Сейсмометр

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к сейсмометрии. Изобретение позволяет повысить метрологические характеристики сейсмометра при его малых габаритах. Сейсмометр содержит две магнитные системы из последовательно соединенных цилиндрических магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника. Магнитные системы изолированы одна от другой диэлектрической прокладкой и образуют инертную массу. Для вывешивания инертной массы в поле силы тяжести Земли используются конические стержни из магнитомягкого материала. Магнитные системы соединены встречно, посредством диэлектрического кронштейна и двух упругих элементов закреплены на основании и размещены внутри диэлектрического цилиндрического корпуса, на внутренней поверхности которого расположены выходные электроды емкостного датчика перемещений, соединенные с входами усилителя, другие входы которого подключены к выходам генератора синусоидальных колебаний, соединенным электрически с двумя магнитными системами, являющимися двумя возбуждающими электродами емкостного датчика перемещений, а выходы усилителя соединены с секциями многосекционной катушки, размещенной на каркасе, закрепленном в диэлектрическом цилиндрическом корпусе. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области гравитационных измерений, а именно к сейсмометрии.

Известен сейсмометр (см., например, "Сейсмические приборы", М., Наука, 1975, вып. 8, с. 13-18), содержащий основание, на котором посредством двух упругих элементов установлены инертная масса и катушка, магнитную систему, включающую последовательно соединенные магнитопровод, постоянный магнит и полюсный наконечник, причем катушка помещена в рабочем зазоре между магнитопроводом и полюсным наконечником, а также винтовую пружину, прикрепленную одним концом к основанию, а другим к инертной массе.

Этот сейсмометр не обеспечивает высокие метрологические характеристики, т. к. отсутствие в нем датчика перемещений инертной массы делает невозможным создание прибора с эффективными обратными связями.

Известен сейсмометр (см., например, Трифонов Н.В. "Сейсмическая станция ССМ", Техническое описание, М., ИФЗ РАН, 80), содержащий основание, на котором посредством двух упругих элементов установлены инертная масса и катушка, магнитную систему, включающую последовательно соединенные магнитопровод, постоянный магнит и полюсный наконечник, причем катушка помещена в рабочем зазоре между магнитопроводом и полюсным наконечником, винтовую пружину, прикрепленную одним концом к основанию, а другим к инертной массе, емкостной датчик перемещений, выходной электрод которого соединен с инертной массой, а два электрода возбуждения - с основанием, генератор синусоидальных электрических колебаний, два выхода которого соединены с электродами возбуждения емкостного датчика, а также усилитель, соединенный первым входом с выходным электродом емкостного датчика, вторым входом - с выходами генератора синусоидальных колебаний, а выходом - с катушкой.

Этот сейсмометр обеспечивает достаточно высокие метрологические характеристики, но имеет значительные габариты, обусловленные тем, что инертная масса, магнитная система, емкостной датчик перемещений и пружина выполнены на отдельных конструктивных элементах.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является сейсмометр (см. , например, патент США N 4412317, кл. 267-185, публ. 1984 г.), содержащий основание, две магнитные системы, состоящие из последовательно соединенных цилиндрических магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника, две катушки, расположенные между магнитопроводами и полюсными наконечниками магнитных систем, а также усилитель, соединенный выходом со входом катушки.

В этом сейсмометре, выбранном за прототип, узел из магнитных систем выполняет функцию инертной массы, что снижает его габариты. Но отсутствие в нем датчика перемещения инертной массы не позволяет создать систему с обратной связью, что снижает метрологические характеристики сейсмометра.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания сейсмометра с высокими метрологическими характеристиками при его малых габаритах.

Это достигается тем, что сейсмометр, содержащий основание, два упругих элемента, две магнитные системы, состоящие из последовательно соединенных цилиндрических магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника, катушки, расположенные между магнитопроводами и полюсными наконечниками магнитных систем, а также усилитель, соединенный выходом со входом, дополнительно содержит диэлектрические цилиндрический корпус, прокладку и кронштейн, емкостной датчик перемещений с тремя выходными и двумя возбуждающими электродами, генератор синусоидальных колебаний и два магнитомягких стержня, закрепленных в диэлектрическом цилиндрическом корпусе соосно с продольной осью магнитных систем и помещенных коническими концами в отверстиях на торцевых частях магнитных систем, выходные электроды емкостного датчика перемещений расположены на внутренней поверхности диэлектрического цилиндрического корпуса, закрепленного по внешней поверхности на основании, магнитные системы соединены встречно, изолированы друг от друга диэлектрической прокладкой и посредством диэлектрического кронштейна и двух упругих элементов закреплены на основании и размещены внутри диэлектрического цилиндрического корпуса, внутри которого установлена также многосекционная катушка, размещенная на каркасе, закрепленном в диэлектрическом цилиндрическом корпусе, а усилитель выполнен с дополнительными входами и дополнительными выходами, причем первый вход усилителя соединен с первым выходным электродом емкостного датчика перемещений, второй и третий электроды которого расположены соосно по обе стороны от первого выходного электрода и соединены с дополнительными входами усилителя, второй и третий входы которого подключены к выходам генератора синусоидальных колебаний, соединенным электрически с магнитопроводами двух магнитных систем, являющимися двумя возбуждающими электродами емкостного датчика перемещений, а дополнительные выходы усилителя подключены к секциям многосекционной катушки.

Такое выполнение сейсмометра обеспечивает отрицательную обратную связь, улучшающую метрологические характеристики, а магнитные системы образуют инертную массу и одновременно являются двумя электродами возбуждения емкостного датчика перемещений, так как изолированы друг от друга диэлектрической прокладкой.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого сейсмометра.

Сейсмометр содержит основание 1, на котором посредством двух упругих элементов 2 и диэлектрического кронштейна 3 закреплены две магнитные системы 4, включающие в себя последовательно соединенные магнитопровод 5, постоянный магнит 6 и полюсный наконечник 7, магнитные системы 4 изолированы друг от друга диэлектрической прокладкой 8. Внутри магнитной системы на каркасе 9 помещена многосекционная катушка 10. Магнитные системы 4 помещены в диэлектрический цилиндрический корпус 11, на котором размещены три выходных электрода 12 емкостного датчика перемещений. Внутри магнитных систем 4 расположены два магнитомягких стержня 13. Генератор синусоидальных колебаний 14 подключен ко входам усилителя 15 и магнитопроводам 5 магнитных систем 4. Дополнительные входы усилителя 15 соединены с выходными электродами 12 емкостного датчика перемещений, а выходы - с секциями (входами) многосекционной катушки 10.

Обе магнитные системы 4 образуют инертную массу и одновременно являются двумя электродами возбуждения емкостного датчика, так как изолированы друг от друга диэлектрической прокладкой 8. С помощью магнитомягких стержней 13 инертная масса вывешивается в поле силы тяжести Земли, а глубиной их размещения в отверстиях на торцевых частях магнитных систем изменяется период собственных колебаний сейсмометра.

Сейсмометр работает следующим образом. При движении основания 1 происходит перемещение двух магнитных систем 4, т.е. инертной массы сейсмометра, относительно диэлектрического цилиндрического корпуса 11. Эти перемещения отслеживаются емкостным датчиком перемещения посредством выработки электрических сигналов переменного тока на выходных электродах 12 емкостного датчика. Наличие двух дополнительных выходных электродов емкостного датчика, расположенных соосно по обе стороны от первого выходного электрода, позволяет выставлять нулевой сигнал емкостного датчика перемещений относительно центрального положения инертной массы. В усилителе 15 этот сигнал переменного тока выпрямляется посредством опорных сигналов с выходов генератора синусоидальных колебаний 14, формируется с помощью корректирующих цепей, усиливается и поступает в виде постоянного тока в соответствующие секции многосекционной катушки 10. Таким образом осуществляется отрицательная обратная связь в сейсмометре. Формирование сигнала отрицательной обратной связи осуществляется параллельно включенными корректирующими цепями.

Рассмотрим формирование передаточной функции усилителя 15 с тремя корректирующими цепями. В этом случае катушка 10 содержит три секции.

В этом случае первая цепь вырабатывает сигнал, пропорциональный перемещению инертной массы, вторая - пропорциональный ее скорости, а третья формирует сигнал, пропорциональный интегралу от ее перемещения.

В совокупности передаточная функция усилителя имеет вид: W_y(p)=K_п+K_cкP+K_и/P (1) где P = d/dt; K_п, K_cк, K_и - соответственно коэффициенты передачи по перемещению, скорости и интегралу.

Выходной сигнал может быть взят с любого выхода усилителя.

Для вывешивания инертной массы в поле силы тяжести Земли взамен витых проволочных пружин в предлагаемом сейсмометре используются конические стержни 13 с конусностью от 30^o до 60^o и глубиной погружения их наполовину постоянного магнита 6. Стержни 13 в совокупности с постоянными магнитами 6 создают пружину с отрицательной жесткостью K_отр.

Суммарный коэффициент жесткости упругого подвеса характеризуется зависимостью: K_Σ= K_упр-K_отр±K_п (2) а собственные частоты сейсмометра где K_упр, K_отр, K - соответственно составляющие жесткости от упругих элементов от магнитомягких стрежней 13 и электрической обратной связи по перемещению инертной массы.

Таким образом, частоту собственных колебаний сейсмометра можно регулировать, либо перемещая стержни 13 внутри магнитов 6, либо изменением коэффициента передачи отрицательной обратной связи по перемещению.

При незначительных размерах предлагаемого сейсмометра имеется возможность регулировать период собственных колебаний сейсмометра от 2 до 0,2 с. Диапазон измерения сейсмических возмущений составляет при этом от 0,2 до 40 Гц, а коэффициент преобразования до 10⁴ В·с/м.

Формула изобретения

Сейсмометр, содержащий основание, два упругих элемента, две магнитные системы, состоящие из последовательно соединенных цилиндрических магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника, катушки, расположенные между магнитопроводами и полюсными наконечниками магнитных систем, а также усилитель, соединенный выходом со входом катушки, отличающийся тем, что дополнительно содержит диэлектрические цилиндрический корпус, прокладку и кронштейн, емкостной датчик перемещений с тремя выходными и двумя возбуждающими электродами, генератор синусоидальных колебаний и два магнитомягких стержня, закрепленных в диэлектрическом корпусе соосно с продольной осью магнитных систем и помещенных коническими концами в отверстиях на торцевых частях магнитных систем, выходные электроды емкостного датчика перемещений расположены на внутренней поверхности диэлектрического цилиндрического корпуса, закрепленного по внешней поверхности на основании, магнитные системы соединены встречно, изолированы одна от другой диэлектрической прокладкой и посредством диэлектрического кронштейна и двух упругих элементов закреплены на основании и размещены внутри диэлектрического цилиндрического корпуса, внутри которого установлена также многосекционная катушка, размещенная на каркасе, закрепленном в диэлектрическом цилиндрическом корпусе, а усилитель выполнен с дополнительными входами и дополнительными выходами, причем первый вход усилителя соединен с первым выходным электродом емкостного датчика перемещений, второй и третий электроды которого расположены соосно по обе стороны от первого выходного электрода и соединены с дополнительными входами усилителя, второй и третий входы которого подключены к выходам генератора синусоидальных колебаний, соединенным электрически с магнитопроводами двух магнитных систем, являющимися двумя возбуждающими электродами емкостного датчика перемещений, а дополнительные выходы усилителя подключены к секциям многосекционной катушки.

РИСУНКИ

Рисунок 1

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 10.12.2004        БИ: 34/2004