САМООРИЕНТИРУЮЩИЙСЯ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ СЕЙСМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК G01V1/16 G01H11/06 G01P15/08 

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

Известны вертикальные сейсмопреобразователи, в которых пьезоэлектрический чувствительный элемент, нагруженный инерционной массой, закреплен внутри жесткого внешнего корпуса [1]. Недостатком известных устройств является снижение точности измерений при отклонении оси чувствительности от вертикали, что ограничивает их использование областями, где возможен контроль за положением корпуса преобразователя в процессе измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является самоориентирующийся вертикальный сейсмопреобразователь, содержащий корпус, внутри которого размещена пьезоэлектрическая радиально поляризованная сфера, заполненная жидкостной инерционной массой [2].

Недостатком данного преобразователя является его низкая чувствительность, что связано с ограниченными размерами сферы и отсутствием в природе жидкостей с плотностью, большей плотности ртути.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности сейсмопреобразователя.

Указанная цель достигается тем, что в известном сейсмопреобразователе, содержащем корпус и пьезоэлектрическую радиально поляризованную сферу, пьезоэлектрическая радиально поляризованная сфера с металлизированной внутренней поверхностью, внутри которой находится шаровидная инерционная масса, закреплена с помощью симметрично расположенных поджатых упругих опор, внутри электропроводящего корпуса с постоянным зазором между сферой и корпусом, при этом пространство между сферой и корпусом частично заполнено несмачивающей неметаллизированную поверхность сферы электропроводящей жидкостью, а выходной сигнал снимается с внутренней обкладки сферы и с корпуса. Для демпфирования горизонтальных колебаний инерционной массы внутренняя полость сферы может быть частично заполнена жидкостью.

Предлагаемый самоориентирующийся сейсмопреобразователь имеет существенные отличия от известных, заключающиеся в том, что сферический чувствительный элемент имеет лишь одну обкладку и симметрично закреплен в корпусе с постоянным зазором, а электрический контакт между сферой и корпусом осуществляется с помощью несмачивающей электропроводящей жидкости.

Такая конструкция сейсмопреобразователя позволяет локализовать рабочий участок пьезоэлемента независимо от положения его корпуса в пространстве и достигнуть высокой чувствительности в отличие от прототипа [2], в котором заряд всегда снимается со всей поверхности пьезоэлемента, что не позволяет добиться высокой чувствительности преобразователя.

На чертеже представлен в разрезе предлагаемый сейсмопреобразователь. Шаровидная инерционная масса 1 расположена внутри радиально поляризованной пьезоэлектрической сферы 2, закрепленной с постоянным зазором внутри корпуса 3 с помощью симметрично расположенных упругих опор 4. Пространство между корпусом и пьезоэлектрической сферой частично заполнено несмачивающей неметаллизированную поверхность сферы электропроводящей жидкостью 5. Выходной сигнал преобразователя снимается с внутренней обкладки сферы 6 и с электропроводящего корпуса 3. Сейсмопреобразователь работает следующим образом. При воздействии переменного вертикального ускорения инерционная масса 1 воздействует на пьезоэлемент 2 с силой, пропорциональной действующему ускорению, в результате чего на поверхности пьезоэлемента 2 генерируются заряды, величина которых также пропорциональна действующему ускорению. Заряды снимаются с поверхности пьезоэлемента с помощью обкладки 6 и электропроводящей жидкости 5. Между инерционной массой 1 и сферой 2 залита демпфирующая жидкость 7. При этом на сферу 2 действуют силы не только со стороны инерционной массы 1, но и со стороны упругих опор 4, что также приводит к генерации на ее поверхности электрических зарядов. Однако сфера 2 закреплена внутри корпуса 3 таким образом, что силы, действующие со стороны опор 4 на нее всегда равны и противоположны по направлению, а значит возникающие при этом заряды взаимно компенсируются, независимо от положения корпуса сейсмопреобразователя и направления действия ускорения. При действии бокового ускорения инерционная масса 1 практически не смещается, так как преобразователь предназначен для регистрации ускорений меньше 1 м/с², сила ее взаимодействия с пьезоэлементом 2 изменяется незначительно и результирующее изменение заряда на пьезоэлементе 2 в a/2g раз меньше, чем при действии такого же по величине вертикального ускорения [3] . Здесь a - действующее горизонтальное ускорение, g = 9,81 м/с².

Таким образом, предлагаемый сейсмопреобразователь, независимо от положения его корпуса, имеет ось наибольшей чувствительности, ориентированную по вертикали, что делает его особенно удобным при использовании в труднодоступных местах, где невозможен контроль за положением корпуса сейсмопреобразователя. Расчеты показывают, что коэффициент преобразования K предлагаемого сейсмопреобразователя зависит от многих факторов и может быть рассчитан из выражения [3]:
здесь R_м - радиус инерционной массы, M - масса инерционной массы, R_с - радиус срединной поверхности сферы, ρ - плотность инерционной массы, g₃₁, g₃₃ - пьезоэлектрические постоянные пьезокерамики, h - толщина стенок пьезоэлектрической сферы, S_к - площадь контакта жидкости со сферой.

Следует заметить, что данное соотношение применимо лишь при h, меньшем 0,1 • R_с.

Экспериментальное исследование макетов предлагаемых сейсмопреобразователей со следующими параметрами: h = 2 • 10^-3 м, R_с = 1,9 • 10^-2 м, R_м = 1,4 • 10^-2 м, ρ = = 11,3 • 10³ кг/м³ (свинец) g₃₁ = -1,1 • 10^-2 В•м/Н, g₃₃ = 2,5 • 10^-2 В• м/Н, S_к = 2 см² позволило получить значение коэффициента преобразования K = 109 мВ • с²/м, C = 1 нФ и f_рез = 600 Гц. Сфера была закреплена внутри внешнего корпуса на 8 симметрично расположенных опорах диаметром 4 мм и длиной 3 мм, изготовленных из литой резины. В качестве проводящей несмачивающей жидкости использовалась ртуть. Разброс коэффициента преобразования в зависимости от положения корпуса преобразователя не превысил ± 10 мВ • с²/м.

Расчет в соответствии с выражением (1) дает для K значение K = 103 мB • c²/м.

В то же время, расчетное значение коэффициента преобразования сейсмопреобразователя, взятого в качестве прототипа, составляет [3]:
K = ρg₃₁R²,
где ρ - плотность жидкостной инерционной массы, g₃₁ - пьезоэлектрическая постоянная пьезокерамики, R - внутренний радиус пьезоэлектрической сферы, что при тех же параметрах и ρ = 13,5 • 10³ кг/м³ (ртуть) дает K = 48 мВ • с²/м.

Так как коэффициент преобразования предлагаемого сейсмопреобразователя K~ R⁴, а у прототипа K~R², где R радиус сферы, то при увеличении размеров пьезокерамической сферы разница в коэффициентах преобразования может достичь десяти и более раз. Таким образом, предлагаемый сейсмопреобразователь обладает значительно большей чувствительностью по сравнению с прототипом.

Предлагаемый самоориентирующийся вертикальный сейсмопреобразователь может найти применение в скважинной и морской сейсмометрии, в буксируемых сейсмокосах.

Использование: для измерения параметров вертикальных колебаний. Сущность изобретения: в устройстве эффект самоориентации достигается за счет того, что пьезоэлектрическая сфера 2, являющаяся чувствительным элементом и содержащая внутри шаровидную инерционную массу 1 и демпфирующую жидкость 7, симметрично и с постоянным зазором закреплена на упругих опорах 4 в жестком корпусе 3. Выходной сигнал снимается с внутренней обкладки сферы и с корпуса, для чего служит небольшое количество электропроводящей несмачивающей жидкости 5, находящейся между сферой и корпусом. Такая конструкция в силу своей симметричности позволяет обеспечить нечувствительность сейсмопреобразования к горизонтальной составляющей ускорения и тем самым получить эффект самоориентации. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Самоориентирующийся вертикальный сейсмопреобразователь, содержащий внешний корпус и пьезоэлектрическую радиально поляризованную сферу, отличающийся тем, что пьезоэлектрическая радиально поляризованная сфера с неметаллизированной внешней поверхностью, внутри которой находится шаровидная инерционная масса, закреплена с помощью симметрично расположенных поджатых упругих опор внутри внешнего электропроводящего корпуса с постоянным зазором между сферой и корпусом, при этом пространство между сферой и корпусом частично заполнено не смачивающей неметаллизированную поверхность сферы электропроводящей жидкостью, а выходной сигнал снимается с внутренней обкладки сферы и внешнего корпуса. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пьезоэлектрическая сфера частично заполнена жидкостью.