагрузку на пьезоэлемент по всей поверхности.

Пьезоприемник работает следующим образом. При приеме упругих колебаний сферический пьезоэлемент совершает колебания по радиусу и продольные колебания по длине патрубка. Наличие диэлектрической втулки 2 и диэлектрического стакана 3 "развязывает" продольные колебания по радиусу и подавляет их. Пьезоприемник совершает моночастотные колебания по радиусу. В результате колебаний пьезоприемника согласно прямому пьезоэлектрическому эффекту между внутренним и внешним электродами пьезоприемника возникает переменный во времени электрический потенциал
ϕ = g1- +1- e^iωt, где g₃₃ - пьезочувствительность по радиусу сферы;
Р_о - амплитуда принимаемого сигнала;
R₁, R₂ - внутренние и внешние радиусы сферы соответственно;
С₁₁, С₁₃, С₃₃ - модули упругости материала пьезокерамической сферы;
ω - собственная частота принимаемого сигнала;
i - мнимая единица;
e - экспоненциальная функция.

Частота колебаний пьезоприемника определяется параметрами как пьезокерамической сферы, так и компаундного слоя, ее можно записать:
f = f , где f_o - резонансная частота радиальных колебаний пьезокерамической сферы;
ρ_k - плотность компаундного слоя;
ϕ_o - плотность пьезоприемника.

Частота колебаний пьезокерамической сферы f_o определяется его материалами и размерами. Пьезокерамическая сфера из материала УТС-19 с параметрами ρ_o = 7 ˙45x x 10³ кг/м³; С₁₁ = 0,8˙ 10¹¹ н/м²; С₃₃ = 0,79˙ 10¹¹ н/м²; С₁₃ = 0,3˙ 10¹¹ н/м²; g₃₃ = 34˙ 5˙ 10^-3 вм/н, имеющая геометрические размеры R₁ = 14 мм. R₂ = 15 мм, обладает частотой f_o = 24,6 кГц. Частота колебаний пьезоприемника f = 24,4 кГц.

Амплитуда колебания пьезоприемника U = 86 мм, разность потенциала ϕ_max = 13 кВ. Амплитуда давления соответствует U_max Р_о = 600 атм, величина Р_о определяется из расчета максимального значения электроакустического коэффициента преобразования энергии, а также из расчета предельного значения механического напряжения T_max = 0,4 кг/мм².

Ниже приведена сравнительная таблица характеристик заявленного пьезоприемника и прототипа.

Предложенная конструкция обеспечивает совпадение направления погружения и вектора поляризации, что позволяет подавить побочные мод колебания, достигать больших глубин погружения и повышать чувствительность устройства по сравнению с прототипом в 3 раза. Простота конструкции обеспечивает также надежность работы. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1425491, кл. G 01 L 11/00, 1988.

2. Кулиев Ю. Н. и Конопкин В. Ф. Пьезоприемники давления. Изд. РГУ, 1976.

Использование: для измерения упругих колебаний в жидких, газообразных и твердых средах и может быть использовано как часть измерительного тракта для регистрации сейсмических колебаний в море, в скважине при сейсморазведке, при акустическом каротаже. Сущность изобретения: пьезоприемник, содержащий корпус и размещенный в нем сферический пьезоэлемент с нанесенными на его поверхность электродами, снабжен диэлектрической втулкой, диэлектрически упругим стаканом и патрубком из жесткого материала с отверстием для вывода провода, причем пьезоэлемент через диэлектрическую втулку закреплен в диэлектрически упругом стакане, размещенном в патрубке из жесткого материала, а корпус пьезоприемника выполнен из компаунда. 1 ил.

ПЬЕЗОПРИЕМНИК , содеpжащий коpпус и pазмещенный в нем сфеpический пьезоэлемент с нанесенными на его повеpхность электpодами, отличающийся тем, что, с целью подавления побочных мод колебаний, он снабжен диэлектpической втулкой, диэлектpически упpугим стаканом и патpубком из жесткого матеpиала с отвеpстием для вывода пpоводов, пpичем пьезоэлемент чеpез диэлектpическую втулку закpеплен в диэлектpически упpугом стакане, pазмещенном в патpубке из жесткого матеpиала, а коpпус пьезопpиемника выполнен из компаунда.