УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ Российский патент 2001 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к геофизическим, в частности сейсмоакустическим, методам исследований различных свойств горного массива и может быть использовано для контроля характеристик датчиков, применяющихся в сейсмоакустике.

Известно устройство содержащее излучатель УЗ колебаний, формирователь акустического поля, оптический интерферометр и электронную аппаратуру, где измерения проводятся в два этапа: сначала определяют механическое смещение на поверхности, а затем устанавливают исследуемый датчик на эту поверхность и определяют отклик его на механическое воздействие [1].

Недостатком данного устройства является то, что не учитывается присоединенная масса исследуемого датчика, в результате чего данное устройство не может обеспечить достоверность и точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее излучающий пьезоэлемент, размещенный в корпусе со звукопоглощающим материалом и соединенный с демпфером через контролирующий пьезоэлемент с одной стороны, с акустически прозрачным элементом с другой [2].

Недостатком данного устройства является низкая достоверность ввиду того, что в нем также не учитывается присоединенная масса. Исследуемые датчики могут иметь различную массу, которая в этом устройстве никак не учитывается, поэтому результаты измерений заведомо будут иметь низкую достоверность.

Целью изобретения является повышение достоверности проводимых измерений. Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, контролирующем характеристики сейсмоакустических датчиков, дополнительно между исследуемым датчиком и акустически прозрачным пластичным элементом устанавливают оптически прозрачную призму с двумя параллельными полупрозрачными зеркалами, расположенными под углом 45 градусов к основанию, с обеих сторон призмы диаметрально противоположно закрепляют опорное зеркало с оптическим квантовым генератором и фотоприемник, причем фотоприемник и опорное зеркало закреплены на крышке, и расстояние между опорным зеркалом и призмой выбирается исходя из заданной точности измерений смещения колебательной поверхности, а оптический квантовый генератор акустически развязан с устройством, при этом акустически прозрачный пластичный элемент акустически изолирован от крышки устройства, а в качестве оптического квантового генератора используют газовый лазер с монохроматическим излучением, длинна волны которого удовлетворяет заданной точности измерений.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен общий вид устройства.

Устройство содержит излучающий 1 и контролирующий 2 пьезоэлементы, например, из керамики ЦТС-19, акустически прозрачный пластичный элемент 3, например, из медной фольги, корпус 4 и крышку 5, выполненные, например, из стали 45, демпфер 6, например, из вольфрама, звукопоглощающий материал 7, приготовленный, например, из цемента марки 300 - 600 с наполнителем, оптически прозрачную призму 8 с двумя параллельными и расположенными под углом 45 градусов к основанию полупрозрачными зеркалами 12, опорное зеркало 9, фотоприемник 10, например фотодиод ФД-24, оптический квантовый генератор 11, например HE-NE лазер ЛГ-75.

Излучающий пьезоэлемент 1 соединен через контролирующий пьезоэлемент 2 с демпфером 6, расположенным в корпусе 4 с звукопоглощающим материалом 7, с одной стороны и с оптически прозрачной призмой 8 через акустически прозрачный элемент 3, акустически изолированный от крышки 5, - с другой. С обеих сторон призмы 8 диаметрально противоположно на крышке 5 размещены фотоприемник 10 и опорное зеркало 9. Оптический квантовый генератор 11 акустически развязан с устройством.

Устройство работает следующим образом. Исследуемый датчик устанавливают на свободную горизонтальную поверхность оптически прозрачной призмы 8. Возбуждают контролирующий пьезоэлемент 2 короткими импульсами, и по известной методике [2] определяют качество установки исследуемого датчика на стенд. После достижения удовлетворительного качества возбуждают излучающий пьезоэлемент 1 сигналом, необходимым для контроля характеристик исследуемого датчика. Элементы 8, 9, 10 входят в состав оптического интерферометра [1, 3] . С помощью оптического квантового генератора 11 и оптического интерферометра определяют смещение поверхности, на которой установлен исследуемый датчик. Ее колебания модулируют интенсивность интерференционной картины, в плоскости которой помещают фотоприемник 10. На выходе фотоприемника возникают электрические сигналы, достаточно точно воспроизводящие колебания поверхности. Ход оптических лучей показан на чертеже.

Итак, в результате проводимых измерений одновременно имеем электрические сигналы, пропорциональные колебанию поверхности, на которую установлен исследуемый датчик, и электрические сигналы с выхода исследуемого датчика. Следовательно, сопоставляя сигналы с выхода фотоприемника 10 и исследуемого датчика в одинаковые моменты времени с частотой, можно получить амплитудно-частотную характеристику и абсолютное значение коэффициента преобразования исследуемого датчика.

Величина силы тока на выходе фотоприемника 10 равна [1]

где i₀ = 4I₀4I_o γ, γ - чувствительность фотоприемника, а I₁ - I₂ = I₀;
L - разность плеч оптических путей;
λ - длина световой волны.

В этой формуле λ обратно пропорционально i. Следовательно, при выборе оптического квантового генератора нужно отдать предпочтение с меньшей λ.
Если не учитывать шумовые составляющие тока, то из формулы (1) следует, что изменение силы тока будет вызываться изменением оптической разности плеч L изменением длины световой волны λ. При равенстве интенсивности интерферирующих лучей I₁ = I₂ амплитуда измеряемых колебаний определяется по формуле
ΔL = (Δi/i_m)(λ/2π), (2)
где i_m - ток, соответствующий максимальной яркости интерференционной картины;
Δi - изменение силы тока.

Если интенсивности интерферирующих лучей не равны, то амплитуда определяется следующим образом
ΔL = [Δi/(i_max-i_min)](λ/2π), (3)
где i_max, i_min - значения фототоков, соответствующих максимальной и минимальной яркости интерференционной картины.

В этом случае для достижения высокой чувствительности необходимо добиваться максимального значения разности фототоков.

Устройство позволяет повысить достоверность контроля характеристик датчиков за счет одновременного сопоставления сигналов: один пропорциональный смещению возбуждающей поверхности в нагруженном состоянии, т.е. с установленным исследуемым датчиком, другой - пропорциональный отклику исследуемого датчика на смещение возбуждающей поверхности, что обеспечивает возможность контроля и градуировки исследуемых датчиков в широких пределах с достаточной точностью.

Литература
1. Бондаренко А.Н., Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И. Прецизионные акустические измерения оптическими и емкостными методами. Владивосток: ДВО АН СССР, 1990, с. 242.

2. Авт. св. СССР N 1693436, кл. G 01 N 1/16 от 22.07.91, БИ N 43.

3. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. Изд-во стандартов, 1976, с. 96.

Использование: для контроля характеристик датчиков, применяющихся в сейсмоакустике. Сущность: в устройство, контролирующее характеристики датчиков, дополнительно устанавливают оптически прозрачную призму с двумя параллельными полупрозрачными зеркалами. С обеих сторон призмы закрепляют опорное зеркало, оптический квантовый генератор и фотоприемник. Акустически прозрачный пластичный элемент акустически изолирован от крышки устройства. В качестве оптического квантового генератора используют газовый лазер с монохроматическим излучением, длина волны которого удовлетворяет заданной точности измерений. Технический результат: повышение достоверности определения характеристик сейсмоакустических датчиков. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство контроля характеристик сейсмоакустических датчиков, содержащее излучающий пьезоэлемент, соединенный через контролирующий пьезоэлемент с демпфером, расположенным в корпусе с звукопоглощающим материалом с одной стороны, и акустически прозрачным пластичным элементом, закрепленным в крышке, - с другой, отличающееся тем, что дополнительно на акустически прозрачный пластичный элемент установлена оптически прозрачная призма с двумя параллельными полупрозрачными зеркалами, расположенными под углом 45^o к основанию, с обеих сторон оптически прозрачной призмы диаметрально противоположно закреплены опорное зеркало и оптический квантовый генератор с фотоприемником, причем фотоприемник и опорное зеркало закреплены на крышке, а оптический квантовый генератор акустически развязан с устройством. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что акустически прозрачный пластичный элемент акустически развязан с крышкой. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве оптического квантового генератора используется газовый лазер с монохроматическим излучением, длина волны которого удовлетворяет заданной точности измерений, а флуктуация частоты находится в заданном диапазоне погрешности измерений. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между опорным зеркалом и призмой выбирается, исходя из заданной точности измерений смещения колебательной поверхности.