Пьезоэлектрический сейсмометр

 

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЕЙСМОКЕТР , содержащий корпус, инертную массу, соединенную посредством пьезоэлектрических элементов с центральной опорой, закрепленной на корпусе радиально-симметричными жесткими тягами, отличающийс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, центральная опора снабжена шестью сквозными отверстиями, расположенными попарно по трем равноотстоящим от ее центра взаимно перпендикулярным направлениям, лежащим в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающихся в ее центре, при этом инертная масса выполнена в виде трех идентичных узлов, каждый из которых состоит из двух расположенных симметрично иентрашьной опоре грузов, выполненных в виде набора скрепленных между собой пластин 3 и установленных на двух параллельных штангах с возможностью пере (Л мещения вдоль них, при этом штанги свободно пропущены сквозь отверстия в центральной опоре.

(19) . (Иу

СОЮЗ GOBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ . РЕСПУБЛИН

399 6 01 Ч 1 16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ к двтоеском свидетельству

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ .КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ .ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ.(21) 3506171/18-25 (,22) 29.10.82 (46) 30.04.84. Бюл. 9 16 (72) В.T.Ëeâøåíêî (71) Институт физики Земли им.О.Ю.Шмидта АН СССР (53) 550.834 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 661144440033, кл. Q 01 Ч 1/16, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке М 3410414/18-25, кл. 01 Ч 1/16, 22.03.82 (прототип ) . 54)(57) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЕЙСМО:(ЕТР, содержащий корпус, инертную массу, соединенную посредством пьезоэлектрических элементов с центральной опорой, закрепленной на корпусе радиально-симметричными жесткими тягами, о т л и ч а.ю щ и йс я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей, центральная опора снабжена шестью сквозными отверстиями, расположенными попарно по трем равноотстоящим от ее центра взаимно перпендикулярным направлениям, лежащим в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающихся в ее центре, при этом инертная масса выполнена в виде трех идентичных узлов, каждый из которых состоит из двух расположенных симметрично центральной опоре грузов, выполненных в виде набора скрепленных между собой пластин и установленных на двух параллель- Е

Ф ных штангах с возможностью перемещения вдоль них, при этом штанги свободно пропущены сквозь отверстия в центральной опоре.

1089529

Изобретение относится к геофизическим приборам, в частности к контрольно-измерительной технике, и может быть использовано дпя измерения параметров колебаний при вибро- и сейсмометрии. 5

Известен пьезоэлектрический сейсмометр, содержащий корпус, инертную массу, шесть пар пьезоэлементов с контактными узлами и схему регистрации j1) .

Недостатком сейсмометра является ограниченность его функциональных воэможностей, поскольку i силу конструктивных особенностей прибор обладает постоянной ч>аствительностью 15 по всем шести компонентам колебания.. При полевых исследованиях час. то возникает необходимость в оперативном изменении чувствительности прибора к одной или нескольким компо-20 нентам колебания. Так, например, при.измерении сильных движений в эпицентральной области землетрясения .(или вблизи пункта взрыва) необходима низкая чувствительность прибора, на значительных удалениях от источника колебаний для регистрации сейсмических волн необходимы высокочув» ствительные приборы. В зависимости от задач исследований иногда появляется необходимость в пОвышении чувствительности прибора к ротационным компонентам колебания беэ изменения его чувствительности к поступательным компонентам колебания или изменении чувствительности относительно только одной из шести регистрируемых компонент. Сейсмометр такими воэможностями не обладает..Кроме того, из-за недостаточной устойчивости прибора к внешним воздействиям ограниче-40 на область его применения. Так,на пример, прибор не может быть использован для работы в средах с повышенным давлением (на дне моря, в скважинах и др.) поскольку повышенное 45 давление, воздействуя через корпус прибора на пьезоэлементы, вызывает появление дополнительных электрических потенциалов, а при достаточно высоком давлении (несколько десят ков атмосфер) может произойти разРушение пьезоэлементов.

Наиболее близким к предлагаемому является пьезоэлектрический сейсмометр, содеРжащий корпус, инерт-55 ную массу, соединенную посредством пьезоэлектрических элементов с центральной опорой, закрепленной на корпусе радиально-симметричными жесткими тягами.

Использование центральной. опоры, 0 закрепленной на корпусе радиальносимметричными жесткими. тягами и присоединение инертной массы к ней посредством пьезоэлементов устраняет влияние внешнего давления на по- 65 йаэания прибора и позволяет использовать его в условиях повышенных давлений j2) .

Недостатком известного сейсмометра является ограниченность функциональных возможностей, поскольку невозможно изменять чувствительность и частотные характеристики компонент, а также измерять крутильные моменты колебаний.

Йель изобретения — расширение функциональных возможностей.

Укаэанная цель достигается тем, что в сейсмометре, содержащем корпус, инертную массу, соединенную посредством пьезоэлектрических элементов с центральной опорой, закрепленной на корпусе радиальносимметричными жесткими тягами, центральная опора снабжена шестью сквозными отверстиями, расположенными попарно по трем равноотстоящим от ее центра взаимно перпендикулярным направлениям, лежащим.в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, пересекающихся в ее центре, при этом инертная масса выполнена в виде трех. идентичных узлов, каждый иэ которых состоит из двух расположенных симметрично центральной опоре грузов, выполненных в виде набора скрепленных между собой пластин и установленных на двух параллельных штангах с возможностью перемещения вдоль них, при этом штанги свободно пропущены сквозь отверстия в опоре.

На чертеже изображена принципиальная схема сейсмометра.

Сейсмометр содержит корпус, состоящий из сферической оболочки 1, центральной опоры 2 со сквозными от- . верстиями 3, радиально-сивелетричных тяг 4, инертную массу, выполненную в виде трех идентичных узлов, каждый из которых содержит два симметричных опоре груза 5, набранных из пластин б, с фиксаторами 7, параллельные штанги 8, контактные узлы

9 и пьезоэлементы 10.

Грузы 5 установлены с возможнос- .

I тью перемещения вдоль штанг 8 и закрепляются в неподвижном состоянии на нужном расстоянии от. центральной . опоры 2 фиксаторами 7. Штанги 8 свободно пропущены в отверстия 3 центральной опоры 2 и крепятся к ней через пьезоэлементы 10 посредством контактных узлов 9. При этом отверстия 3 расположены попарно в трех взаимно перпендикулярных направлениях таким образом, что проходящие сквозь них штанги 8 нигде не пересекаются.

Устройство работает следующим образом.

1089529

ВНИИПИ Заказ 2928/43 Тираж 711

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул.Проектная, 4

Сейсмометр устанавливают, например, на дне моря. Внешнее давление воздействует,на сферическую оболоч.ку 1, передается посредстном жестких тяг 4 на центральную опору 2 и не воздействует на инертную мас- . 5 су. Устойчивость прибора к внешниМ воэдеЯствиям, таким образом, обеспечивается как эа счет жесткости ниешнеЯ сферической оболочки, так и радиальных тяг. Кроме того, по- 10 скольку тяги 4 расположены симметрично, происходит компенсация противоположно направленных воздействий.. Это уменьшает суммарное воздеЯствие внешней среды на корпус сей- 15 смометра и дополнительно повышает его устойчивость к внешним воздействиям

Три узла, составляющих инертную массу, расположены относительно кор" 20 пуса таким образом, что каждый узел . оказывает давление на соответствующие пьезоэлементы только н случае воздействия на него одной определенной поступательной и нращатель ° 2ý ной компоненты колебания. Следовательно, прибор избирательно реагирует на три взаимно перпендикуляр- ных поступательных компоненты колебания. и три взаимно перпендикуляр ных,вращательных компоненты колебания, т.е. регистрируются все шесть компонент, составляющих колебания.

При регистрации поступательной . компоненты колебания движение соот"ветствующего узла инертной массы З5 вдоль направления воздействия создает одинаковое давление на две пары пьезоэлементов, прижатых к нему. Изменение чувствительности прибора к поступательной компонен- 40 те колебания происходит за счет изменения массы грузов 5 в соответствующем узле инертной массы путем изменения количества пластин 6 (увеличение чувствительности требу- 45 ет увеличения инертной массы грузов, а ее снижение требует умень. шения.числа пластин в грузах). Такая операция может быть проведена как для одного иэ узлов инертной массы. (в случае необходимости изменения чувствительности прибора к одной из поступательных компонент),. так и для двух-трех узлов инертной массы (в случае изменения чувст- 55 витель ости к двум или трем компонентам1.

При. регистрации вращательной компоненты колебания вращательное движение соответствующего узла инертной массы вокруг оси симметрии создает н двух парах прижатых пьезоэлементов давление разных знаков.

Величина этого давления зависит от вращательного момента инерции грузов.

При удалении грузов от центра вращения момент инерции увеличивается, при приближения грузов к центру вращения момент инерции уменьшается, что приводит к снижению чувствительности устройства.

Таким образом, перемещение грузов вдоль штанг без изменения их массы приводит к изменению чувствительности прибора к вращательным компонентам колебания без изменения

-его чувствительности к поступательным компонентам.

В случае необходимости изменения чувствительности прибора только к поступательным компонентам колебания беэ изменения его чувствительности к вращательным компонентам, масса груза изменяется, а сам груз перемещается вдоль штанг на расстояние, обеспечивающее такой же момент инерции узла, как и до изменения массы грузов. Самопроизвольное перемещение грузов вдоль штанг предотвращается фиксаторами 7, установленными на каждом грузе. расчеты и опыты на сейсмометре подтверждают,что при изменении массы грузов узла инертной массы от 0,1 дб

10 кг чувствительность прибора к поступательной компоненте увеличивается в 100 раэ. Перемещение грузов вдоль штанг с расстояния 5 см от центра вращения до 50 см увеличивает чунствительность прибора к вращательной компоненте колебания также в 100 раз. При изготовлении сферической оболочки сейсмометра и тяг иэ высококачественной стали и наличии хорошей герметизации в местах ,соединения частей корпуса прибор может быть погружен в океан на глубину до нескольких километров, т.е. будет нормально работать при внешних давлениях в несколько тысяч атмосфер.

Преимуществами сеЯсмометра являются возможность независимого изменения в широком диапазоне чувствительности и частотного. диапазона всех шести компонент колебаний наряду с повышением устойчивости к большим внешним давлениям, что позволяет испольэовать его на дне моря, а также н широком диапазоне условий измерения.