Пьезоэлектрический сейсмометр

 

Изобретение относится к Приемникам сейсмоколебаний и может быть использовано при каротажных исследованиях в области частот сейсмоколебаний 0,01-100 Гц. Изобретение позволяет повысить чувствительность, рас .ширяет функциональные возможности сейсмометра за счет обеспечения возможности одновременной регистрации вертикальных и горизонтальных колебаний во взаимно перпендикулярных плоскостях в скважине. Цель достигается выполнением инертной массы 30 в виде, сферического. маятника на опорном диске 27, который опирается на четыре пары стержневых пьезоэлементов 19. ПьезоэлеМенты включены дифференциально в схему измерения, обеспечивающую возможность раздельной регистрации как вертикальной, так и двух горизонтальных компонент сейсмоколебаний . Соотношение радиуса диска R и длины маятника . R t обеспечивает механическое усиление и повышает чувствительность при снижении собственной частоты сейсмометра. 3 з.п, ф-лы, 4 ил. (Л 22 к 4i «.Ф

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„SU„„1241174

А1

1594 601 Ч l 16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21). 3833645/24-25 (22) 30.12,84 (46) 30,,06.86. Бюл. Ф 24 (71) Институт океанологии им. П. П. Ширшова (72) Т. А. Дозоров, Б. Н. Шеин, В. П; Плешка, А. В. Препелица и Г. А. Байрамов (53) 550.834(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

HI 980033, кл. G 01 V 1/16, 1982.

Авторское свидетельство СССР

9 1157389, кл. G 01 V 1/16, 1983. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЕЙСМОМЕТР (57) Изобретение относится к приемникам сейсмоколебаний и может быть использовано при каротажных исследованиях в области частот сейсмоколебаний 0,01-100 Гц. Изобретение позволяет повысить чувствительность, расширяет функциональные возможности сейсмометра за счет обеспечения возИожности одновременной регистрации вертикальных и горизонтальных коле.баний во взаимно перпендикулярных плоскостях в скважине. Цель достигается выполнением инертной массы 30 в виде сферического, маятника на опорном диске 27, который опирается на четыре пары стержневых пьезоэлементов 19. Пьезоэлементы включены дифференциально в схему измерения, обеспечивающую возможность раздельной регистрации как вертикальной, так и двух горизонтальных компонент сейсмоколебаний. Соотношение радиуса диска

R и длины маятника С R (В обеспечивает механическое усиление и повышает чувствительность при снижении собственной частоты сейсмометра. 3 з.п. ф-лы, 4 ил, 1 12411

Изобретение относится к приемникам сейсмических колебаний, которые, в частности, могут быть использованы при каротажных исследованиях.

Изобретение решает задачу создания малогабаритных измерительных устройств сейсмических колебаний в области частот 0,01 †1 Гц.

Целью изобретения является повышение чувствительности и расширение 10 функциональных возможностей за счет обеспечения возможности одновременной регистрации вертикальных и горизонтальных колебаний во взаимно перпендикулярных плоскостях в скважине. 15

На фиг. 1 показана механическая схема, поясняющая работу предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3 — электрические схемы сейсмометра на.фиг. 4 — конструкция сейсмометра.

В одной плоскости (фиг. 1) у сейсмометра установлены четыре стержневых пьезоэлектрических элемента 1

4. Между верхними 1, 3 и нижними 2, 4 элементами через контактные шари- 25 ки 5 зажато коромысло.6, которое вместе с рычагом 7 и рабочей массой

8, образует дифференциальную систему передачи усилий, возникающих при горизонтальных перемещениях массы 8.

Коромысло в центральной точке подвешено к пружине 9, уравновешивающей вес массы. Стержни зажаты в осевом: направлении пружинами 10, усилие которых в несколько раз больше, чем максимальные усилия, возникающие при работе сейсмометра. Пружины в значительной мере ослабляют механические напряжения, возникающие в пьезоэлементах из-за различных терми- 40 ческих коэффициентов материала элементов и корпуса, а также позволяют производить арретирование устройства.

Обкладки каждого элемента подключены к дифференциальным усилительным 45 схемам, показанным на фиг. 2. Элементы 1, 2 и 3, 4 соединены с интегрирующими усилителями 11, которые подключены к входам дифференциальных усилителей 12 и 13 через регулируемый эле50 мент 14, который необходим для балансировки каждой пары из-за разброса электрических характеристик пьезоэлементов. Появление осевых механических напряжений в каждой паре вызывает разнополярные потенциалы на обкладках пьезоэлементов, которые приводятся к одному потенциалу двойной ампли74 3 туды на выходе усилителей 12 и 13.

Полярность на их выходах зависит от направления силы плеча коромысла 6.

Так как эти силы противофазны, то на выходах усилителей 12 и 13 при действии горизонтальной силы будет разнополярное напряжение. Это напряжение поступает на вход дифференциального усилителя 15, с выхода последнего снимается сигнал, соответствующий горизонтальным колебаниям сейсмометра.

Регулируемый элемент 16 обеспечивает компенсацию несоответствия электрических характеристик пар пьезоэлемен-. тов 1, 2 и 3, 4, а также неточности в изготовлении, например несимметричность плечей m u m коромысла 6. Если масса 8 будет испытывать вертикальные колебания, то пьезопары 1, 2 и 3, 4 будут подвержены синфазным воздействиям, полярность напряжений на выходе усилителей 12 и 13 будет одинаковой и, в результате, на выходе дифференциального усилителя 15 сигнал будет отсутствовать.

Таким образом схема, показанная на фиг. 2 в сочетании с конструкцией фиг. 1, обеспечивает выделение только горизонтальных колебаний массы 8.

Для того, чтобы на выходе сейсмометра иметь сигнал, отражающий его вертикальные колебания, необходимо дифференциальный усилитель 15 — вычитающий элемент — заменить на суммирующий элемент, что и сделано в схеме, показанной на фиг. 3. В данной схеме условно изображен каждый блок 17, обведенный на фиг. 2 пунктирной линией. Поскольку реальная конструкция сейсмометра содержит четыре пары пьезоэлементов и позволяет регистрировать горизонтальные колебания в двух перпендикулярных направлениях, то сумматор 18 объединяет четыре блока 17 на своих входах. На выходе схемы фиг. 3 выделяется сигнал, отражающий только вертикальные колебания массы, так как горизонтальные колебания вызывают противоположные знаки на входе сумматора

18 и результирующие напряжения на его выходе будут равны нулю.

На фиг. 4 показана конструкция пьезоэлектрического сейсмометра, содержащего пьезоэлектрические элементы 19 в виде стержней с торцовыми электродами. Пары элементов расположены в корпусе 20 вертикально по окз 1241

1О щий механические напряжения на пьеэо15 массы и выполнена конической. Переме25 при арретировании. Арретирование сейсмометра осуществляют вращением pery лиравочного винта 32. Когда винт ослабляет пружину 31, под действием

35

Пары пьезоэлементов, расположенных40 в одной плоскости, регистрируют горизонтальные колебания только по одной оси. Точки приложения сил к другой ружности через 90о . Каждый элемент помещен в изоляторную втулку 21. В верхней и нижней части корпуса расположены контактные втулки 22 и 23 с электродами 24. Втулки 22 неподвижны, а втулки 23 перемещаются и прижимают элементы 19 с помощью пружин

25, которые фиксируются гайками 26.

Между верхними и нижними пьезоэлементами находится диск 27, передаюэлементы через контактные шарики 28.

В диске, в его центре, закреплена ось 29, на нижнем конце которой находится рабочая масса 30, а верхний конец оси присоединен к компенсирующей пружине 31, натяжение которой регулируется винтом 32. В нижней части корпуса имеется фиксирующая гайка

33; внутренняя поверхность которой сопряжена с внешней поверхностью щения гайки по резьбе регулируют зазор между конической поверхностью и массой. Зазор определяет ход массы и веса рабочей массы пружины 25 сжимаются и масса 30 плотно прилегает к конической поверхности фиксирующей гайки 33. Поскольку рабочий ход массы 30 при арретировании 1 мм, то верхние шарики 28 не выпадают из отверстий во втулках 21. Возможно слабое подпружинивание верхних втулок с целью их постоянного контакта с диском, паре элементов располагаются при этом на оси вращения плоскости диска, перпендикулярной выбранной оси регистрации, и не вызывают деформации этих пар элементов, т.е. взаимное влияние осей чувствительности отсутствует.

Из особенностей конструкции сейсмометра следует отметить, что диаметр диска и внутренний диаметр цилиндра, где он перемещается, выполняются по скользящей посадке, кроме того, ребро диска должно иметь сферическую поверхность. Обязательным является уменьшение или полное исi5

174 4 ключение соединительных проводников между электродами пьезоэлементов и усилительной схемой. Это необходимо для увеличения чувствительности сейсмометра, так как выходное напряжение каждого элемента и = где Q — - заС ряд,. вызванный деформацией элемента, С вЂ” электрическая емкость обкладок самого элемента и соединительных проводников. На фиг. 4 не показаны усилительные схемы фиг. 2 и 3, но следует указать, что .они должны располагаться около выводов пьезоэлементов.

Соединения пружины 31 регулировочного винта 32 и диска должны быть шар-. нирными.

Введение в сейсмометр четырех дифференциальных пьезоэлементов в сочетании с дисковой рычажной конструкцией передачи усилений от.рабочей массы и включение их в дифференциальные и суммирующие схемы позволяет обеспе.чить максимальную чувствительность одновременной регистрации колебаний по трем взаимно перпендикулярным осям,-при большом отношении вертикальных и горизонтальных размеров сейсмометра, т.е. при его значительной протяженности, что является главным для скважинкой конструкции. . Использование дифференциального принципа во всех усилительных схемах позволяет достичь большей стабильности и точности регистрации, т.е, в конечном итоге, также способствует увеличению чувствительности устройства.

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический сейсмометр, содержащий инерционную массу, опирающуюся через контактные шарики на пьезоэлектрические элементы в виде стержней, расположенных в изоляторных втулках.и соединенных через торцовые обкладки с дифференциальной схемой усиления; о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повьппения чувствительности и расширения функциональных возможностей за счет обеспечения одновременной регистрации вертикальных и горизонтальных колебаний во взаимно перпендикулярных плоскостях в скважине, он содержит четыре пары дифференциально включенных пьезоэлементов, установленных вертикальо но по окружности через 90, между.

1241174 контактными шариками верхних и нижних пьезоэлементов помещен диск, в центре его закреплена ось, на конце которой расположена инерционная масСа, а верхний конец оси соединен с компенсирующей пружиной, закрепленной на верхней части корпуса сейсмометра.

2. Сейсмометр по и. 1, о т л и— ч а ю шийся тем, что каждая пара пьезоэлементов зажата в осевом направлении пружиной, расположенной в нижней части сейсмометра, а инерционная масса выполнена в виде усеченного конуса и снабжена фиксатором в виде гайки, внутреняя поверхность которой сопряжена с поверхностью конуса и перемещается вдоль оси.

3. Сейсмометр по Пп. I и 2, о т— л и ч а ю шийся . тем, что каждые две пары дифференциально включенных пьезоэлементов, расположенных в одной вертикальной плоскости, подключены к дифференциальной схеме усиления, выход которой является рабочим

Выходом Одной из горизонтальных

1р осей регистрации.

4. Сейсмометр по пп. 1 и 2, о т— л и ч а ю шийся тем, что выходы всех четырех дифференциально

1 включенных пар пьезоэлементов соединены с сумматором, выход которого является рабочим выходом вертикальной оси регистрации.

1241174 фиг. 3

Составитель М. Спасский

Техред р.Сопко Корректор А. Зимокосов

Редактор М. Бандура

Заказ 3485/41 Тираж 728

ВНИИПИ. Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4