Пьезоприемник
Использование: для измерения упругих колебаний в жидких, газообразных и твердых средах и может быть использовано как часть измерительного тракта для регистрации сейсмических колебаний в море, в скважине при сейсморазведке, при акустическом каротаже. Сущность изобретения: пьезоприемник, содержащий корпус и размещенный в нем сферический пьезоэлемент с нанесенными на его поверхность электродами, снабжен диэлектрической втулкой, диэлектрически упругим стаканом и патрубком из жесткого материала с отверстием для вывода провода, причем пьезоэлемент через диэлектрическую втулку закреплен в диэлектрически упругом стакане, размещенном в патрубке из жесткого материала, а корпус пьезоприемника выполнен из компаунда. 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения упругих колебаний в жидких, газообразных и твердых средах, и может быть использовано как часть измерительного тракта, для регистрации сейсмических колебаний в море, в скважине при сейсморазведке, при акустическом каротаже и при ультразвуковом озвучивании межскважинного пространства при геофизической разведке, при измерении давления при обратном промерзании многолетнемерзлых пород в околоскважинном пространстве.
Известен датчик давления, содержащий упругий полый цилиндр с двумя крышками на торцах, во внутренней полости которого соосно установлен пьезоэлемент в виде диска с нанесенным на его поверхность первым электродом, крышка, расположенная против 1-го электрода, выполнена в виде жесткого стакана, дно которого, в виде мембраны является вторым электродом [1] . Известный датчик принимает сигнал на радиальных колебаниях как на сжатие, так и на растяжение. Недостатком датчика является то, что он выдерживает малые нагрузки и работает на небольших давлениях. Известен пьезоприемник для морской сейсморазведки [2] . Пьезоприемник состоит из корпуса с размещенным в нем сферическим пьезоэлементом с нанесенными на его поверхность электродами. Недостатком известного устройства является то, что при больших давлениях сферические элементы изгибаются как консольные тела. В плоскости действия давления и в точке закрепления возникают большие механические напряжения. Таким образом, пьезоэлементы работают не только от всестороннего сжатия, но и от растяжения на изгибе. Целью изобретения является подавление побочных мод колебаний. Цель достигается тем, что пьезоприемник, содержащий корпус и размещенный в нем сферический пьезоэлемент с нанесенными на его поверхность электродами, снабжен диэлектрической втулкой, диэлектрически упругим стаканом и патрубком из жесткого материала с отверстием для вывода проводов, причем пьезоэлемент через диэлектрическую втулку закреплен в диэлектрически упругом стакане, размещенном в патрубке из жесткого материала, а корпус пьезоприемника выполнен из компаунда. На чертеже изображен пьезоприемник высокого давления. Пьезоприемник состоит из поляризованного по разрезу сферического пьезоэлемента 1, закрепленного через герметизирующую диэлектрическую втулку 2 в диэлектрически упругом стакане 3, размещенном в патрубке 4 из жесткого материала и имеющем отверстие для вывода проводов. Цилиндрическая форма пьезоприемника выполнена из компаунда 5. Пьезоприемник работает на радиальных колебаниях при всестороннем сжатии. Цилиндрическая конструкция пьезоприемника, а также совпадение направления приема давления и вектора поляризации обеспечивают симметрическую нагрузку на пьезоэлемент по всей поверхности. Пьезоприемник работает следующим образом. При приеме упругих колебаний сферический пьезоэлемент совершает колебания по радиусу и продольные колебания по длине патрубка. Наличие диэлектрической втулки 2 и диэлектрического стакана 3 "развязывает" продольные колебания по радиусу и подавляет их. Пьезоприемник совершает моночастотные колебания по радиусу. В результате колебаний пьезоприемника согласно прямому пьезоэлектрическому эффекту между внутренним и внешним электродами пьезоприемника возникает переменный во времени электрический потенциал = g 1- +1- eit, где g33 - пьезочувствительность по радиусу сферы; Ро - амплитуда принимаемого сигнала; R1, R2 - внутренние и внешние радиусы сферы соответственно; С11, С13, С33 - модули упругости материала пьезокерамической сферы; - собственная частота принимаемого сигнала; i - мнимая единица; e - экспоненциальная функция. Частота колебаний пьезоприемника определяется параметрами как пьезокерамической сферы, так и компаундного слоя, ее можно записать: f = f , где fo - резонансная частота радиальных колебаний пьезокерамической сферы; k - плотность компаундного слоя;o - плотность пьезоприемника. Частота колебаний пьезокерамической сферы fo определяется его материалами и размерами. Пьезокерамическая сфера из материала УТС-19 с параметрами o = 7 45x x 103 кг/м3; С11 = 0,8 1011 н/м2; С33 = 0,79 1011 н/м2; С13 = 0,3 1011 н/м2; g33 = 34 5 10-3 вм/н, имеющая геометрические размеры R1 = 14 мм. R2 = 15 мм, обладает частотой fo = 24,6 кГц. Частота колебаний пьезоприемника f = 24,4 кГц. Амплитуда колебания пьезоприемника U = 86 мм, разность потенциала max = 13 кВ. Амплитуда давления соответствует Umax Ро = 600 атм, величина Ро определяется из расчета максимального значения электроакустического коэффициента преобразования энергии, а также из расчета предельного значения механического напряжения Tmax = 0,4 кг/мм2. Ниже приведена сравнительная таблица характеристик заявленного пьезоприемника и прототипа. Предложенная конструкция обеспечивает совпадение направления погружения и вектора поляризации, что позволяет подавить побочные мод колебания, достигать больших глубин погружения и повышать чувствительность устройства по сравнению с прототипом в 3 раза. Простота конструкции обеспечивает также надежность работы. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1425491, кл. G 01 L 11/00, 1988. 2. Кулиев Ю. Н. и Конопкин В. Ф. Пьезоприемники давления. Изд. РГУ, 1976.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2