Трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмоакустический приемник Советский патент 1992 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для измерения параметров колебаний при акустических и сейсмических колебаниях жидких сред и грунтов.

Известен трехкомпонентный сейсмограф, который состоит из корпуса, центральной массы с дополнительной крестовиной, пьезоэлементов, работающих на изгиб и наклеенных на мембраны.

Недостаток данного устройства состоит в том, что при больших массах ударопроч- ность пьезоэлементов, работающих на колебаниях изгиба, недостаточна.

Известно устройство для регистрации трех компонент сейсмических колебаний , в котором используются удлиненные пьезоэ лементы, расположенные между корпусом и инерционной массой, работающие на сжатие.

Однако конструктивная схема их поджа- тия приводит к другим зависимостям оптимальных размеров пьезоэлементов от рабочей полосы частот.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является трехкомпонентный вибродатчик, содержащий общий инерционный элемент (масса), упругие стяжки в виде шпильки (в последовательной силовой армирующей цепи), пьезопакеты.

Основной недостаток такого вибродатчика заключается в низкой чувствительности, так как форма и размеры пьезоэлектрического пакета не оптимизированы (с учетом сохранения рабочей полосы частот).

Цель изобретения - повышение чувствительности по напряжению при сохранении рабочей полосы частот.

VI СО

V4 GJ

Указанная цель достигается тем, что в стройстве, содержащем корпус, общий нерционный элемент, размещенный с зазором относительно корпуса, три пары пьезоэлектрических пакетов, расположенных по трем взаимно перпендикулярным осям, проходящим через центр инерционной масы, связанных с инерционной массой посредством шпилек, пьезоэлектрический пакет выполнен в виде консольной балки, причем отношение длины пьезоэлектрического пакета к его наружному диаметру равно двум.

Возможность повышения чувствительности при сохранении рабочей полосы частот (пропорциональной верхней рабочей частоте и, следовательно, резонансной частоте сейсмоприемника) обоснована исходя из условий равенства резонансных частот продольных и поперечных колебаний, так как наличие любого резонанса одинаково ограничивает сверху рабочую полосу частот. При рассмотрении продольных колебаний сейсмоприемника введем допущения о том, чю полная жесткость последовательной механической цепи определяется элементом с минимальной жесткостью, в нашем приборе-жесткостью шпильки. Кро- ме того, введем коэффициент 2, так как при продольных колебаниях масса М связана с двумя шпильками. С учетом этого квадрат резонансной частоты продольных колебаний равен

2 К щ 2 Е ш 5 щ

°-прОА (2я)2М (2я)ЧшМ где Еш - модуль упругости материала шпильки;

Зш - площадь сечения шпильки;

L-ш - длина шпильки;

Кш - упругость шпильки.

Квадрат резонансной частоты поперечных колебаний пьезоэлектрического пакета, как консольной балки, равен (при условии пренебрежения поперечной жесткостью стягивающей шпильки , имеющей значительно меньший диаметр, чем диаметр пьезопакета)

1,875 2Е к J

.г

«поп

3.5 Е « J

пп

(2тг)

пп

L3mnn

(2Я)2 где Ек - модуль упругости пьезокерамики;

с 2г 4

Inn -F3момент инерции

поперечного сечения пьезопакета;

Snn - площадь пьезопакета;

D, L- наружный диаметр и длине пьезопакета;

тпп - масса пьезопакета.

Введем условие равенства резонансных частот продольных и поперечных колебаний и определим исходя из этого условия соотношение между длиной и диаметром пьезопакета

L ш S пп Е к R7T

L V D 1

28,7 L S ш Е ш гп пп Подставив реальные значения параметров, характерных для подгруппы сейсмоп- риемников, включающей предлагаемое устройство.

известное и Ek 0,62 . 1011

5

0

5

0

5

0

0

5

Н/м2

S ПП

Еш 2,1 М

10,

1011 Н/м2; - 35, получим

ш

1,25,

2.

SI V,, IHJ/I V-IKH j

шm ппD

Итак, при L/D 2 частоты продольных и поперечных колебаний равны, поэтому рабочая полоса частот сохраняется. При увеличении отношения L/D происходит снижение пропорционально L резонансной частоты поперечных колебаний и, соответственно, снижение рабочей полосы частот. С другой стороны .известно что при уменьшении длины L (при заданном диаметре пьезоэлемента) чувствительность по напряжению пьезоэлектрического приемника падает. Таким образом, доказана оптимальность соотношения L/D 2, при котором чувствительность предлагаемого устройства существенно выше, чем у известного при неизменности рабочей полосы частот.

В случае использования составов пье- зокерамики с другими параметрами, варьируя . отношениями Snn/Зш или М/глпп можно добиться, чтобы отношение L/D равнялось двум. В этом случае преимущества предлагаемого устройства по сравнению с известным сохраняются.

На чертеже приведена конструктивная схема трехкомпонентного сейсмоакустиче- ского приемника.

Приемник состоит из корпуса 1, общего 5 инерционного элемента 2, шести пьезоэлектрических пакетов 3. набранных из четырех льезоэлементов каждый. Пьезоэлектрический пакет своим основанием уперт в дно стакана 4. а сверху через шпильку 5 при помощи гайки 6 и шайбы 7 связан инерционным элементом.

Сейсмоакустический приемник работает следующим образом.

Под действием акустической или сейсмической волны возбуждаются колебания контактирующего с окружающей средой корпуса 1 приемника. Инерционный элемент 2 в соответствии с теорией колебаний колеблется с некоторым запаздыванием по

амплитуде и фазе относительно колебаний корпуса. Со стороны инерционного элемента возникает сила инерции, действующая на пьезопакеты 3, вследствие чего возникает деформация этих пьезопакетов и на их выходе появляется электрический сигнал.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмоакустический приемник, содержащий корпус, инерционный элемент, установленный с зазором относительно корпуса, три пары пьезоэлектрических па0

кетов. консольно закрепленных на корпусе, оси которых расположены по трем взаимно перпендикулярным осям, проходящим через центр инерционной массы, соединенных с инерционной массой посредством армирующих стяжек в виде шпилек, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности по напряжению при сохранении рабочей полосы частот, каждый из пьезоэлектрических пакетов выполнен в виде балки, причем отношение длины пьезоэлектрического пакета к его наружному диаметру равно двум.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для измерения параметров колебаний при акустических и сейсмических колебаниях жидких сред и грунтов. Цель изобретения заключается в повышении чувствительности по напряжению при сохранении рабочей полосы частот. Устройство содержит корпус, инерционный элемент, три пары пьезоэлектрических пакетов, связанных армирующими шпильками с инерционной массой. Пьезоэлектрические пакеты выполнены в виде консольной балки, причем отношение длины пьезоэлектрического пакета к наружному диаметру равно двум. 1 ил.