СЕЙСМОМЕТР-НАКЛОНОМЕР-ДЕФОРМОМЕТР Российский патент 2001 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области гравитационных измерений, а именно к сейсмометрии.

Известен сейсмометр (см., например, Трифонов Н.В. "Сейсмическая станция ССМ", Техническое описание, М., ИФЗ РАН, 80), содержащий основание, на котором на двух упругих элементах установлены инертная масса и катушка, магнитную систему, включающую последовательно соединенные магнитопровод, постоянный магнит и полюсный наконечник, причем катушка помещена в рабочем зазоре между магнитопроводом и полюсным наконечником, винтовую пружину, закрепленную одним концом на основании, а другим на инертной массе, емкостной датчик перемещений, выходной электрод которого соединен с инертной массой, а два электрода возбуждения - с основанием, генератор синусоидальных колебаний, два выхода которого соединены с электродами возбуждения емкостного датчика, а также усилитель, соединенный первым входом с выходным электродом емкостного датчика, вторым входом - с выходами генератора синусоидальных колебаний, а выходом - с катушкой.

Этот сейсмометр обеспечивает достаточно высокие метрологические характеристики, но имеет значительные габариты, обусловленные тем, что инертная масса, магнитная система, емкостной датчик перемещений и пружина выполнены на отдельных конструктивных элементах.

Известен сейсмометр (см., например, патент США N 4412317, кл. 367-185, 1984 г. ), содержащий основание, две магнитные системы, состоящие из последовательно соединенных цилиндрических магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника, две катушки, расположенные между магнитопроводами и полюсными наконечниками магнитных систем, а также усилитель, соединенный выходом со входом катушки.

Этот сейсмометр принят за прототип.

В известном сейсмометре, узел из магнитных систем выполняет функцию инертной массы, что снижает его габариты. Но отсутствие в нем датчика перемещения инертной массы не позволяет создать систему с обратной связью, что снижает метрологические характеристики сейсмометра.

Предложенное изобретение решает задачу повышения метрологических характеристик сейсмометра и расширения его функциональных возможностей без усложнения устройства.

Для решения указанной задачи сейсмометр, содержащий инертную массу, закрепленную в корпусе с помощью кронштейна и двух упругих шарниров и состоящую из двух симметричных изолированных друг от друга диэлектрической прокладкой магнитных систем, каждая из которых содержит магнитопровод, постоянный магнит и полюсный наконечник, два магнитомягких стержня, закрепленных в диэлектрическом корпусе соосно с продольной осью магнитных систем и размещенных в отверстиях на торцевых частях магнитных систем, внутри которых установлена катушка, размещенная на каркасе, закрепленном в диэлектрическом цилиндрическом корпусе, дополнительно содержит операционный усилитель, блок вычитания, сумматор и емкостной датчик перемещений, двумя возбуждающими электродами которого являются магнитопроводы двух магнитных систем, подключенные к генератору синусоидальных колебаний, а выходные электроды расположены на внутренней поверхности диэлектрического цилиндрического корпуса, разделены между собой диэлектриком и подключены к входам блока вычитания, выход которого является выходом деформометра, и входам сумматора, выход которого является выходом наклономера и подключен к входу операционного усилителя, причем катушка выполнена трехсекционной и включена в цепь обратной связи операционного усилителя, выход которого является выходом сейсмометра, причем соотношение между шириной диэлектрической прокладки и толщиной диэлектрика равно δ₁ = (2-3)δ₂.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого сейсмометра-наклономера-деформометра.

Сейсмометр-наклономер-деформометр содержит инертную массу 1, состоящую из двух симметричных магнитных систем 2, включающих в себя последовательно соединенные магнитопровод 3, постоянный магнит 4 и полюсный наконечник 5. Магнитные системы 2 изолированы друг от друга диэлектрической прокладкой 6, ширина которой δ₁. Магнитопроводы 3 магнитных систем образуют электроды возбуждения емкостного датчика перемещения инертной массы относительно корпуса 7. Выходные электроды емкостного датчика перемещения инертной массы выполнены в виде двух цилиндров 8, закрепленных на корпусе 7 и разделенные диэлектриком 9, толщина которого - δ₂. Соотношение между шириной диэлектрической прокладки 6 - δ₁ и толщиной диэлектрика 9 - δ₂ равно
δ₁ = (2-3)δ₂.
Инертная масса 1 посредством кронштейна 10 и двух упругих шарниров 11 соединена с корпусом 7. Для регулирования периода собственных колебаний инертной массы используются два стержня 12 из магнитомягкого сплава. Стержни 12, соединенные с корпусом 7 посредством резьбового соединения, могут перемещаться внутри магнитных систем 2.

Во внутренней части магнитной системы расположена трехсекционная катушка 13, в которой создается усилие для перемещения инертной массы 1.

Для возбуждения емкостного датчика используется генератор синусоидальных колебаний 14, напряжение с которого в противофазе подается на магнитные системы 2, выполняющие функции обкладок возбуждения емкостного датчика перемещения. Выходной сигнал емкостного датчика перемещения снимается с выходных электродов 8 и поступает на входы сумматора 15, выход которого является выходом наклономера, и блока вычитания 16, выход которого является выходом деформометра. Выход сумматора 15 подключен к входу операционного усилителя 17, выход которого является выходом сейсмометра. Усиленный операционным усилителем 17 сигнал с выхода сумматора 15 через дифференцирующий конденсатор 18 поступает на вход первой секции катушки 13, вход второй секции которой соединен с выходом сумматора 15 непосредственно. Третья секция катушки 13 используется для калибровки сейсмометра (на чертеже не показана).

Корпус сейсмометра 7 выполнен из диэлектрической керамики и состоит из двух равных частей, между которыми расположен упругий диэлектрик 9.

Сейсмометр работает следующим образом.

При колебаниях основания происходят перемещения инертной массы 1 относительно корпуса 7. Они измеряются емкостным датчиком перемещения и поступают через сумматор 15 на вход второй секции многосекционной катушки 13 непосредственно и через операционный усилитель 17 и дифференцирующий конденсатор 18 - на вход первой секции катушки 13.

Аналогичные перемещения инертной массы 1 относительно корпуса 7 сейсмометра происходят и при наклоне корпуса 7 сейсмометра на угол α. Причем сигнал, пропорциональный углу α с выхода сумматора 15 поступает лишь на вход второй секции катушки 13. На вход первой секции катушки 13 с выхода усилителя 17 сигнал не проходит из-за наличия в цепи дифференцирующего конденсатора 18, который не пропускает сигналы низкой частоты и постоянного уровня.

Таким образом, на выходе блока суммирования 15 получаем сигнал, пропорциональный углу α наклона корпуса сейсмометра, а на выходе усилителя 17 - сигнал, пропорциональный скорости перемещения корпуса сейсмометра (режим велосиметра).

Сигнал о деформациях корпуса 7 сейсмометра, который помещен на деформируемом основании, формируется вычитанием сигналов с выходных электродов 8 емкостного датчика перемещений в блоке вычитания 16.

Сейсмические возмущения и возмущения от наклонов различаются по спектральному составу.

Частота сейсмических движений колеблется в пределах 0,01 до 20 Гц. Геофизические наклоны представляют интерес в области частот ниже 0,0001 Гц. На этих частотах уровень сейсмических возмущений на несколько порядков ниже, чем от наклонов. Поэтому разделение сигналов, возникающих при наклонах от сейсмических возмущений, легко осуществить по их частотному спектру.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области гравитационных измерений, а именно к сейсмометрии. Сущность: сейсмометр-наклономер-деформометр содержит инертную массу, состоящую из двух симметричных магнитных систем, изолированных друг от друга диэлектрической прокладкой. Каждая магнитная система содержит магнитопровод, постоянный магнит и полюсный наконечник. Инертная масса закреплена в цилиндрическом корпусе из диэлектрического материала с помощью кронштейна и двух упругих шарниров. Два стержня из магнитомягкого сплава закреплены в диэлектрическом корпусе соосно с продольной осью магнитных систем и размещены в отверстиях на торцевых частях магнитных систем, внутри которых установлена трехсекционная катушка, размещенная на каркасе, закрепленном в диэлектрическом цилиндрическом корпусе, и включенная в цепь обратной связи операционного усилителя. Выходные электроды емкостного датчика перемещений расположены на внутренней поверхности диэлектрического цилиндрического корпуса симметрично относительно вертикальной оси магнитных систем и разделены между собой диэлектриком. Магнитопроводы двух магнитных систем, являющиеся двумя возбуждающими электродами емкостного датчика перемещений, подключены к противофазным выходам генератора синусоидальных колебаний. При этом выходные электроды емкостного датчика перемещений подключены к входам блока вычитания, выход которого является выходом деформометра, и сумматора, выход которого является выходом наклономера и подключен к входу операционного усилителя, выход которого является выходом сейсмометра. Технический результат: расширение области использования устройства за счет расширения его функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сейсмометр-наклономер-деформометр, содержащий инертную массу, закрепленную в корпусе с помощью кронштейна и двух упругих шарниров и состоящую из двух симметричных изолированных друг от друга диэлектрической прокладкой магнитных систем, каждая из которых содержит магнитопровод, постоянный магнит и полюсный наконечник, два магнитомягких стержня, закрепленных в диэлектрическом корпусе соосно с продольной осью магнитных систем и размещенных в отверстиях на торцевых частях магнитных систем, внутри которых установлена катушка, размещенная на каркасе, закрепленном в диэлектрическом цилиндрическом корпусе, отличающийся тем, что дополнительно содержит операционный усилитель, блок вычитания, сумматор и емкостной датчик перемещений, двумя возбуждающими электродами которого являются магнитопроводы двух магнитных систем, подключенные к генератору синусоидальных колебаний, а выходные электроды расположены на внутренней поверхности диэлектрического цилиндрического корпуса, разделены между собой диэлектриком и подключены к входам блока вычитания, выход которого является выходом деформометра, и сумматора, выход которого является выходом наклономера и подключен к входу операционного усилителя, причем катушка выполнена трехсекционной и включена в цепь обратной связи операционного усилителя, выход которого является выходом сейсмометра. 2. Сейсмометр-наклономер-деформометр по п.1, отличающийся тем, что соотношение между шириной диэлектрической прокладки δ₁ и толщиной диэлектрика δ₂ равно δ₁= (2-3)δ₂.