Крутильный сейсмометр Советский патент 1981 года по МПК G01V1/16 

1

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и может быть использовано для измерения крутильных компонент сейсмических колебаний в сейсмометрии и разведочной геофизике.

Известен сейсмограф с крутильным подвесом инертной массы, содержащий корпус, массу на гибкой пластине, работающей на кручение Г П.

Недостатком этого сейсмометра является то, что он регистрирует только вертикальную компоненту колебания и не применим для изучения крутильных составляющих.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является крутильный сейсмометр, содержащий систему дисков, соединенных жестким стержнем и системой гибких miacTHHL2j.

Однако это устройство предназначено для регистрации низкочастотных колебаний, работоспособно только в вертикальном положении, чувствительно к боковым перегрузкам, сложно в изготовлении и неудобно при проведении измерений в полевых условиях.

Целью изобретения является расширение рабочего диапазона частот при одновременном уменьшении габаритов.

Указанная цель достигается тем, что в крутильном сейсмометре, содержащем корпус, в котором размещены колебательная система, включающая крутильный осциллятор, содержащий инерционную массу, закрепленную на упругих элементах, электромагнитные преобразователи и коллекторы, колебательная система сейсмометра выполнена в виде двух крутильных осцилляторов, каждьп из которых содержит равное число упругих элементол, расположенных наклонно по окружности и закрепленных нижними концами в корпусе, при этом верхние концы упругих элементов каждого осцилля3тора соединены между собой через собственные коллекторы, а упругие элементы первого осциллятора наклон ны в сторону, противоположную наклону упругих элементов второго осциллятора, и каждый осциллятор снабжен. по меньшей мере, одной катушкой с магнитом, установленными соосно дру с другом. Если аппроксимировать упругие эле менты отрезками прямых, то при диско вых круглых коллекторах они образуют тело вращения с криволинейной поверх ностью гиперболического типа. Подобное тело вращения на много порядков жестче относительно изгибающего момента вокруг поперечной оси по сравнению с моментом вокруг продольной.. . Отклик такого тела на продольное осевое воздействие сопровождается осевым перемещением коллектора с одновременным его поворотом, и наоборот, вихревое воздействие ускоре11ий на коллектор за счет, например углового перемещения противоположного коллектора, сопровождается рав ным по порядку величины линейным перемещением. Таким образом, колеба тельная система из двух осцилляторо отличаю1щхся только противополов- ным наклоном упругих элементов относительно торцевых поверхностей коллекторов, селективно откликается на различные силовые воздействия, причем путем подбора жесткости упругих элементов и масс коллекторов собственные крутильные частоты осцилляторов делают равными с высокой степенью точности. Прохождение продольной сейсмической волны не сопровождается пересечением витков катушек осцилля торов магнитных силовых линий и ее воздействие не регистрируется. Аналогично реагирует прибор и на линей ные компоненты от других типов волн С другой стороны, воздействие на сейсмометр роторной компоненты с вектором, параллельным оси систем, иное. Незначительная по сравнению с изгибной крутильная жесткость сис темы обуславливает не только угловы повороты, но и существенные осевые линейные перемещения катушки и магнита. Поскольку наклоны упругих эле ментов, закрепленных в коллекторах катушки и магнита, равны, но противоположно направлены, то и перемещения вдоль осевой линии катушки и магнита также будут с разным знаком. Происходящее при таком взаимном перемещении пересечение витками катушки силовых линий магнита вызывает ЭДС, которая после прохождения канала усиления и фильтрации записывается как полезный сигнал. Что касается роторного воздействия с вектором, перпендикулярным продольной оси, то оно эквивалентно изгибающему моменту относительно этой оси, деформации от которого, как это следует из конструкции прибора и вьш1еизложенных рассмотрений, не сопровождается взаимными перемещениями катушки и магнита. На фиг.1 схематически изображен сейсмометр, общий вид; на фиг.2эквивалентная силовая конструкция, образуемая набором упругих элементов; на фиг.З - обеспечение перекрещивания упругих элементов, два варианта; на фиг.4 - поведение двух перекреищнающихся элементов под воздействием роторной компоненты. Сейсмометр содержит два круговых набора упругих элементов 1 и 2, нижние концы которых жестко закреплены в общем диске 3, соединенном с дном корпуса 4. Все упругие элементы имеют одинаковые механические характеристики и геометрические размеры, только половина из них закреплена по периферии диска 3 и образует круговой Набор упругих элементов 1, равно наклонных в одну сторону. Другая половина (элементы 2) закреплена под тем же углом и на том же расстоянии от центра корпуса 4, что и элементы 1, но наклонена в противоположную сторону. Вершины элементов 1 и 2, образующих оба круговых набора, жестко закреплены в верхних коллекторах 5 и 6. Коллектор 5 выполнен в виде кольца с выступающими площадками 7 для крепления вершин элементов 1, а коллектор 6 Ввиде фигурного диска с выступающими площадками 8 и с цилиндрическим узлом крепления 9 магнита 10. Площадки 8 имеют щелевидный паз, через который не соприкасаясь, проходит дисковый коллектор 5. Высота площадок 7 и 8 такова, что плоскости верхних концов элементов 1 и 2 совпадают. Внутри цилиндрического узла крепления 9 соосно с магнитом 10 находятся магнит 11 и катушки 12 и 13. Магнит 11 прикреплен к плате 14 и жестко соединен ребрами 15;с зазором проходящим через отверстие в узле 9/ с коллектором 5. Катушки 12 и 13 соответственно прикреплены к коллектору 6 и плате ,14. Корпус 4 закрывается крьш1кой 16 через которую проходит кабель 17, снимающий сигнал с катушек 12 и 13, намотанных в противоположных направлениях и соединенных последовательно К внешней стороне днища корпуса 4 прикреплен ребристый конус 18 для установки сейсмометра в грунт.

Согласно эквивалентной силовой схеме (фиг.2) коллекторы совместно с большим числом упругих элементов 1 и 2 образуют линейчатую криволинейную поверхность 19 гиперболического типа, обладающую повышенной жесткостью на изгиб.

Для облегче1шя частотной настройки и уменьшения габаритов прибора упругие элементы 1 и 2 расположены по окружности одного радиуса. Поэто му, чтобы элементы 1 и 2 не соприкасались, а скрещивались, их в соответствующих местах 20 возможного контакта изгибают или прорезают выемки 21 ( фиг.З).

Как следует из описания конструкции сейсмометра (фиг.1-3), его работа имеет особенности, хорошо иллюстрируемые фиг.4. Только одинаковая и однонаправленная инерционная сила от роторной компоненты сейсмической волны, воздействуя через коллекторы 5 и 6 на верхние концы элементов 1 и 2, вызывает равнонаправленную вертикальную реакцию - смещения этих концов относительно друг друга на величинуДХ При всех остальных воздействиях ЛУ-О, так как определяется только технологическими неточностями, погрешностями сборки, разбросом упругих свойств элементов 1 и 2. В общем случае конструктивно это обеспечивается тем, что при испытаниях указанные недостатки проявятся в различных частотах собственных крутильных колебаний двух осцилляторов. Первьй - элементы 1, коллектор 5, магнит 11, катушка 13, плата 14, ребра 15 второй - элементы 2, коллектор 6, магнит 10, катушка 12, цилиндрический узел 9 см.фиг. О.Так как использован электромагнитньй преобразователь, работающий по относительной скорости движения катушек и магнитов, то по90310 . «

пезный сигнал с сейсмоприемника пропорционален Дх , а помеха от любого механического воздействия сГд х В рассматриваемых колебательных системах

); (ГдК .

дх/(Гй)(-1и;/лш,

О

где к - коэффициент пропорциональности;

- радиус коллекторов} д(- угловое перемещение в сейсми-

S ческой волне;

(5) - собственная частота крутильных колебаний систем; ДШ- рассогласование частот. Как следует из приведенных соотношений отношение сигнал/помеха Л// /({дХ всегда больше 2. В существующих механических устройствах несложно обеспечить ДС1) 10 что обеспечивает высокую помехозащищенность

15 устройства. С другой стороны, существование ДШ означает существование еще одной собственной частоты с периодом 2/C/AUP . Используя приемы параметрического приема, это же устJQ ройство можно использовать и как дпиннопериодный сейсмометр с периодами сейсмического сигнала 10 - 10 с. Что касается низкочастотных магнитных помех, то их воздействие исключает-, ся соединением и намоткой.катушек. Крутильньм сейсмометр работает следующим образом.

Роторная компонента сейсмического сигнала с вектором, параллельным оси

.- крутильных систем (фиг.П, через конус 18, дно корпуса 4, общий диск 3 и наГмЭр элементов 1 и 2 воздействует на общую массу, жестко скрепленную с вершинами элементов 1 и 2. В результате возникшие инерционные

45 силы от масс магнитов 10 и II, катушек 12 и 13, коллекторов 5 и 6, однонаправленно воздействуя на вершины элементов 1 и 2, вызывают их изгиб и соответствующее перемещение ДХ коллекторов 5 и 6 {фиг.4) . Одновременно с этим начинают перемещаться относительно друг друга катушки 12 и I3 и магниты 10 и 11. Возникший электрический сигнал по кабелю 17 поступает

в канал усиления, обработки и записи. Сейсмические воздействия другого типа вызывают электрические сигналы, уменьшенные пропорционально отноше/

нию сигнал/помеха. Увеличивая жесткость упругих элементов, можно повысить собственную частоту приемника и регистрировать соответствующую часть спектра сейсмического сигнала Тонкое Регулирование значения регу лируется, например, нагревом упругих элементов.

Устойчивость устройства к боковым ускорениям позволяет использовать его как элемент трехкомпонентного сейсмометра.

Применение крутильного сейсмометра, не требующего специальной измерительной аппаратуры, позволяет более эффективно вести сейсмические .исследования.

Формула изобретения

Крутильньй сейсмометр, содержащий корпус, в котором размещены колебательная система, включающая крутильный осциллятор, содержащий инерционную массу, закрепленную на упругих элементах, электромагнитные преобразователи и коллекторы, о тли ч аю щ и и с я тем, что, с целью расширения рабочего диапазона частот при одновременном уменьшении габари16 б

90310g

тов, колебательная система сейсмометра выполнена в виде двух крутильных осцилляторов, каждый из которых содержит равное число упругих элементов, расположенных наклонно по окружности и закрепленных нижними концами в корпусе, при этом верхние концы упругих элементов каждого

осциллятора соединены между собой

через собственные коллекторы, а уп ругие элементы первого осциллятора наклонены в сторону, противоположную наклону упругих элементов второго осциллятора, и каждый осциллятор снабжен, по меньшей мере, одной катушкой с магнитом, установленными соосно друг с другом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

.1. Береза Г., Благовестов В. Сейсмограф с крутильным подвесом инертной массы. Сб.материалов по обмену опытом Разведочная и промысловая геофизика, с. 13-1 б , Гостоптехиздат, М., 1951. .

2. Авторское свидетельство СССР N 641372, кл. G01V 1/16, 1976 {прототип).

15

г

I

21

(Pui.5

JX

--IN ////

Фиг.1