Пьезоэлектрический геофон Советский патент 1992 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к горному делу, а именно к средствам контроля устойчивости горного массива при добыче полезных ископаемых подземным способом, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства в качестве датчика акустической эмиссии.

Целью изобретения является повышение чувствительности за счет самоориентации пьезоэлемента в скважине.

На фиг.1 показано продольное сечение пьезоэлектрического геофона; на фиг.2 - поперечное сечение А-А на фиг.1.

Пьезоэлектрический геофон содержит цилиндрический корпус 1, защитный кожух 2, герметизирующие уплотнители в виде заглушки 3 и пробки 4. В цилиндрическом основании 5 корпуса 1 выполнено гнездо, в которое вмонтирован шарикоподшипник 6 с осью 7. В кожухе 2 размещены пьезоэлемент 8, его держатель 9, выполненный Г-об- разным и короткой стороной закрепленный

на оси 7 подшипника 6 с возможностью свободного вращения на ней. Пьезоэлемент 8 закреплен на длинной стороне Г-образного держателя 9 посредством диэлектрических планок 10 и крепежных винтов 11. На торце цилиндрического основания 5 со стороны шарикоподшипника 6 посредством клея укреплен токосъемник 12, выполненный из диэлектрического материала с наклеенным на немтокопроводящим кольцом 13. В верхней части короткой стороны Г-образного держателя 9 выполнено сквозное отверстие, в котором запрессована диэлектрическая втулка 14, по центру которой установлена стойка 15 из отрезка медного провода. К передней выступающей части стойки 15 подпаян вывод пьезоэлемента 8, а к задней - контактный лепесток 16. Через пробку 4 и уплотнительную шайбу 17 в заглушке 3 пропущен кабельный провод 18 К внутренней стороне заглушки 3 крепится монтажная плата усилителя низкой частоты (не показаЁ

VI

СО

О

О

ю

на), а кабельный провод 18 электрически соединяет выход указанного усилителя с головными телефонами, выключателем и источником питания (не показаны), что в совокупности представляет собой регистри- рующее устройство.

При произвольном повороте корпуса 1 на некоторый угол вокруг его продольной оси токосъемник 12, жестко закрепленный на основании 5, также поворачивается вме- сте с корпусом 1, при этом Г-образный держатель 9 с установленным на нем пьезоэлементом 8, вращаясь на оси 7 шарикоподшипника 6 в противоположном направлении, всегда стремится занять исходное положение, а контактный лепесток 16 обеспечивает электрическое соединение пьезоэлемента 8 с токопроводящим кольцом 13 токосъемника 12 и далее, через соединительный проводник 19, с входом усилителя низкой частоты (не показан).

Второй конец пьезоэлемента 8 распаян непосредственно на горизонтальном участке Г-образного держателя 9 и через ось 7 на шарикоподшипнике 6 и основание 5 корпу- са присоединен к общему плюсу электрической схемы усилителя низкой частоты (не показан), а через кабельный провод 18 с положительным полюсом источника питания (не показан).

Пьезоэлектрический геофон работает следующим образом.

Во время обследования горного массива в условиях шахты на предмет оценки его устойчивости к проявлению горного давле- ния пьезоэлектрический геофон помещают в одну из технологических (измерительных) скважин, специально пробуренных для этой цели, или в любую другую, подходящую по длине и диаметру и находящуюся на опти- мальном удалении об объема исследования. С помощью имеющихся средств досылки (остальные, деревянные или дюралюминиевые штанги) геофон перемещают на некоторое расстояние от устья скважины, например на 2 м, а устье скважины закрывают поролоновой заглушкой с целью предотвращения проникновения в скважину посторонних звуков.

Затем оператор одевает головные теле- фоны (не показаны) и посредством соединительного шнура подключает выход геофона (через разъем на корпусе источника питания) на вход портативного магнитофона, после чего последовательно включает питание магнитофона и пьезоэлектрического геофона. За это время угловые колебательные движения Г-образного держателя 9 с установленным на нем пьезоэлементом 8 полностью затухают и своей рабочей

поверхностью устанавливается параллельно плоскости, секущей скважину вдоль ее оси.

Упругие колебания звуковой частоты, образующиеся от микроразрушений, происходящих в очаге напряженного состояния горного массива, через контакт, образуемый стенкой скважины и корпусом геофона, поступают на пьезоэлемент 8, который благодаря Г-образному держателю 9, укреплен- ному на шарикоподшипнике 6, всегда обращен к линии этого контакта, а значит в направлении максимума сигнала, резониру- емого корпусом датчика в этом месте. В результате воздействия этих колебаний на пьезоэлемент 8 он начинает совершать микроколебания в направлении перпендикулярном его рабочей поверхности (плоскости), при этом на его обкладках возникает электрический потенциал, соразмерный воспринимаемому упругому колебанию звуковой частоты и совпадающему с ним по фазе. Затем этот потенциал, меняющийся во времени как по амплитуде, так и по частоте, т.е. несущий информацию полезный сигнал, через кольцевой токосъемник 12 поступает на вход 4-каскадного усилителя низкой частоты (не показан), выполненного на биполярных транзисторах малой мощности, например КТ203Б, где он усиливается до необходимого значения. Максимальный коэффициент усиления такого усилителя составляет К 10000, а диапазон воспроизводимых частот 1-20000 Гц, что достаточно для регистрации полученной от горного массива информации в области всего звукового диапазона как на высококачественные головные телефоны, так и для записи на магнитную ленту с целью последующего воспроизведения этой информации на самописец или осциллограф (не показаны).

Об устойчивости исследуемого участка горного массива в целом и о локализации очага напряженности на этом участке, в частности, и связанной с ними звукоактивно- сти, оператор судит по количеству регистрируемых импульсов микроразрушения за промежуток времени, например за 5 мин, а также по интенсивности (амплитуде) этих импульсов, о чем делает запись в журнале.

Прослушав массив на звукоактив- ность в данной точке, оператор выключает магнитофон и источник питания (не показаны) пьезоэлектрического геофона и, перемещая геофон дальше, вглубь скважины, устанавливает его в новой точке наблюдения, удаленной от предыдущей на расстоянии 3-5 м.

При досылке геофона в каждой новой точке наблюдения его корпус 1 неизбежно испытывает на себе влияние сил, закручивающих его вокруг продольной оси на некото- рый угол, однако держатель 9 с закрепленным на нем пьезоэлементом 8 каждый раз возвращается в исходное положение, ориентируя его в направлении исследуемого объекта.

Так как пьезоэлемент 8 геофона своей рабочей плоскостью самоустанавливается в направлении исследуемого массива, что совпадает с максимумом упругой звуковой волны, излучаемой на границе контакта корпус геофона - стенка скважины и при этом чувствительность геофона увеличивается, оставаясь (по абсолютному значению) равной во всех точках измерений вдоль оси скважины, это позволяет получать неискаженные и сопоставимые друг с другом достоверные данные как о локализации отдельных очагов разрушения, так и о состоянии горного массива в целом.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический геофон, содержащий герметизированный цилиндрический

корпус, в котором размещены пьезоэлемент, его держатель, консольно соединенный с цилиндрическим основанием корпуса, и усилитель, выход которого соединен с кабелем, проходящим через герметизирующие уплотнители, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности за счет самоориентации пьезоэлемента в скважине, в него введены шарикоподшипник с осью, размещенный в цилиндрическом основании корпуса, и скользящий контакт, токопроводящее кольцо которого установлено на цилиндрическом основании и соединено с входом усилителя, а контактный лепесток установлен на держателе и соединен с пьезоэлементом, при этом держатель пьезоэлемента выполнен Г-образ- ным, на длинной стороне его установлен пьезоэлемент, а короткая сторона держателя закреплена на оси подшипника таким образом, что центр тяжести держателя с пьезоэлементом смещен относительно оси подшипника с возможностью свободного вращения на ней.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано в качестве датчика акустической эмиссии. Цель - повышение чувствительности , за счет самоориентации пьезоэлемента в скважине. За счет введения шарикоподшипника, на оси которого со смещением центра тяжести относительно нее установлен на держателе пьезоэлемент, соединенный с усилителем через скользящий контакт, обеспечивается независимо от положения корпуса одинаковая ориентация пьезоэлемента относительно образующей его корпуса. 2 ил.

-Я -/Ј AN J&& i l

/,.- //7

(

Urr.-1 А

.2