БИМОРФНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЕЙСМОПРИЕМНИК И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИДЕНТИЧНЫХ БИМОРФНЫХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕЙСМОПРИЕМНИКОВ Российский патент 1998 года по МПК G01V1/16 H01R17/00 H01L41/22 

Изобретение относится к области сейсмометрии и может быть использовано для контроля и измерения параметров колебаний почвы на суше и в морях, вызываемых искусственными или естественными источниками вибраций. Известны биморфные пьезоэлектрические сейсмоприемники и устройства аналогичного назначения, применяемые для решения поставленной задачи, содержащие корпус, цилиндрический опорный элемент и расположенный внутри корпуса биморфный дисковый пьезоэлемент с электродами, нанесенными на его поверхности [1, 2].

Известен способ получения идентичных по коэффициенту преобразования биморфных пьезоэлектрических сейсмоприемников, заключающийся в регулировании величины коэффициента преобразования до заданного значения при одновременном контроле значений выходного сигнала сейсмоприемника [3].

Сейсмоприемник [2] принят за прототип устройства, а способ [3] - за прототип способа получения идентичных по коэффициенту преобразования биморфных пьезоэлектрических сейсмоприемников.

Недостатками известных сейсмоприемника [2] и способа его получения [3] являются низкая чувствительность преобразователя и значительный разброс технических характеристик приборов, получаемых в процессе их изготовления (например, разброс по коэффициенту преобразования и по значению резонансной частоты).

Техническим результатом, получаемым при практической реализации сейсмоприемника и способа его получения, является повышение чувствительности преобразователя и получение идентичных технических характеристик (таких как резонансная частота и коэффициент преобразования) при изготовлении сейсмоприемников.

Данный технический результат в части устройства достигают за счет того, что в известном биморфном пьезоэлектрическом сейсмоприемнике, содержащем корпус, цилиндрический опорный элемент и расположенный внутри корпуса биморфный дисковый пьезоэлемент с электродами, нанесенными на его поверхности, электроды выполнены в виде колец, внутренний радиус которых равен радиусу цилиндрического опорного элемента, а наружный - 0,3-0,6 радиуса пьезоэлемента.

При этом соотношение радиусов оснований опорного элемента и дискового пьезоэлемента составляет 0,1-0,3.

В части способа поставленный технический результат достигается за счет того, что в известном способе получения идентичных по коэффициенту преобразования биморфных пьезоэлектрических сейсмоприемников, заключающемся в регулировании величины коэффициента преобразования до заданного значения при одновременном контроле значений выходного сигнала сейсмоприемника, величину коэффициента преобразования регулируют путем изменения площади электродов дискового пьезоэлемента.

При этом изменение площади электродов биморфного дискового пьезоэлемента проводят при одновременной подаче на него вибраций постоянной амплитуды.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг. 1 представлена схема сейсмоприемника, на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие существо сейсмоприемника и способа его получения.

Биморфный пьезоэлектрический сейсмоприемник содержит корпус (на фиг. 1 не показан), цилиндрический опорный элемент 1, биморфный дисковый пьезоэлемент 1 с электродами 3, нанесенными на его поверхности. При этом электроды 3 выполнены в форме колец, внутренний размер которых равен радиусу цилиндрического опорного элемента 1, а наружный - 0,3-0,6 радиуса пьезоэлемента 2.

Причем соотношение радиусов оснований опорного элемента 1 и дискового пьезоэлемента 2 составляет 0,1-0,3.

Сейсмоприемник также содержит крепежную ось 4 и гайку 5 для крепления элементов устройства.

Cущество сейсмоприемника и способа получения идентичных биморфных пьезоэлектрических сейсмоприемников основано на зависимости коэффициента поверхностного напряжения и резонансной частоты биморфного дискового пьезоэлемента от соотношений радиусов его внутреннего и внешнего контуров. Данные зависимости (фиг. 2) получены теоретически и подтверждены экспериментально.

Зависимость коэффициента поверхностного напряжения k_r биморфного дискового пьезоэлемента 2 соотношения r/b, где r - текущий радиус, а b - радиус внешнего контура пьезоэлемента 1 (радиус пьезоэлемента 2) носит экстремальный характер практически для любых соотношений a/b, где a - радиус внутреннего контура пьезоэлемента 2 (внутренний радиус пьезоэлемента 2 или радиус опорного элемента 1).

Оптимальной величиной соотношения радиусов внутреннего и внешнего контуров биморфных дисковых пьезоэлементов 2 будет r/b = 0,3-0,6. Данное соотношение оптимально для наружного радиуса электродов 3 по отношению к радиусу дискового пьезоэлемента 2.

В то же время коэффициент k_f, определяющий значение резонансной частоты (пунктирная линия), практически не зависит от соотношения радиусов внутреннего и внешнего контуров пьезоэлемента 2 в диапазоне a/b = 0,1-0,3. Данное соотношение определяет оптимальные относительные размеры радиусов оснований опорного элемента 1 и дискового пьезоэлемента 2.

Таким образом, выполнив последнее соотношение, мы получим идентичные сейсмоприемники по резонансной частоте.

Для получения идентичных сейсмоприемников по коэффициенту преобразования в испытательной лаборатории снимают с его пьезоэлемента выходной сигнал. При несовпадении значения выходного сигнала с контрольным значением уменьшают площадь электродов биморфного дискового пьезоэлемента 2, например, путем последовательной обрезки периферийной зоны электродов. Операцию проводят до тех пор, пока выходной сигнал с сейсмоприемника не будет равен контрольному значению.

При этом необходимый для испытаний сейсмоприемника входной сигнал всегда присутствует в лаборатории в виде вибраций. Если последние недостаточны по амплитуде, то на дисковый пьезоэлемент подают дополнительные вибрации постоянной амплитуды. Для этого сейсмоприемник располагают на вибростенде (на чертеже не показан).

Сейсмоприемник работает следующим образом.

При воздействии на прибор ускорения пьезоэлемента 2 под действием сил инерции испытывают изгибные деформации, что приводит к генерации зарядов на электродах 3. Величина зарядов пропорциональна величине ускорения, воздействующего на сейсмоприемник.

Электрический ток, снимаемый с электродов 3, усиливается и регистрируется соответствующей аппаратурой (на чертеже не показана).

Таким образом, сейсмоприемник обладает повышенной чувствительностью к ускорению из-за подбора оптимальных соотношений между его элементами. Технические характеристики сейсмоприемника практически не изменяются от прибора к прибору. По резонансной частоте это достигается в части устройства, а по коэффициенту преобразования - в части способа.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 178118, кл. H 04 R 17/00, 1962.

2. Авторское свидетельство СССР N 214113, кл. H 04 R 17/00, 1966 - прототип устройства.

3. Авторское свидетельство СССР N 600743, кл. H 04 R 17/00, 1976 - прототип способа.

Изобретение относится к сейсмометрии и может быть использовано в сейсмологии для контроля и измерения параметров колебаний почвы на суше и в море, вызываемых искусственными или естественными источниками вибраций. Сущность изобретения в том, что на основе теоретически и экспериментально полученных соотношений между внутренним и внешним контурами биморфного дискового пьезоэлемента, цилиндрической опорой и кольцевыми электродами найдены оптимальные соотношения, позволяющие повысить чувствительность сейсмоприемника и проводить изготовление сейсмоприемников с идентичными техническими характеристиками (чувствительность, резонансная частота и т.д.). Внутренний радиус кольцевых электродов биморфного дискового пьезоэлемента равен радиусу цилиндрического опорного элемента, а наружный - 0,3 - 0,6 радиуса биморфного дискового пьезоэлемента. Соотношение радиусов оснований опорного элемента и дискового пьезоэлемента составляет 0,1 - 0,3. Получение идентичных по коэффициенту биморфных пьезоэлектрических сейсмоприемников при их изготовлении проводят путем регулирования площади электродов пьезоэлемента при подаче на пьезоэлемент вибраций постоянной амплитуды и одновременной регистрации выходного сигнала с сейсмоприемника. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Биморфный пьезоэлектрический сейсмоприемник, содержащий корпус, цилиндрический опорный элемент и расположенный внутри корпуса, биморфный дисковый пьезоэлемент с электродами, нанесенными на его поверхности, отличающийся тем, что электроды выполнены в виде колец, внутренний радиус которых равен радиусу цилиндрического опорного элемента, а наружный - 0,3-0,6 радиуса пьезоэлемента. 2. Сейсмоприемник по п.1, отличающийся тем, что соотношение радиусов оснований опорного элемента и дискового пьезоэлемента составляет 0,1-0,3. 3. Способ получения идентичных по коэффициенту преобразования биморфных пьезоэлектрических сейсмоприемников, заключающийся в регулировании величины коэффициента преобразования до заданного значения при одновременном контроле значений выходного сигнала сейсмоприемника, отличающийся тем, что величину коэффициента преобразования регулируют путем изменения площади электродов биморфного дискового пьезоэлемента. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что изменение площади электродов биморфного дискового пьезоэлемента проводят при одновременной подаче на него вибраций постоянной амплитуды.