Устройство для регистрации трех компонент сейсмических колебаний /его варианты/ и способ его настройки /его варианты/ Советский патент 1985 года по МПК G01N1/16 

тов, отличающийся тем, что, с целью повьпиения точности настройки за счет исключения взаимного влияния компонент сейсмических колебаний, ориентируют устройство по вертикали, подают калибровочное напряжение на один из пьезоэлементов одной из осей, измеряют напряжение на пьезоэлементах других осей, при помощи перейещения изоляторных обойм уравнивают это, .лапряжение на паре пьезоэлементой. жаждой оси и путем перемещения каждого контактного шарика посредством смещения втулок устанавливают минимальное значение напряжения ,

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что одновременно с

перемещением контактных шариков регулируют степень сжатия пьезоэлементов.

6. Способ настройки устройства для регистрации трех компонент сейсмических колебаний, заключающийся в воздействии колебаний на устройство и измерении сигналов с пьезоэлементов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности настройки за счет исключения повышения взаимного влияния компонент сейсмических колебаний, подают калибровочное напряжение поочередно на : .пьезоэлементы двух каналов, измеряют напряжение на третьем канале и устанавливают это напряжение минимальным путем регулировки коэффициента передачи и полярности в сумматорах, установленных в данном канале.

1. Устройство для регистрации трех компонент сейсмических колебаний, содержащее корпус, инертную массу, зажатую по трем взаимно-перпендикулярным осям между тремя парами пьезоэлементов, снабженных торцовыми обкладками и контактами,посредством контактных шариков,и схему усиления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности регистрации за счет устранения взаимного влияния компонент сейсмических колебаний и повьпиения чувствительности устройства, контактные шарики помещены во втулки, соосные с пьезоэлементами, вьтолненными в виде стержней, помещенных в изоляторные обоймы, каждая втулка установлена с возможностью перемещения по двум взаимно-перпендикулярным осям в плоскости,- перпендикулярной оси пьеэоэлемента, и имеет внутренний диаметр, больший диаметра пьезоэлемента. 2.Устройство по п. 1, о т л ичаючееся тем, что контакты пьезоэлементов имеют сферическую форму. 3.Устройство для регистрации трех компонент сейсмических колебаний, содержащее корпус, инертную массу, (Л зажатую по трем взаимно-перпендикулярным осям между тремя парами пьезоэлементов, снабженных торцовыми обк адками и контактами, посредством контактных шариков, и схему усиления, о тличающееся тем, что, с целью повышения точности регистрации за счет устранения взаимного влияния СП компонент сейсмических колебаний и повьвпения чувствительности устройсо ОО ства, пьезоэлементы выполнены в виде стержней, помещенных в изоляторные обоймы, контакты имеют сферическую форму, а каждый канал схемы усиления содержит последовательную цепь из двух сумматоров, вторые входы которых соединены с каналами двух других перпендикулярных направлений. 4.Способ настройки устройства для регистрации трех компонент сейсмических колебаний, заключакнцийся в воздействии колебаний на устройство и измерении сигналов с пьезоэлемен

Изобретение относится к сейсмической разведке и сейсмологии и может быть использовано для контрол трехкомпонентных колебаний малой амплитуды. Известно устройство для наблюден за сейсмическими колебаниями, содер жащее инертную массу в виде шара, расположенного между тремя парами пьезоэлектрических элементов р . Однако, перемещаясь.по одному из трех взаимно-перпендикулярных напра лений, щар вызывает деформацию пластин, установленных в других осях, вызывая тем самым помехи в соседних каналах. Наиболее . близким к изобретению является устройство для регистрации трех компонент сейсмических колебаНИИ, содержащее корпус, инертную массу, зажатую по трем взаимно-перпендикулярным осям между тремя пара ми пьезоэлементов, снабженных торцо выми обкладками и контактами, посре ством контактных шариков, и схему усиления С2}. Известное устройство, хотя и поз воляет в значительной степени ослабить взаимные помехи каналов друг о друга, не позволяет полностью избавиться от них, так как при изготовлении устройства всегда возникают отклонения точек передачи усилий на пьезоэлементы от геометрических точек перпендикулярности осей, что неизбежно влечет за собой разложение действующей силы одной оси по двум другим. Кроме того, известное устройство имеет невысокую чувствительность, поскольку пьезоэлементы его вьшолнены в виде пластин, электрическая емкость которых составляет несколько тысяч пикофард.. Цель изобретения - повышение точности регистрации за счет устранения взаимного влияния компонент сейсмических колебаний и повьш1ение чувствительности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для регистрации трех компонент сейсмических колебаний, содержащем корпус, инертную массу, зажатую по трем взаимно-перпендикулярным осям между тремя парами пьезоэлементов, снабженных торцовыми обкладками и контактами, посредством контактных шариков, и схему усиления, контактные шарики помещены во втулки, соосные с пьезоэлементами, выполненными в виде стержней, помещенных в изоляторные обоймы, втулка установл на с возможностью перемещения по двум взаимно-перпендикулярным осям в плоскости, перпендикулярной оси пьезоэлемента, и имеет внутренний диаметр, больший диаметра пьезоэлемента. Кроме того, контакты пьезоэлемен тов имеют сферическую форму. Помещение контактных шариков во втулки, которые могут перемещаться в плоскости контакта, позволяет лег менять точки приложения сил и тем самым компенсировать неточности, до щенные при изготовлении, а выполнен пьезоэлементов в виде стержней, опи рающихся с обоих торцов на сферические поверхности и находящихся в обо мах, позволяет-при изменении точки приложения силы на одном торце сохр нить практически неизменным напряже ние на его обкладках. Кроме того, как известно, напряжение на обкладках конденсатора обра но пропорционально его емкости, и один и тот же заряд, вызванный пьезо эффектом в стер5кн.ях, вызывает появле ние напряжения на три порядка большего, чем на пластинах, так как емкость обкладок стержня соответственн меньше У в 1000 раз. Во столько же раз возрастает чувствительность устройства. По той же причине усилитель ный элемент должен располагаться в непосредственной близости от пьезозлемента, так как увеличение длины соединительного проводника на каждый сантиметр увеличивает его электрическую емкость ft на 1 пФ. Согласно второму варианту в устройстве для регистрации трех компонент сейсмических колебаний, содержащем корпус, инертнуюмассу, зажатую по трем взаимно-перпендикулярным ося между тремя парами пьезоэлементов, снабженных торцовьми обкладками и контактами, посредством контактных шариков, и схему управления, пьезо- элементы выполнены в виде стержней, помещенных в изоляторные обоймы, контакты имеют сферическую форму, а каждый канал схемы усиления содержит последовательную цепь из двух сумматоров, вторые входы которых соединен с каналами двух других перпендикуляр ных направлений. В этом варианте устройства выполнение пьезозлементов в виде стержнеГ в перемещающихся обоймах и сферические контакты достигают тех же целей, что и в первом варианте устройства. Включение же.сумматоров в каждый канал регистрации позволяет электрической коррекцией избавиться от мешающих сигналов, так как в каждом сумматоре происходит вычитание наведенного паразитного сигнала от возмущающего воздействия. Предлагаемая конструкция устройства позволяет заменить механическую коррекцию перпендикулярности осей регистрации электронной, т.е, исключить втулки контактных щдриков, примененные в первом варианте . Известен способ настройки устройства для регистрации сейсмических колебаний, заключающийся в воздействии импульса на устройство и измереНИИ сигналов с пьезоэлементов ЦЗЗ . Данньй способ практически невозможно применить для калибровки пьезоэлектрических акселерометров из-за высокой скорости механических процессов, протекаю Цих в них. Наиболее близким к изобретению является способ настройки устройства для регистрации трех компонент сейсмических колебаний, заключающийся в воздействии колебаний на устройство и измерении сигналов с пьезоэлементов . Известный способ предполагает использование калибровочного стенда многокомпонентных колебаний. Кроме TorOj он не обеспечивает исключения взаимного влияния сигналов трех перпендикулярных направлений. Цель изобретения - повышение точности настройки за счет исключения взаимного влияния компонент сейсмических колебаний. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу настройки устройства для регистрации трех компонент сейсмических колебаний, заключающемуся в воздействии колебаний на устройство и измерении сигналов с пьезоэлементов, ориентируют устройство по вертикали, подают калибровочное напряжение на один из пьезоэлементов одной из осей, измеряют напряжение на пьезоэлембнтах других осей, при помощи перемещения изоляорных обойм, уравнивают это напря5жение на паре пьезоэлементов каждой оси и путем перемещения каждого контактного шарика посредством смеще ния втулок устанавливают минимальное значение напряжения. Кроме того, одновременно с перемещением контактных шариков регулиру ют степень сжатия пьезоэлементов. Упомянутые операции проделывают несколько раз, последовательно устра няя паразитный сигнал с одного из каналов на два других,. Для полной регулировки датчика необходимо проде лать три цикла настройки, регулируя например, ХиУпо г,Хи2по и Y и Z по X. По варианту способа настройки устройства для регистрации трех компонент сейсмических колебаний, заключающегося в воздействии колебаний на устройство и измерении сигналов с пьезоэлементов, подают калибровочное напряжение поочередно по пьезоэлементы двух каналов, измеряют напряжение на третьем канале и устанавли1вают это напряжение минимальным путем регулировки коэффициента передачи и полярности в сумматорах, уста новленньгх в данном канале. На фиг. 1 показана конструкция устройства- для регистрации ческих колебаний; на фиг. 2 - электрическая схема варианта устройства. Устройство для регистрации трех компонент сейсмических колебанж (фиг. 1) состоит из корпуса 1, в котором расположена инертная масса 2 зажатая по трем взаимно-перпендикулярным осям при помощи контактных шариков 3 и пьезоэлементов 4, расположенных в изоляторных обоймах 5, перемещакицихся по осям регистрации, КаждаШ контактный шарик 3 помещен во втулку 6, которая перемещается в плоскости,перпендикулярной оси пьезо- з элемента по двум взаимно-перпендикулярным осям при помощи регулировочных винтов 7. Пружины 8 и кулачки 9 обеспечивают беззазорное перемещение втулки 6 между регулировочными винтами 7.Втулка 6 прижимается к поверхности установочного изолятора 10 с помощью резиновой прокладки 11. Контактный шарик 3 оказывает давление на льезоэлемент А через шайбу 12,55

предохраняющую пьезоэлемент от разрушения. Вторым концом стержень пьезоэлемента опирается на сферичес50

Из материала, имеющего удельное электрическое сопротивление не менее 10 Ом.м и минимальную пиэлектри89кий контакт 13, имеющий выход из изоляторной обоймы 5. В непосредственной близости к каждому контакту припаивается усилительный элемент (не показан), входящий в электронную схему устройства. Вес инертной массы 2 компенсируется усилием пружины . 14 в нижней части датчика. Главными конструктивными отличиями датчика, обеспечивающими устранение взаимного влияния сигналов трех перпендикулярных направлений и повышение чувствительности устройства, являются втулки контактных шариков и пьезоэлементы в виде стержней в изоляторных обоймах. Втулки 6 с помощью регулировочных винтов 7 могут перемещать точку передачи механического усилия на пьезоэлемент 4 в пределах ,5 мм. Этого вполне достаточно, чтобы устранить неточности, которые возникают в процессе изготовления. К ним относятся отклонения положения осей пьезоэлементов 4 от геометрических взаимно-перпендикулярных осей. Эти отклонения компенсируются вращением точек приложения механических усилий. Условие большого отношения линейных размеров пьезоэлемента к его диаметру, а также наличие сферических поверхностей на его торцах обеспечивают чрезвычайно малое изменение его сжатия (растяжения) от нецентрального приложения силы при перемещении контактного шарика. В то же время практически полностью устраняется сильная боковая помеха на соседний канал, вызванная нецентральной силой массы. Одновременно применение пьезоэлементов в виде стержней значительно увеличивает чувствительность устройства, так как напряжение на пьезоэлементе (при прочих равных условиях) пропорционально его емкости. а изменение этой величины при переходе от шайбы к стержню изменяется 1000. С этой же целью усилительный элемент должен иметь кратчайший проводник с обкладкой пьезоэлемента. Нижний контактный шарик не имеет обоймы и регулировочных винтов, так как эта точка является базовой, по которой регулируются остальные. Изоляторная обойма 5 должна выполняться

ческую проницаемость, например из полистирола или эбонита.

Электронная схема варианта устройства для регистрации сейсмических колебаний (фиг. 2) содержит каналы 5 15-17 усиления. В каждом канале далее располагается последовательно два сумматора 18, 19, 20, 21 и 22, 23, вторые входы которых соединены соответственно с выходом каналов двух ® других осей. Предлагаемая схема позволяет устранить взаимные помехи каналов без применения механической настройки в устройстве регистрации. Поэтому в варианте это.го устройства отсутствуют втулки 6 контактных шариков, настроенные винты 7, пружины 8 и кулачки 9.

Способ настройки устройства для регистрации сейсмических колебаний М

состоит в следующем. Перед настройкой устройство ориентируют строго по вертикальной оси. На один из пьезоэлементов одной из осей (например, на нижний пьезоэлемент 42) подают калибровочное напряжение. Это напряжение возбуждает пьезоэлемент и вызывает перемещение массы (шара) в вертикальном направлении. Частота калибровочного напряжения ЗД должна быть достаточно низкой и находится в диапазоне значений реального сейсмического процесса. Измеряют напряжение на верхнем пьезоэлементе 4 и зажимают массу в вертикальной jj оси Z до получения величины напряжения на верхнем пьезоэлементе приблизительно равной напряжение возбуждения нижнего пьезоэлемента. После этого подают напряжение возбуждения 46 на верхний элемент и измеряют напряжение на нижнем. По разности напряжений, получаемых с,верхнего и нижнего пьёзозлементов, устанавливают коэффициент усиления в канале одного из эле-41 ментов таким образом, чтобы результирукнций сигнал на ньпсоде дифференциального усилителя при подаче эквивалентных синфазных сигналов на вхоы был равен нулю.5Л

Далее повторяют подобную операцию на осях X и Y , устанавливают необходимую степень сжатия и балансировку по чувствительности каждого пьезоэлемента. После проведенных регу-$з ировок вновь подают возбуждение на нижний пьезоэлемент. В этом случае, если точка приложения силы по оси 7

окажется строго по центру относительно контактных точек четырех других пьезоэлементов, установленных на осях X и V , то на них 1возникнет одинаковое напряжение, вызванное ежа тием и растяжением пьезоэлементов по действием кривизны шара и его вертикального перемещения. Перемещением изоляторных обойм каждой оси X и Y достигают такого положения, когда механическое воздействие по оси Z не вызывает появление нецентральных сил на осях X и . Напряжение с каждого пьезоэлемента контролируется при этом уже с использованием скорректированного коэффициента в усилителях, установленного предыдуще операцией настройки.

После компенсации нецентральных сил на осях X и Y при помощи вращения настроечных винтов, расположенных в плоскости V2 , сводят к минимуму сигнал на элементах оси X, поворачивая по необходимости изоляторные обоймы„оси X для поддержания необходимой степени сжатия пьезоэлементов, и постоянно добиваясь их равенств.а напряжения на элементах оси. При правильном положении винтов, на пьезоэлементах оси X наблюдаются очень малые равные напряжения второй гармоники частоты возбуждения. Вторая гармоника возникает при симметричных вертикальных колебаниях шара относительно горизонтальной оси. Аналогичным образом осуществляют настройку на симметричность оси У .

В случае невозможности добиться напряжения второй гармоники на элементах оси X или Y, перемещают шар по вертикали в нужную сторону вращением изоляторных обойм оси 2 и далее повторяют все операции настройки сначала.

После регулировки по устранению нецентральных сил и вертикального симметрирования осей X и У относительно оси Z. прист-упают к регулировке нецентральных сил и симметрированик) осей X 2 относительно оси V и , . далее У и 2 относительно оси X. Для этого возбуждают один из элементов оси Y например 4у, и добиваются минерального одинакового значения напряжения второй гармоники на элементах оси X вращением настроечных винтов оси X, находящихся в плоскости АY Минимального значения

91

напряжения второй гармоники на верхнем пьезоэлементе оси Z. добиваются вращением настроечного винта этого элемента, находящегося в плоскости ZY. Нижний элемент фиксирован, и к этому моменту в результате предыдущих регулировок уже настроен. Точно так производят настройку элементов У и Z относительно оси X. При необходимости всю последовательность настройки повторяют, так как полная и точная регулировка достигается последовательным циклическим приближением к абсолютному значению точности. Таким образом, после всего цикла регулировок в устройстве для регистрации сейсмических колебаний устраняются все взаимные влияния осей друг на друга, связанные с неточностью изготовления, а также погрешности, связанные с разбросом параметров пьезоэлектрических элементов.

Способ настройки варианта устройства для регистрации сейсмических колебаний, в схеме которого содержатся сумматоры (фиг. 2), заключается в следующем. После балансировки дифференциальных усилителей и взаимного центрирования осей, которое осуществляется по критерию второй гармоники сигнала возбуждения, в устройстве сохраняются помехи, обусловленные несоосным расположением пары пьезоЭлементов каждой оси (по причине погрешностей изготовления) . Поскольку в варианте этого устройства отсутствуют втулки контактных шариков, их

5738910

функции выполняет схема, показанная на фиг. 2.

Операции настройки состоят в следующем. Устройство последовательно

5 подвергается воздействию механических колебаний по направлению строго одной оси, например X. При этом замеряется напряжение на выходе каналов Y и Z и с помощью регулировки фазы (поляр0 кости) и коэффициентов передачи сумматоров 20 и 23 добиваются минимального его значения. Затем возбуждаются колебания по оси Y и данная регулировка повторяется уже для осей ХиУ,

5 т.е. регулируется фаза и коэффициент передачи сумматоров 18 и 22. Затем возбуждается направление Z и регулируются сумматоры 19 и 21. В результате после трех циклов регулировки

0 все влияния, связанные с механическими погрешностями, компенсируются электронным путем.

Преимущества заключаются в том, что изобретение позволяет значительно 5 упростить механическую конструкцию

устройства и процесс его налалки. При первом варианте устройства (способа) необходимы электронные схемы, объем и соответственно энергопотребление которых в несколько раз меньще. Кроме того, достигаются величины взаимной помехи .на осях регистрации 0,1-0,3% и значения его чувствительности 100 В/д . при инертной массе 100 г. (известное устройство имеет значение

5 помехи 2-3% и чувствительность

0,3 В/Д. при величине инертной массы 1,5 кг).