Трехкомпонентный датчик для сейсмического моделирования Советский патент 1985 года по МПК G01V1/16 

t Изобретение относится к ультразвуковому моделированию сейсмически волн, в частности к контрольно-изме рительной технике, и может быть использовано при акустш1еском каротаж скважин, а также в ультразвуковой дефектоскопии. Ультразвуковое моделирование вол новых явлений на продольных,попереч ных, обменных волнах позволяет значительно расширить круг задач , реша мых методами физического моделирова ния . Для повьгаения точности воспрои ведения волновой картины в модели предъявляются высокие требования к идентичности частотных характеристи дат чиков компонентов регистрации. Цель изобретения - повьшение точ ности измерения и чувствительности. На фиг.1 приведен трехкомпонентный датчик, общий вид; на фиг.2 схема преобразователя электрических сигйалов для одновременной регистрации трех компонент. Датчик 1 содержит четыре одинаковые и поляризованные в одном направлении пьезокераиические призмы 2, которые выполнены с сечением, например, в виде квадрата, равнобедренного треугольника или четверти круга и соединены между собой по двум граням, так что кажда призма является обкладкой бимор- фа. На торцовых поверхностях призм нанесены электроды 3 и 4.1-4. Пьезоэлектрические призмы соединены между собой с помощью клея с малой диэлектрической проницаемостью, например эпоксидной смолой, у которой диэлектрическая проницаемость к 1. Диэлектрическая проницаемость пьезокерамики 2-10, и прослойка эпоксидной смолы позволяет электрически разделить призмы. Электроды 3 заземлены, а выводы электродов 4.14.4 подключены к преобразователю сигналов 5 (ПС). ПС 5 состоит из усилителей 6.16.4, фазоинверторов 7.1-7.4, сумматоров 8.1-8.3. Сигнал t каждого из электродов 4.1,-4.4 поступает на вход ПС 5, на выходе которого (как это следует из схемы j сигналы преоб разованы следующим образом: и, К Д,+ ,/и,р; Ux, К (Ц,,- Ц,;) + (Ч,- Ц,) ; . UY К t(llj.,- U.j) -ь (Ц.а- U4.4 ); 52 где и, (,x,y)- напряжение на выходе ПС 5, пропорциональное соответственно Z,X,Y - компонентам колебаний; К - коэффициент усиления усилителей по напряжениюj и,(i 4.1, 4.2, 4.3,4.4) - напряжение на 1-ом электроде датчика. Смещение каждой призмы 2 датчика вызывает появление электрического заряда на электродах, сигнал от которых поступает на вход усилителей 6.1-6.4, к выходу каждого из них подключены фазоинверторы 7.17.4. Суммирование (или вычитание) сигналов осуществляется подключением прямого (или инверсного ) выходов к сумматорам 8.1-8.3. Для пояснения работы датчика последовательно рассмотрим случаи, когда на торец пьезоэлемента датчика действух1Т поочередно компоненты смещения , , , од1 наковой амплитуды в системе координат, показанной на фит.1. Под действием пьезоэлемент будет изогнут в плоскости ZX, на электродах 4.1-4.3 за счет сжатия появляются отрицательные заряды (-Q), а на нижних электродах 4.2 и 4.4 за счет растяжения появляются положительные заряды (+Q), т.е. напряжение на электродах относительно заземленных электродов - Q/C; и, . В этом случае на выходе ПС 5 напряжение будет иг О; Uy 4К Q/C; Uy О. Под действием смещения пьезоэлемент будет изогнут в плоскости ZY, на электродах 4.3 и 4.4 за счет сжатия появляются отрицательные заряды, а на электродах 4.1 и 4.2 положительные заряды, т.е. и.з 44 -Q/C; и Q/C и, следовательно Uz О; и, О, Usf UK Q/C. В случае, когда действует смещение , все призмы датчика будут сжаты вдоль оси Z, а на всех электрических контактах 4.1-4.4 появляются отрицательные заряды (-Q),T.e. и О; и, О; и 4 К Q/C. Из приведенного анализа следует что в случае действия уа торец датчика произвольного смещения с компонентами напряжение на выходе ПС 5 будет пропорционально г .1г x-fx V. Рассчитанное соотношение чунствительностей к компонентам смещений

е

следукицее: 1у IvTh 2 является результатом пересчета гори зонтального смещения торца датчика s измененные длины пьезоэлемента (1 длина призмы, h - толщина пьезоэлемета) для призм с основанием в форме квадрата. Коррекция чувствительности к х 7. колебаниям о суще-j ствляется изменением коэффициентов последующего усиления для Uy jU.Uj

соответствующих параметров.

I .

Если векторы поляризации одной из нескольких призм имеют противоположные направления, необходимо в электрической цепи для призмы с обратной поляризацией переключить выход фазоинвертора с выходом усилителя.

.

В предлагаемом датчике электроды расположены на торцовых гранях призм однако электроды могут быть расположены и на боковых гранях (достаточно лишь исключить электрическое замыкание электродов, поместив между ними изолирующую прослойку ) при этом, если векторы поляризации всех призм имеют одинаковое направление, можно использовать приведенную на фиг.2 схему ПС 5 для выделения сигналов, пропорциональных X,YfZ-, амплитудам колебаний.

Усилители в блок-схему ПС 5 введены для варианта, когда амплитуда регистрируемых смещений достаточно мала. При использовании датчика для регистрации колебаний большой амплитуды все четыре усилителя могут быть исключены, и на сумматоры и фазоинверторы сигнал может подаваться прямо с контактов датчика. Таким образом, за счет изменения конструкции расположения элементов биморфов достигается лучшая по сравнению с известным датчиком идентичность контактных условий установки датчика на модели.

Пре,цлагаемый датчик менее требователен при изготовлении к идентичности элементов, вследствие усреднения сигнала от всех элементов. Кроме того, датчик содержит меньшее число пьезокерамических элементов ( 3-х компонентный i датчик биморфного типа состоит из 3 биморфов, т.е. 6 элементов ). В датчике существенно уменьшается ошибка в измерении коле-, баний, вызванная тем, что датчик имеет некоторую конечную площадь контакта с исследуемой средой. Дпя известного датчика она определяется расстоянием между биморфами, а в данном датчике она сведена к минимуму и определяется только толщиной самого датчика.

ТРЕХКОШОНЕНТНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ СЕЙСМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ, содержащий чувствительный элемент в виде пьезоэлементов с электродами. отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и чувствительности, чувствительный злемент выполнен в виде блока из четырех идентичных и соединенных механически попарно по двум .взаимно перпендикулярным граням пьезоэлементов в виде призм, один электрод которых заземлен, а каждьй из четырех других электродов подключен к индивидуальному измерительному каналу, состоящему из последовательно соединенных усилителя и фазоинвертора, при этом в датчик введены сумматоры, Х Y н Z - компонент колебаний, а выходы фазоинверторов соединены с (Л сумматором Z-компоненты колебаний, выходы первого и третьего усилителя, с второго и четвертого фазоинверторов с сумматором Y-компоненты, а выходы третьего и четвертого усилителя, первого и второго фазоинвертора - с сумматором Х-компоненты, х о К) СП