Сейсмометр

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области гравиинерциальных измерений, а именно к сейсмометрии. Технический результат - повышение отношения сигнал-шум на выходе сейсмометра и соответственно повышение точности измерений. Сейсмометр содержит основание с цилиндрическим диэлектрическим корпусом, внутри которого помещены две соединенные встречно и изолированные друг от друга диэлектрической прокладкой магнитные системы из последовательно соединенных между собой цилиндрических магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника. В зазоре магнитных систем размещена катушка. Магнитные системы жестко соединены между собой с помощью диэлектрического кронштейна, соединенного посредством двух упругих шарниров с основанием. На внутренней цилиндрической поверхности корпуса размещен цилиндрический выходной электрод. На внутренних торцевых поверхностях корпуса расположены два дополнительных выходных электрода. Сейсмометр содержит два усилителя, генератор синусоидальных колебаний, соединенный двумя выходами с магнитными системами и двумя входами первого усилителя, выход которого соединен с катушкой. Второй (инвертирующий) усилитель последовательно соединен с сумматором, второй вход которого соединен с цилиндрическим выходным электродом, а выход - с третьим входом первого усилителя. Дополнительные выходные электроды соединены электрически с входом инвертирующего усилителя. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области гравиинерциальных 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 отрицательными 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; усилитель, соединенный первым входом с выходным электродом емкостного датчика, вторым входом - с выходами генератора синусоидальных колебаний, а выходом - с катушкой.

Этот сейсмометр содержит отрицательную обратную связь, в состав которой входят емкостной датчик перемещений, усилитель и катушка, и обеспечивает более 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 предлагаемому является сейсмометр (см. патент RU №2159449, кл. G 01 V 1/16, 1999 г.). Этот сейсмометр содержит: основание с цилиндрическим диэлектрическим корпусом, внутри которого помещены две соединенные встречно и изолированные одна от другой диэлектрической прокладкой магнитные системы из последовательно соединенных цилиндрического магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника; катушку, размещенную на каркасе в зазоре магнитных систем; диэлектрический кронштейн, соединенный с основанием посредством двух упругих опор, жестко соединяющий между собой обе магнитные системы, три цилиндрических выходных электрода емкостного датчика, размещенных на внутренней поверхности корпуса; усилитель, генератор синусоидальных колебаний, соединенный двумя выходами с магнитными системами и с двумя входами первого усилителя, выход которого соединен с катушкой, 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. Инертная масса сейсмометра состоит из двух магнитных систем и кронштейна, соединяющего их. В этом сейсмометре емкостной датчик перемещений образован тремя выходными электродами, расположенными на внутренней поверхности диэлектрического цилиндрического корпуса и двумя входными возбуждающими электродами, в качестве которых используются две соединенные встречно и изолированные друг от друга магнитные системы. В сравнении с указанными выше данный сейсмометр обладает более высокими метрологическими характеристиками и меньшими габаритами.

Недостаток прототипа заключается в низком уровне отношения сигнал-шум на его выходе и соответственно в недостаточной точности измерения сейсмических воздействий, что обусловлено следующим.

Выходной сигнал емкостного датчика перемещений и сейсмометра пропорционален разности площадей перекрытия между выходными электродами датчика и поверхностями магнитных систем

где S₁, S₂ - соответственно площади перекрытия между магнитными системами и выходными электродами;

U_возб - напряжение возбуждения емкостного датчика перемещений;

ΔХ - перемещения инертной массы;

l_o - длинна начального перекрытия электродов.

При этом напряжение собственных шумов емкостного датчика перемещений обратно пропорционально общей площади перекрытия между выходными электродами и возбуждающими электродами

где γ - некоторый коэффициент шумов, определяемый экспериментально. Отношение сигнал-шум в таком сейсмометре составит

Из (3) следует, что при малых габаритах рассматриваемого сейсмометра площади перекрытия электродов емкостного датчика перемещений незначительны. Это приводит к малым значениям отношения полезного сигнала на выходе к шуму.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является повышение отношения сигнал-шум на выходе сейсмометра и соответственно повышение точности измерений.

Технический результат достигается тем, что в сейсмометр, содержащий основание с цилиндрическим диэлектрическим корпусом, внутри которого помещены две соединенные встречно и изолированные одна от другой диэлектрической прокладкой магнитные системы из последовательно соединенных между собой цилиндрического магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника; катушку, размещенную в зазоре магнитных систем; диэлектрический кронштейн, соединенный с основанием посредством двух упругих шарниров и жестко соединяющий между собой обе магнитные системы; цилиндрический выходной электрод, размещенный на внутренней цилиндрической поверхности корпуса; первый усилитель и генератор синусоидальных колебаний, соединенный двумя выходами с магнитными системами и двумя входами первого усилителя, выход которого соединен с катушкой; дополнительно введены два дополнительных выходных электрода, расположенные на внутренних торцевых поверхностях диэлектрического корпуса, а также последовательно соединенные между собой инвертирующий усилитель и сумматор, соединенный вторым входом с цилиндрическим выходным электродом, а выходом - с третьим входом первого усилителя; при этом дополнительные выходные электроды соединены электрически с входом инвертирующего усилителя. Такое выполнение сейсмометра обеспечивает повышение отношения сигнал-шум на его выходе за счет введения в конструкцию сейсмометра двух электродов, расположенных на торцевых поверхностях корпуса.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого сейсмометра.

Сейсмометр содержит основание 1, на котором посредством двух упругих шарниров 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, образующие инертную массу сейсмометра, 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 внутренней цилиндрической поверхности которого размещен выходной электрод 12. Генератор синусоидальных колебаний 13 подключен ко входам усилителя 14 и магнитопроводам 5 магнитных систем 4. Два дополнительных выходных электрода 15 расположены на внутренних торцевых поверхностях диэлектрического корпуса 11 и образуют с торцевыми поверхностями магнитных систем 4 конденсаторы, являющиеся емкостным датчиком перемещений, емкость которых зависит от величины воздушного зазора между торцами магнитных систем 4 и дополнительными выходными электродами 15. Дополнительные выходные электроды 15 соединены со входом инвертирующего усилителя 16, выход которого соединен со входом сумматора 17, второй вход которого соединен с выходным цилиндрическим электродом 12. Выход сумматора соединен с третьим входом первого усилителя 14, выход которого подключен к катушке 10.

Две магнитные системы 4 являются входными, а электрод 12, расположенный на внутренней цилиндрической поверхности корпуса, и два электрода 15 на торцах корпуса - выходными электродами емкостного датчика перемещений инертной массы сейсмометра, образованной двумя магнитными системами 4.

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 приводят к изменению площади перекрытия между электродами возбуждения емкостного датчика перемещений, которыми являются магнитные системы 4, и выходным электродом 12, а также к изменению зазора между дополнительными выходными электродами 15 и теми же магнитными системами 4. Соответственно на электродах 15 создаются потенциалы, пропорциональные изменению зазора (перемещению инертной массы). После согласования по фазе посредством инвертирования в усилителе 16 эти потенциалы суммируются в сумматоре 17 с потенциалом на электроде 12. В результате выходной сигнал емкостного датчика перемещений, снимаемый с выхода усилителя 14 и являющийся выходным сигналом сейсмометра, увеличивается. Значение выходного напряжения такого сейсмометра составит

где X_o - начальный зазор между дополнительными выходными электродами 15 и торцами магнитных систем 4.

Отношение сигнал-шум на выходе сейсмометра

где S₃ - площадь дополнительного выходного электрода 15.

При выполнении очевидного условия l_o>>x_o из (4) и (5) следует, что в предлагаемом сейсмометре увеличивается коэффициент преобразования емкостного датчика в l_o/x_o раз, а также увеличивается отношение сигнал-шум. Это увеличение будет равно

Таким образом, предлагаемый сейсмометр позволяет существенно увеличить отношение сигнал-шум на своем выходе по сравнению с известным техническим решением, а значит повысить точность измерений.

Например при S3;S₁ и l_o/x_o=50 это увеличение составит 10² раз.

Формула изобретения

Сейсмометр, содержащий основание с цилиндрическим диэлектрическим корпусом, внутри которого помещены две соединенные встречно и изолированные друг от друга диэлектрической прокладкой магнитные системы из последовательно соединенных между собой цилиндрических магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника; катушку, размещенную в зазоре магнитных систем; диэлектрический кронштейн, соединенный посредством двух упругих шарниров с основанием и жестко соединяющий между собой обе магнитные системы; цилиндрический выходной электрод, размещенный на внутренней цилиндрической поверхности корпуса, первый усилитель и генератор синусоидальных колебаний, соединенный двумя выходами с магнитными системами и двумя входами первого усилителя, выход которого соединен с катушкой, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два дополнительных выходных электрода, расположенные на внутренних торцевых поверхностях диэлектрического корпуса, а также последовательно соединенные между собой инвертирующий усилитель и сумматор, соединенный вторым входом с цилиндрическим выходным электродом, а выходом - с третьим входом первого усилителя; дополнительные выходные электроды соединены электрически с входом инвертирующего усилителя.

РИСУНКИРисунок 1