Длиннопериодный вертикальный сейсмометр Советский патент 1980 года по МПК G01V1/16 

1

Изобретение относится к геофизическим приборам и может быть использовано в сейсмометрии.

Известны длиннопериодные вертикальные сейсмометры 1, 2, содержащие корпус, маятник, упругие шарниры, подвесную пружину и преобразователь и предназначенные для регистрации сейсмических волн. В этих сейсмометрах, как и во многих других отечественных и зарубежных инструментах, используются глубоко астазированные маятники, причем астазирование осуществляется таким положением подвесной пружины, компенсирующей действие силы тяжести, при котором переменная составляющая момента упругой силы этой пружины стремится опрокинуть маятник, а суммарный момент всех действующих на маятник сил, оставаясь восстанавливающим, доводится до достаточно малой величины, так как часть сил, действующих на свободно колеблющийся маятник сейсмометра при его угловых отклонениях пропорциональна синусу и косинусу угла отклонения, а часть - самому углу (например, моменты сил, возникающих в упругих шарнирах),то после разложения синуса и косинуса в степенной ряд и доведения разности членов уравнения движения маятника, содержащих первую степень углового отклонения.

до существенно малой величины, заметное действие на движение маятника могут оказывать члены уравнения, содержащие вторую степень углового отклонения маятника,

хотя и малые, но теперь уже соизмеримые с первыми.

Как показывает анализ полного уравнения движения маятника вертикального сейсмометра, в случае глубокого астазирования эти члены уравнения явлг.ются источником нелинейности колебаний. Длительность полуколебаний маятника в противоположных направлениях становится неодинаковой, сильно зависящей от амплитуды,

и в направлении более длительного полуколебания маятника появляется дополнительное, неустойчивое положение равновесия, за которым маятник опрокидывается, причем, чем глубже астазирование, то есть

чем больше период собственных колебаний маятника, тем больше нелине 1ность этих колебаний и тем ближе к положению равновесия зона, где маятник опрокидывается. Эти процессы развиваются быстрее, чем

увеличивается период собственных колебаний маятника (зависимость квадратичная) и практически ограничивают область стабильной работы большинства известных сейсмометров периодом собственных колебаний маятника в 20-25 с. Известен длиннопериоднын вертикальный сейсмометр 3, содержащий корпус, маятник, упругие шарниры, подвесную пружину и преобразователь. Указанный сейсмометр содержит также магнитоэлектрическнй автокомпенсатор нелинейности, состоящий из катушки и кольцевого постоянного магнита, при этом катушка выполнена с тремя обмоточными назами, в которых размендены обмотки, ю причем крайние пазы выполнены по сечению в виде прямоугольных треугольников с максимальной глубиной назов у одноименных стенок каркаса. Обмотки, размещенные в крайних пазах, включены согласно,15 соединены между собой последовательно и подключены через реостаты к источнику постоянного тока, а обмотка, размещепиая в среднем пазе и соединенная с источником, подключена к нему по отношению к20 остальным обмоткам параллельио встречно. Если не учитывать ноля рассеяния кольцевого магнита и считать, что магнитное иоле обрабатывается на краях иолюсных наконечников, то подобный компенсатор25 может решить поставленную задачу. Однако фактическое существование внемагнитпого зазора нолей рассеяния, существенно неодииаковых на внешней и внутренней стороне кольцевого магнитного зазора изо нахождение в этих нолях рассеяния частей двух обмоток, значительно усложняет работу компенсатора и ограничивает его эффективность. Еще большим недостатком магнитоэлектрического автокомпенсатораз5 нелинейности этого сейсмометра является его исключительная чувствительность к малым изменениям положения равновесия маятника. Нетрудно показать, что при небольщом температурном смещеиии равнове-40 сия маятника, еще вполне допустимом по условиям эксплуатации сейсмометра - при работе магнитоэлектрического автокомпенсатора нелинейности появляется дополнительный восстанавливающий или онроки-45 дывающий момент, который существенно изменяет период собственных колебаний маятника, и может довести его до опрокидывания. Таким образом, автокомпенсатор нелинейности сейсмометра ликвидирует ос-50 новное преимущество сейсмометров с электродинамическими преобразователями, допускающих в процессе эксплуатации небольшие постепенные смещения положения равновесия маятника без изменения его55 периода колебаний. Целью изобретения является расширение частотного диапазона сейсмометра за счет увеличения периода собственных колебаний маятника. Поставленная цель достигается тем, что в сейсмометре между корпусом и маятником концентрично оси вращения маятника установлен дополнительный . упругий элемент, выполненный в виде плоской спи- 65 QQ ральнои пружины с возможностью регулирования ее начального закручивания. Как показывает анализ иолного уравнения движения маятника вертикального сейсмометра в случае глубокого астазирования, нелинейность колебаний маятника и положение зоны его неустойчивости, определенно зависит от суммарного начаотьного изгиба всех уирутих шарниров маятника. их крутильной жесткости и начальной длииы иодвесной пружины и, следовательно, может существенно меняться при регулировке периода собственных колебаний маятника (глубины астезирования и положения его равновесия), так как при этом меняется наклон иружины и изгибаются ее шарниры. Очевидно, что введение дополнительного соответственно направленного закручивания вокруг оси вращения маятника специального упругого элемента, может скомпенсировать суммарное дейетвие начального закручивания всех остальных упругих элементов системы иодвеса маятника, влияние суммарной крутильной жесткости всех изгибаемых упругих элементов, в том числе и специального компенсирующеi o элемента, влияние остаточной величины начальной длины его пружины (если она не точно ну левая) нелинейного магнитного взаимодействия материалов катушки нреобразователя с нолем кольцевого зазора магнита и деталей маятника с полем рассеяния магнита, и уменьшить таким образом до любой требуемой величины член уравнения .движения маятника, содержаший угловое отклонение во второй стенени, ю есть практически исключить нестабильность маятниковой системы. При этом, как показывает анализ полного уравнения движения такой маятниковой системы, малые смещения положения равновесия маятника не сопровождаются значительными изменениями периода его собственных колебаний и возможным опрокидыванием. На чертеже схематично изображена конетрукция маятника сейсмометра. Маятник вертикального сейсмометра 1, связанный с основанием прибора упругим шарниром 2, подвешен на пружине 3 нулевой начальной длины через упругий щарнир 4. Пружина 3 через упругий шарнир 5 связана с основанием ирибора, причем перемещение оси упругого шарнира 5 в вертикальном направлении регулирует положение равновесия маятника, а в горизонтальном - нериод его собственных колебаний. В районе оси вращения маятник связан с основанием ирибора дополнительным упругим элементом 6, представляющим собой плоскую спиральную пружину, один из концов которой жестко связан с маятником, а другой - с основанием прибора. Смещение заделки этого конца пружины по окружности с центром на оси вращения маятника создает закручивание, компенсирующее в резулг