Сейсмометрическое устройство Советский патент 1986 года по МПК G01V1/22 

И:.и Г1р трпие отиогится к техничсг- Kot i физике и может быть преимущественно ис1тользовано для морских сейсмологических исследований, а также может найти применение в аппаратуре для тензометрии и гидрофизичес- ких исследований.

Современный уровень технических средств для сейсмометрии позволяет пpинимatь по гидроканалу слабые сейсмосигналы от искусственных источников зондирования в частотном диапазоне с нижней границей 2,-5 Гц. Усилительные тракты соответствующей сейсмометрической аппаратуры строятся для повьшения помехозащищённости и расширения динамического диапазона по схемам дифференциальных усилителей переменного тока с разделительными конденсаторами или .сейсмотрансформаторами, что позволяет не усиливать смещения нулевого уровня усилительных каскадов по постоянному току и ограничивает нижнюю границу частотного диапазона.

В то же время задача построения телеметрической аппаратуры для прогнозирования низкочастотных волн от естественных источников, например, типа цунами, или для непрерьюНых сейсмологических наблюдений требует расширения нижней границы частотного диапазона до десятых и сотых долей герца, а иногда и вплоть до нулевых частот (телеметрия гидростатического фона давлений и сопутствующих гидрофизических параметров). Это может быть технически реализовано только в дифференциальных усилительных трактах постоянного тока, но при этом наряду с полезным сигналом неизбежно усиливаются начальные напряжения каскадов с их тепловыми и временными дрейфами, частотно неотделимые от слабых полезных сигналов и превышающие их по величине. Тем самым резко ограничивается динамический диапазон сейсмометрических устройств в инфранизкочастотной области .

Цель изобретения - расширение области применения сейсмометрического устройства путем увеличения динами- ческого ,1диапаэона на инфранизких частотах.

На фиг. 1 .приведена структурная схема предла1-аймо1 о сейсмометрического устройгтпл; на фиг. 2 - фраг5

t

мент схемы, поясняющий выполнение ее основных узлов.

Сейсмометрическое устройство (фиг, 1) содержит по меньшей мере один первичный приемник 1 сигнала с симметричным выходом, по меньшей мере две лары резисторов 2 прямой передачи сигнала, по меньшей мере два симметричных четырехполюсника, каждый из которых выполнен в виде па- рафазного усилителя 3 постоянного тока, охваченного по каждой паре основных входов 4 и 5 и выходов 6 и 7 двумя цепями отрицательной обратной связи в виде резисторов обратной передачи, разделенных на две части 8 и 9, между которыми включен ре- зистивный двухполюсник 10, а также по меньшей мере один регистрируниций канал 11, между входом которого и выходами 6 и 7 усилителей 3 включено последовательное соединение мультиплексора 12 и фильтра 13 нижних частот. Первичный приемник 1 может быть выполнен в виде двухполюсного изолированного пьёзогшектрического датчика или в виде мостового датчика на основе пьезо- или тенздрезисторов. Сейсморегистрирующий канал 11 может быть выполнен, например, э виде известного последовательного соединения устройства выборки - хранения, кодирующего преобразователя, линии передачи и цифрового накопителя на 5 магнитном носителе. Мультиплексор 12 в простейшем случае представляет собой двойной двухпозиционный электронный ключ, а фильтр 13 выполняется по любой из известных схем апериоди- ,

ческих активных фильтров на основе операционного усилителя. Мультиплексор 12 снабжен сигнальными входами 14 и 17, а также управляющим входом 18. .

45 Кроме того, схема содержит по меньшей мере четыре прерывателя 19 сигнала , которые включены своими сигнальными входами и выходами между соответствующими основными входами

50 усилителей 3 и резисторами 2 прямой передачи сигнала, а попарно объединенными управляющими входами - к первому 20 и второму 21 выходам синхронизатора 22, третий выход 23 кото55 рого подключен к управляющему входу 18 мультиплексора 12.

Каждый парафазньш уси;1итель снабжен дополнительными входами 2Д и 25,

0

которые соединены с cooTBeTCTByiomiiMH выходами 6 и 7 через канал 26 периодической компенсации нулевого уровня. Стробирующие входы упомянутых каналов 26 попарно соединены и ,подключены к соответствующим выходам 20 и 21 синхронизатора 22.

Каждый парафазный усилитель 3выполнен (фиг. 2), например, в виде двух операционных усилителей 27, инвертирующие входы которых служат основными входами 4 и 5, а неинвер- тирующие входы - дополнительными входами 2А и 25 усилителя 3. Каждый канал 26 периодической компенсации нулевого уровня вьтолнен в виде последовательного соединения аналогового усилителя инвертора 28, вход которого служит входом канала 26 и аналогового запоминающего устройства 29, выход которого служит выходом канала 26, усилитель - инвертор 28 выполнен по известной схеме операционного усилителя 30, охваченного цепью отрицательной обратной связи через резисторы 31 и 32, а аналоговое запоминающее устройство 29 - по одной из известных схем выборки-хра нения на основе запоминакмцего конденсатора и ключа или на основе известных микросхем серии 1100. Стробирующие входы каналов 26 подключены (фиг. 2) к первому выходу 20 синхронизатора 22.

Каждый прерыватель 19 выполнен в виде трехполюсника, между входом и выходом которого включен первьА электронный ключ 33, между входом и общей шиной - второй электронный ключ 34, а между выходом и нулевой ши- ой - третий электронный ключ 35. Электронные ключи могут быть выполнены в виде соответствующих микросхем серии 564, Управляющие входы ключей 34 и 35 соединены, а точка их соединения служит управляющим входом прерьшателя и подключена к управляющему входу ключа 33 через логический инвертор 36 (либо к инвер сному эквиваленту выхода 20). Подобное построение коммутатора обеспечивает при замыкании ключей 34 и 35 двух- сторонне низкое выходное сопротивление прерьшателя по входу и выходу,

развязанным через большое сопротивление разомкнутого ключа 33. Синхронизатор 22 может быть выполнен по известной структуре последовательfO

f5

0

5

0

5

0

5

0

5

него соедииемия накопительного счрт- чнка н дешифратора его состояний, реализуемой на микросхемах серии 564.

Состав сейсмоприемного устройства на фиг. 1 представлен в минимальной совокупности признаков для обработки сигнала от одного первичного приемника, т.е. в однокальном варианте. Для п пертзичных приемников количество структурных узлов, предшеств тощих регистрирующему каналу 11 должно быть увеличено в п раз, а блок снабжается соответствующим мультиплексором каналов, к входам которого подключаются усилительные структуры (фиг. 1), а мультиплексор каналов и его логика выполняются по известным принципам временного уплотнения каналов и реализуются, например, на микросхемах серий 564, 504 и других.

Сейсмометрическое устройство работает следующим образом.

Благодаря выполнению прерывателя 19 (фиг. 2) резисторы 2 подключаются либо к общей шине (нулевому потенциалу), либо к входам 4 и 5 па- рафазных усилителей 3, находшцимся при наличии резистивной цепи обратной передачи (8-10) под квазинуле- потенциалом. Поэтому оба выхода первичного приемника 1 сигнала находятся при любых состояниях прерывателей 19 под одинаковыми токовыми и резистивными нагрузками, что не приводит к нагрузочным дисбалансам приемника 1 при изменении состояния прерывателей 19. Синхронизатор 22 вырабатывает на выходе 23 поток прямоугольных электрических импульсов со скважностью , кото- рые поочередно подключают по входу 18 через (мультиплексор 12 и фильтр 13к-входам регистрирующего канала

11вьпсоды 6 и 7 то одного, до другого усилителей 3. Функцией фильтра

12является сглаживание высокочастотной составляющей коммутационных помех, вносимых мультиплексором 12 и лрактически не искажаклцих спектр полезного сигнала и в инфранизко- частотной и низкочастотной областях. На выходах 20 и 21 синхронизатор 22 вырабатывает 2 кратковременных

(до 50 мкс) электрических импульса за один период коммутирующего сигнала на выходе 23, прргчем таким образом, что когда через мультиплексор 12 передаются сигналы с его входов

16 и 17 (фиг, 1), импульс вырабатывается на выходе 20, а когда через мультиплексор 12 передаются сигналы с .pro входов 14 и 15, импульс вырабатывается на выходе 21,

Каяэдый из импульсов с выходов 20 и 21 кратковременно прерывает подачу сигнала от приемника 1 на соответствующий усилитель 3 и переводит последний .посредством включения пары ,каналов 26 компенсации в режим нз- мерения текущего значения приведенг него напряжения смещения нулевого уровня. За счет временного уплотнения сигналов усилителей 3 посредством мультиплексора ожидаемый сигнал oTKJH04eHftoro усилителя 3 копируется на выходе фильтра 13, т.е. непрерывно поступает на регистрацию в канал 11.

Измерение и запоминание приведенного сигнала нулевого уровня усилителя 3 осуществляется следующим образом. При вык почении прерывателя 19 происходит отключение от первичного приемника, а усилитель 3 оказывается охваченным цепью отрицательной обратной связи через малое выходное сопротивление открытого

ключа 35 и цейь обратной передачи 8-10 по входам 4 и 5, а также второй цепью отрицательной обратной связи .через канал 26 периодической компенсации по входам 24 и 25. Действие второй цепи отрицательной обратной связи существенно доминирует вследствие того, что выходное сопротивление ключа 35 значительно меньше .сопротивлений рез1)гсторов 8 и 9. Поэтому практически полностью исключается взаимное влияние выходов 6 и 7 друг на друга через резистор 10; необходимое при пропускании полезного сигнала для режекции синфазного сигнала приемника 1 пр постоянному току, и для операционных усилители 27 возможно практически раздельное измерение напряжений приведенного смещения нуля посредством каналов 26 без отключения общей цепи обратной передачи 8-10. При включении строби- рующим сигналом соответствующего аналогового запоминающего устройства 29 на отслеживание (выборку) на входе 24 (или 25) выбаратьгеается напряжение см приведенного смещения нуля соответствующего операционного усилителя 27; причем усилитель

10

15

20

25

78740о

28, обеспечивая режим отрицательней обратной связи, увеличивает своим усилением точность выработки е см в условиях неотключаемой цепи обратной передачи 8-10. По окончании стро- бирующего сигнала запоминающее устройство 29 хранит запомненный сигнал, компенсирует собственное е си усилителей 27 и позволяет осуществить усиление полезного сигнала без соответствующего усиления в см.

Совокупность отличительных признаков позволяет ПРИ наличии периодической коррекции нулевых уровней усилителей осуществить непрерьшную регистрацию сейсмосигнада от пьеэо электрических или пьезорезистивиых первичных приемников с симметричным выходом в ивфранизкочастотном.диапазоне и по постоянному току. Это достигается указанным сочетанием режима временного мультиплексирования аналоговых сигналов с прерывистой синхронной периодической подстройкой нулевых уровней усилителей по постоянному току активными компенсационными каналами параллельного типа по дополнительной паре входов парафаз- ного усилителя при неотключаемой цепи обратной передачи типа мостового согласованного четьфехполюсни- ка,(8-10). Весь тракт передачи сигнала от первичйого приемника до регистратора не имеет частотноразде- лятельных реактивностей и позволяет расщирйть область применения с высокой разрешающей способностью (большим динамическим диапазоном) вплоть до нулевых частот, т.е. без ограничений на тип первичного приемника с симметричным выходом.

Предлагаемое устройство реализуется для диапазона полезного сигнала 0-2000 Гц с динамическим диапазо- . ном в одноступенном парафазном усилении не менее 60 дБ, достигаемое подавление сигнала смещения нуля усилителей составляет не менее 95 дВ. Верхний предел частоты входного сигнала зависит только от частотных свойств усилителей 27 и 30 и мультиплексора 12.

30

35

40

45

50

55

Формула изобретения

1. Сейсмометрическое устройство, содержащее по меньшей мере один первичный приемник сигнала с симметрич,7 . t:

HbiN ВЫХОДОМ, по меньшей мере ДВР пары резисторов прямой передачи сигнала, по меньшей мере два сим гетрич- ных четырехполюсника, каждый из.которых выполнен в виде парафаэного усит лителя постоянного тока, охваченного по калщой паре основного входа и выхода цепью отрицательной обратной связи в виде резисторов обратной передачи разделенных на две части, между которыми включен двухполюсник, а также по меньшей мере один регистрирующий канал, вход которого электрически связан с выходами каждого четырехполюсника, причем первые вьшоды каждой пары резисторов прямой передачи электрически связаны со входами соответствующего четырехполюсника, а вторые выводы одной пары резисторов прямой передачи подключены к выводам симметричного выхода первичного приемника, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения путем увеличения динамического диапазона на инфранизких частотах, оно содержит по меньшей мере четыре прерывателя сигнала, мультиплексор, фильтр нижних частот и синхронизатор, а каждьй двухполюсник выполнен в виде резистора, каждый па- рафазный усилитель снабжен двумя каналами периодической компенсации нулевого уровня, каждый из которых включаем между выходом парафазиого усилителя и его соответствующим дополнительным входом, при этом злек- трическая связь выходов четырехполюс ника с входом регистрирующего канала выполнена через последовательное соединение мультиплексора и фильтра посредством подключения сигнальных входов мультиплексора к выходам четырехполюсников, выхода фильтра - к входу регистрирующего канала, а злектрическая связь первого вывода каждого резистора прямой передачи с соответствующим входом четырехполюс П

никя г)Ы11(;.ммеи.) через прерыплтриг,, первые пыяоды другсш па1)ы резисторов прямой перрдачи подключены к соответствуЮ1цим выводам первичного приемника, а управляющие выводы первого и второго прерывателей соединены со стробирующ1гми входами одной пары каналов компенсации и подключены к первому выходу синхронизатора,

управляющие входы третьего и четвертого прерывателей соединены со стро- бирующими входами другой пары каналов компенсации и подключены к BTvOpo- му выходу синхронизатора, третий вы-ход которого подключен к управляющему входу мультиплексора.

2. Устройство по п,1, отличающееся тем, что каждый парафазный усилитель выполнен в

виде двух операционных усилителей, инвертирующие и неинвертирзпощие вхо-. ды которых соответственно служат основными и дополнительными входами парафазного усилителя, а каждый канал периодической компенсации вьшол- нен в виде последовательного соединения аналогового усилителя инвертора, вход которого служит входом канала, и аналогового запоминающего

устройства, выход которого служит выходом канала компенсации.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что каждый прерыватель сигнала выполнен

в виде трехполюсника, между входом и выходом которого включен первый электронный ключ, между входом и общей шиной - второй электронный

ключ, между выходом и ,общей шиной - третий электронный ключ, причем уп- равляю1цие входы второго и третьего ключей соединены, а точка их соединения служит упрапляющим входом

прерывателя и подключена к управляющему входу первого ключа через логический инвертор.

Фиг. г

Изобретение относится к техни- , ческой физике и может быть использовано для морских сейсмологических исследований. Цель изобретения - расширение области применения сейсмометрического устройства путем увеличения динамичёско .о диапазона на ин- франизких частотах, благодаря выполнению прерывателя резисторы подключаются либо к общей шине, либо к входам парафазных усилителей. Синхронизатор вырабатывает на выходе прямоугольные электрические импульсы, которые поочередно подключают по входу через мультиплексор и фильтр к входам регистрирующего канала. Функцией фильтра является сглаживание высокочастотной составляющей коммутационных помех, вносимых мультиплексором. Таким образом, при нали- , чии периодической коррекции нулевых уровней усилителей осзществляется непрерьшная регистрация сейсмосиг- нала от пьезоэлектрических или пье- зорезистивных первичных приемников с симметричными выходом в инфра- низкочастотном диапазоне и по постоянному току. Это достигается сочетанием режима временного мультиплексирования аналоговых сигналов с прерывистой синхронной периодической подстройкой нулевых уровней усилителей по постоянному току активными компенсационными каналами параллельного типа по дополнительной паре входов парафазного усилителя при неотключаемой цепи обратной передачи типа мостового согласованного четырехполюсника. Весь тракт передачи сигнала от первичного приемника до регистратора не имеет частотно- разделительных реактивностей и позволяет расширить область применения с высокой разрешающей способностью вплоть др нулевых частот. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. I (Л N9 00 Kl