Пьезоэлектрический геофон

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано в качестве датчика акустической эмиссии. Цель - повышение чувствительности , за счет самоориентации пьезоэлемента в скважине . За счет введения шарикоподшипника, на оси которого со смещением центра тяжести относительно нее установлен на держателе пьезоэлемент, соединенный с усилителем через скользящий контакт, обеспечивается независимо от положения корпуса одинаковая ориентация пьезоэлемента относительно образующей его корпуса . 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 V 1/16

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4733953/25 (22) 13,09.89 (46) 15.05.92. Бюл. М 18 (71) Научно-.исследовательский горнорудный институт (72) B.Ë.Áåëîçîð, B.Ä.Çàïoðoæåö, B,Ô.Êîðчаков, А.B,Íåäçâåöêèé, А.P.×åðíåíêo и

И.А.Ященко (53) 550.83(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1182457, кл. G 01 V 1/16, 1986.

Авторское свидетельство СССР

М 1119473, кл. G 01 V 1/20, 1986. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕОФОН

Изобретение относится к горному делу, а именно к средствам контроля устойчивости гарного массива при добыче полезных ископаемых подземным способом, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства в качестве датчика акустической эмиссии.

Цел ью изобретения я вля ется павы шение чувствительности за счет самоориентации пьезоэлемента в скважине.

На фиг.1 показано продольное сечение пьезоэлектрического геофона; на фиг.2 — поперечное сечение А — А на фиг.1.

Пьезоэлектрический геофон содержит цилиндрический корпус 1, защитный кожух

2, герметизирующие уплотнители в виде заглушки 3 и пробки 4. В цилиндрическом основании 5 корпуса 1 выполнено гнездо, в которое вмонтирован шарикоподшипник 6 с осью 7. В кожухе 2 размещены пьезоэлемент 8, его держатель 9, выполненный Г-образным и короткой стороной закрепленный

5U 1734062 А1 (57) Изобретение относится к гарному делу и может быть использовано в качестве датчика акустической эмиссии. Цель — повыше-. ние чувствительности ., за счет самоориентации пьезоэлемента в скважине, За счет введения шарикоподшипника, на оси которого со смещением центра тяжести относительно нее установлен на держа- . теле пьезоэлемент, соединенный с усилителем через скользящий контакт, обеспечивается независимо от .положения корпуса одинаковая ориентация пьезоэлемента относительно образующей его корпуса. 2 ил. на оси 7 подшипника 6 с возможностью свободного вращения на ней. Пьезоэлемент 8. закреплен на длинной стороне Г-образного.. держателя 9 посредством диэлектрических планок 10 и крепежных винтов.11. На торце цилиндрического основания.5 со стороны шарикоподщипника 6 посредством клея ук-, реплен токосъемник 12, выполненный из диэлектрического материала с наклеенным на нем токопроводящим кольцом 13. В верхней части короткой стороны Г-образного держателя 9 выполнено сквозное отверстие, в котором запрессована диэлектрическая втулка 14, по центру которой установлена стойка 15 из отрезка медного провода. К передней выступающей части стойки 15 а подпаян вывод пьезоэлемента 8, а к задней — контактный лепесток 16. Через пробку 4 и уплотнительную шайбу 17 в заглушке 3 пропущен кабельный провод 18. К.внутренней стороне заглушки 3 крепится монтажная плата усилителя низкой частоты (не показа1734062 на), а кабельный провод 18 электрически соединяет выход указанного усилителя с головными телефонами, выключателем и источником питания (не показаны), что в совокупности и редставляет собой регистрирующее устройство.

При произвольном повороте корпуса1 на некоторый угол вокруг его продольной оси токосъемник 12, жестко закрепленный на основании 5, также поворачивается вместе с корпусом 1, при этом Г-образный держатель 9 с установленным на нем пьезоэлементом 8, вращаясь на оси 7 шарикоподшипника 6 в противоположном направлении, всегда стремится занять исходное положение, а контактный лепесток 16 обеспечивает электрическое соединение пьезоэлемента 8 с токопроводящим кольцом 13 токосъемника 12 и далее, через соединительный проводник 19, с входом усилителя низкой частоты (не показан).

Второй конец пьезоэлемента 8 распаян непосредственно на горизонтальном участке Г-образного держателя 9 и через ось 7 на шарикоподшипнике 6 и основание 5 корпуса присоединен к "общему плюсу" электрической схемы усилителя низкой частоты (не показан), а через кабельный провод 18 с положительным полюсом источника питания (не показан).

Пьезоэлектрический геофон работает следующим образом.

Во время обследования горного массива в условиях шахты на предмет оценки его устойчивости к проявлению горного давления пьезоэлектрический геофон помещают в одну из технологических (измерительных) скважин, специально пробуренных для этой цели, или в любую другую, подходящую по длине и диаметру и находящуюся на оптимальном удалении об объема исследования.

С помощью имеющихся средств досылки (остальные, деревянные или дюралюминиевые штанги) геофон перемещают на некоторое расстояние от устья скважины., например на 2 м, а устье скважины закрывают поролоновой заглушкой с целью предотвращения проникновения в скважину посторонних звуков.

Затем оператор одевает головные телефоны (не показаны) и посредством соединительного шнура подключает выход геофона (через разъем на корпусе источника питания) на вход портативного магнитофона, после чего последовательно включает питание магнитофона и пьезоэлектрического геофона. За это время угловые колебательные движения Г-образного держателя 9 с установленным на нем пьезоэлементом 8 полностью затухают и своей рабочей

55 поверхностью устанавливается параллель-. но плоскости, секущей скважину вдоль ее оси.

Упругие колебания звуковой частоты, образующиеся от микроразрушений, происходящих в очаге напряженного состояния горного массива, через контакт, образуемый стенкой скважины и корпусом геофона, поступают на пьезоэлемент 8, который благодаря Г-образному держателю 9, укрепленному на шарикоподшипнике 6, всегда обращен к линии этого контакта, а значит в направлении максимума сигнала, резонируемого корпусом датчика в этом месте. В результате воздействия этих колебаний на пьезоэлемент 8 он начинает совершать микроколебания в направлении перпендикулярном его рабочей поверхности (плоскости), при этом на его обкладках возникает электрический потенциал, соразмерный воспринимаемому упругому колебанию звуковой частоты и совпадающему с ним по фазе. Затем этот потенциал, меняющийся во времени как по амплитуде, так и по частоте, т.е. несущий информацию полезный сигнал, через кольцевой токосъемник 12 поступает на вход 4-каскадного усилителя низкой частоты (не показан), выполненного на биполярных транзисторах малой мощности, например КТ20ЗБ, где он усиливается до необходимого значения. Максимальный коэффициент усиления такого усилителя составляет К = 10000, а диапазон воспроизводимых частот 1 — 20000 Гц, что достаточно для регистрации полученной от горного массива информации в области всеIo звукового диапазона как на высококачественные головные телефоны, так и для записи на магнитную ленту с целью последующего воспроизведения этой информации на самописец или осциллограф (не показаны), Об устойчивости исследуемого участка горного массива в целом и о локализации очага напряженности на этом участке, в частности, и связанной с ними звукоактивности, оператор судит по количеству регистрируемых импульсов микроразрушения за промежуток времени, например за 5 мин, а также по интенсивности (амплитуде) этих импульсов, о чем делает запись в журнале.

"Прослушав" массив на звукоактивность в данной точке, оператор выключает магнитофон и источник питания (не показаны) пьезоэлектрического геофона и, перемещая геофон дальше, вглубь скважины, устанавливает его в новой точке наблюдения, удаленной от предыдущей на расстоянии 3 — 5 м.

1734062

N 2 (ы 1

При досылке геофона в каждой новой точке наблюдения его корпус 1 неизбежно испытывает на себе влияние сил, закручивающих его вокруг продольной оси на некоторый угол, однако держатель 9 -с закрепленным на нем пьезоэлементом 8 каждый раз возвращается в исходное положение, ориентируя его в направлении исследуемого объекта.

Так как пьезоэлемент 8 геофона своей рабочей плоскостью самоустанавливается в направлении исследуемого массива, что совпадает с максимумом упругой звуковой волны, излучаемой на границе контакта корпус геофона — стенка скважины и при этом чувствительность геофона увеличивается, оставаясь (по абсолютному значению) равной во всех точках измерений вдоль оси скважины, это позволяет получать неискаженные и сопоставимые друг с другом достоверные данные как о локализации отдельных очагов разрушения, так и о состоянии горного массива в целом.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический геофон, содержащий герметизирован ный цилиндрический корпус, в котором размещены пьезоэлемент, его держатель, консольно соединенный с цилиндрическим основанием корпуса, и усилитель, выход которого соединен с ка5 белем, проходящим через герметизирующие уплотнители, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности за счет самоориентации пьезоэлемента в скважине, в него введены шарикоподшип10 ник с осью, размещенный в цилиндрическом основании корпуса, и скользящий контакт, токопроводящее кольцо которого установлено на цилиндрическом основании и соединено с входом усилителя, а контакт15 ный лепесток установлен на держателе и соединен с пьезоэлементом, при этом держатель пьезоэлемента выполнен Г-образным, на длинной стороне его установлен пьезоэлемент, а короткая сторона держате20 ля закреплена на оси подшипника таким образом, что центр тяжести держателя с пьезоэлементом смещен относительно оси подшипника с возможностью свободного вращения на ней.

1734062 с и А.г =, с с.

Фиг. 2

35

45

Составитель Д.Зарганян

Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова

Редактор О,Спесивых

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Заказ 1669 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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