Пьезоэлектрический сейсмометр Советский патент 1986 года по МПК G01V1/16 

1

Изобретение относится к приемникам сейсмических колебаний, которые, в частности, могут быть использованы при каротажных исследованиях.

Изобретение решает задачу созда- ния малогабаритных измерительных устройств сейсмических колебаний в области частот 0,01-100 Гц.

Целью изобретения является повышение чувствительности и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности одновременной регистрации вертикальных и горизонтальных колебаний во взаимно перпендикулярных плоскостях в скважине.

На фиг. 1 показана механическая схема, поясняющая работу предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3 - электрические схемы сейсмометра на.фиг. 4 - конструкция сейсмометра.

В одной плоскости (фиг. 1) у сейсмометра установлены четыре стержневых пьезоэлектрических элемента 1 - 4. Между верхними I, 3 и нижними 2, 4 элементами через контактные шари- ки 5 зажато коромысло 6, которое вместе с рычагом 7 и рабочей массой 8, образует дифференциальную систему передачи усилий, возникающих при горизонтальных перемещениях массы 8. Коромысло в центральной точке подвешено к пружине 9, уравновещивающей вес массы. Стержни зажаты в осевом; направлении пружинами 10, усилие которых в несколько раз больше, чем максимальные усилия, возникающие при работе сейсмометра. Пружины в значительной мере ослабляют механические напряжения, возникающие в пьезоэлементах из-за различных терми ческих коэффициентов материала элементов и корпуса, а также позволяют производить арретирование устройства

Обкладки каждого элемента подключены к дифференциальным усилительным схемам, показанным на фиг. 2. Элементы 1 , 2 и 3, 4 соединены с интегрирую-; щими усилителями 11, которые подключены к входам дифференциальных усилителей 12 и 13 через регулируемый эле мент 14, который необходим для балансировки каждой пары из-за разброса электрических характеристик пьезоэле ментов. Появление осевых механически напряжений в каждой паре вызывает разнополярные потенциалы на обкладках пьезоэлементов, которые приводятся к одному потенциалу двойной ампли741

туды на выходе усилителей 12 и 13. Полярность на их выходах зависит от направления силы плеча коромысла 6. Так как зти силы противофазны, то на выходах усилителей 12 и 13 при действии горизонтальной силы будет раз- нополярное напряжение. Это напряжени поступает на вход дифференциального усилителя 15, с выхода последнего снимается сигнал, соответствующий горизонтальным колебаниям сейсмометра. Регулируемый элемент 16 обеспечивает компенсацию несоответствия электрических характеристик пар пьезоэлемен тов 1, 2 и 3, 4, а также неточности в изготовлении, например несимметричность плечей m и т коромысла 6. Если масса 8 будет испытывать вертикальные колебания, то пьезопары 1, 2 и 3, 4 будут подвержены синфазным воздействиям, полярность напряжений на выходе усилителей 12 и 13 будет одинаковой и, в результате, на выход дифференциального усилителя 15 сигнал будет отсутствовать.

Таким образом схема, показанная н фиг. 2 в сочетании с конструкцией фиг. 1, обеспечивает выделение только горизонтальных колебаний массы 8.

Для того, чтобы на выходе сейсмометра иметь сигнал, отражающий его вертикальные колебания, необходимо дифференциальный усилитель 15 - вычитающий элемент - заменить на суммирующий элемент, что и сделано в схеме, показанной на фиг. 3. В данной схеме условно изображен каждый блок 17, обведенный на фиг. 2 пунктирной линией. Поскольку реальная конструкция сейсмометра содержит четыре пары пьезоэлементов и позволяет регистрировать горизонтальные колебания в двух перпендикулярных направлениях, то сумматор 18 объединяет четыре блока 17 на своих входах. На выходе схемы фиг. 3 выделяется сигнал, отражающий только вертикальные колебания массы, так как горизонтальные колебания вызьшают противоположные знаки на входе сумматор 18 и результирующие напряжения на его выходе будут равны нулю.

На фиг. 4 показана конструкция пьезоэлектрического сейсмометра, содержащего пьезоэлектрические элементы 19 в виде стержней с торцовыми электродами. Пары элементов расположены в корпусе 20 вертикально по ок3I24J

ужности через 90 . Каждый элемент омещен в изоляторную втулку 21. В верхней и нижней части корпуса расположены Контактные втулки 22 и 23 с электродами 24. Втулки 22 неподвиж- 5 ны, а втулки 23 перемещаются и прижимают элементы 19 с помощью пружин 25, которые фиксируются гайками 26. ежду верхними и нижними пьезоэле- ментами находится диск 27, передаю- 10 щий механические напряжения на пьезо- элемеиты через контактные шарики 28. В диске, в его центре, закреплена ось 29, на нижнем конце которой находится рабочая масса 30, а верхний 15 конец оси присоединен к компенсирующей пружине 31, натяжение которой регуируется винтом 32. В нижней части орпуса имеется фиксирующая гайка 33,- внутре:нняя поверхность которой 20 сопряжена с внешней поверхностью массы и выполнена конической. Перемеения гайки по резьбе регулируют зазор между конической поверхностью и ассой. Зазор определяет ход массы и 25 при арретировании, Арретирование сейсмометра осуществляют вращением регулировочного винта 32. Когда винт ослабляет пружину 31, под действием веса рабочей массы пружины 25 сжима- зо ются и масса 30 плотно прилегает к конической поверхности фиксирующей гайки 33. Поскольку рабочий ход массы 30 при арретировании мм, то верхние шарики 28 не выпадают из ,, отверстий во втулках 21. Возможно слабое подпружинивание верхних втулок с целью их постоянного контакта с диском.

Пары пьезоэлементов, расположенных Q в одной плоскости, регистрируют горизонтальные колебания только по одной оси. Точки приложения сил к другой паре элементов располагаются при этом на оси вращения плоскости дис- ка, перпендикулярной выбранной оси регистрации, и не вызывают деформации этих пар элементов, т.е. взаимное влияние осей чувствительности отсутствует.50

Из особенностей конструкции сейсмометра следует отметить, что диаметр диска и внутренний диаметр цилиндра, где он перемещается, выполняются по скользящей посадке, кроме 55 того, ребро диска должно иметь сферическую поверхность. Обязательным является уменьшение или полное ис1744

ключение соединительных проводников между электродами пьезоэлементов и усилительной схемой. Это необходимо для увеличения чувствительности сейсмометра, так как выходное напряжение

каждого элемента п , где Q - заV

ряд, вызванньй деформацией элемента, С - электрическая емкость обкладок самого элемента и соединительных проводников. На фиг. 4 не показаны усилительные схемы фиг. 2 и 3, но следует указать, что они должны располагаться около выводов пьезоэлементов. Соединения пружины 31 регулировочного винта 32 и диска должны быть шарнирными .

Введение в сейсмометр четырех дифференциальных пьезоэлементов в сочетании с дисковой рычажной конструкци - ей передачи усилений от рабочей массы и включение их в дифференциальные и суммирующие схемы позволяет обеспечить максимальную чувствительность одновременной регистрации колебаний по трем взаимно перпендикулярным осям,- при большом отнощении вертикальных и горизонтальных размеров сейсмометра, т.е. при его значительной протяженно;сти, что является главным для скважинной конструкции. Использование дифференциального принципа во всех усилительных схемах позволяет достичь большей стабильности и точности регистрации, т.е., в конечном итоге, также способствует увеличению чувствительности устройства.

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический сейсмометр, содержащий инерционную массу, опирающуюся через контактные шарики на пьезоэлектрические элементы в виде стержней, расположенных в изолятор- ных втулках и соединенных через торцовые обкладки с дифференциальной схемой усиленияj отличающий с я тем, что, с целью повьштения чувствительности и расширения функциональных возможностей за счет обеспечения одновременной регистрации вер- тикапьиых и горизонтальных колебаний во взаимно перпендикулярных плоскостях в скважине, он содержит четьфе пары дифференциально включенных пьезоэлементов, установленных вертикально по окружности через 90 , между.

контактными шариками верхних и нижних пьезоэлементов помещен диск, в центре его закреплена ось, на конце которой расположена инерционная масса, а верхний конец оси соединен с компенсирующей пружиной, закрепленной на верхней части корпуса сейсмометра.

2. Сейсмометр по п. 1, отличающийся тем, что каждая па- ра пьезоэлементов зажата в осевом направлении пружиной, расположенной в нижней части сейсмометра, а инерционная масса вьтолнена в виде усеченного конуса и снабжена фиксатором в ви- де гайки, внутреняя поверхность которой сопряжена с поверхностью конуса и перемещается вдоль оси.

3.Сейсмометр по rtn. 1 и 2, отличающийся тем, что каждые две пары дифференциально включенных пьезоэлементов, расположенных в одной вертикальной плоскости, подключены к дифференцигшьной схеме усиления , выход которой является рабочим выходом одной из горизонтальных осей регистрации.

4.Сейсмометр по пп, 1 и 2, о т - личающийся тем, что выходы всех четырех дифференциально включенных пар пьезоэлементов соединены с сумматором, выход которого является рабочим выходом вертикальной оси регистрации.

Изобретение относится к Приемникам сейсмоколебаний и может быть использовано при каротажных исследованиях в области частот сейсмоколебаний 0,01-100 Гц. Изобретение позволяет повысить чувствительность, рас.ширяет функциональные возможности сейсмометра за счет обеспечения возможности одновременной регистрации вертикальных и горизонтальных колебаний во взаимно перпендикулярных плоскостях в скважине. Цель достигается выполнением инертной массы 30 в виде, сферического. маятника на опорном диске 27, который опирается на четыре пары стержневых пьезоэлемен- тов 19. ПьезоэлеМенты включены дифференциально в схему измерения, обеспечивающую возможность раздельной регистрации как вертикальной, так и двух горизонтальных компонент сейсмоколебаний . Соотношение радиуса диска R и длины маятника . R t обеспечивает механическое усиление и повышает чувствительность при снижении собственной частоты сейсмометра. 3 з.п, ф-лы, 4 ил. (Л 22 к 4i «.Ф

Лл/jeo fXfy)

1риг.2

..J

п

:j

п

j

/

Г8 Выхоа

L- г

j л

Редактор М, Бандура

Заказ 3485/41Тираж 728

ВНИИПИ.Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

фиг.З

Составитель М. Спасский

Техред о.Сопко Корректор А. Зимокосов

Подписное