Результат интеллектуальной деятельности: СЕЙСМОМЕТР

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 1999 г., кл. G 01 V 1/16). 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 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 его низкой точности, обусловленной наличием токоподводов для соединения магнитных систем с выходами генератора, а также невозможностью дистанционного регулирования положения инертной массы (двух магнитных систем) относительно корпуса при изменении его положения относительно вертикали или изменения параметров сейсмометра при эксплуатации, что приводит к уменьшению динамического диапазона измерения и, как следствие, уменьшению точности.

Наличие токоподводов к инертной массе сейсмометра, образованной двумя магнитными системами, приводит к возникновению моментов сил упругости вокруг оси поворота инертной массы и понижению точности сейсмометра. Отсутствие системы дистанционного управления положением инертной массы относительно корпуса приводит к появлению на выходе сейсмометра постоянного напряжения, значение которого обуславливается изменением условий эксплуатации: отклонением корпуса сейсмометра от вертикали; изменением температуры внешней среды и температуры внутри сейсмометра; изменением внешнего давления и т.д; а также изменением параметров сейсмометра при его эксплуатации.

При этом диапазон измерения δ уменьшается согласно зависимости , (1)

где U_max - максимальное значение выходного напряжения на выходе сейсмометра;

- постоянная составляющая выходного напряжения сейсмометра при изменении условий эксплуатации.

Из (1) следует, что при , δ=100%, а при , δ=<100%.

Кроме того, при больших уровнях внешних воздействий от изменения условий эксплуатации и сейсмометр потеряет работоспособность.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в сейсмометр, содержащий основание, на котором посредством двух упругих опор и кронштейна установлены две соединенные встречно магнитные системы, состоящие из последовательно соединенных цилиндрического магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника; катушку, размещенную на каркасе в зазоре магнитных систем; первый усилитель, выход которого соединен с катушкой; два магнитных стержня, закрепленных посредством резьбы в основании соосно с продольной осью магнитных систем и помещенных коническими концами в отверстия на торцевых частях магнитных систем, введены светодиод и двухплощадочный фотодиод, расположенные на основании так, что их продольные оси симметрии параллельны оси поворота магнитных систем в упругих опорах, причем выходные электроды площадок фотодиода соединены соответственно с двумя входами первого усилителя, а светодиод подключен к источнику питания первого усилителя; плоская щелевая диафрагма, установленная между фотодиодом и светодиодом на магнитопроводах так, что ее плоскость параллельна площадкам фотодиода; мотор-редуктор, соединенный через второй редуктор с первым магнитным стержнем; последовательно соединенные интегратор, коммутатор и второй усилитель, соединенный выходом со входом мотора-редуктора, а первый вход интегратора соединен с выходом первого усилителя, а второй вход - со вторым выходом коммутатора. Такое выполнение сейсмометра позволяет исключить токоподводящие проводники к инертной массе и осуществить дистанционное управление положением инертной массы и, как следствие, повысить точность измерения.

На фигуре 1 представлена электрокинематическая схема сейсмометра. На фигуре 2 приведена кинематическая схема оптического датчика перемещений. Принятые обозначения: 1 - основание; 2 - упругие опоры; 3 - магнитные системы; 4 - цилиндрические магнитопроводы; 5 - постоянные магниты; 6 - полюсные наконечники; 7 - кронштейн; 8 - катушка; 9 - каркас; 10 - щелевая диафрагма; 11 - оптический датчик перемещений; 12 - светодиод; 13 - двухплощадочный фотодиод; 14 - первый усилитель; 15 - мотор-редуктор; 16 - второй редуктор; 17′, 17′′ - первый и второй магнитные стержни; 18 - интегратор; 19 - коммутатор; 20 - второй усилитель.

Сейсмометр содержит основание 1, на котором посредством двух упругих опор 2 закреплены соединенные встречно магнитные системы 3, включающие в себя последовательно соединенные цилиндрический магнитопровод 4, постоянный магнит 5 и полюсный наконечник 6. Две магнитные системы 3 соединены между собой кронштейном 7 и образуют в совокупности инертную массу сейсмометра. Внутри магнитных систем 3 помещена катушка 8, расположенная на каркасе 9. Оптический датчик перемещений 11, кинематическая схема которого показана на фигуре 2, содержит светодиод 12, двухплощадочный фотодиод 13 с двумя выходными электродами и щелевую диафрагму 10. Продольные оси симметрии светодиода 12 и двухплощадочного фотодиода 13 параллельны оси вращения магнитных систем 3 в упругих опорах 2. Плоская щелевая диафрагма 10 расположена перпендикулярно продольной оси симметрии светодиода 12 и фотодиода 13, а ширина щели равна ширине площадки фотодиода 13. На основании 1 установлен мотор-редуктор 15, выходной вал которого соединен с входом второго редуктора, а выходная шестерня которого соединена с первым магнитным стержнем 17′. Магнитные стержни 17′ и 17′′ закреплены посредством резьбы в основании 1 соосно с продольной осью магнитных систем и помещены коническими концами в отверстия на торцевых частях магнитных систем 3. Сейсмометр также содержит первый усилитель 14, выход которого соединен с катушкой 8; последовательно соединенные интегратор 18, коммутатор 19 и второй усилитель 20, выход которого соединен со входом мотора-редуктора 15; первый вход интегратора 18 соединен с выходом первого усилителя 14, а второй вход - со вторым выходом коммутатора 19. Выход первого усилителя 14 является выходом устройства. Мотор-редуктор 15, второй редуктор 16 и первый магнитный стержень 17′ образуют систему дистанционного управления инертной массой сейсмометра.

Сейсмометр работает следующим образом. При движении основания 1 происходит перемещение двух магнитных систем 3, образующих инертную массу, а также закрепленной на ней щелевой диафрагмы 10 относительно основания 1. При повороте инертной массы сейсмометра щелевая диафрагма 10, перемещаясь, перераспределяет световой поток светодиода 12 между площадками фотодиода 13. В результате фото-ЭДС с площадок становится неодинаковой. Первый усилитель 14 усиливает эту разность фото-ЭДС и формирует сигнал отрицательной обратной связи, подаваемый в катушку 8. В первом усилителе 14 выходной сигнал формируется пропорциональным перемещению, скорости и интегралу от измеренного оптическим датчиком 11 перемещений инертной массы относительно основания 1. Таким образом формируется требуемая амплитудно-частотная характеристика сейсмометра.

Управление мотором-редуктором 15 и, следовательно, глубиной погружения первого магнитного стержня 17′ в магнитную систему 3 осуществляется посредством интегратора 18, коммутатора 19 и второго усилителя 20, выходной сигнал которого поступает на вход мотора-редуктора 15. При погружении первого магнитного стержня 17′ в магнитную систему 3 происходит перемещение инертной массы относительно основания 1. Второй магнитный стержень 17′′ позволяет при своем перемещении выставлять в начальное положение инертную массу относительно основания 1. Управление коммутатором 19 и, как следствие, положением инертной массы относительно основания 1 осуществляется либо по команде оператора, либо автоматически, например, от ПЭВМ, при достижении выходным сигналом сейсмометра уровня

Интегратор 18 служит для повышения точности системы дистанционного управления инертной массой. При подаче сигнала управления коммутатором 19 осуществляется первоначальное обнуление (сброс) выходного сигнала интегратора 18, а затем подключение входа второго усилителя 20 к выходу интегратора 18, а его входа к выходу первого усилителя 14. В результате по выходному сигналу второго усилителя 20 мотор-редуктор 15 переместит первый стержень 17′ и инертную массу сейсмометра в положение, при котором будет выполняться условие

Таким образом, постоянная составляющая выходного сигнала не превышает 1% от максимального. В результате чего диапазон измерения сейсмических воздействий составит не менее 99% от его максимального воздействия. Расширение диапазона измерения позволит обеспечить повышение точности определения параметров сейсмических воздействий.