Сейсмоприемник

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (505 G 01 V 1/16

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕ НТУ

5 Ю /Г М В (21) 4844470/25 (22) 03.07.90 (46) 07.02.93. Бюл. ¹ 5 (71) Нижневолжский научно-исследовательский институт геологии и геофизики и Совместное советско-люксембурское предприятие

"OTEMA— - САР" (72) Г,B.Ãpèãoðüåâ, 1О.Л.Киселева, Б.M.ÊHÿзев, В.П.Кокшаров и С.B.Ëàðèí (73) Нижневолжский научно-исследовательский институт геологии и геофизики (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N. 642658. кл. G 01 V 1/16, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР

N. 1516997, кл. G 01 V 1 /16, 1989. (54)СЕЙСМОПРИЕМНИК. 5U„„1794252 А3 (57) Использование: для преобразования механических колебаний почвы в электрические, в сейсмической разведке и сейсмологии. Сейсмоприемник содержит корпус 1 с инерционной массой 4, укрепленной на колпачковой мембране 5, связанной с корпусом. Инерционная масса помещена в жидкость. объемы 6, 9 которой идентичны и ограничены колпачковыми мембранами с размещенными на их плоских частях с внешней стороны пьезоэлементами, электроды 10 — 13 которых соединены между собой. Зазоры между инерционной массой и ограничивающими объемы жидкости колпачковыми мембранами и корпусом выбраны определенным образом, 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1794252

Изобретение относится к устройствам, и реобразующим механические колебания почвы в электрические и может быть использовано в сейсмической разведке и сейсмологии, Известен пьезоэлектрический сейсмоприемник, содержащий гидравлическую систему, включающую в себя поршня разных сечений, инертную массу, связанную с малым поршнем гидравлической системы и посредством упругого элемента с корпусом, и электромеханический преобразователь, связанный с большим поршнем. Однако этот сейсмоприемник не обеспечивает необходимого качества. регистрации сейсмической информации. Диапазон рабочих частот сейсмоприемника мал и ограничен сверху. К недостаткам его можно отнести также сложность конструкции, большой вес и габариты.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является сейсмоприемник, содержащий электромеханический преобразователь, гидравлическую систему, включающую поршни разных сече-. ний и инертную массу, связанную с корпусом посредством упругого элемента.

Инертная масса выполнена в виде шара, а упругий элемент — B виде колпачковой мембраны, герметично связанной с инертной массой в точках ее пересечения с плоскостью, проходящей через центр тяжести инертной массы перпендикулярно рабочей оси прибора.

Для этого сейсмоприемника стремление увеличить коэффициент преобразованияя (чувствительность) и ри водит к уменьшению частоты собственных колебаний и связанной с ней верхней граничной частоты рабочего диапазона, И наоборот, стремление расширить диапазон рабочих частот приводит к уменьшению коэффициента преобразования. У сейсмоприемника имеется механизм демпфирования, однако он несовершен вследствие частичного погружения инертной массы в жидкость. Так, чтобы увеличить показатель затухания хотя бы до 0,5, необходимо установить зазор между инертной массой и корпусом меньшей 0,1 мм, что практически затруднительно. А дальнейшее увеличение показателя затухания приводит к еще большему увеличению величины зазора, Целью изобретения является увеличение коэффициента преобразования и показателя затухания при расширении рабочего диапазона частот, Поставленная цель достигается тем, что сейсмоприемник. содержащий расположенный в корпусе электромеханический преобразователь в виде основной колпачковой мембраны с пьезоэлементом, снабженным электродами, инертную массу в.виде тела вращения, жестко скрепленную с упругим элементом в виде колпачковой мембраны, проходящей через центр тяжести инертной массы перпендикулярно рабочей. оси сейсмоприемника и образующей с основной колпачковой мембраной замкнутый объем, заполненный жидкостью, имеет установленную в корпусе дополнительную колпачковую мембрану с.закрепленным на ее плоской центральной части пьезоэлементом, образующую с упругим элементом дополнительный замкнутый объем, идентичный первому и также заполненный жидкостью, внутренние электроды пьезоэлементов электрически связаны между собой. а внешние— подключены посредством токоотводных

20 спиралей к выводам сейсмоприемника, при этом величины зазоров между инертной массой, центральными частями и цилиндрическими буртиками колпачковых мембран выбирают из соотношений

25 ,„0,133 R h ЛТ а — I 2 д R — д

2.(2R — r ) 30 д = — — — — : — — — - —, (2)

R гр л

2 4 PM >т ;: fo г

35 где R — радиус колпачковой мембраньг;

h — толщина колпачковой мембраны с пьезоэлементом;

Ь Т = Т вЂ” Тг — диапазон рабочих температур;

40 а — коэффициент обьемного расширения жидкости;

I — высота инертной массы;

r — радиус площадки колпачковой мембраны защемленной инертной массой;

45 m — масса инертной массы; я — показатель затухания;

fo — частота собственных колебаний сейсмоприем ника; д — кинематическая .вязкость жидко50 сти;

pM - плотность инертной массы;

3)y — llll0 TH 0c Tb жидкости, На фиг.1 схематично изображен предлагаемый сейсмоприемник с инертной мас55 сой цилиндрической формы, имеющей кольцевые выемки; на фиг.2 — корпуса во внешнем установочном пластмассовом корпусе, вариант выполнения.

Сейсмоприемник (фиг.1) содержит расположенный в металлическом корпусе 1

1794252 электромеханический преобразователь в виде основной колпачковой мембраны 2 с размещенным на ее плоской центральной части пьезоэлементом 3, инертную массу в виде тела 4 вращения, жестко скрепленную 5 с упругим элементом в виде колпачковой мембраны 5, проходящей через центр тяжести инертной массы перпендикулярно paGoчей оси сейсмоприемника и образующей с основной колпачковой мембраной замкнутый объем 6, заполненный жидкостью, В корпусе 1 установлена дополнительная колпачковая мембрана 7 с пьезоэлементом.8, расположенным также на плоской центральной части мембраны 7, которая образует с 15 колпачковой мембраной 5 дополнительный замкнутый обьем 9, идентичный обьему 6 и также заполненный жидкостью. Внутренние электроды пьезоэлементов 10 и 11 электрически связаны между собой. а внешние 12 и

13 подключены посредством тонких токовыводных 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 располо>кению упругого элемента

5 в инертной массе 4 выполнены кольцевые выемки 20, Величина зазора 21 между инертной массой 4 и центральными частями колпачковых мембран 2 и 7 определяется соотношением (1), при этом величина бокового зазора 22 между инертной массой

4 корпусол 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 45 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 меM бранами 2, 5 и 7 жесткое герметичное сварное соединение 24, при этом свободные объемы 25 над основной 2 и дополнительНоА 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 диэлект- . рического материала, и на его внутренней поверхности напылена металлическая пленка. При этом исполнении корпус 1 выполняет 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 металлической пленкой. Между преобразовательным блоком 28 и металлической пленкой устанавливается зазор 30, служащий для механической развязки. Для дополнительной механической развязки в данном варианте выполнения сейсмоприемника, во внешнем установочном корпусе 27 выполнена цилиндрическая выемка 31, Выводы 19 подключены к гермовыводам 16 и 17 внутри заэкранированного объема, образованного металлической пленкой, что наилучшим образом предохраняет сейсмоприемник от электрических наводок.

Сейсмоприемник работает следующим образом.

При перемещении сейсмоприемника под действием входного сигнала в силу инерционности механической системы происходит относительное перемещение инертной массы 4 и прогиб связанного с ней упругого элемента 5, которые воздействуют на жидкость гидравлической системы в объ-. емах G и 9. При этом сила инерции. действующая на жидкость, пропорциональна массе и ускорению перемещения инертной массы

4. В результате в обьеме 6 создается разрежение, а в обьеме 9 — сжатие и наоборот при изменении направления перемещения инертной массы 4, т.е. изменение направления действия силы инерции. Через жидкость, которую считаем практически несжимаел1ой, сила передается основной 2 и дополнительной 7 колпачковым мембранам с располо>кенными на них пьезоэлементами 3 и 8, прогибая. их. В результате на обкладках пьезоэлементов 3 и 8 появляется напряжение, характеризующее данное воз-, действие.

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

Введение дополни1ельной колпачковой мембраны 7, вследствие чего инертная масса

4 полностью погру>кена в вязкую жидкость, приводит к увеличению демпфирования, степень 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 демпфи1794252

p S B о о гл г о (3) (5) 7 рования позволило расширить плоскую часть амплитудно-частотной характеристики сейсмоприемника в область высоких частот, захватив область резонанса.

Выбор величины зазоров 21 и 22 осуществляется иэ следующих соображений.

Для устранения нелинейных искажений величина прогиба мембраны с пьезоэлементом при изменении температуры не должна превышать 0,1 их толщины. Отсюда исходный объем жидкости где V — исходный объем жидкости гидравлической системы при комнатной тЕмпературе; а — коэффициент объемного расширения жидкости;

h — толщина колпачковой мембраны с пьезоэлементом:

R — радиус основной и дополнительной колпачковых мембран.

Учитывая, что объем гидравлической системы сейсмоприемника составляет

V = 2 к Л(2 R — r ) +л1(R — R1 }, (") где! — высота инертной массы:

R1 — радиус цилиндрической инертной массы;

r — радиус площади колпачковой мембраны, защемленной инертной массой;

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

QG3 R ь (Ьт а — (Dn — д}) 2(гя — г ) д — величина зазора между инертной массой и цилиндрическими буртиками колпачковых мембран;

Л Т вЂ” диапазон рабочих температур.

Для данного сейсмоприемника демпфирование зависит только от величлны бокового зазора и не зависит от зазора между

Формула изобретения

1. Сейсмоприемник, содержащий корпус с укрепленным в нем преобразовательным блоком, имеющим по крайней мере инертной массой и центральными частями колпачковых мембран, Приравнивая коэффициенты демпфирования для движения цилиндрического тела с боковой поверхностью Я в зазоре шириной д, заполненном жидкостью с динамической вязкостью р, и для движения тела массой m с круговой частотой е, при показателе затухания я, получаем

10 где fo — частота собственных колебаний сейсмоприемника.

При Р =R — д m.=ëð„, 1 R u г

/ — ) / ж ° где t — кинематическая вязкость жидкости; г г д = — — (— — Š— — -, (7)

2 4 р >т F. fp

25 пОлучим выражение для определения величины бокового зазора в сейсмоприемнлке.

При этом показатель затухания, как следует из практики, не следует брать больше величины 2 + 73, соответствующий его опти30 мальному значению, Использование корпуса в виде замкнутого, герметичного металлического кожуха механически не связанного с центральными рабочими частями колпачковых мембран, 35 позволяет снизить уровень электрических наводок на пьезоэлементы, уменьшить влияние внешних "паразитных" механических воздействий, ветровых, акустических шумов и в резул.ьтате повысить качество регистра40 ции сейсмической информации, достичь улучшения соотношения сигнал-помеха.

Воздух, находящийся в свободных объемах корпуса при изменении температуры и давления является причиной ко денсации

45 водяных паров, что приводит к утечкам, способствует большему "разбросу" параметров сейсмоприемника, Поэтому воздушное «аполнение в сейсмоприемнике заменяется нейтральной средой, аргоном, а давление

50 устанавливается меньше атмосферного, При этом корпус выполнен герметичным и снабжен гермовыводэми..одну колпачкову о мембрану с закрепленным на ее плоской центральной части пьезоэлементом, снабженным электродами, и инертную массу виде тела вращения, жест1794252

1 fn зз . 8 . „/Дт, 㻠— 2 8 . R — Дг

2 (2я — г ) (ф

Составитель Е.Гембицкая

Техред М;Моргентал Корректор О.Густи

Редактор

Заказ 533 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород. ул.Гагарина, 101 ко скрепленную с упругим элементом, проходящим через центр тяжести инертной массы перпендикулярно рабочей оси ñåéñмоприемника и образующим с колпачковой мембраной замкнутый объем, заполненный жидкостью, отличающийся тем, гго, с целью увеличения коэффициента преобразования и показателя затухания при расширении рабочего диапазона частот, в корпусе установлена дополнительная кол пачковая 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 электриче"ски связаны между собой, а внешние подключены посредством токовыводных спиралей к выводам сейсмоприемника, при этом величины зазоров ме>кду инертной массой и центральными частями колпачковых мембран Д, а также ме>кду цилиндрическими буртиками колпачовых мембран и инертной массой д выбираются из соотношений где R — радиус основной и дополнительной колпачковых мембран.

h — толщина основной и дополнительной колпачковых мембран;

ДТ вЂ” диапазон рабочих температур;

10 а — коэффициент объемного расширения жидкости; (— высота инертной массы;

r — радиус площади, образованной инертной массой и упругим элементом, защемленным инертной массой; рж, pì — плотности жидкости и инертной массы; д- кинематическая вязкость жидкости; к — показатель затухания;

fo — частота собственных колебаний сейсмоприемника. .2. Сейсмоприемник по п.1, о т л и ч а юшийся 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.