СЕЙСМОМЕТР Российский патент 2004 года по МПК G01V1/16 

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

Известен сейсмометр (см., например, "Сейсмические приборы", М., Наука, 1975 г, вып. 8, с. 13-18), содержащий: основание, на котором посредством двух упругих элементов 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, а также винтовую пружину, прикрепленную одним концом к основанию, а другим к инертной массе.

Этот сейсмометр имеет значительные габариты, обусловленные тем, что инертная масса, магнитная система и пружина выполнены на отдельных конструктивных элементах. Кроме того, этот сейсмометр не обеспечивает высокие метрологические характеристики, т.к. отсутствие в нем датчика перемещений инертной массы делает невозможным создание прибора с эффективными отрицательными обратными связями.

Известен сейсмометр (см., например, Трифонов Н.В. "Сейсмическая станция ССМ", Техническое описание, М., ИФЗ РАН, 1980 г.), содержащий: основание, на котором посредством двух упругих элементов 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, прикрепленную одним концом к основанию, а другим к инертной массе, емкостной датчик перемещений, выходной электрод которого соединен с инертной массой, а два электрода возбуждения - с основанием; генератор синусоидальных электрических колебаний, два выхода которого соединены с электродами возбуждения емкостного датчика; усилитель, соединенный первым входом с выходным электродом емкостного датчика, вторым входом - с выходами генератора синусоидальных колебаний, а выходом - с катушкой.

Этот сейсмометр содержит отрицательную обратную связь, в состав которой входят емкостной датчик перемещений, усилитель и катушка, и обеспечивает более высокие метрологические характеристики, но имеет значительные габариты, обусловленные тем, что инертная масса, магнитная система, емкостной датчик перемещений и пружина выполнены на отдельных конструктивных элементах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является сейсмометр (см. патент России №2160911, 1999 г., кл. 7 G 01 V 1/16). Сейсмометр содержит: основание, на котором установлены две магнитные системы, являющиеся корпусом, каждая из которых состоит из последовательно соединенных цилиндрических магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника, подвешенную на двух плоских пружинах катушку, расположенную на каркасе и размещенную между магнитопроводом и полюсным наконечником; гайку и немагнитную втулку, посредством которых магнитные системы соединяются между собой, ограничительный и регулировочный с конусньм наконечником винты, крышки, упругие элементы и арретирующие системы, причем немагнитная втулка установлена внутри магнитных систем соосно с ними, а в немагнитной втулке с двух ее концов размещены ограничительный и регулировочный с конусным наконечником винты, закрытые крышками, в зазоре магнитных систем перпендикулярно их оси установлены арретирующие сегменты, расположенные узкими концами на конусном наконечнике регулировочного винта, а широкими - входящими в соприкосновение с каркасом катушки при осевом перемещении регулировочного винта, на внутренних плоскостях полюсных наконечников параллельно оси магнитной системы выполнены круговые проточки, в которых установлены упругие элементы, соприкасающиеся с прорезью в сегменте, при этом на стыке магнитных систем и под бортиками крышек установлены герметизирующие прокладки, например резина.

В сравнении с указанными выше данный сейсмометр имеет меньшие габариты, обусловленные тем, что в нем отсутствует винтовая вывешивающая пружина, а инертная масса образована катушкой и ее каркасом.

Недостаток прототипа заключается в отсутствии в нем датчика перемещений инертной массы и соответственно отрицательной обратной связи по перемещениям, следствием чего являются невысокие метрологические характеристики сейсмометра, в частности точность измерений.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является повышение точности измерений за счет введения в известное техническое решение датчика перемещений и отрицательной обратной связи при сохранении незначительных габаритов сейсмометра.

Технический результат достигается тем, что в сейсмометр, содержащий основание, на котором установлены две магнитные системы, являющиеся корпусом, каждая из которых состоит из последовательно соединенных цилиндрического магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника, подвешенную на двух плоских пружинах, расположенную на каркасе первую катушку, которая размещена в зазоре между магнитопроводом и полюсным наконечником; гайку и немагнитную втулку, установленные внутри магнитных систем соосно с ними, и соединяющие магнитные системы между собой; герметизирующую прокладку, установленную между магнитными системами по их внешнему диаметру, дополнительно введены последовательно соединенные между собой вторая и третья катушки, размещенные с двух сторон на каркасе так, что одна половина их находится в зазоре магнитных систем, а вторая половина вне его; четвертая катушка, расположенная на каркасе между второй и третьей катушками; пятая катушка, размещенная над второй, третьей и четвертой катушками, над пятой катушкой размещена первая катушка; генератор синусоидальных электрических колебаний, соединенный двумя выходами с началом второй и концом третьей катушек соответственно; последовательно соединенные первый усилитель, фазочувствительный выпрямитель, интегратор и второй усилитель, соединенный выходом с концом пятой катушки; третий усилитель, соединенный входом со входом интегратора и выходом фазочувствительного выпрямителя, а выходом со вторым входом второго усилителя, третий вход которого соединен с началом четвертой катушки; формирующий фильтр, соединенный двумя входами с началом и концом первой катушки; конец второй и начало третьей катушек соединены между собой и со входом первого усилителя, второй и третий входы фазочувствительного выпрямителя соединены соответственно с двумя выходами генератора синусоидальных электрических колебаний, а конец четвертой и начало пятой катушки соединены с корпусом сейсмометра.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого сейсмометра.

Принятые обозначения: 1 - основание; 2 - магнитопровод; 3 - магнит; 4 - полюсный наконечник; 5 - каркас катушкек; 6 - немагнитная втулка; 7 - гайка; 8 - плоская пружина; 9 - установочный винт; 10 - герметизирующая прокладка; 11 - вторая катушка; 12 - третья катушка; 13 - четвертая катушка; 14 - пятая катушка; 15 - первая катушка; 16 - генератор синусоидальных электрических колебаний; 17 - первый усилитель; 18 - фазочувствительный выпрямитель; 19 - интегратор; 20 - третий усилитель; 21 - второй усилитель; 22 - формирующий фильтр.

Сейсмометр содержит основание 1, на котором посредством установочных винтов 9 установлены две магнитные системы, являющиеся корпусом, включающие в себя последовательно соединенные магнитопровод 2, постоянный магнит 3 и полюсный наконечник 4. Каркас 5 с пятью катушками 11, 12, 13, 14, 15, в совокупности образующие инертную массу сейсмометра, подвешен в зазоре магнитной системы посредством двух плоских пружин 8 так, что может перемещаться вдоль зазора. Для герметизации сейсмометра между магнитными системами помещена герметизирующая прокладка 10, установленная между магнитными системами по их внешнему диаметру. Немагнитная втулка 6 и гайка 7, установленная внутри магнитных систем соосно с ними, служат для прочного герметичного соединения между собой двух магнитных систем. Вторая 11 и третья 12 катушки соединены последовательно и расположены на каркасе 5 так, что одна половина их находится в зазоре магнитных систем, а вторая вне его. Это обеспечивает максимальный диапазон измерения. Четвертая катушка 13 расположена на каркасе 5 между второй 11 и третьей 12 катушками. Пятая катушка 14 расположена над второй 11, третьей 12 и четвертой 13 катушками. Первая катушка 15 расположена над пятой катушкой 14. Сейсмометр содержит также генератор синусоидальных электрических колебаний 16, последовательно соединенные первый усилитель 17, фазочувствительный выпрямитель 18, интегратор 19 и второй усилитель 21, третий усилитель 20 и формирующий фильтр 22. Выходы генератора 16 соединены соответственно с началом второй 11 и концом третьей 12 катушек. Конец второй 11 и начало третьей 12 катушек соединены между собой и со входом первого усилителя 17. Второй и третий входы фазочувствительного выпрямителя 18 соединены с соответствующими выходами генератора синусоидальных электрических колебаний 16. Выход второго усилителя 21 соединен с концом пятой катушки 14. Вход третьего усилителя 20 соединен со входом интегратора 19 и выходом фазочувствительного выпрямителя 18, а выход - со вторым входом второго усилителя 21, третий вход которого соединен с началом четвертой катушки 13. Входы формирующего фильтра 22 соединены соответственно с началом и концом первой катушки 15. Начало пятой 14 и конец четвертой 13 катушек соединены с корпусом сейсмометра. При перемещениях второй 11 и третьей 12 катушек относительно полюсных наконечников 4 изменяется их индуктивное сопротивление. В результате на входе первого усилителя 17 возникает электрическое напряжение, пропорциональное перемещению катушек 11, 12 и каркаса 5 и соответственно инертной массы сейсмометра. Четвертая катушка 13 предназначается для измерения скорости движения каркаса 5 (инертной массы). Пятая катушка 14 используется для создания силового воздействия на инертную массу в контуре отрицательной обратной связи, в том числе и для центрирования ее. Первая катушка 15 является сигнальной. Сигнал, снимаемый с нее, после фильтрации в формирующем фильтре 22, служит в качестве выходного сигнала сейсмометра. Последовательно соединенные первый усилитель 17, фазочувствительный выпрямитель 18, интегратор 19 и второй усилитель 21 совместно с пятой катушкой 14 образуют контур отрицательной обратной связи, который обеспечивает интегральную отрицательную обратную связь и центрирование инертной массы. Демпфирование собственных колебаний инертной массы осуществляется путем подачи на второй вход второго усилителя 21 сигнала, пропорционального скорости, с выхода четвертой катушки 13. Третий усилитель 20 обеспечивает положительную обратную связь по перемещению. При увеличении коэффициента передачи третьего усилителя 20 происходит увеличение периода собственных колебаний инертной массы. Это обеспечивает эффективное регулирование характеристик сейсмометра - диапазона частот измеряемых сейсмических воздействий и коэффициента преобразования. Формирующий фильтр 22 в зависимости от вида передаточной функции обеспечивает получение необходимых выходных сигналов: либо по ускорению - акселерометр, либо по скорости - велосиметр, либо по перемещению - сейсмометр. Если измеряется скорость, то передаточная функция формирующего фильтра W_фф(S)=К_фф; если измеряется ускорение, то а при измерении перемещений где S - оператор Лапласа; T₁, Т₂, Т₃, Т₄ - постоянные времени; К_фф - коэффициент передачи. Контур, содержащий электронные элементы 16, 17, 18, 19, 20, 21 и катушки 11, 12, 13, 14, посредством формирования обратных связей по скорости, перемещению и интегралу от перемещений обеспечивает требуемые характеристики колебаний инертной массы сейсмометра с передаточной функцией где f_м - собственная частота колебаний инертной массы; ξ_м - коэффициент затухания; К_м - коэффициент преобразования инертной массы.

Частота собственных колебаний инертной массы f_м регулируется глубиной положительной обратной связи по перемещению посредством изменения коэффициента передачи третьего усилителя 20. Необходимый коэффициент затухания ξ_м обеспечивается числом витков четвертой катушки 13 и коэффициентом передачи второго усилителя 21. Стабилизация положения инертной массы, состоящей из катушек и каркаса, относительно корпуса производится посредством введения в обратную связь интегратора 19.

Сейсмометр работает следующим образом. При действии на сейсмометр ускорения , например ускорения свободного падения g, происходит смещение инертной массы относительно корпуса. Датчик перемещений, включающий в себя катушки 11, 12, генератор синусоидальных электрических колебаний 16, первый усилитель 17 и фазочувствительный преобразователь 18, преобразует эти перемещения в электрический сигнал, который после интегрирования интегратором 19 и усиления вторым усилителем 21 поступает в катушку 14, которая создает силу, пропорциональную интегралу от перемещения и перемещает инертную массу в центральное положение, что приводит к увеличению точности измерений.

Если основание с корпусом сейсмометра совершает гармонические колебания со скоростью то в катушках 13 и 15 будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная этой скорости . Эта ЭДС с катушки 13 поступает на второй вход второго усилителя 21, а затем в катушку 14. При этом демпфируются собственные колебания инертной массы сейсмометра. ЭДС с выхода первой катушки 15, после усиления и фильтрации в формирующем фильтре 22, служит выходным сигналом сейсмометра.

Таким образом, в предлагаемом сейсмометре за счет введения датчика перемещений и реализации обратной связи увеличена точность измерения по сравнению с прототипом, в котором обратные связи отсутствуют.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к сейсмометрии. Технический результат: повышение точности измерений при сохранении незначительных габаритов сейсмометра. Сущность: сейсмометр содержит основание, на котором установлены две магнитные системы, являющиеся корпусом. Они включают последовательно соединенные магнитопровод, постоянный магнит и полюсный наконечник. Каркас с пятью катушками образует инертную массу, подвешенную в зазоре магнитной системы посредством двух плоских пружин с возможностью перемещения вдоль зазора. Вторая и третья катушки размещены с двух сторон на каркасе так, что одна половина их находится в зазоре магнитных систем, а вторая половина вне его. Четвертая катушка расположена на каркасе между второй и третьей катушками. Пятая катушка размещена над второй, третьей и четвертой катушками. Над пятой катушкой размещена первая катушка. Внутри магнитных систем соосно с ними установлены гайка и немагнитная втулка, соединяющие между собой магнитные системы. Генератор синусоидальных электрических колебаний соединен двумя входами с началом второй и концом третьей катушек, первый усилитель, фазочувствительный выпрямитель, интегратор и второй усилитель, последовательно соединены, выход второго усилителя соединен выходом с концом пятой катушки. Третий усилитель соединен входом со входом интегратора и выходом фазочувствительного выпрямителя, а выходом - со вторым входом второго усилителя, третий вход которого соединен с началом четвертой катушки. Формирующий фильтр соединен двумя входами соответственно с началом и концом первой катушки. Конец второй и начало третьей катушек соединены между собой и со входом первого усилителя. Второй и третий входы фазочувствительного выпрямителя соединены соответственно с двумя выходами генератора синусоидальных электрических колебаний. Конец четвертой и начало пятой катушек соединены с корпусом сейсмометра. 1 ил.

Сейсмометр, содержащий основание, на котором установлены две магнитные системы, являющиеся корпусом, каждая из которых состоит из последовательно соединенных цилиндрического магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника, подвешенную на двух плоских пружинах, расположенную на каркасе первую катушку, которая размещена в зазоре между магнитопроводом и полюсным наконечником, гайку и немагнитную втулку, установленные внутри магнитных систем соосно с ними и соединяющие магнитные системы между собой, герметизирующую прокладку, установленную между магнитными системами по их внешнему диаметру, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные между собой вторая и третья катушки, размещенные с двух сторон на каркасе так, что одна половина их находится в зазоре магнитных систем, а вторая половина вне его, четвертая катушка, расположенная на каркасе между второй и третьей катушками, пятая катушка, размещенная над второй, третьей и четвертой катушками, над пятой катушкой размещена первая катушка, генератор синусоидальных электрических колебаний, соединенный двумя выходами с началом второй и концом третьей катушек соответственно, последовательно соединенные первый усилитель, фазочувствительный выпрямитель, интегратор и второй усилитель, соединенный выходом с концом пятой катушки, третий усилитель, соединенный входом с входом интегратора и выходом фазочувствительного выпрямителя, а выходом с вторым входом второго усилителя, третий вход которого соединен с началом четвертой катушки, формирующий фильтр, соединенный двумя входами соответственно с началом и концом первой катушки, при этом конец второй и начало третьей катушек соединены между собой и с входом первого усилителя, второй и третий входы фазочувствительного выпрямителя соединены соответственно с двумя выходами генератора синусоидальных электрических колебаний, а конец четвертой и начало пятой катушки соединены с корпусом сейсмометра.