Сейсмоприемник Советский патент 1993 года по МПК G01V1/16 

электромеханический преобразователь в виде основной колпачковой мембраны 2 с размещенным на ее плоской центральной части пьезоэлементом 3, инертную массу в виде тела 4 сращения, жестко скрепленную с упругим элементом в виде колпачковой мембраны 5, проходящей через центр тяжести инертной массы перпендикулярно рабочей оси сейсмоприемника и образующей с основной колпачковой мембраной замкнутый объем 6, заполненный жидкостью, В корпусе 1 установлена дополнительная кол- пачковая мембрана 7 с пьезоэлементом-8, расположенным также на плоской центральной части мембраны 7, которая образует с колпачковой мембраной 5 дополнительный замкнутый объем 9, идентичный объему б и также заполненный жидкостью. Внутренние электроды пьезоэлементов 10 и 11 электрически связаны между собой, а внешние 12 и 13 подключены посредством тонкихтоковы- водных спиралей 14 и 15 к гермовыводам сейсмоприемника 16 и 17 и электрически соединены посредством перемычки 18. Выводы 19 сейсмоприемника выполнены из антивибрационного кабеля и подключены к одному из гермовыводов и корпусу 1. Симметрично расположению упругого элемента 5 о инертной массе 4 выполнены кольцевые выемки 20. Величина зазора 21 между инертной массой 4 и центральными частями кол- пачкопых мембран 2 и 7 определяется соотношением (1) , при этом величина бокового зазора 22 между инертной массой 4 корпусом 1 инертной массой 4 и цилиндрическими буртиками 23 колпачковых мембран 2, 5 и 7 определяется соотношением (2).. Величина кольцевых выемок 20 также определяется соотношением (1), при этом она может быть либо равна величине зазора 21, либо, если исходить из соображений повышения надежности, быть меньше. При этом инертная масса 4 в месте выполнения кольцевой выемки приобретает возможность упора в цилиндрический буртик 23 колпачковой мембраны 5, где ее жесткость по отношению к действующей силе со стороны инертной массы 4 максимальна, что повышает надежность.

Корпус 1 образует с колпачковыми мембранами 2, 5 и 7 жесткое герметичное сварное соединение 24, при этом свободные объемы 25 над основной 2 и дополнительной 7 колпачковыми мембранами заполнены инертным газом.

Корпус 1 с образованием узкого зазора 26, жестко закреплен основанием во внешнем установочном корпусе 27, выполненном из пластмассы.

На фиг.2 корпус 1 выполнен из диэлектрического материала, и на его внутренней поверхности напылена металлическая пленка. При этом исполнении корпус 1 выполня- 5 ет также функцию установочного корпуса 27. Преобразовательный блок 28 выступом 29 боковой поверхности жестко связан с внешним установочным корпусом 27, образуя механическую и электрическую связь с

0 металлической пленкой. Между преобразовательным блоком 28 и металлической пленкой устанавливается зазор 30, служащий для механической развязки. Для дополнительной механической развязки в данном

5 варианте выполнения сейсмо.приемника, во внешнем установочном корпусе 27 выполнена цилиндрическая выемка 31. Выводы 19 подключены к гермовыводам 16 и 17 внутри заэкранированного объема, образованного

0 металлической пленкой, что наилучшим образом предохраняет сейсмоприемник от электрических наводок.

Сейсмоприемник работает следующим образом.

5 При перемещении сейсмоприемника под действием входного сигнала в силу инерционности механической системы происходит относительное перемещение инертной массы 4 и прогиб связанного с ней

0 упругого элемента 5, которые воздействуют на жидкость гидравлической системы в объемах 6 и 9. При этом сила инерции, действующая на жидкость, пропорциональна массе и ускорению перемещения инертной массы

5 4. В результате в объеме 6 создается разрежение, а и объеме 9 - сжатие и наоборот при изменении направления перемещения инертной массы 4, т.е. изменение направления, действия силы инерции. Через жид0 кость, которую считаем практически несжимаемой, сила передается основной 2 и дополнительной 7 колпзчковым мембранам с расположенными на них пьезоэлемен- тами 3 и 8, прогибая их. В результате на

5 обкладках пьезоэлементов 3 и 8 появляется напряжение, характеризующее данное воз: действие.

При этом пьезоэлементы 3 и 8 могут быть электрически соединены последова0 тельно или параллельно.

Введение дополнительной колпачковой мембраны 7, вследствие чего инертная масса 4 полностью погружена в вязкую жидкость, приводит к увеличению демпфирования, сте5 пень которого возрастает с уменьшением боковых зазоров 22, между инертной массой 4 и корпусом 1, либо цилиндрическими буртиками 23 колпачковых мембран 2, 5 и 7, Влияние на демпфирование остальных зазоров практически отсутствует. Введение демпфирования позволило расширить плоскую часть амплитудно-частотной характеристики сейсмоприемника в область высоких частое захватив область резонанса.

Выбор величины зазоров 21 и 22 осуществляется из следующих соображений.

Для устранения нелинейных искажений величина прогиба мембраны с пьезоэле- ментом при изменении температуры не должна превышать 0.1 их толщины. Отсюда исходный объем хшдкости

инертной массой и центральными частями колпэчковых мембран.

Приравнивая коэффициенты демпфирования для движения цилиндрического тела

с боковой поверхностью S в зазоре шириной б, заполненном жидкостью с динэмической вязкостью fi , и для движения тела массой m с круговой частотой (00 при показателе затухания е, получаем

д У -S - Ri I -ft т (i)0 г m F. f0

(б)

V

я R2 h

7,5 ДТ -а

(3) 15

где V - исходный объем жидкости гидравлической системы при комнатной температуре;

а - коэффициент объемного расширения жидкости;

h - толщина колпачковой мембраны с пъезоэлементом;

R - радиус основной и дополнительной колпачковых мембран.

Учитывая, что объем гидравлической системы сейсмоприемника составляет

У 2лг-A(2R2 -r2)+JTl(R2 -Ri), (A)

Д

где I - высота инертной массы;

RI - радиус цилиндрической инертной массы;

г - радиус площади колпачковой мемб- раны, защемленной инертной массой;

А- величина зазора между инертной массой и центральными частями колпачковых мембран,то

а. QtS-R -и а-|(2бв-б2)

2(2R2-r2)

. (5)

6- величина зазора между инертной мае- сой и цилиндрическими буртиками колпачковых мембран;

Д Т - диапазон рабочих температур. Для данного сейсмоприемника демпфирование зависит только от величины боко

вого зазора и не зависит от зазора между

Формула изобретения 1. Сейсмоприемник, содержащий корпусе укрепленным в нем преобразовательным блоком, имеющим по крайней мере

где f0 - частота собственных колебаний сейсмоприемника. v .

При RI - R - сЗ , m л /Ом I

.

R2 и

где /- кинематическая вязкость жидкости;

Л - Я Р- -&LУ

2-4 /Ом Я Е to

(7)

с

0

5

0

,.

0

получим выражение для определения величины бокового зазора в сейсмоприемнике. При этом показатель затухания, как следует из практики, не следует брать больше величины Y2 Ч-у3 /соответствующий его оптимальному значению.

Использование корпуса в виде замкнутого, герметичного -металлического кожуха механически не связанного с центральными рабочими частями колпачковых мембран, позволяет снизить уровень электрических наводок на пъезоэлементы, уменьшить влияние внешних паразитных механических воздействий, ветровых, акустических шумов и в результате повысить качество регистрации сейсмической информации, достичь улучшения соотношения сигнал-помеха.

Воздух, находящийся в свободных объемах корпуса при изменении температуры и давления является причиной конденсации водяных паров, что приводит к утечкам, способствует большему разбросу параметров сейсмоприемника, Поэтому воздушное наполнение в сейсмоприемнике заменяется нейтральной средой, аргоном, а давление устанавливается меньше атмосферного. При этом корпус выполнен герметичным и снабжен гермовыводами.

.одну колпзчковую мембрану с закреплен ным на ее плоской центральной части пьезоэлементом, снабженным электродами, и

инертную массу виде тела вращения, жестко скрепленную с упругим элементом, проходящим через центр тяжести инертной массы перпендикулярно рабочей оси сейс- моприёмника и образующим с колпачковой мембраной замкнутый объем, заполненный жидкостью, отличающийся тем, что, с целью увеличения коэффициента преобразования и показателя затухания при расширении рабочего диапазона частот, в корпусе установлена дополнительная колпачковал мембрана с закрепленным на ее плоской центральной части пьезоэлементом, образующая с упругим элементом дополнительный замкнутый объем, идентичный первому и также заполненный жидкостью, внутренние электроды пьезоэлементов электрически связаны между собой, а внешние подключены посредством токовыводных спиралей к выводам сейсмоприемника, при этом величины зазоров между инертндй массой и центральными частями колпачко- вых мембран А, а также между цилиндрическими буртиками колпачовых мембран и инертной массой д выбираются из соотношений.

и

д

0,133 R2 h/Ат ; а- (2(5 R -d2 )

(2 2 -г2)

1 4 рм

П К to

10

15

20

25

где R - радиус основной и дополнительной колпачковых мембран;

h - толщина основной и дополнительной колпачковых мембран;

AT - диапазон рабочих температур; а.- коэффициент объемного расширения жидкости;

I - высота инертной массы;

г - радиус площади, образованной инертной массой и упругим элементом, защемленным инертной массой;

РЖ ,рм плотности жидкости и инертной массы;

ц- кинематическая вязкость жидкости;

Ј- показатель затухания;

fo - частота собственных колебаний сейсмоприемника.

.2. Сейсмоприемник по п.1, от л и ч а ю- щ.и и с я тем, что, с целью повышения технологичности, корпус выполнен из диэлектрического материала с нанесенной на его внутренней поверхности металлической пленкой, .при этом преобразовательный блок связан с корпусом выступом на его боковой поверхности.

119