СЕЙСМОПРИЕМНИК УСКОРЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к геофизическому приборостроению, а также может быть использовано в вибротехнике.

Известен геофон /1/ с выходным сигналом, пропорциональным ускорению перемещений его корпуса. Инерционным элементом геофона является проводящее кольцо, расположенное в двух воздушных зазорах дифференциальной магнитной системы. Вихревые токи, возникающие в проводящем кольце при относительном перемещении магнитной системы и проводящего кольца, наводят в обмотках ЭДС, пропорциональную ускорению относительного перемещения. Недостатком геофона является то, что сигнал на его выходе пропорционален ускорению перемещения, начиная с собственной частоты геофона а до собственной частоты выходной сигнал пропорционален четвертой степени относительного перемещения. Кроме того, показатель преобразования геофона на порядок меньше показателей преобразования известных геофонов.

Известен низкочастотный сейсмометр /2/ с выходным сигналом, пропорциональным ускорению перемещения его корпуса. Сейсмометр содержит магнитную систему, инерционный элемент, выполненный в виде катушки с проводящим кольцом и обмоткой, и две пружины, соединяющие катушку с магнитной системой. Кольцевой воздушный зазор магнитной системы расположен между полюсным наконечником, установленным на постоянном магните, и полюсным наконечником, установленным в магнитопроводе. Катушка расположена в кольцевом воздушном зазоре симметрично относительно длины полюсных наконечников.

Недостаток сейсмометра заключается в том, что он не защищен от внешних электромагнитных полей и, кроме того, его масса более чем на порядок превышает массу сейсмоприемников, применяемых при проведении сейсморазведочных работ.

Наиболее близким по техническому решению является электродинамический преобразовательный блок сейсмоприемника ускорений /3/, содержащий магнитную систему, состоящую из постоянного магнита с выбранным диаметром и длиной, а также напряженностью и магнитной индукцией в точке, соответствующей максимуму удельной магнитной энергии на кривой удельного магнитного потока, отдаваемого постоянным магнитом в воздушные зазоры, из двух полюсных наконечников, установленных на постоянном магните, из магнитопровода с двумя полюсными наконечниками, выполненных в нем концентрично и совпадающими по длине с полюсными наконечниками, установленными на постоянном магните, и образующие с ними два кольцевых воздушных зазора, механическое колебательное звено, состоящее из катушки с обмоткой, расположенной в одном кольцевом воздушном зазоре и занимающей весь его используемый объем, и с проводящим кольцом, расположенным в другом кольцевом и воздушном зазоре симметрично по обе стороны длины полюсных наконечников и занимающим весь его используемый объем, из двух пружин, соединяющих катушку с магнитной системой.

Недостаток /3/ заключается в том, что его коэффициент преобразования на средних частотах меньше коэффициента преобразования известных электродинамических сейсмоприемников скорости и, кроме того, он не защищен от влияния внешних электромагнитных полей.

Цель изобретения увеличение коэффициента преобразования сейсмоприемника ускорений на средних частотах, расширение частотного диапазона в сторону низких частот и защита его от влияния внешних электромагнитных полей.

Поставленные цели достигаются тем, что в сейсмоприемнике ускорений, содержащем магнитную систему, состоящую из постоянного магнита с выбранным диаметром D, длиной l, напряженностью H и магнитной индукцией B в точке, соответствующей максимуму удельной магнитной энергии на кривой удельного магнитного потока, отдаваемого постоянным магнитом в воздушные зазоры, из двух полюсных наконечников, установленных на постоянном магните, из магнитопровода, из двух полюсных наконечников, выполненных в магнитопроводе концентрично и совпадающими по длине с полюсными наконечниками, установленными на постоянном магните, и образующие с ним два кольцевых воздушных зазора, механическое колебательное звено, состоящее из катушки с обмоткой и проводящим кольцом, установленными в кольцевых воздушных зазорах, из двух пружин, соединяющих катушку с магнитной системой, отличающийся тем, что в него введена вторая обмотка и второе проводящее кольцо, причем обмотки расположены на проводящих кольцах и установлены в каждом кольцевом воздушном зазоре, при этом конструктивные параметры сейсмоприемника ускорений связаны соотношением:

где Δ длина кольцевого воздушного зазора;
m_o 1,256•10^-6 Гнм^-1 магнитная проницаемость воздуха;
t толщина стенки полюсного наконечника, установленного на постоянном магните;
c толщина проводящего кольца катушки;
σ коэффициент усреднения магнитной индукции, распределенной в воздушном зазоре по длине обмотки катушки;
f₀ собственная частота механического колебательного звена;
d плотность катушки, определяемая отношением массы катушки к объему, занимаемому катушкой в воздушных зазорах на длине обмоток;
F отношение квадрата верхней частоты частотного диапазона к квадрату f₀;
a (а₁+ а₂)/2, где a₁ зазор между внутренней цилиндрической поверхностью катушки и цилиндрической поверхностью полюсных наконечников магнитопровода, a₂ зазор между наружней цилиндрической поверхностью катушки и цилиндрической поверхностью полюсных наконечников магнитопровода;
a коэффициент, учитывающий линейное рассеивание магнитного потока в воздушном зазоре;
e коэффициент, учитывающий нелинейное рассеяние магнитного поля.

На фиг. 1 изображен сейсмоприемник ускорений и график распределения магнитной индукции в кольцевом воздушном зазоре; на фиг. 2 амплитудные частотные характеристики (АЧХ) сейсмоприемников.

Магнитная система сейсмоприемника ускорений (см. фиг. 1) состоит из постоянного магнита 1, двух полюсных наконечников 2, магнитопровода 3 с двумя полюсными наконечниками 4. Фланец 5 соединен полюсными наконечниками 2 с магнитопроводом 3. Механическое колебательное звено сейсмоприемника ускорений состоит из инерционного элемента катушки 6, двух пружин 7, связывающих катушку с магнитной системой, и электромагнитных демпферов-проводящих колец 8 катушки, размещенных в кольцевых воздушных зазорах магнитной системы. Обмотки 9 катушки, расположенные в кольцевых воздушных зазорах магнитной системы, являются электродинамическим преобразователем. Распределение магнитной индукции в кольцевом воздушном зазоре изображено графиком 10.

Конструктивные параметры сейсмоприемника ускорений имеют следующие обозначения: D и l диаметр и длина постоянного магнита; D длина кольцевого воздушного зазора; b длина полюсного наконечника; l_k - длина обмотки катушки; t толщина стенки полюсного наконечника; a₁ и a₂ зазоры между полюсными наконечниками и катушкой.

Максимальное значение магнитной индукции в кольцевом воздушном зазоре обозначено B_м. Ha фиг. 2 изображены АЧХ электродинамического сейсмоприемника скорости GS-20DX (с собственной частотой 10 Гц) графиком II, АЧХ электродинамического преобразовательного блока сейсмоприемника ускорений графиком 12 и АЧХ сейсмоприемника ускорения 13.

Сейсмоприемник ускорения работает следующим образом.

Механическое колебательное звено преобразует колебательные перемещения магнитной системы, связанной через корпус сейсмоприемника с исследуемым объектом, в колебательные перемещения магнитной системы относительно инерционного элемента катушки. Электродинамический преобразователь обмотки катушки, размещенные в кольцевых воздушных зазорах магнитной системы, преобразуют относительные колебательные перемещения магнитной системы и катушки в напряжение.

В источнике /3/ показано то, что индуктивная связь, существующая между проводящим кольцом и обмоткой, намотанной на нем, сокращает сверху частотный диапазон сейсмоприемника ускорения до частоты w выражаемой формулой

где K_п коэффициент преобразования сейсмоприемника ускорений по скорости перемещения;
m масса катушки;
ω_o собственная круговая частота механического колебательного звена, равная 2πf_o
β степень затухания;
L индуктивность катушки.

Большие значения w_o и β могут уменьшить частоту ω до значений, меньших верхней частоте желаемого частотного диапазона сейсмоприемника. Положим то, что частота w не должна быть меньше частоты, равной 2ω_в где ω_в верхняя частота частотного диапазона сейсмоприемника ускорений. Из источника /3/ известно то, что

Подставив эти выражения в формулу, после преобразования получим

Выразим K_п, m и L через заданные и конструктивные параметры сейсмоприемника ускорений.

В сейсмоприемнике с дифференциальной магнитной системой и двумя обмотками
K_п 2K_п1 2B_срl₀W₁,
где
B_ср- среднее значение магнитной индукции в кольцевом воздушном зазоре;
l₀ средняя длина одного витка обмотки;
W₁ количество витков обмотки в одном кольцевом воздушном зазоре.

B_ср найдем из выражения
B_cp= B_m•σ,
где
σ -коэффициент усреднения магнитной индукции.

Коэффициент усреднения определим из фиг. 1

Для рассматриваемого сейсмоприемника ускорений 0,91 < σ < 0,95.

Из источника /3/ известно то, что

Средняя длина одного витка обмотки равна

Подставив найденные выражения для B_ср и l₀ в формуле для определения K_п, получим

Массу катушки найдем из выражения

Индуктивность катушки будет складываться из индуктивности двух обмоток
L = 2L₁= 2gW21

Эта проводимость равна половине проводимости кольцевого воздушного зазора вдоль магнитного потока

Тогда

Найденные выражения для K_п, m и L подставим в формулу для определения f₀ и после преобразования получим

Из источника /3/ известно то, что

Подставив выражение l_k в предыдущее уравнение и, решив его относительно Δ получим

Значение Δ по этой формуле просто получить способом последовательного приближения. Задавшись начальным значением D равным, например, 2 мм, и подставив это значение D в правую часть формулы, вычислим D Вычисленное значение D вновь подставим в правую часть формулы и вычислим новое значение D Такой способ решения быстро, через два-три шага, приводим к точному значению D Этот способ решения проще прямого способа, заключающегося в том, что правую и левую часть формулы возводят в четвертую степень, и получив уравнение четвертой степени, находят его корни.

Вычислив размер кольцевого воздушного зазора, затем по формулам, приведенным в источнике /3/, определяют остальные конструктивные параметры сейсмоприемника ускорений.

Предлагаемое техническое решение позволит создать сейсмоприемник ускорений, защищенный от воздействия внешних электромагнитных помех с увеличенным по сравнению с прототипным коэффициентом преобразования и с уменьшенным коэффициентом нелинейных искажений. Сейсмоприемник ускорений найдет применение при проведении сейсморазведочных работ по методу высокоразрешающей сейсморазведки и может быть использован в качестве контрольного прибора в вибросейсмических источниках колебаний.

Использование: изобретение относится к геофизическому приборостроению, также может быть использовано в вибротехнике. Сущность изобретения: сейсмоприемник ускорений, содержащий магнитную систему, состоящую из постоянного магнита с выбранным диаметром D, длиной l, напряженностью и магнитной индукцией B в точке, соответствующей максимуму удельной магнитной энергии на кривой удельного магнитного потока, отдаваемого постоянным магнитом в воздушные зазоры, из двух полюсных наконечников, установленных на постоянном магните, из магнитопровода, из двух полюсных наконечников, выполненных в магнитопроводе концентрично и совпадающими по длине с полюсными наконечниками, установленными на постоянном магните, и образующие с ними два кольцевых воздушных зазора, механическое колебательное звено, состоящее из двух катушек с обмотками, расположенными на проводящих кольцах. Проводящие кольца с обмотками установлены в каждом кольцевом воздушном зазоре. Конструктивные параметры сейсмоприемника ускорений связаны соотношением
,
где
μ_o = 1,256•10^-6 Гнм^-1 - магнитная проницаемость воздуха;
t - толщина стенки полюсного наконечника; C - толщина проводящего кольца катушки; Δ - кольцевой воздушный зазор; σ - коэффициент усреднения магнитной индукции, распределенной в воздушном зазоре по длине обмотки катушки; f₀ - собственная частота механического колебательного звена; δ - плотность катушки, определяемая отношением массы катушки, деленной на объем, занимаемый катушкой в воздушных зазорах на длине обмоток; F - отношение квадрата верхней частоты частотного диапазона к квадрату f₀, a = (a₁ + a₂)/2, где a₁ - зазор меду внутренней цилиндрической поверхностью катушки и цилиндрической поверхностью полюсных наконечников магнитопровода, a₂ - зазор между наружной цилиндрической поверхностью катушки и цилиндрической поверхностью полюсных наконечников магнитопровода; α - коэффициент, учитывающий линейное рассеяние магнитного потока в воздушном зазоре; ε - коэффициент, учитывающий нелинейное рассеивание магнитного поля. 2 ил.

Сейсмоприемник ускорений, содержащий магнитную систему, состоящую из постоянного магнита с выбранным диаметром D, длиной L, напряженностью Н и магнитной индукцией В в точке, соответствующей максимуму удельной магнитной энергии на кривой удельного магнитного потока, отдаваемого постоянным магнитом в воздушные зазоры, двух полюсных наконечников, установленных на постоянном магните, магнитопровода, двух полюсных наконечников, выполненных в магнитопроводе концентрично и совпадающих по длине с полюсными наконечниками, установленными на постоянном магните, и образующие с ними два кольцевых воздушных зазора, механическое колебательное звено, состоящее из катушки с обмоткой и проводящим кольцом, установленными в кольцевых воздушных зазорах, и двух пружин, соединяющих катушку с магнитной системой, отличающийся тем, что в него введены вторая обмотка и второе проводящее кольцо, причем обмотки расположены на кольцах и установлены в каждом кольцевом воздушном зазоре, при этом конструктивные параметры сейсмоприемника ускорений связаны соотношением

где Δ - длина кольцевого воздушного зазора;
μ_o- 1,256 • 10^- 6 Гнм^- 1 магнитная проницаемость воздуха;
t толщина стенки полюсного наконечника, установленного на постоянном магните;
c толщина проводящего кольца катушки;
σ - коэффициент усреднения магнитной индукции, распределенной в воздушном зазоре по длине обмотки катушки;
f₀ собственная частота механического колебательного звена;
δ - плотность катушки, определяемая отношением массы катушки к объему, занимаемому катушкой в воздушных зазорах на длине обмоток;
F отношение квадрата верхней частоты частотного диапазона к квадрату f₀;
а (а₁ + а₂)/2, где а₁ зазор между внутренней цилиндрической поверхностью катушки и цилиндрической поверхностью полюсных наконечников магнитопровода, а₂ зазор между наружной цилиндрической поверхностью катушки и цилиндрической поверхностью полюсных наконечников магнитопровода;
α - коэффициент, учитывающий линейное рассеивание магнитного потока в воздушном зазоре;
ε - коэффициент, учитывающий нелинейное рассеивание магнитного поля.