СЕЙСМОМЕТР
SEISMOMETER

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. G01V 1/16, 1999 г.). Этот сейсмометр содержит 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, 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, 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, дополнительные выходы усилителя подключены к секциям многосекционной катушки. 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 изобретениями данный сейсмометр обладает более высокими метрологическими характеристиками и меньшими габаритами.
Недостаток прототипа заключается в отсутствии дистанционного центрирования и арретирования инертной массы сейсмометра, что при смещении инертной массы вызывает ухудшение соотношения сигнал-шум на выходе сейсмометра, а также в низком уровне отношения сигнал-шум из-за малых площадей перекрытия емкостного датчика перемещений и соответственно в недостаточной точности измерения сейсмических воздействий. Это обусловлено следующим.
Выходной сигнал емкостного датчика перемещений и сейсмометра пропорционален разности площадей перекрытия между выходными электродами датчика и поверхностями магнитных систем
,
1
2
где S, S - соответственно площади перекрытия между магнитными системами и выходными электродами;
возб
U - напряжение возбуждения емкостного датчика перемещений;
ΔХ - перемещения инертной массы;
0
l - длина начального перекрытия электродов.
При напряжении собственных шумов сейсмометра, определяемом уровнем собственных шумов первого усилительного каскада, соотношение сигнал/шум улучшается с увеличением напряжения возбуждения и числа групп из трех электродов каждая. При увеличении количества электродов соединение вместе четных электродов всех групп и соединение нечетных электродов увеличивает коэффициент передачи емкостного датчика за счет образования аналогичных конфигураций из трех электродов между группами.
Другим эффективным способом увеличения коэффициента передачи является введение торцевых электродов емкостного датчика, так как в этом случае емкость обратно пропорциональна величине зазора между электродами.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является дистанционное арретирование и центрирование инертной массы сейсмометра, увеличение площадей перекрытия емкостного датчика перемещений и, как следствие, повышение отношения сигнал-шум на выходе сейсмометра и, соответственно, повышение точности измерений сейсмических воздействий.
Технический результат достигается тем, что в сейсмометр, содержащий основание, два упругих элемента, кронштейн, две магнитные системы, состоящие из последовательно соединенных цилиндрических магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника, многосекционную катушку, расположенную между магнитопроводами и полюсными наконечниками магнитных систем, генератор синусоидальных колебаний, усилитель, соединенный выходами со входами многосекционной катушки, а первым входом и вторым входом соединенный с генератором синусоидальных колебаний, цилиндрический корпус, первую диэлектрическую прокладку, емкостной датчик с возбуждающими электродами, первым выходным электродом и вторым выходным электродом, соединенными с третьим входом и четвертым входом усилителя, два магнитомягких стержня, закрепленных в цилиндрическом корпусе соосно с продольной осью магнитных систем и помещенных коническими концами в отверстиях на торцевых частях магнитных систем, выходные электроды емкостного датчика расположены на внутренней поверхности цилиндрического корпуса, закрепленного по внешней поверхности на основании, магнитные системы соединены встречно и посредством кронштейна и двух упругих элементов закреплены на основании и размещены внутри цилиндрического корпуса, внутри которого установлена также многосекционная катушка, размещенная на каркасе, закрепленном в цилиндрическом корпусе, дополнительно содержит трансформатор, вторую диэлектрическую прокладку, размещенную между корпусом и выходными электродами емкостного датчика, соединенные вместе четные дополнительные возбуждающие электроды и соединенные вместе нечетные дополнительные возбуждающие электроды емкостного датчика, размещенные на магнитопроводах и изолированные от магнитопроводов первой диэлектрической прокладкой, соединенные вместе четные дополнительные выходные электроды и соединенные вместе нечетные дополнительные выходные электроды емкостного датчика, первый торцевой выходной электрод емкостного датчика, изолированный от корпуса первой торцевой диэлектрической прокладкой, первый торцевой возбуждающий электрод емкостного датчика, изолированный от магнитной системы второй торцевой диэлектрической прокладкой, второй торцевой возбуждающий электрод емкостного датчика, изолированный от магнитной системы третьей торцевой диэлектрической прокладкой, второй торцевой выходной электрод емкостного датчика, изолированный от корпуса четвертой торцевой диэлектрической прокладкой, втулку, связанную с полюсными наконечниками и электропривод, связанный с магнитомягкими стержнями, а усилитель выполнен дифференциальным с пятым входом и шестым входом, причем пятый вход усилителя соединен с дополнительными четными выходными электродами емкостного датчика и со вторым торцевым выходным электродом емкостного датчика, шестой вход усилителя соединен с дополнительными нечетными выходными электродами емкостного датчика и с первым торцевым выходным электродом емкостного датчика, первый и второй торцевые возбуждающие электроды емкостного датчика подключены к четным дополнительным возбуждающим электродам емкостного датчика, трансформатор подключен входами к генератору синусоидальных колебаний, а выходами подключен к четным и нечетным дополнительным возбуждающим электродам емкостного датчика.
Такое выполнение сейсмометра обеспечивает дистанционное арретирование и центрирование инертной массы сейсмометра и повышение отношения сигнал-шум на его выходе за счет введения в конструкцию сейсмометра трансформатора, второй диэлектрической прокладки, размещенной между корпусом и выходными электродами емкостного датчика, соединенных вместе четных дополнительных возбуждающих электродов и соединенных вместе нечетных дополнительных возбуждающих электродов емкостного датчика, размещенных на магнитопроводах и изолированных от магнитопроводов первой диэлектрической прокладкой, соединенных вместе четных дополнительных выходных электродов и соединенных вместе нечетных дополнительных выходных электродов емкостного датчика, первого торцевого выходного электрода емкостного датчика, изолированного от корпуса первой торцевой диэлектрической прокладкой, первого торцевого возбуждающего электрода емкостного датчика, изолированного от магнитной системы второй торцевой диэлектрической прокладкой, второго торцевого возбуждающего электрода емкостного датчика, изолированного от магнитной системы третьей торцевой диэлектрической прокладкой, второго торцевого выходного электрода емкостного датчика, изолированного от корпуса четвертой торцевой диэлектрической прокладкой, втулки, связанной с полюсными наконечниками, электропривода, связанного с магнитомягкими стержнями и выполнения усилителя дифференциальным с пятым входом и шестым входом, причем пятый вход усилителя соединен с дополнительными четными выходными электродами и со вторым торцевым выходным электродом емкостного датчика, шестой вход усилителя соединен с дополнительными нечетными выходными электродами емкостного датчика и с первым торцевым выходным электродом емкостного датчика, первый и второй торцевые возбуждающие электроды емкостного датчика подключены к четным дополнительным возбуждающим электродам емкостного датчика, трансформатор подключен входами к генератору синусоидальных колебаний, а выходами подключен к четным и нечетным дополнительным возбуждающим электродам емкостного датчика.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого сейсмометра.
Принятые обозначения:
1 - основание; 2 - упругие элементы; 3 - кронштейн; 4 - магнитные системы; 5 - магнитопровод; 6 - постоянный магнит; 7 - полюсный наконечник; 8 - многосекционная катушка; 9 - генератор синусоидальных колебаний; 10 - усилитель; 11 - первый вход усилителя; 12 - второй вход усилителя; 13 - цилиндрический корпус; 14 - первая диэлектрическая прокладка; 15 - емкостной датчик; 16 - возбуждающие электроды емкостного датчика; 17 - первый выходным электрод; 18 - второй выходной электрод; 19 - третий вход усилителя; 20 - четвертый вход усилителя; 21 - магнитомягкие стержни; 22 - каркас; 23 - трансформатор; 24 - вторая диэлектрическая прокладка; 25 - четные дополнительные возбуждающие электроды; 26 - нечетные дополнительные возбуждающие электроды; 27 - четные дополнительные выходные электроды; 28 - нечетные дополнительные выходные электроды; 29 - первый торцевой выходной электрод емкостного датчика; 30 - первая торцевая диэлектрическая прокладка; 31 - первый торцевой возбуждающий электрод емкостного датчика; 32 - вторая торцевая диэлектрическая прокладка; 33 - второй торцевой возбуждающий электрод емкостного датчика; 34 - третья торцевая диэлектрическая прокладка; 35 - второй торцевой выходной электрод емкостного датчика; 36 - четвертая торцевая диэлектрическая прокладка; 37 - втулка; 38 - электропривод; 39 - пятый вход усилителя; 40 - шестой вход усилителя.
Сейсмометр содержит основание 1, два упругих элемента 2, кронштейн 3, две магнитные системы 4, состоящие из последовательно соединенных цилиндрических магнитопровода 5, постоянного магнита 6 и полюсного наконечника 7, многосекционную катушку 8, расположенную между магнитопроводами 5 и полюсными наконечниками 7 магнитных систем 4, генератор синусоидальных колебаний 9, усилитель 10, соединенный выходами со входами многосекционной катушки 8, а первым входом 11 и вторым входом 12 соединенный с генератором синусоидальных колебаний 9, цилиндрический корпус 13, первую диэлектрическую прокладку 14, емкостной датчик 15 с возбуждающими электродами 16, первым выходным электродом 17 и вторым выходным электродом 18, соединенными с третьим входом 19 и четвертым входом 20 усилителя 10, два магнитомягких стержня 21, закрепленных в цилиндрическом корпусе 13 соосно с продольной осью магнитных систем 4 и помещенных коническими концами в отверстиях на торцевых частях магнитных систем 4, выходные электроды емкостного датчика 15 расположены на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 13, закрепленного по внешней поверхности на основании 1, магнитные системы 4 соединены встречно и посредством кронштейна 3 и двух упругих элементов 2 закреплены на основании 1 и размещены внутри цилиндрического корпуса 13, внутри которого установлена также многосекционная катушка 8, размещенная на каркасе 22, закрепленном в цилиндрическом корпусе 13, трансформатор 23, вторую диэлектрическую прокладку 24, размещенную между цилиндрическим корпусом 13 и выходными электродами емкостного датчика 15, соединенные вместе четные дополнительные возбуждающие электроды 25 и соединенные вместе нечетные дополнительные возбуждающие электроды 26 емкостного датчика 15, размещенные на магнитопроводах 5 и изолированные от магнитопроводов первой диэлектрической прокладкой 14, соединенные вместе четные дополнительные выходные электроды 27 и соединенные вместе нечетные дополнительные выходные электроды 28 емкостного датчика 15, первый торцевой выходной электрод 29 емкостного датчика 15, изолированный от корпуса первой торцевой диэлектрической прокладкой 30, первый торцевой возбуждающий электрод 31 емкостного датчика 15, изолированный от магнитной системы второй торцевой диэлектрической прокладкой 32, второй торцевой возбуждающий электрод 33 емкостного датчика 15, изолированный от магнитной системы третьей торцевой диэлектрической прокладкой 34, второй торцевой выходной электрод 35 емкостного датчика 15, изолированный от корпуса четвертой торцевой диэлектрической прокладкой 36, втулку 37, связанную с полюсными наконечниками 7, и электропривод 38, связанный с магнитомягкими стержнями 21, а усилитель 10 выполнен дифференциальным с пятым входом 39 и шестым входом 40, причем пятый вход усилителя 10 соединен с дополнительными четными выходными электродами 27 емкостного датчика 15 и со вторым торцевым выходным электродом 35 емкостного датчика, шестой вход усилителя соединен с дополнительными нечетными выходными электродами 28 емкостного датчика 15 и с первым торцевым выходным электродом 29 емкостного датчика, первый и второй торцевые возбуждающие электроды 31, 33 емкостного датчика 15 подключены к четным дополнительным возбуждающим электродам 25 емкостного датчика 15, трансформатор 23 подключен входами к генератору синусоидальных колебаний 9, а выходами подключен к четным и нечетным дополнительным возбуждающим электродам 25, 26 емкостного датчика 15, шестой вход усилителя 10 соединен с дополнительными нечетными выходными электродами 28 емкостного датчика 15, трансформатор 23 подключен входами к генератору синусоидальных колебаний 9, а выходами подключен к четным и нечетным дополнительным возбуждающим электродам 25, 26 емкостного датчика 15.
Сейсмометр работает следующим образом.
При движении основания 1 происходит перемещение двух магнитных систем 4, т.е. инертной массы сейсмометра, относительно цилиндрического корпуса 13. Эти перемещения отслеживаются емкостным датчиком 15 посредством выработки электрических сигналов переменного тока на выходных электродах емкостного датчика 15. Наличие соединенных вместе четных и соединенных вместе нечетных дополнительных выходных 27, 28 и возбуждающих электродов 25, 26, а также первого и второго торцевых выходных 29, 35 и возбуждающих электродов 31, 33 емкостного датчика 15 позволяет увеличить коэффициент передачи емкостного датчика. Наличие трансформатора 23 позволяет увеличить напряжение питания возбуждающих электродов 25, 26 и увеличить амплитуду полезного сигнала, что приводит к увеличению соотношения сигнал/шум. В усилителе 10 этот сигнал переменного тока выпрямляется посредством опорных сигналов с выходов генератора синусоидальных колебаний 9, формируется с помощью корректирующих цепей, усиливается и поступает в соответствующие секции многосекционной катушки 8. Таким образом осуществляется отрицательная обратная связь в сейсмометре. Формирование сигнала отрицательной обратной связи осуществляется параллельно включенными корректирующими цепями. Электропривод 38 перемещает магнитомягкие стержни 21 относительно корпуса 13 и обеспечивает дистанционное центрирование, а также арретирование инертной массы сейсмометра с помощью втулки 37.