Сейсмоприемник

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения сейсмических колебаний почвы и виброколебаний твердых тел. Сущность: сейсмоприемник включает корпус, установленный внутри корпуса пьезоэлектрический изгибный элемент и выполненные в корпусе воздушные полости, соединенные между собой воздушным каналом. Объем воздушной полости, акустическая проводимость воздушного канала и резонансная частота пьезоэлемента связаны соотношением, обеспечивающим расширение рабочей полосы частот сейсмоприемника и применение устройства в качестве контрольного датчика в поверочных и виброкалибровочных установках. Технический результат: возможность управления частотной характеристикой без изменения других параметров. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении сейсмических колебаний почвы, а также виброколебаний твердых тел.

Известен сейсмоприемник [1, стр.540-548], основным элементом которого является многовитковая катушка, установленная в магнитном поле, что приводит к генерации на выходе катушки электрического сигнала, пропорционального уровню колебаний. Недостатком известного устройства является его сложность и малый частотный диапазон.

Известен приемник колебаний [1, стр.559-578], в котором основным узлом является пьезоэлектрический элемент. Деформация пьезоэлемента, вызванная колебаниями объекта, приводит к генерированию электрического сигнала. Недостатком известной конструкции является низкая чувствительность устройства.

Наиболее близким аналогом является пьезоэлектрический приемник колебаний [2] . Известное устройство включает изгибный пьезоэлектрический элемент, расположенный внутри герметичного корпуса. Пьезоэлемент жестко соединен с корпусом. Колебания объекта исследования и связанного с ним корпуса устройства приводят к возникновению деформации пьезоэлемента и как следствие к появлению электрического сигнала на выходе.

Особенностью пьезоэлектрического приемника является обратно пропорциональная зависимость рабочей полосы частот от чувствительности устройства [1, стр. 578] . С другой стороны, ширина рабочей полосы частот сейсмоприемника зависит от резонансной частоты пьезоэлектрического элемента, то есть от его геометрических размеров. Поэтому изменение рабочей полосы частот путем изменения геометрических размеров пьезоэлементов повлечет за собой изменение чувствительности приемника. Кроме того, неизбежно изменение его массогабаритных параметров. Таким образом, недостатком известного устройства является невозможность управления частотной характеристикой при сохранении чувствительности и массогабаритных параметров.

Заявляемый в качестве изобретения сейсмоприемник позволяет управлять частотной характеристикой без изменения чувствительности и массогабаритных параметров.

Указанный технический эффект достигается тем, что в сейсмоприемнике, включающем корпус и установленный внутри корпуса пьезоэлектрический изгибный элемент с частотой резонанса f, корпус содержит воздушные полости, соединенные между собой воздушным каналом, акустическая проводимость К которого связана с объемом воздушной полости соотношением К=S/L=4π²f²ρβV, где S - площадь поперечного сечения воздушного канала; L - длина воздушного канала; ρ - плотность воздуха; β - сжимаемость воздуха.

Создание сейсмоприемника стало возможным благодаря новой совокупности конструктивных элементов и установленному авторами соотношению между геометрическими, механическими и акустическими параметрами элементов. Предлагаемое устройство содержит два резонансных узла: пьезоэлемент и воздушные полости, соединенные каналом. Выбирая размеры полости и канала, можно изменять частоту резонанса этого акустического узла и, следовательно, управлять частотными свойствами всей колебательной системы в целом.

С целью расширения интервала рабочих частот сейсмоприемника авторами установлено оптимальное соотношение между параметрами элементов, соответствующее равенству резонансных частот пьезоэлемента и акустического узла. При этом не изменяются параметры пьезоэлемента и сохраняются массогабаритные характеристики и чувствительность устройства. Тем самым достигается основный эффект изобретения - возможность управления частотной характеристикой устройства без изменения его других параметров.

На чертеже изображен общий вид сейсмоприемника.

Сейсмоприемник содержит корпус 1, пьезоэлектрический изгибный элемент 2, состоящий из пьезокерамической пластины 3 и металлической мембраны 4, воздушные полости 5 и 6, воздушный канал 1, электрический разъем 8. Выход сейсмоприемника подключен к электронному регистрирующему устройству 9. Сейсмоприемник жестко закреплен на объекте исследования 10.

Пьезокерамическая пластина 3 и металлическая мембрана 4 жестко соединены диффузионной сваркой. Так же жестко соединены канал 7 с мембраной 4 и мембрана 4 с корпусом 1. При сборке устройства обеспечивают герметичность его внутреннего объема, состоящего из воздушных полостей 5, 6 и воздушного канала 7.

Сейсмоприемник работает следующим образом. Колебания объекта исследования 10 передаются жестко соединенному с ним корпусу 1. Инерционные явления приводят к изгибу пьезоэлемента 2, преобразующему механические колебания в электрический сигнал. Воздух, замкнутый в полостях 5 и 6, за счет своей упругости препятствует колебаниям изгиба. При наличии воздушного канала 7 между полостями 5 и 6 воздух из объема, в котором происходит сжатие, перетекает в полость разрежения. Воздушные полости 5 и 6, соединенные каналом 7, представляют собой акустический резонансный узел, в котором на определенной частоте возникает резонанс сосредоточенной в полостях 5 и 6 упругости воздуха и сосредоточенной в канале 7 массы воздуха.

Выбирая размеры полостей 5, 6 и канала 7, можно смещать резонансную частоту акустического узла относительно резонансной частоты пьезоэлемента 2 и таким образом управлять частотной характеристикой сейсмоприемника в целом. Для расширения рабочей полосы частот сейсмоприемника необходимо обеспечить равенство резонансных частот пьезоэлемента 2 и акустического узла, включающего полости 5, 6 и канал 7. При этом должно выполняться приведенное выше соотношение между геометрическими, механическими и акустическими параметрами элементов сейсмоприемника.

Испытания экспериментального образца сейсмоприемника, включающего акустический узел из полостей и соединяющего их канала, показали возможность существенного сдвига верхней границы рабочей полосы частот: с 2000 до 3400 Гц, то есть расширения рабочей полосы в 1,7 раза. При этом сохранен коэффициент преобразования по напряжению, равный 5 мB•c²/м.

Предложенный сейсмоприемник благодаря совокупности его существенных отличий обеспечивает значительное расширение рабочей полосы частот, что позволяет применить его в качестве контрольного датчика в составе поверочных и виброкалибровочных установок, а также в системах виброконтроля и диагностики энергетического оборудования.

Источники информации: 1. Ю.И.Иориш. Виброметрия, М., 1963, стр.540-548, 559-578.

2. В. В. Янчич. Пьезоэлектрические акселерометры на основе монолитного блока с деформацией изгиба. Зарубежная радиоэлектроника, 9, 1996, стр.63-64.

Формула изобретения

Сейсмоприемник, включающий корпус и установленный внутри корпуса пьезоэлектрический изгибный элемент с частотой резонанса f, отличающийся тем, что корпус содержит воздушные полости, соединенные между собой воздушным каналом, акустическая проводимость К которого связана с объемом воздушной полости V соотношением K = S/L = 4π²f²ρβV, где S - площадь поперечного сечения канала; L - длина канала, ρ - плотность воздуха; β - сжимаемость воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1