Устройство для измерения ударных ускорений Советский патент 1980 года по МПК G01V1/16 G01L1/16 

Изобретение относится к области измерительной техники в геофизических исследованиях и может быть использовано в устройствах контроля возмущающей силы генератора сейсмических колебаний ударного действия.

Известны устройства для измерения ударных ускорений на основе пьезоэлектрических датчиков, в которых повышение чувствительности и усреднение сигнала достигается путем применения секционирования пьезоэлементрв и расположения их или по плоскости, или соединения в столбики с последова тельным включением 1.

Недостаток этих устройств состоит в. том, что они требуют изготовления сложных согласующих усилителей с очень высоки ли входными сопротивлениями, кроме того последовательное соединение пьезоэлектрических элементов приводит к появлению на них высоких эдек тростатических потенциалов, что вызывает дополнительные помехи.

Известны схемы усилителей зарядов, которые позволяют получить повышение чувствительности при параллельном соединении

m их входе нескольких пьезоэлектрических элементов 2.

Однако применение операционного усили теля с емкостной обратной связью требует снабжения его цепями автоматической стабилизации нуля периодического действия. Это требование также сильно осложняет его конструкцию особенно в тех случаях, когда усилитель заряда должен быть выполнен в виде выносного блока и устанавливаться на вибрирую-; (цих основанияк.

Известно также устройство для измерения ударных ускорений, содержащее пьезоэлектрический датчик с выносным: блоком, линию связи и базовый блок регистратора 13.

Недостаток устройства в снижении его точности при установке на подвижных элементах генератора сейсмических колебаний ударного действия и эксплуатации в тяжелых климатических условиях (например. Западной Сибири).

Снижение точности обусловлено нестабильностью параметров входных цепей выносных элементов, вибрациями выносного согласующего усилителя, устанавливаемого непосредствен3 :,717684

ыо на возбуждаюидах элементах генератора, большими колебаниями температур и влажное ги окружающей среды, которые приводят к разрушениям антивибрационных кабелей дат1ШКОВ, проникновению в них влаги и изменению , входных сопротивлений.

Цель предлагаемого изобретения - повышение точности измерения при работе в условиях вибраций и повышенной влажности.

Д}1Я этого выносной блок выполнен в виде ю дифференЦй| у йШгб 6йер:адаойног0 yctoim 1абженйого частотно-корректирующими цепями, а базовый блок содержит интегратор, соединенный входом через масштабные согласующие устройства с дифференцирующим УСйлите- 5 ем выносного блока, выходом - с нормирующим преобразователем выходного сигнала.

На чертеже дана схема устройства для измерения ударных ускорений.

Пьезоэлектрические датчики 1 и 2 устагнов- 20 лены на возбуждающих элементах сейсмического генератора, например, на опорной плите и падающем грузе. Эти датчики подключены к дифференцирующим усилителям 3 и 4, содержащим операционные усилители 5с25

обобщенным- входным сопротивлением 6, с активным сопротивлением 7 во внешней цепи обратной. связи и с комплексным: сопротивлением 8 частотно-корректирующей цепи. Своими выходами 9 операционные усили- зо тели подключены к входам 10 базового блока П.

Базовый блок содержит интегратор, состоящий из операционного усилителя 12 с конденсатором 13 обратной связи. Узловая точ- 35 ка 14 интегратора через входные сопротивления 15, 16 и масштабные согласующие устройсгва (например, потенциометры) 17, 18 соединена с входами 10. Выход интегратора подключен к нормирующему преобразбвателю, 40 НП 19 с вьрсодом 20 во внешнюю цепь.

Кроме интегратора базовый блок 11 содержит программное реле времени ПРВ 2 i, которое своим входом 22 подключено к внедшему источнику импульса момента- сброса груза 45 сейсмического генератора, а выходами - к узлу 23 автоматического регулирования баланса АРБ интегратора и к реле Р 24 включения нормирующего преобразователя 19.

В данном примере конструктивного вЫполнения устройства показано Два выноснь1х дифференцирующих усилителя, хотя их число и количество параллельно подключаемых на Ж входы датчиков с целью повышения чувствителБНОСти и усреднения результатов контро- 55 ля не ограничено..

Устройство работает следующим образом. . Возбуждение ударных ускорений в .элементах сейсмического Генератора, на которых

закреплены пьезоэлектрические датчики 1 и 2, приводит к появлению электрического заряда на входе усилителя 5. Если принять, что его цепь обратной связи состоит только из активного сопротивления 7, то На выходе 9 возникает сигнал напряжения, который в оперативной форме будет иметь вид:

8К РТ ) (1)

при одном подключенном датчике 1 и W р. у

v.p)c -m:-fn - при п-ом количестве параллельно подключенных датчиков 1, где Р оператор Лапласа; S - чувйёйтельнОсть пьезоэлектрического преобразователя; TBX - постоянная времени реального дифференцирующего звена;

т-1м-| г -постоянная времени реаль R, ° ного дифференцирующего звена

Т„ Й„ С,,- постоянная времени входной вх SK &х f, fH

цепи с обобщенными значениями входной емкости и сопротивления RBX

К - коэффициент усиления усилителя 5; Sj - чувствительность i-ro датчика; а (р) - ускорение в оперативной форме; ROC- величина сопротивления. Т обратной

связи.

Если К весьма велико, то в пределе постоянная врелаенн Тп обра1цается в нуль, а

Л ВЫХ Р -Р КОО-« Ci)

при одном подключенном датчике 1 и

Ьи Vx(P -P oc2;S -« iP)C4) .

при п-ом количестве параллельно подключенньк датчиков. 1.

Отсюда следует; что усилитель 5 выполняет операцию чистого дифференцирования и поэтому создаваемые им ча(тотные искажения лжат в высокочастотной области спектра, представляющей малый интерес для геофизических исследований. Уменьшение амплитуд высокочастотных составляющих сигналов и искажений в области низких частот может бьггь получено введением дополнительной частотной коррекции с помощью комплексной цепи 8.

Кроме того, величины параметров вход(шрс цепей не оказывают существенного влияния на точность преобразования сигнала,что ,

57

видно из отсутствия их в формулах (3) и

(4). Поэтому при снижении требований к стабильности параметров входных цепей устройства возможно получение повышения точности контроля. Величина выходного сигнала возрастает пропорционально количеству параллельно включенных на один вход пьезоэлектрических датчиков, как это видно из формулы (4). Это позволяет упростить и повысить чувствительность устройства, а также усреднять результаты контроля по большой поверхности излучателя сейсмического генерат&ра путем установки на ней нескольких датчиков 1, например, с одним выносным блоком 3 диффереицирующего усилителя.

Из выносных блоков 3 и 4 дифференцированньтр сигналы поступают на входы 10 базового блока 11, откуда через потешшометры 17 и 18 и сопротивления входных цепей 15 и 16 интегратора - на его узловую точку 14. В этой точке, обладающей нулевым по-, тенциалом, происходит суммирование сигналов, необходимое для получения сигнала пропорционального силе F, так как

К t m.j,a.j т„а„ С5 1

Здесь коэффициенты, пропорциональные массам Ш и ГП возмущаюш№1 элементов сейсмического генератора, задаются потенциометрами 17 и 18 соответственно.

Усилитель 12 с конденсатором 13 обратной связи выполняют одновременно операции суммирования и интегрирования сигналов,

поступающих с выносных блоков 3, 4. В этих операциях восстанавливаются продифференцированные ранее сигналы ускорений и выполняется действие соответствующее формуле (S). Нормирующий преобразователь НП 19 преобразует выходной сигнал интесратора в унифицированный сигнал и выдает его на выход 20 устройства.

В периоды между поступлениями импульсов с сейсмического генератора .узел 23 авто матической регулировки баланса АРБ корректирует выходной сигнал интегратора на

нуль, а реле Р 24 отключает НП 19 и не пропускает на выход 20 переходные процессы, вызьгеаемые работой узла АРБ 23. Управление узлом АРБ 23 и реле Р 24 происходит от программного реле времени ПРВ 21, получающего исходный импульс на вход 22 от устройства сброса груза сейсмического генератора.

Повышение виброустойчивости выносных дифференцирующих усилителей достигается использова1Ешем в них простых дифференциальных усилителей, выполненных на интегральных схемах и введением стабилизирующих цепей обратных связей.

Таким образом, за счет последовательного дифференцирования сигнала и его интегрирования достигнуты все поставленные цели предлагаемого изобретения.

Формула изобретения

Устройство для измерения ударных ускорений, содержащее пьезоэлектрический датчик с выносным блоком, линию связи и базовый блок регистратора, о тличающееся тем, что, с целью повьпцения точности измерения при работе в условиях вибраций и повышенной влажности, выносной блок вьшолнен в виде дифференцирующего операционного усилителя, сниженного частотно-корректирующими цепями, а базовый блок содержит интегратор, соединенный входом через масштабные согласующие устройства с дифференцирующим усилителем выносного блока, выходом с нормируюидам преобразователем выходного сигнала.

Источники информации,

принятые во внимание при -экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 444959 кл. G 01 L 9/08, 1973.

2.Пеллинец В. С. Измерение ударных ускорений. М., Издательство стандартов, 1975, с. 200, рис. 64.

3.Пеллинец В. С. Измерение ударных ускорений М., Издательство стандартов ; 1975, с. 198-200, рис. 63.