Сейсмоприемник

(505 6 01 Ч 1 ЕНИ ПАТЕНТ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(73) Нижневолжский научно-исследовательский институт геологии и геофизики (56) 1, Авторское свидетельство СССР М 642658. кл. 6 01 ч 1/16, 1979.2. Авторское свидетельство СССР М 1516997, кл. 6 01 Ч 1(16, 1989,(54)СЕЙСМОПРИЕМНИК 57) Использование: для преобразования механических колебаний почвы в электрические, в сейсмической разведке и сейсмологии. Сейсмоприемник содержит корпус 1 с инерционной массой 4, укрепленной на колпачковой мембране 5, связанной с корпусом, Инерционная масса помещена в жидкость. объемы 6, 9 которой идентичны и ограничены колпачковыми мембранами с размещенными на их плоских частях с внешней стороны пьезоэлементами, электроды 10 - 13 которых соединены между собой. Зазоры между инерционной массой и ограничивающими объемы жидкости колпачковыми мембранами и корпусом выбраны определенным образом, 1 з.п. ф-лы,2 ил. Ы М В55 Изобретение относится к устройствам,и реобразующим механические колебанияпочвы в электрические и может быть использовано в сейсмической разведке и сейсмологии, 5Известен пьезоэлектрический сейсмоприемник, содержащий гидравлическую систему, включающую в себя поршня разныхсечений, инертную массу, связанную с малым поршнем гидравлической системы и по-.10средством упругого элемента с корпусом, иэлектромеханический преобразователь,связанный с большим поршнем. Однакоэтот сейсмоприемник не обеспечивает необходимого качества. регистрации сейсмической информации. Диапазон рабочихчастот сейсмоприемника мал и ограниченсверху, К недостаткам его можно отнеститакже сложность конструкции, большой веси габариты. . 20Наиболее близким к предлагаемомутехническому решению является сейсмоприемник, содержащий электромеханический преобразователь, гидравлическуюсистему, включающую поршни разных сече-. 25ний и инертную массу, связанную с корпусом посредством упругого элемента.Инертная масса выполнена в виде шара, аупругий элемент - в виде колпачковой мембраны, герметично связанной с инертной З 0массой в точках ее пересечения с плоскостью, проходящей через центр тяжестиинертной массы перпендикулярно рабочейоси прибора.Для этого сейсмоприемника стремле- З 5ние увеличить коэффициент преобразования (чувствительность) приводит куменьшению частоты собственных колебаний и связанной с ней верхней граничнойчастоты рабочего диапазона, И наоборот, 40стремление расширить диапазон рабочихчастот приводит к уменьшению коэффициента преобразования. У сейсмоприемникаимеется механизм демпфирования, однакоон несовершен вследствие частичного по- "5гружения инертной массы в жидкость. Так,чтобы увеличить показатель затухания хотябы до 0,5, необходимо установить зазормежду инертной массой и корпусом меньшей 0,1 мм, что практически затруднительно. А дальнейшее увеличение показателязатухания приводит к еще большему увеличению величины зазора,Целью изобретения является увеличение коэффициента преобразования и показателя затухания при расширении рабочегодиапазона частот,Поставленная цель достигается тем, чтосейсмоприемник, содержащий расположенный в корпусе электромеханическийпреобразователь в виде основной колпачковой мембраны с пьезоэлементом, снабженным электродами, инертную массу в.виде тела вращения, жестко скрепленную с упругим элементом в виде колпачковой мембраны, проходящей через центр тяжести инертной массы перпендикулярно рабочей. оси сейсмоприемника и образующей с основной колпачковой мембраной замкнутый объем, заполненный жидкостью, имеет установленную в корпусе дополнительную колпачковую мембрану с,закрепленным на ее плоской центральной части пьезоэлементом,образующую с упругим элементом дополнительный замкнутый объем, идентичный первому и также заполненный жидкостью, внутренние электроды пьезоэлементов электрически связаны между собой. а внешние - подключены посредством токоотводных спиралей к выводам сейсмоприемника, при этом величины зазоров между инертной массой, центральными частями и цилиндрическими буртиками колпачковых мембран выбирают из соотношений 0,1 ЗЗ В ЬЛТ а -(28 - г )2 где й - радиус колпачковой мембраньг;1 - толщина колпачковой мембраны с пьезоэлементом;Ь Т = Т 1 - Т 2 - диапазон рабочих температур;а - коэффициент обьемного расширения жидкости;- высота инертной массы; г - радиус площадки колпачковой мембраны защемленной инертной массой; гп - масса инертной массы;я - показатель затухания;1 О - частота собственных колебаний сейсмоприем ника;д - кинематическая .вязкость жидко- сти; рм - плотность инертной массы; рж - плотность жидкости, На фиг,1 схематично изображен предлагаемый сейсмоприемник с инертной массой цилиндрической формы, имеющей кольцевые выемки; на фиг.2 - корпуса во внешнем установочном пластмассовом корпусе, вариант выполнения.Сейсмоприемник (фиг.1) содержит расположенный в металлическом корпусе 1электромеханический преобразователь в виде основной колпачковой мембраны 2 с размещенным на ее плоской центральной части пьезоэлементом 3, инертную массу в виде тела 4 вращения, жестко скрепленную 5 с упругим элементом в виде колпачковой мембраны 5, проходящей через центр тяжести инертной массы перпендикулярно рааочей оси сейсмоприемника и образующей с основной колпачковой мембраной замкну тый объем 6, заполненный жидкостью, В корпусе 1 установлена дополнительная колпачковая мембрана 7 с пьезоэлементом.8, расположенным также на плоской центральной части мембраны 7, которая образует с 15 колпачковой мембраной 5 дополнительный замкнутый обьем 9, идентичный обьел 1 у 6 и также заполненный жидкостью. Внутренние электроды пьезоэлементов 10 и 11 электрически связаны между собой. а внешние 12 и 13 подключены посредством тонких токовыводных спиралей 14 и 15 к гермовыводам сейсмоприемника 16 и 17 и электрически соединены посредством перемычки 18, Выводы 19 сейсмоприемника выполнены из 25 антивибрационного кабеля и подключены к одному из гермовыводов и корпусу 1. Симметрично располокению упругого элемента 5 в инертной массе 4 выполнены кольцевые выемки 20, Величина зазора 21 между инер тной массой 4 и центральными частями колпачковых мембран 2 и 7 определяется соотношением (1), при этом величина бокового зазора 22 между инертной массой 4 корпусом 1 инертной массой 4 и цилинд рическими буртиками 23 колпачковых мембран 2, 5 и 7 определяется соотношением (2)., Величина кольцевых выемок 20 также определяется соотношением (1), при этом она может быть либо равна величине зазора 40 21, либо, если исходить из соображений повышения надежности, быть меньше. При этом инертная масса 4 в месте выполнения кольцевой выемки приобретает возможность упора в цилиндрический буртик 23 45 колпачковой мембраны 5, где ее жесткость по отношению к действующей силе со стороны инертной массы 4 максимальна, что повышает надежность.50Корпус 1 образует с колпачковыми мембранами 2, 5 и 7 жесткое герметичное сварное соединение 24, при этом свободные обьемы 25 над основной 2 и дополнительной 7 колпачковыми мембранами заполнены инертным газом,Корпус 1 с образованием узкого зазора 26, жестко закреплен основанием во внешнем установочном корпусе 27, выполненном из пластмассы,На фиг.2 корпус 1 выполнен издиэлект- .рического материала, и на его внутренней поверхности напылена металлическая пленка. При этом исполнении корпус 1 выполняет также функцию установочного корпуса 27, Преобразовательный блок 28 выступом 29 боковой поверхности жестко связан с внешним установочным корпусом 27, образуя механическую и электрическую связь с металлической пленкой. Между преобразовательным блоком 28 и металлической пленкой устанавливается зазор 30, служащий для механической развязки. Для дополнительной механической развязки в данном варианте выполнения сейсмоприемника, во внешнем установочном корпусе 27 выполнена цилиндрическая выемка 31, Выводы 19 подключены к гермовыводам 16 и 17 внутри заэкранированного обьема, образованного металлической пленкой, что наилучшим образом предохраняет сейсмоприемник от электрических наводок.Сейсмоприемник работает следующимобразом.При перемещении сейсмоприемникапод действием входного сигнала в силу инерционности механической системы происходит относительное перемещение инертной массы 4 и прогиб связанного с ней упругого элемента 5, которые воздействуют на жидкость гидравлической системы в объ-.емах 6 и 9. При этом сила инерции. действующая на жидкость, пропорциональна массе и ускорению перемещения инертной массы 4. В результате в обьеме 6 создается разрежение, а в обьеме 9 - сжатие и наоборот при изменении направления перемещения инертной массы 4, т,е. изменение направления действия силы инерции. Через жидкость, которую считаем практически несжимаемой, сила передается основной 2 и дополнительной 7 колпачковым мембранам с располокенными на них пьезоэлементами 3 и 8, прогибая. их, В результате на обкладках пьезоэлементов 3 и 8 появляется напряжение, характеризующее данное воз-, действиеПри этом пьезоэлементы 3 и 8 могутбыть электрически соединены последовательно или параллельно,Введение дополни 1 ельной колпачковоймембраны 7, вследствие чего инертная масса 4 полностью погрукена в вязкую жидкость, приводит к увеличению демпфирования, степень которого возрастает с уменьшением боковых зазоров 22, между инертной массой 4 и корпусом 1, либо цилиндрическими буртиками 23 колпачковых мембран 2, 5 и 7, Влияние на демпфирование остальных зазоров практически отсутствует. Введение демпфие; расширембраны с гд а - коэффициния жидкости;Ь - толщинапьезоэлементом;й - радиус оськолпачковых мембУчитывая, что остемы сейсмоприе т объемн олпацковой ме ой и дополнительн 25 0 35(5) д - величина сой и цилиндр ковых мембраД Т-диа Для данно рование завис вого зазора и Формул 1. Сейсмоп пус с укреплен ным блоком, и одну колпч ным на ее и зозлементом инертную ма рования позволило расширить плоскую часть амплитудно-частотной характеристики сейсмоприемника в область высоких частот, захватив область резонанса,Выбор величины зазоров 21 и 22 осуществляется иэ следующих соображений. Для устранения нелинейных искажений величина прогиба мембраны с пьезоэлементом при изменении температуры не должна превышать 0,1 их толщины. Отсюда исходный объем жидкости де Ч - исходный объем жидкости гидравлиеской системы при комнатной тЕмпературэн.бъем гидравлицеской симника составляет 2 В - гг ) +л (Я - Й 1 где- высота инертнои массы;8 - радиус цилиндрической инемассы;г - радиус площади колпачковойраны, защемленной инертной массойД- величина зазора между инемассой и центральными частями колвых мембран, то 2ааЗ В , Дг -,(гм-аг(2 В - г ) зора между инертнои масескими буртиками колпацпазон рабочих температур.го сейсмоприемника демпфиит только от величины боконе зависит от зазора между а изобретенияриемник, содержащий корым в нем преобразовательмеющим по крайней мере инертной массой и центральными частями колпачковых мембран,Приравнивал коэффициенты демпфирования для движения цилиндрического тела с боковой поверхностью Я в зазоре шириной д, заполненном жидкостью с динамической вязкостью р, и для движения тела массой п 1 с круговой частотой гло при показателе затухания я, получаем д Е 5 ВЧ где 1 о - частота собственных колебаний сейсмоприемника.При Р 1=й - д,в=л р,В иг/ =/ Р,е- кинематическая вязкость жидкости; Гг2 4 Рл т Е 1 о получим выражение для определения величины бокового зазора в сейсмоприемнике. При этом показатель затухания, как следует из практики, не следует брать больше величины 2 + ГЗ, соответствующий его оптимальному значеньцо,Использование корпуса о виде замкнутого, герметичного металлического кожуха механически не связанного с центральными рабочими частями колпацковых мембран, позволяет снизить уровень электрических наводок на пьезоэлементы, уменьшить влияние внешних "паразитных" механических воздействий, ветровых, акустических шумов и в результате повысить качество регистрации сейсмической информации, достичь улучшения соотношения сигнал-помеха,Воздух, находящийся в свободных объемах корпуса при изменении температуры и давления является причиной ко денсации водяных паров, цто приводит к утечкам, способствует большему "разбросу" параметров сейсмоприемника, Поэтому воздушное наполнение в сейсмоприемнике заменяется нейтральной средой, аргоном, а давление устанавливается меньше атмосферного, При этом корпус выполнен герметичным и снабжен гермовыводэми. ковую мембрану с закрепленлоской центральной части пье, снабженным электродами, и ссу виде тела вращения, жест1794252 10 д -В де й - олпач лнительной радиус основнои и допоовых мембран;толщина основной и дополнительпачковых мембран;- диапазон рабочих температур;коэффициент объемного расширедкости;ысота инертной массы; н ко Л Я жи в ртолзз в ь/Ьт а -д к - д 2 (2 й - г ) 2оставитель Е.Гембицкаехред М;Моргентал Редактор ктор О.Густи Заказ 533 ВНИИПИ Госуда Тиражвенного комитета по изобрет 113035, Москва, Ж, Раушс Подписноеиям и открытиям при ГКНТ СССя наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 ко скрепленную с упругим элементом, проходящим через центр тяжести инертной массы перпендикулярно рабочей оси сейсмоприемника и образующим с колпачковой мембраной замкнутый объем, заполненный жидкостью, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения коэффициента преобразования и показателя затухания при расширении рабочего диапазона частот, в корпусе установлена дополнительная колпачковая мембрана с закрепленным на ее плоской центральной части пьезоэлементом, образующая с упругим элементом дополнительный замкнутый объем, идентичный первому и также заполненный жидкостью, внутренние электроды пьезоэлементов электриче"ски связаны между собой, а внешние подключены посредством токовыводных спиралей к выводам сейсмоприемника, при этом величины зазоров мекду инертной массой и центральными частями колпачковых мембран Ь, а также мекду цилиндрическими буртиками колпачовых мембран и инертной массой д выбираются из соотно- шений г - радиус площади, образованной инертной массой и упругим элементом, защемленным инертной массой;р, р - плотности жидкости и ине ной массы;д- кинематическая вязкость жидкости; к - показатель затухания;1 о - частота собственных колебаний сейсмоприемника..2. Сейсмоприемник по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения технологичности, корпус выполнен из диэлектрического материала с нанесенной на его внутренней поверхности металлической пленкой, при этом преобразовательный блок связан с корпусом выступом на его . боковой поверхности.