ПЬЕЗОМАГНИТНЫЙ ГЕОФОН Российский патент 2002 года по МПК G01V1/18 

Изобретение относится к измерительной технике, к первичным датчикам-преобразователям энергии и может быть использовано в сейсмической разведке и в гидроакустических устройствах.

Известны первичные датчики давления - гидрофоны [1, 2], состоящие из поляризованной пьезокерамики с выводами, помещенной в защитную звукопрозрачную оболочку.

Несмотря на достаточно ровную амплитудно-частотную характеристику в области низких частот, все же выделить полезный сигнал на низких звуковых и инфразвуковых частотах в неоднородной среде на фоне внешних шумов весьма затруднительно ввиду малой удельной чувствительности самого пьезокерамического элемента.

Ближайшим аналогом заявляемого технического решения являются первичные датчики скорости - геофоны [3, 4], состоящие из корпуса, в котором размещены индукционная катушка, закрепленная к корпусу на упругой подвеске, и неподвижный постоянный магнит, размещенный внутри индукционной катушки, также закрепленный на корпусе.

Недостатком геофонов является то, что они имеют резонансную амплитудно-частотную характеристику и при смещении в сторону низких частот падает чувствительность приемных устройств из-за быстрого возрастания упругого сопротивления подвеса индукционной катушки [4], ухудшается основной показатель приемного устройства, это отношение энергии полезного сигнала к энергии существующей помехи, поэтому выделить полезный низкочастотный сигнал в неоднородной среде, да еще на фоне внутренних и внешних шумов весьма затруднительно.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности выделения полезного низкочастотного сигнала в широкой полосе частот в неоднородной среде за счет увеличения первичным датчиком начальных экстремальных значений индуцируемой ЭДС, т.е. за счет повышения удельной чувствительности и помехозащищенности.

Поставленная цель достигается тем, что известный геофон, содержащий корпус, индукционную катушку и постоянный магнит, снабжен еще двумя индукционными катушками, двумя постоянными магнитами и двумя пьезокерамическими элементами с накладками.

Все три постоянных магнита размещены на одной оси и одноименными полосами друг к другу с образованием между ними двух межмагнитных расстояний X₁ и Х₂ так, чтобы средний магнит оказался в магнитной подвеске с возможностью его перемещения вдоль оси.

Пьезокерамические элементы также размещены на одной оси с пластинами постоянных магнитов, а катушки неподвижно закреплены на корпусе.

На чертеже схематично изображен пьезомагнитный геофон.

Пьезомагнитный геофон состоит из корпуса 1, в котором размещены три кольцевые индукционные катушки 2, 3 и 4. С двух торцов корпуса 1 размещены накладки 5 и 6, на которых жестко закреплены пьезокерамические элементы 7 и 8, а на элементах 7 и 8 на жестких магнитопроводящих подложках 9 и 10 закреплены пластины постоянных магнитов 11 и 12.

Между магнитами 11 и 12 размещен третий постоянный магнит 13, при этом его диаметр может быть равным, больше или меньше диаметров магнитов 11 и 12, а его центральная ось 14 выполнена из немагнитного материала и размещена в подшипниках скольжения 15.

Все пластины постоянных магнитов 11, 12 и 13 размещены на одной оси с образование воздушных магнитных зазоров X₁ и Х₂ и одноименными полюсами друг к другу, при этом средняя плоскость магнита 13 пересекает индукционную катушку 3, а магниты 11 и 12 размещены во внутреннем объеме катушек 2 и 4.

Магнитные потоки Ф₁,Ф₂ и Ф₃ от пластин постоянных магнитов 11, 12 и 13 пересекают витки индукционных катушек 2, 3 и 4, индуцируя в них ЭДС. Поскольку в межмагнитных расстояниях X₁ и Х₂ магнитные потоки Ф₁,Ф₂ и Ф₃ одного направления, то между ними создаются пондеромоторные отталкивающие силы F, наличие которых с обеих сторон от магнита 13 создают ему упругую магнитную подвеску с гибкостью С, которая обеспечивает ему перемещение вдоль оси 14.

Величинами коэрцитивных сил постоянных магнитов 11, 12 и 13, изменением массы магнита 13 и изменением величины межмагнитных расстояний X₁ и Х₂ имеется возможность создавать колебательную систему пьезомагнитного геофона на магнитной подвеске с заданной гибкостью С и величину начального давления на пьезокерамические элементы 7 и 8.

При отсутствия внешнего воздействия на геофон масса постоянного магнита 13 всегда находится в состоянии покоя, в нулевом исходном положении, при этом магнитные силовые линии не изменяют свою форму и на выводах 16, 17, 18, 19 и 20 индукционных катушек 2, 3 и 4 и пьезокерамических элементов 7 и 8 наведенная ЭДС отсутствует.

Пьезомагнитный геофон работает следующим образом.

Акустическая волна, распространяясь в среде, воздействует на корпус 1 и на все элементы, находящиеся в нем.

Поскольку масса постоянного магнита 13 находится в магнитной подвеске, то под воздействием механических колебаний корпуса 1 магнит 13 будет выведен из состояния покоя относительно корпуса 1 и индукционных катушек 2, 3 и 4 и, находясь на упругой магнитной подвеске, он начинает совершать колебания вдоль своей оси 14, воздействуя, таким образом, своим магнитным потоком Ф₃ на витки индукционной катушки 3, индуцируя в них ЭДС.

Одновременно своим магнитным потоком Ф₃ магнит 13 воздействует на магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ постоянных магнитов 11 и 12, изменяя форму магнитных силовых линий этих потоков.

Изменяющаяся форма силовых линий магнитных потоков Ф₁ и Ф₂, пресекая витки индукционных катушек 2 и 4, также будет индуцировать в них ЭДС.

Магнит 13 одновременно своей коэрцитивной силой F_k в межмагнитных зазорах X₁ и Х₂, воздействует через магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ на постоянные магниты 11 и 12 и через жесткие прокладки 9 и 10 на пьезокерамические элементы 7 и 8.

Поскольку пьезокерамические элементы 7 и 8 имели предварительные обжатия, то под воздействием знакопеременных пондеромоторных сил в магнитных зазорах X₁ и Х₂ между магнитом 13 и магнитами 11 и 12 в элементах 7 и 8 происходит изменение ЭДС, т. е. предположим, что в первом полупериоде колебания постоянного магнита 13, когда X₁ уменьшается, а Х₂ увеличивается, то давление на пьезокерамический элемент 7 увеличивается, а на элемент 8 уменьшается, на втором полупериоде наоборот. Поэтому в первом полупериоде потенциалы на элементе 7 складываются, а на элементе 8 вычитаются, во втором полупериоде наоборот: на элементе 8 складываются, на элементе 7 вычитаются. Таким образом, при воздействии акустической волны на пьезомагнитный геофон имеется пять элементов источников ЭДС, одновременно реагирующие на процесс прохождения волны:
- два пьезокерамических элемента 7 и 8 как датчики давления;
- три индукционных катушки 2, 3 и 4 как датчики скорости.

Эта совокупность источников ЭДС позволяет применить теорию корреляции потенциалов по принимаемому сигналу, уменьшить общее внутреннее сопротивление пьезомагнитного геофона за счет смешанного соединения источников ЭДС, а чем меньше внутреннее сопротивление приемника, тем меньше падение напряжения на нем и, соответственно, больше напряжение на нагрузке, на клеммах 16, 17, 18 19 и 20. Это позволяет повысит отношение "полезный сигнал/шум" и осуществить первичную фильтрацию принимаемого сигнала от внешних шумов, повысить точность формы принимаемого сигнала и его амплитудно-фазовые распределения в широкой полосе частот.

Создание заявляемого пьезомагнитного геофона как первичного датчика позволяет создавать новые более эффективные геофизические широкополосные когерентные приемоизлучающие системы, предназначенные для работы в воде, в заболоченных местах и на суше, и охранные системы по обнаружению шумящих целей.

Источники информации
1. Гранин B.C. "Гидрофон", Авторское свидетельство 1766232, Н 04 Р 1/44, заявка 4789407/10, приоритет 06.02.90 г., журнал И.Р. 16, 1994 г., стр. 215.

2. Г. М. Свердлин "Гидроакустические преобразователи и антенны", Л.: "Судостроение", 1980 г.

3. Электродинамический сейсмоприемник", заявка РФ 94001083/25 от 12.01.92 г., G 01 V 1/16, журнал И.Р. 20 за 1994 г., стр. 16.

4. В.В. Фурдуев "Электроакустика", ОГИЗ, М., 1948, ξ78, стр. 327.

Изобретение относится к измерительной технике, к первичным датчикам-преобразователям энергии и может быть использовано в сейсморазведке, в гидроакустических устройствах и охранных системах по обнаружению движущихся целей. Пьезомагнитный геофон содержит корпус, в котором размещены три неподвижные индукционные катушки, три постоянных магнита с образованием межмагнитных расстояний Х₁ и Х₂ и два пьезокерамических элемента с накладками. Постоянные магниты и пьезокерамические элементы с накладками размещены на одной оси так, что средний магнит находится в магнитной подвеске с гибкостью С, которая позволяет ему перемещаться вдоль оси в межмагнитных расстояниях Х₁ и Х₂. Технический результат: повышение удельной чувствительности и помехозащищенности. 1 ил.

Пьезомагнитный геофон, содержащий корпус, индукционную катушку и постоянный магнит, отличающийся тем, что он снабжен еще двумя индукционными катушками, двумя постоянными магнитами и двумя пьезокерамическими элементами с накладками, при этом все три постоянных магнита расположены на одной оси одноименными полюсами друг к другу с образованием между ними двух межмагнитных расстояний Х₁ и Х₂ так, что средний магнит находится в магнитной подвеске с гибкостью С и с возможностью перемещения вдоль оси, причем каждый постоянный магнит размещен внутри своей неподвижной индукционной катушки, а пьезокерамические элементы с накладками также размещены на одной оси с постоянными магнитами и одной поверхностью через подложки они закреплены к постоянным магнитам, а второй поверхностью - к накладкам.