Сейсмометр
SEISMIC SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области гравиинерциальных измерений, а именно к сейсмометрии.
Известен сейсмометр [1] (патент RU № 2473929, кл. G01V 1/16, 2013 г.), содержащий: основание, два упругих элемента, кронштейн, две магнитные системы, многосекционную катушку, расположенную между магнитопроводами и полюсными наконечниками магнитных систем, генератор синусоидальных колебаний, усилитель. Сейсмометр также содержит емкостной датчик с возбуждающими электродами, первым выходным электродом и вторым выходным электродом, два магнитомягких стержня, а также две диэлектрических прокладки. Сейсмометр также содержит трансформатор и две диэлектрические прокладки.
Этот сейсмометр не обеспечивает требуемую точность измерения сейсмических воздействий из-за низкого соотношения сигнал/шум.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является сейсмометр [2] (патент RU № 2477501, кл. G01V 1/16, 2013 г.). Этот сейсмометр содержит: 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, 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.
В сравнении с указанным выше данный сейсмометр обладает более высокими метрологическими характеристиками, однако имеет недостаточный уровень отношения сигнал-шум из-за малых площадей перекрытия емкостного датчика перемещений и, соответственно, недостаточную точность измерения сейсмических воздействий.
При напряжении собственных шумов сейсмометра, определяемом уровнем собственных шумов первого усилительного каскада, соотношение сигнал / шум улучшается с увеличением напряжения возбуждения и числа групп электродов емкостного датчика перемещений. При увеличении количества электродов соединение вместе четных электродов всех групп и соединение нечетных электродов увеличивает коэффициент передачи емкостного датчика за счет увеличения площадей перекрытия емкостного датчика перемещений.
Недостатком прототипа является малая чувствительность сейсмометра при измерении сейсмических воздействий.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является повышение чувствительности сейсмометра при измерении сейсмических воздействий.
Технический результат достигается тем, что сейсмометр, содержащий основание, два упругих элемента, кронштейны, диэлектрические прокладки, постоянные магниты и полюсные наконечники, многосекционную катушку, генератор синусоидальных колебаний, дифференциальный усилитель-демодулятор, подключенный к выходному контакту и соединенный дополнительным выходом со входом многосекционной катушки, связанной со входом калибровки, соединенные вместе четные возбуждающие электроды емкостного датчика и соединенные вместе нечетные возбуждающие электроды емкостного датчика, а также соединенные вместе четные выходные электроды емкостного датчика и соединенные вместе нечетные выходные электроды емкостного датчика, подключенные, соответственно, к четному дифференциальному входу усилителя-демодулятора и нечетному дифференциальному входу усилителя-демодулятора, трансформатор, причем усилитель-демодулятор выполнен с дополнительными входами, подключенными к генератору синусоидальных колебаний, трансформатор подключен входами к генератору синусоидальных колебаний, а выходами подключен к четным и нечетным возбуждающим электродам емкостного датчика, дополнительно содержит n+1 полюсных наконечников с параллельными друг другу рабочими поверхностями, закрепленных на основании и соединенных с 4n постоянными магнитами, размещенными между полюсными наконечниками по 4 магнита по периметру n+1 полюсных наконечников, n секций многосекционной катушки, размещенных в зазорах между рабочими поверхностями n+1 полюсных наконечников и соединенных с основанием посредством кронштейнов и двух упругих элементов, причем каждый полюсный наконечник выполнен из двух частей, разделенных изолирующей прокладкой из антимагнитного материала, каждая секция многосекционной катушки выполнена в виде многослойной печатной платы (МПП) с четными и нечетными возбуждающими электродами емкостного датчика на наружных слоях МПП и печатными катушками индуктивности на внутренних слоях МПП, причем параллельно рабочим поверхностям полюсных наконечников с помощью регулировочных винтов установлены рамки из немагнитного материала с диэлектрическими прокладками и четными и нечетными выходными электродами емкостного датчика на поверхностях диэлектрических прокладок, противоположных поверхностям секций многосекционной катушки.
Такое выполнение сейсмометра обеспечивает повышение чувствительности сейсмометра при измерении сейсмических воздействий.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого сейсмометра. Вид А показан со снятыми верхними магнитами и повернут на 90°, для упрощения не показаны пружина, арретир, рамки, экраны, крышки, изолирующие прокладки на многослойных печатных платах и элементы крепления плат, элементы крепления и установки сборки, отсутствует штриховка печатных плат, полюсных наконечников и диэлектрических прокладок.
На фиг. 2 представлены внутренние и наружные слои многослойной печатной платы и рабочие поверхности полюсных наконечников.
На фиг. 3 представлена схема соединений.
Принятые обозначения:
1 – основание; 2 – упругие элементы; 3 – кронштейны; 4 – диэлектрические прокладки; 5 – постоянные магниты; 6 – полюсные наконечники; 7 – многосекционная катушка (МПП); 8 – генератор синусоидальных колебаний; 9 – дифференциальный усилитель-демодулятор; 10 – выходной контакт; 11 – вход калибровки; 12 – четные возбуждающие электроды емкостного датчика; 13 – нечетные возбуждающие электроды емкостного датчика; 14 – четные выходные электроды емкостного датчика; 15 – нечетные выходные электроды емкостного датчика; 16 – четный дифференциальный вход усилителя-демодулятора; 17 – нечетный дифференциальный вход усилителя-демодулятора; 18 – трансформатор; 19 – дополнительные входы усилителя-демодулятора; 20 – изолирующие прокладки; 21 – наружные слои МПП; 22 – внутренние слои МПП; 23 – регулировочные винты; 24 – рамки из немагнитного материала.
Сейсмометр содержит основание 1, два упругих элемента 2, кронштейны 3, диэлектрические прокладки 4, постоянные магниты 5 и полюсные наконечники 6, многосекционную катушку 7, генератор синусоидальных колебаний 8, дифференциальный усилитель-демодулятор 9, подключенный к выходному контакту 10 и соединенный дополнительным выходом со входом многосекционной катушки 7, связанной со входом калибровки 11, соединенные вместе четные возбуждающие электроды 12 емкостного датчика и соединенные вместе нечетные возбуждающие электроды 13 емкостного датчика, а также соединенные вместе четные выходные электроды 14 емкостного датчика и соединенные вместе нечетные выходные электроды 15 емкостного датчика, подключенные, соответственно, к четному дифференциальному входу 16 усилителя-демодулятора и нечетному дифференциальному входу 17 усилителя-демодулятора 9, трансформатор 18, причем усилитель-демодулятор 9 выполнен с дополнительными входами 19, подключенными к генератору 8 синусоидальных колебаний, трансформатор 18 подключен входами к генератору 8 синусоидальных колебаний, а выходами подключен к четным и нечетным возбуждающим электродам 12, 13 емкостного датчика, дополнительно содержит n+1 полюсных наконечников 6 с параллельными друг другу рабочими поверхностями, закрепленных на основании 1 и соединенных с 4n постоянными магнитами 5, размещенными между полюсными наконечниками 6 по 4 магнита по периметру n+1 полюсных наконечников 6, n секций многосекционной катушки 7, размещенных в зазорах между рабочими поверхностями n+1 полюсных наконечников 6 и соединенных с основанием 1 посредством кронштейнов 3 и двух упругих элементов 2, причем каждый полюсный наконечник 6 выполнен из двух частей, разделенных изолирующей прокладкой 20 из антимагнитного материала, каждая секция многосекционной катушки 7 выполнена в виде многослойной печатной платы (МПП) с четными и нечетными возбуждающими электродами 12, 13 емкостного датчика на наружных слоях 21 МПП и печатными катушками индуктивности на внутренних слоях 22 МПП, причем параллельно рабочим поверхностям полюсных наконечников 6 с помощью регулировочных винтов 23 установлены рамки 24 из немагнитного материала с диэлектрическими прокладками 4 и четными и нечетными выходными электродами 14, 15 емкостного датчика на поверхностях диэлектрических прокладок 4, противоположных поверхностям секций многосекционной катушки 7.
Сейсмометр работает следующим образом.
При появлении сейсмических воздействий происходит перемещение относительно основания 1 инертной массы сейсмометра, выполненной в виде многосекционной катушки 7, связанной с основанием 1 посредством кронштейнов 3 и двух упругих элементов 2. Секции многосекционной катушки 7 размещены в зазорах между полюсными наконечниками 6 магнитов 5. На поверхностях полюсных наконечников 6, выполненных в виде двух частей, разделенных изолирующей прокладкой 20, размещены рамки 24 из немагнитного материала с диэлектрическими прокладками 4 и четными и нечетными выходными электродами 14, 15 емкостного датчика на поверхностях диэлектрических прокладок 4, противоположных поверхностям секций многосекционной катушки 7. Четные и нечетные выходные электроды 14, 15 емкостного датчика, изолированы от полюсных наконечников 6 диэлектрическими прокладками 4 и подключены, соответственно, к четному и нечетному входам 16, 17 дифференциального усилителя-демодулятора 9. На секциях многосекционной катушки 7, выполненных в виде многослойных печатных плат (МПП), на поверхностях наружных слоев 21 МПП, размещены четные и нечетные возбуждающие электроды 12, 13 емкостного датчика, изолированные от внутренних слоев 22 МПП, выполненных в виде печатных катушек индуктивности, и подключенные через трансформатор 18 к генератору 8. При перемещениях секций многосекционной катушки 7 и возбуждающих электродов 12, 13 емкостного датчика, нарушается равенство напряжений, наведенных на четных и нечетных выходных электродах 14, 15 емкостного датчика, размещенных между четными и нечетными возбуждающими электродами 12, 13 емкостного датчика. Сигналы с четных и нечетных выходных электродов 14, 15 емкостного датчика поступают, соответственно, на четный и нечетный входы 16, 17 дифференциального усилителя-демодулятора 9, усиливаются, выпрямляются с помощью опорных сигналов генератора 8, поступающих на дополнительные входы 19 усилителя-демодулятора 9, и поступают на выходной контакт 10, причем используются также для контроля арретирования и центровки инертной массы сейсмометра.
Наличие n секций многосекционной катушки с соединенными вместе четными и соединенными вместе нечетными возбуждающими электродами 12, 13 емкостного датчика, соединенных вместе четных и соединенных вместе нечетных выходных электродов 14, 15 емкостного датчика, позволяет увеличить коэффициент передачи емкостного датчика. Наличие трансформатора 18 позволяет увеличить напряжение питания возбуждающих электродов 12, 13 и увеличить амплитуду полезного сигнала, что приводит к увеличению соотношения сигнал/шум. В усилителе-демодуляторе 9 этот сигнал формируется с помощью корректирующих цепей, усиливается и поступает в секции многосекционной катушки 7. Таким образом осуществляется отрицательная обратная связь в сейсмометре. Контроль работоспособности сейсмометра осуществляется подачей калибровочного сигнала со входа 11 калибровки на многосекционную катушку 7. Для компенсации неточностей изготовления и сборки предусмотрено перемещение рамок 24 с диэлектрическими прокладками 4 и выходными электродами 14, 15 относительно многослойных печатных плат с возбуждающими электродами 12, 13 емкостного датчика с помощью регулировочных винтов 23.
Особенностью сейсмометра является возможность увеличения или уменьшения чувствительности путем изменения количества многослойных печатных плат и (или) полюсных наконечников.
Таким образом, достигается заявленный результат и предлагаемый сейсмометр обеспечивает повышение чувствительности сейсмометра при измерении сейсмических воздействий.
Источники информации:
1. Сейсмометр (патент РФ № 2473929, G01V 1/16, 27.01.2013)
2. Сейсмометр (патент РФ № 2477501, G01V 1/16, 10.03.2013)