СЕЙСМОМЕТР С ЦИФРОВЫМ ИНТЕГРАТОРОМ Российский патент 2002 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, закрепленную одним концом на основании, а другим - на инертной массе, емкостный 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 и аналоговый интегратор, соединенные первыми входами с выходным электродом емкостного датчика, а выходами - с катушкой.

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

Наиболее близким к предложенному является сейсмометр (см., например, авт. св. СССР 1594472, кл. G 01 V 1/16, 88 г.), содержащий инертную массу, закрепленную в корпусе с помощью двух упругих шарниров, датчик силы, выполненный в виде блока индукционных катушек, размещенных на каркасе, включенный в цепь обратной связи внешнего блока регистрации скорости перемещения, датчик перемещений, выход которого подключен к входу внешнего блока регистрации перемещения, вход которого соединен с выходом генератора синусоидальных колебаний.

Этот сейсмометр принят за прототип.

Прототип, содержащий датчик перемещения инертной массы, представляет собой систему с обратной связью с высокими метрологическими характеристиками, но его способность работы в области частот менее 0,01 Гц ограничена используемыми во внешних блоках регистрации аналоговыми элементами, например усилителем.

Предложенный сейсмометр с цифровым интегратором решает задачу измерения сейсмических воздействий в области частот ниже 0,01 Гц.

Для решения указанной задачи в сейсмометре, содержащем инертную массу, закрепленную на основании с помощью двух упругих элементов, датчик перемещений, соединенный с входом измерителя на операционном усилителе, выход которого подключен к датчику силы, выполненному в виде многосекционной катушки, и генератор синусоидальных колебаний, датчик перемещений выполнен емкостным, а в сейсмометр введен цифровой интегратор, состоящий из двоичного и задающего счетчиков, регистра, цифроаналогового преобразователя и частотно-импульсного модулятора, первый вход которого подключен к выходу емкостного датчика перемещения, а выход через двоичный счетчик соединен с первым входом регистра, выходы генератора соединены с вторым входом частотно-импульсного модулятора и через задающий счетчик - с вторым входом регистра, выход которого через цифроаналоговый преобразователь связан с датчиком силы сейсмометра, при этом генератор синусоидальных колебаний выполнен кварцевым.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого сейсмометра с цифровым интегратором.

Сейсмометр содержит инертную массу 1, емкостный датчик перемещений 2 инертной массы, датчик силы 3, выполненный в виде многосекционной катушки, дифференцирующий операционный усилитель 4 и включенные между выходами емкостного датчика перемещений 2 и одним из входов датчика силы 3 последовательно соединенные частотно-импульсный модулятор (ЧИМ) 5 и двоичный счетчик 6, второй вход которого соединен с задающим счетчиком 7, регистр 8, выход которого через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 9 подключен к второму входу датчика силы 3, и кварцевый генератор 10, подключенный к синхронизирущим входам ЧИМ 5 и задающего счетчика 7.

Работает сейсмометр следующим образом.

При колебаниях основания происходят перемещения инертной массы 1 относительно корпуса. Они фиксируются емкостным датчиком перемещения 2 и поступают через дифференцирующий операционный усилитель 4 и формирующий сигнал по положению и скорости на входы датчика силы 3, выполненного в виде многосекционной катушки.

Для стабилизации положения инертной массы 1 относительно корпуса в современных сейсмометрах используется контур интегральной обратной связи. В теории авторегулирования это называется введением астатизма первого порядка. В сейсмометрах интеграторы выполняются, как правило, в аналоговом исполнении. Аналоговые интеграторы не позволяют организовать интегральную обратную связь в полосе частот, не превышающей сотых долей герца. Это обусловлено их дрейфами во времени и при изменении условий эксплуатации.

Введение цифрового интегратора позволяет устранить эти недостатки за счет того, что интегратор из усилителя 4 исключается, а сигнал от емкостного датчика 2 преобразуется ЧИМ 5 в последовательность импульсов, которые подсчитываются в счетчике 6. Время счета задается задающим счетчиком 7. После окончания очередного цикла счета содержимое счетчика 6 переписывается в регистр 8 и через ЦАП 9 поступает в виде токового сигнала на другой вход катушки датчика силы 3. Кварцевый генератор 10 служит задающим генератором и синхронизирует работу ЧИМ 5 и счетчика 7.

Использование цифрового интегратора в сейсмометре позволило реализовать интегральную обратную связь в области частот f < 0,01 Гц и тем самым расширить диапазон измерения сейсмических воздействий в области низких частот.

Использование: для измерения сейсмических воздействий в области частот ниже 0,01 Гц. Сейсмометр содержит инертную массу, закрепленную на основании с помощью двух упругих элементов, емкостный датчик перемещений, соединенный с входом дифференцирующего усилителя, выход которого подключен к датчику силы, выполненному в виде многосекционной катушки, цифровой интегратор, состоящий из двоичного и задающего счетчиков, регистра цифроаналогового преобразователя и частотно-импульсного модулятора, первый вход которого подключен к выходу емкостного датчика перемещения, а выход через двоичный счетчик соединен с первым входом регистра. Выходы генератора соединены с вторым входом частотно-импульсного модулятора и через задающий счетчик - с вторым входом регистра, выход которого через цифроаналоговый преобразователь связан с датчиком силы сейсмометра. Генератор выполнен кварцевым. Технический результат: расширение диапазона измерений сейсмических воздействий в области низких частот. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сейсмометр с цифровым интегратором, содержащий инертную массу, закрепленную на основании с помощью двух упругих элементов, датчик перемещений, соединенный с входом дифференцирующего операционного усилителя, выход которого подключен к датчику силы, выполненному в виде многосекционной катушки, и генератор, отличающийся тем, что датчик перемещений выполнен емкостным, а в сейсмометр введен цифровой интегратор, состоящий из двоичного и задающего счетчиков, регистра, цифроаналогового преобразователя и частотно-импульсного модулятора, первый вход которого подключен к выходу емкостного датчика перемещения, а выход через двоичный счетчик соединен с первым входом регистра, выходы генератора соединены с вторым входом частотно-импульсного модулятора и через задающий счетчик - с вторым входом регистра, выход которого через цифроаналоговый преобразователь связан с датчиком силы сейсмометра. 2. Сейсмометр по п. 1, отличающийся тем, что генератор выполнен кварцевым.