ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 1996 года по МПК G01P15/09 G01V1/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения параметров колебаний в сейсмометрии.

Известен пьезоэлектрический сейсмоприемник [1] содержащий цилиндрический корпус, на торцах которого установлены пьезоэлектрические преобразователи, выполненные в виде сборки из металлической мембраны и закрепленных на ней двух пьезокерамических дисков.

Недостатком сейсмоприемника является его низкая чувствительность.

Известен также пьезоэлектрический сейсмоприемник [2] содержащий составной (из стали и эбонита) цилиндрический корпус, герметически закрытый с торцов крышками, пьезоэлектрические преобразователи, жестко закрепленные внутри корпуса, и заключенную между ними жидкостную (например, ртуть) инерционную массу. Каждый пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде сборки из металлической мембраны и закрепленных на ней двух пьезокерамических дисков.

При воздействии на корпус ускорения инерционная масса создает давление на пьезоэлементы, которые при этом прогибаются, а на их обкладках возникает заряды, плотность которых пропорциональна величине действующего ускорения.

При последовательном соединении пьезоэлектрических преобразователей сигналы, снимаемые с наружных обкладок пьезоэлементов суммируются, что повышает чувствительность устройства в целом.

Недостаток рассмотренного сейсмоприемника заключается в том, что наряду с полезным сигналом, возникающим под действием ускорения вдоль оси сейсмоприемника, на него накладываются паразитные звуковые колебания, которые могут действовать в самых различных направлениях.

Другой недостаток заключается в том, что давление жидкостной инерционной массы на пьезоэлементы рассредоточено по всей площади пьезокерамических дисков, в то время как наиболее чувствительной к деформирующим усилиям является их центральная часть.

Кроме того, к недостаткам устройства следует отнести технологическую сложность заполнения сейсмоприемника жидкостной инерционной массой, при котором необходимо избежать образования пустот, воздушных капель и подушек, так как прибольших гидростатических давлениях они могут стать причиной разрушения конструкции.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому техническому эффекту к изобретению являетсчя сеймометр [3] содержащий цилиндрический корпус, герметически закрытый с торцов крышками, и пьезоэлементы в форме дисков, жестко закрепленных внутри корпуса. Между пьезоэлементами размещена инерционная масса в виде цилиндрического поршня, жестко закрепленного на пьезоэлементах при помощи шайб, уплотнительных прокладок и зажимных винтов, установленных в центре дисков. Свободное пространство между пьезоэлементами, инерционной массой и корпусом заполнено демпфирующей жидкостью.

Воздействие ускорения на корпус сейсмометра вдоль оси чувствительности приводит к одновременному прогибу пьезоэлементов, на обкладках которых возникают заряды, плотность которых пропорциональна величине действующего ускорения. При этом демпфирующая жидкость гасит собственные колебания инерционной массы, улучшая амплитудно-частотную характеристику сейсмометра. При последовательном соединении пьезоэлементов их заряды, являющиеся выходным сигналом, суммируются, повышая чувствительность сейсмометра.

Недостатком сейсмометра является то, что заряды, возникающие на обкладках пьезоэлементов, в результате боковых воздействий и различных звуковых колебаний в скважине, представляющие собой помеху, регистрируются как полезный сигнал.

Другой недостаток состоит в том, что демпфирующая жидкость рассредотачивает давление инерционной массы на пьезоэлементы, что уменьшает изгибные деформации и, следовательно, чувствительность сейсмометра. Этот недостаток усугубляется тем, что в центральной части пьезоэлементов, наиболее чувствительной к деформирующим усилиям, имеется отверстие под узел крепления инерционной массы к пьезоэлементам.

Недостатком рассматриваемого устройства является также зависимость вязкости демпфирующей жидкости, а следовательно, и эффективности демпфирования от температуры.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и точности измерений в широком диапазоне изменения температуры.

Это достигается тем, что в устройстве, содержащем цилиндрический корпус, герметически закрытый с торцов крышками, пьезоэлементы в форме дисков, жестко закрепленных по контуру внутри корпуса, и инерционную массу в виде цилиндрического поршня, установленного между пьезоэлементами и жестко скрепленного с ними, пьезоэлементы изогнуты наружу при помощи осевых упоров, размещенных с торцов инерционной массы и электрически изолирующих ее от внутренних токопроводящих обкладок пьезоэлементов, а наружные токопроводящие обкладки пьезоэлементов выполнены из двух концентрически расположенных и электрически изолировнных секций с возможностью подключения одной из секций каждого пьезоэлемента в измерительную цепь усилителя заряда, а другой в цепь отрицательной обратной связи последнего, причем выходы усилителей заряда каждого из пьезоэлементов соединены с входом дифференциального усилителя.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство, продольный разрез; на фиг. 2 конструкция наружных обкладок пьезоэлементов; на фиг. 3 электрическая схема акселерометра.

Дифференциальный акселерометр содержит цилиндрический корпус 1, герметически закрытый с торцов крышками 2, пьезоэлементы 3 в форме дисков, жестко закрепленных по контуру внутри корпуса, и инерционную массу 4 в виде цилиндрического поршня, установленного между пьезоэлементами и жестко скрепленного с ними. Пьезоэлементы изогнуты наружу при помощи осевых упоров 5, размещенных с торцов инерционной массы и изолирующих ее от внутренних токопроводящих обкладок 6 пьезоэлементов.

Наружные токопроводящие обкладки пьезоэлементов выполнены из двух концентрически расположенных и электрически изолированных секций 7 и 8. Одна из секций каждого пьезоэлемента может быть подключена в измерительную цепь усилителя заряда 9, а другая в цепь отрицательной обратной связи последнего. При этом выходы усилителей заряда каждого из пьезоэлементов соединены с входом дифференциального усилителя 10.

Устройство работает следующим образом.

При воздействии ускорения на корпус 1 инерционная масса 4 давит на пьезоэлементы 3, деформируя их. При этом на токопроводящих обкладок 6, 7 и 8 пьезоэлементов возникают заряды, плотность которых пропорциональна величине деформации и деформирующего на корпус ускорения. Благодаря направленному действию осевых упоров 5 на пьезоэлементы повышается чувствительность устройства. С пьезоэлементов заряды подаются на усилители заряда 9.

Наличие отрицательной обратной связи в усилителях заряда и подключение секций наружных токопроводящих обкладок 7 и 8, соответственно в измерительную цепь и цепь отрицательной обратной связи позволяет стабилизировать работу усилителей заряда и повысить точность измерений в широком диапазоне измерения температуры. С выхода усилителей заряда сигналы подаются на дифференциальный усилитель. При воздействии ускорения на корпус в осевом направлении, вызывающем полезный сигнал, пьезоэлементы изгибаются в одну сторону. Поскольку пьезоэлементы имеют начальный изгиб наружу, один из них будет при этом испытывать деформацию сжатия, а другой растяжения. При этом на выходе усилителей заряда будут действовать сигналы разного знака, которые, проходя через дифференциальный усилитель 10, суммируются. При воздействии поперечных ускорений на корпус, вызывающих паразитный сигнал, пьезоэлементы, благодаря начальному изгибу будут деформироваться одинаково, работая либо на сжатие, либо на растяжение. При этом на выходе усилителей заряда будут действовать сигналы одного знака, которые при прохождении через дифференциальный усилитель будут вычитаться, уменьшая уровень паразитного сигнала.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет использовать дифференциальный усилитель для усиления полезного сигнала и подавления помех, что повышает чувствительность и точность измерений.

Использование: в измерительной технике. Сущность изобретения: с помощью осевых упоров, расположенных на торцах инерционной массы, пьезоэлементы изогнуты наружу, а их внутренние токопроводящие обкладки электрически изолированы от инерционной массы. Наружные токопроводящие обкладки пьезоэлементов выполнены в виде двух концентрически расположенных и электрически изолированных секций, одна из которых подключается в измерительную цепь усилителя заряда, а другая - в цепь отрицательной обратной связи последнего. При этом выходы усилителей заряда каждого из пьезоэлементов соединены с входом дифференциального усилителя. Конструкция акселерометра позволяет использовать дифференциальный усилитель для усиления полезного сигнала и ослабления помех, что повышает чувствительность и точность измерений. 3 ил.

Дифференциальный акселерометр, содержащий цилиндрический корпус, герметически закрытый с торцов крышками, пьезоэлементы в форме дисков жестко закрепленных по контуру внутри корпуса, и инерционную массу в виде цилиндрического поршня, установленного между пьезоэлементами и жестко скрепленного с ними, отличающийся тем, что пьезоэлементы изогнуты наружу при помощи осевых упоров, размещенных с торцов инерционной массы и электрически изолирующих ее от внутренних токопроводящих обкладок пьезоэлементов, а наружные токопроводящие обкладки пьезоэлементы выполнены из двух концентрически расположенных и электрически изолированных секций с возможностью подключения одной из секций каждого пьезоэлемента в измерительную цепь усилителя заряда, а другой в цепь отрицательной обратной связи последнего, причем выходы усилителей заряда каждого из пьезоэлементов соединены с входом дифференциального усилителя.