ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЕЙСМОМЕТР ФРЕМДА Российский патент 1995 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к сейсмометрии, в частности к устройствам для преобразования сейсмических колебаний в электрические сигналы, и может быть использовано в сейсмологии и инженерной сейсмологии для регистрации землетрясений и сейсмических явлений искусственного происхождения.

Известен трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмометр, содержащий корпус, состоящий из двух жестко связанных друг с другом частей, в каждой из которых выполнена коническая выборка, инерционный элемент в виде тела вращения, размещенный в конических выборках, и шесть пьезоэлементов, расположенных в выборках между корпусом и инерционным элементом [1] Недостатком известного сейсмометра является то, что конические выборки частей корпуса ограничивают объем инерционного элемента объемом двух сложенных основаниями круглых конусов, помещающихся в выборках, что приводит к ограничению чувствительности сейсмометра, пропорциональной массе инерционного элемента.

Известен трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмометр Фремда, в котором конические выборки, аналогичные использованным в [1] сделаны в корпусе сейсмометра и в закрепляемом внутри корпуса прижимном элементе, причем пьезоэлементы располагаются между инерционным элементом и поверхностями конических выборок. Недостатком этого известного сейсмометра является то, что в нем величина массы инерционного элемента и соответственно чувствительность сейсмометра при заданных поперечных размерах ограничиваются объемом пространства, заключенного внутри конических выборок с учетом объема, необходимого для размещения пьезоэлементов.

Техническая задача повышение чувствительности сейсмометра путем увеличения массы инерционного элемента при сохранении поперечных размеров сейсмометра.

На фиг. 1 изображена схема конструкции сейсмометра; на фиг.2 и 3 два варианта конструкции системы прижима пьезоэлементов и центрирования инерционного элемента; на фиг.4 схема варианта конструкции плавающего конического утолщения системы прижима.

Сейсмометр содержит инерционный элемент 1, основание 2, центральный стержень 3 с утолщением 4 и пьезоэлементы 5.

Инерционный элемент 1 представляет собой тело вращения, например цилиндр, внутри которого сделана цилиндрическая полость, ось которой совпадает с осью инерционного элемента, имеющая вокруг центра тяжести инерционного элемента расширение в виде двух круглых конусов с углами при вершинах 2 arcctg , сложенных своими основаниями. К основанию 2, перпендикулярно его плоскости жестко прикреплен центральный стержень 3, имеющий утолщение 4 в виде двух круглых конусов с углами при вершинах 2 arcctg , сложенных основаниями. Пьезоэлементы 5 жестко зажаты между утолщением 4 центрального стержня 3 и поверхностью конической полости инерционного элемента 1. Поверхности утолщения 4 и конической полости инерционного элемента 1 могут быть снабжены плоскими контактными площадками (не показаны) для установки пьезоэлементов 5, расположенных на окружности по три в конических полостях инерционного элемента 1 с шагом 60 поочередно в обеих полостях. Зажатые между инерционным элементом 1 и утолщением 4 центрального стержня 3 пьезоэлементы 5 расположены попарно вдоль трех взаимно перпендикулярных осей, проходящих через центр тяжести инерционного элемента 1 и направленных под углом arctg к оси симметрии сейсмометра.

При угле, выбранном из этого соотношения, оси, проходящие через центры пьезоэлементов пар, перпендикулярны соответствующим образующим поверхностей конусов утолщения центрального стержня и полости инерционного элемента.

Система прижима пьезоэлементов и центрировки инерционного элемента (фиг. 2) содержит инерционный элемент, состоящий из двух цилиндрических частей, на наружной поверхности которых выполнены на одной части правая, а на другой левая резьбы, и стяжного кольца 6, имеющего правую и левую резьбы. Стрелками на фиг. 2 показаны направления перемещения частей инерционного элемента при их стягивании для зажима пьезоэлементов.

Система прижима пьезоэлементов и центрировки инерционного элемента (фиг. 3) содержит центральный стержень с утолщением, выполненным из двух идентичных конических частей, соединенных размещенной внутри них вдоль оси шпилькой 7 с правой и левой резьбами. Стрелками показаны направления перемещения частей утолщения при их раздвигании для зажима пьезоэлементов.

Сейсмометр работает следующим образом. При колебаниях основания 2 с прикрепленным к нему стержнем 3 в некотором направлении возникает сила, действующая со стороны инерционного элемента 1 на пьезоэлементы 5. Эта сила пропорциональна массе инерционного элемента и ускорению колебаний. Она раскладывается в сейсмометре на три взаимно перпендикулярные составляющие, действующие со стороны инерционного элемента 1 на пьезоэлементы 5 трех взаимно перпендикулярных осей чувствительности сейсмометра. На обкладках пьезоэлементов 5 возникают пропорциональные действующим силам электрические заряды, которые подаются на схему регистрации (не показана).

За счет отсутствия ограничений, связанных с наличием конических выборок во вмещающих инерционный элемент частях известных сейсмометров, масса инерционного элемента и соответственно чувствительность сейсмометра увеличиваются при сохранении поперечных размеров сейсмометра.

Использование: сейсмометрия, в частности в инженерной сейсмологии для регистрации землетрясений и сейсмических явлений искусственного происхождения. Сущность изобретения: трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмометр Фремда содержит инерционный элемент, основание, центральный стержень с утолщением и пьезоэлементы. Инерционный элемент представляет собой тело вращения, внутри которого сделана цилиндрическая полость, ось которой совпадает с осью инерционного элемента, имеющая вокруг центра тяжести инерционного элемента расширение в виде двух круглых конусов с углами при вершинах 2 arcctg сложенных своими основаниями. К основанию перпендикулярно его плоскости жестко прикреплен центральный стержень, имеющий утолщение в виде двух круглых конусов с углами при вершинах 2 arcctg сложенных основаниями. Пьезоэлементы жестко зажаты между утолщением центрального стержня и поверхностью конической полости инерционного элемента. Зажатые между инерционным элементом и утолщением центрального стержня пьезоэлементы расположены попарно вдоль трех взаимно перпендикулярных осей, проходящих через центр тяжести инерционного элемента и направленных под углом arctg к оси симметрии сейсмометра. За счет отсутствия ограничений, связанных с наличием конических выборок во вмещающих инерционный элемент частях известных сейсмометров, масса инерционного элемента и соответственно чувствительность сейсмометра увеличиваются при сохранении поперечных размеров сейсмометра. 4 ил.

Трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмометр, содержащий осесимметричный инерционный элемент и шесть пьезоэлементов, расположенных попарно противоположно по разные стороны от центра тяжести инерционного элемента так, что в плане угловой шаг между ними составляет 60^o, при этом пьезоэлементы расположены так, что оси чувствительности компонент сейсмометра, перпендикулярные плоскостям пьезоэлементов и проходящие через центры пар пьезоэлементов, взаимно перпендикулярны и составляют углы arctg 2 с осью симметрии инерционного элемента, отличающийся тем, что он дополнительно содержит основание, к которому перпендикулярно его плоскости жестко прикреплен цилиндрический стержень с утолщением в виде двух соединенных основаниями круглых конусов с углами при вершинах 2 arcctg 2, инерционный элемент содержит полость с поверхностью в виде двух сложенных основаниями конусов с углами при вершинах 2 arcstg 2, при этом оси симметрии стержня с утолщением, инерционного элемента и полости инерционного элемента совпадают, а пьезоэлементы попарно противоположно зажаты между коническими поверхностями утолщения стержня и инерционного элемента.