RU2159449C1

RU2159449C1 - Seismometer

Info

Publication number: RU2159449C1
Application number: RU99104049A
Authority: RU
Inventors: А.И. Белоносов; Я.М. Хайкинсон; В.А. Чистяков
Original assignee: ООО "Мировые технологии"
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2000-11-20

Abstract

FIELD: measurement technology; seismometry. SUBSTANCE: seismometer has two magnetic systems of series-connected cylindrical magnetic cores, permanent magnet, and pole shoe. Magnetic systems are isolated from one another by means of insulating gasket and form inertial mass. Magnetically soft conical rods are used for hanging out inertial mass in gravity field of the Earth. Magnetic systems are interconnected differentially, mounted on baseplate by means of insulating bracket and two flexible members, and placed inside cylindrical case whose inner surface carries output electrodes of capacitive displacement transducer connected to inputs of amplifier whose other inputs are connected to sine-wave oscillator outputs which are electrically connected to two magnetic systems; the latter function as two exciting electrodes of capacitive displacement transducer; amplifier outputs are connected to sections of multiple coil wound on former and placed in dielectric shroud. EFFECT: improved metrological characteristics and reduced size of seismometer. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области гравитационных измерений, а именно к сейсмометрии. The invention relates to measuring equipment, in particular to the field of gravitational measurements, namely to seismometry.

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. A known seismometer (see, for example, "Seismic Instruments", M., Nauka, 1975, issue 8, pp. 13-18), containing a base on which an inertial mass and a coil, a magnetic system including a magnetic circuit, a permanent magnet and a pole piece connected in series, the coil being placed in the working gap between the magnetic circuit and the pole piece, as well as a coil spring attached at one end to the base and the other to an inert mass.

Этот сейсмометр не обеспечивает высокие метрологические характеристики, т. к. отсутствие в нем датчика перемещений инертной массы делает невозможным создание прибора с эффективными обратными связями. This seismometer does not provide high metrological characteristics, because the lack of an inertial mass displacement sensor in it makes it impossible to create a device with effective feedbacks.

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, а также усилитель, соединенный первым входом с выходным электродом емкостного датчика, вторым входом - с выходами генератора синусоидальных колебаний, а выходом - с катушкой. A known seismometer (see, for example, Trifonov N.V. “SSM Seismic Station”, Technical Description, Moscow, Institute of Physics and Mathematics, Russian Academy of Sciences, 80), containing a base on which an inertial mass and a coil, a magnetic system including a series-connected magnetic circuit, a permanent magnet and a pole piece, the coil being placed in the working gap between the magnetic circuit and the pole piece, a coil spring attached at one end to the base and the other to an inert mass, capacitive displacement sensor, output which electrode is connected to an inertial mass, and two excitation electrodes - to the base, a sinusoidal electric oscillation generator, two outputs of which are connected to the excitation electrodes of the capacitive sensor, as well as an amplifier connected to the output electrode of the capacitive sensor by the first input, and the generator outputs from the second input sinusoidal oscillations, and the output is with a coil.

Этот сейсмометр обеспечивает достаточно высокие метрологические характеристики, но имеет значительные габариты, обусловленные тем, что инертная масса, магнитная система, емкостной датчик перемещений и пружина выполнены на отдельных конструктивных элементах. This seismometer provides a fairly high metrological characteristics, but has significant dimensions due to the fact that the inert mass, magnetic system, capacitive displacement sensor and spring are made on separate structural elements.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является сейсмометр (см. , например, патент США N 4412317, кл. 267-185, публ. 1984 г.), содержащий основание, две магнитные системы, состоящие из последовательно соединенных цилиндрических магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника, две катушки, расположенные между магнитопроводами и полюсными наконечниками магнитных систем, а также усилитель, соединенный выходом со входом катушки. The closest in technical essence to the proposed is a seismometer (see, for example, US patent N 4412317, CL 267-185, publ. 1984), containing a base, two magnetic systems consisting of a series-connected cylindrical magnetic circuit, a permanent magnet and pole tip, two coils located between the magnetic circuits and pole tips of the magnetic systems, as well as an amplifier connected by the output to the input of the coil.

В этом сейсмометре, выбранном за прототип, узел из магнитных систем выполняет функцию инертной массы, что снижает его габариты. Но отсутствие в нем датчика перемещения инертной массы не позволяет создать систему с обратной связью, что снижает метрологические характеристики сейсмометра. In this seismometer, selected for the prototype, a node of magnetic systems performs the function of an inert mass, which reduces its dimensions. But the lack of an inertial mass displacement sensor in it does not allow creating a feedback system, which reduces the metrological characteristics of the seismometer.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания сейсмометра с высокими метрологическими характеристиками при его малых габаритах. The present invention solves the problem of creating a seismometer with high metrological characteristics with its small dimensions.

Это достигается тем, что сейсмометр, содержащий 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, дополнительно содержит 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 цилиндрическом 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 друг от друга 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, а 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, а дополнительные выходы усилителя подключены к секциям многосекционной катушки. This is achieved by the fact that a seismometer containing a base, two elastic elements, two magnetic systems, consisting of series-connected cylindrical magnetic cores, a permanent magnet and a pole tip, coils located between the magnetic cores and pole tips of the magnetic systems, as well as an amplifier connected by an output to the input additionally contains a dielectric cylindrical body, a gasket and an arm, a capacitive displacement sensor with three output and two exciting electrodes, a generator p sinusoidal oscillations and two soft magnetic rods fixed in a dielectric cylindrical body coaxially with the longitudinal axis of the magnetic systems and placed with conical ends in the holes on the end parts of the magnetic systems, the output electrodes of the capacitive displacement sensor are located on the inner surface of the dielectric cylindrical body, fixed on the outer surface on the base , the magnetic systems are connected in opposite directions, insulated from each other by a dielectric gasket and by means of a dielectric of the bracket and two elastic elements are fixed on the base and placed inside a dielectric cylindrical body, inside which there is also a multi-section coil placed on a frame fixed in a dielectric cylindrical body, and the amplifier is made with additional inputs and additional outputs, and the first input of the amplifier is connected to the first output electrode of a capacitive displacement sensor, the second and third electrodes of which are located coaxially on both sides of the first output elec ode and are connected to additional inputs of the amplifier, second and third inputs are connected to the outputs of sine wave generator connected electrically to the magnetic cores of the two magnetic systems, which are two electrodes exciting a capacitive displacement sensor, and additional amplifier outputs are connected to the sections of the I.S. coil.

Такое выполнение сейсмометра обеспечивает отрицательную обратную связь, улучшающую метрологические характеристики, а магнитные системы образуют инертную массу и одновременно являются двумя электродами возбуждения емкостного датчика перемещений, так как изолированы друг от друга диэлектрической прокладкой. This embodiment of the seismometer provides negative feedback that improves metrological characteristics, and magnetic systems form an inert mass and at the same time are two excitation electrodes of a capacitive displacement sensor, since they are isolated from each other by a dielectric spacer.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого сейсмометра. The drawing shows a functional diagram of the proposed seismometer.

Сейсмометр содержит основание 1, на котором посредством двух упругих элементов 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 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 котором размещены три выходных электрода 12 емкостного датчика перемещений. Внутри магнитных систем 4 расположены два магнитомягких стержня 13. Генератор синусоидальных колебаний 14 подключен ко входам усилителя 15 и магнитопроводам 5 магнитных систем 4. Дополнительные входы усилителя 15 соединены с выходными электродами 12 емкостного датчика перемещений, а выходы - с секциями (входами) многосекционной катушки 10. The seismometer contains a base 1, on which two magnetic systems 4 are mounted by means of two elastic elements 2 and a dielectric bracket 3, including a magnetic circuit 5 connected in series, a permanent magnet 6 and a pole piece 7, the magnetic systems 4 are isolated from each other by a dielectric gasket 8. Inside a magnetic system on the frame 9 is placed a multi-sectional coil 10. Magnetic systems 4 are placed in a dielectric cylindrical housing 11, on which there are three output electrodes 12 of the capacitive sensor movements. Inside the magnetic systems 4 there are two soft magnetic rods 13. A sinusoidal oscillation generator 14 is connected to the inputs of the amplifier 15 and the magnetic circuits 5 of the magnetic systems 4. The additional inputs of the amplifier 15 are connected to the output electrodes 12 of the capacitive displacement sensor, and the outputs to the sections (inputs) of the multi-section coil 10 .

Обе магнитные системы 4 образуют инертную массу и одновременно являются двумя электродами возбуждения емкостного датчика, так как изолированы друг от друга диэлектрической прокладкой 8. С помощью магнитомягких стержней 13 инертная масса вывешивается в поле силы тяжести Земли, а глубиной их размещения в отверстиях на торцевых частях магнитных систем изменяется период собственных колебаний сейсмометра. Both magnetic systems 4 form an inertial mass and at the same time are two excitation electrodes of the capacitive sensor, since they are isolated from each other by a dielectric gasket 8. Using magnetically soft rods 13, the inert mass is hung out in the Earth's gravity field, and by the depth of their placement in the holes on the end parts of the magnetic systems changes the period of natural oscillations of the seismometer.

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 отслеживаются емкостным датчиком перемещения посредством выработки электрических сигналов переменного тока на выходных электродах 12 емкостного датчика. Наличие двух дополнительных выходных электродов емкостного датчика, расположенных соосно по обе стороны от первого выходного электрода, позволяет выставлять нулевой сигнал емкостного датчика перемещений относительно центрального положения инертной массы. В усилителе 15 этот сигнал переменного тока выпрямляется посредством опорных сигналов с выходов генератора синусоидальных колебаний 14, формируется с помощью корректирующих цепей, усиливается и поступает в виде постоянного тока в соответствующие секции многосекционной катушки 10. Таким образом осуществляется отрицательная обратная связь в сейсмометре. Формирование сигнала отрицательной обратной связи осуществляется параллельно включенными корректирующими цепями. A seismometer works as follows. When the base 1 moves, two magnetic systems 4 move, i.e. the inertial mass of the seismometer relative to the dielectric cylindrical body 11. These movements are monitored by a capacitive displacement sensor by generating electrical AC signals at the output electrodes 12 of the capacitive sensor. The presence of two additional output electrodes of the capacitive sensor, located coaxially on both sides of the first output electrode, allows you to set the zero signal of the capacitive displacement sensor relative to the central position of the inert mass. In the amplifier 15, this AC signal is rectified by reference signals from the outputs of the sinusoidal oscillation generator 14, formed by means of corrective circuits, amplified and supplied as direct current to the corresponding sections of the multi-section coil 10. Thus, negative feedback is obtained in the seismometer. The formation of a negative feedback signal is carried out in parallel with the inclusion of corrective circuits.

Рассмотрим формирование передаточной функции усилителя 15 с тремя корректирующими цепями. В этом случае катушка 10 содержит три секции. Consider the formation of the transfer function of the amplifier 15 with three corrective circuits. In this case, the coil 10 contains three sections.

В этом случае первая цепь вырабатывает сигнал, пропорциональный перемещению инертной массы, вторая - пропорциональный ее скорости, а третья формирует сигнал, пропорциональный интегралу от ее перемещения. In this case, the first circuit produces a signal proportional to the displacement of the inertial mass, the second one proportional to its velocity, and the third generates a signal proportional to the integral of its displacement.

В совокупности передаточная функция усилителя имеет вид:
W_y(p)=K_п+K_cкP+K_и/P (1)
где P = d/dt; K_п, K_cк, K_и - соответственно коэффициенты передачи по перемещению, скорости и интегралу.In total, the transfer function of the amplifier has the form:
W _y (p) = K _p + K _ck P + K _and / P (1)
where P = d / dt; K _p , K _ck , K _and - respectively, the transmission coefficients for movement, speed and integral.

Выходной сигнал может быть взят с любого выхода усилителя. The output signal can be taken from any output of the amplifier.

Для вывешивания инертной массы в поле силы тяжести Земли взамен витых проволочных пружин в предлагаемом сейсмометре используются конические стержни 13 с конусностью от 30^o до 60^o и глубиной погружения их наполовину постоянного магнита 6. Стержни 13 в совокупности с постоянными магнитами 6 создают пружину с отрицательной жесткостью K_отр.To hang inert mass in the Earth's gravity field instead of the coiled wire springs in the proposed seismometer, conical rods 13 with a taper of 30 ^° to 60 ^° and a depth of immersion of half of the permanent magnet 6 are used. The rods 13, together with the permanent magnets 6, create a spring with negative stiffness K _neg .

Суммарный коэффициент жесткости упругого подвеса характеризуется зависимостью:
K_Σ= K_упр-K_отр±K_п (2)
а собственные частоты сейсмометра

где K_упр, K_отр, K - соответственно составляющие жесткости от упругих элементов от магнитомягких стрежней 13 и электрической обратной связи по перемещению инертной массы.The total stiffness coefficient of the elastic suspension is characterized by the dependence:
K _Σ = K _control -K _neg ± K _p (2)
and the natural frequencies of the seismometer

where K _CPR , K _OTP , K - respectively, the stiffness components of the elastic elements from soft magnetic rods 13 and electrical feedback on the movement of the inert mass.

Таким образом, частоту собственных колебаний сейсмометра можно регулировать, либо перемещая стержни 13 внутри магнитов 6, либо изменением коэффициента передачи отрицательной обратной связи по перемещению. Thus, the natural frequency of the seismometer can be adjusted either by moving the rods 13 inside the magnets 6, or by changing the transmission coefficient of the negative displacement feedback.

При незначительных размерах предлагаемого сейсмометра имеется возможность регулировать период собственных колебаний сейсмометра от 2 до 0,2 с. Диапазон измерения сейсмических возмущений составляет при этом от 0,2 до 40 Гц, а коэффициент преобразования до 10⁴ В•с/м.With the small size of the proposed seismometer, it is possible to adjust the period of natural vibrations of the seismometer from 2 to 0.2 s. The measurement range of seismic disturbances is from 0.2 to 40 Hz, and the conversion coefficient is up to 10 ⁴ V • s / m.

Claims

Сейсмометр, содержащий 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, отличающийся тем, что дополнительно содержит 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, а 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, а дополнительные выходы усилителя подключены к секциям многосекционной катушки. A seismic meter containing a base, two elastic elements, two magnetic systems consisting of series-connected cylindrical magnetic cores, a permanent magnet and a pole tip, coils located between the magnetic cores and pole tips of the magnetic systems, and an amplifier connected by the output to the input of the coil, characterized in which additionally contains a dielectric cylindrical body, a gasket and an arm, a capacitive displacement sensor with three output and two exciting electrodes, a gene a sinusoidal oscillator and two soft magnetic rods fixed in a dielectric body coaxially with the longitudinal axis of the magnetic systems and placed with conical ends in the holes on the end parts of the magnetic systems, the output electrodes of the capacitive displacement sensor are located on the inner surface of the dielectric cylindrical body, fixed on the outer surface on the base, the magnetic systems are connected in opposite directions, insulated from one another by a dielectric spacer and by means of a dielectric a bracket and two elastic elements are fixed on the base and placed inside a dielectric cylindrical body, inside which there is also a multi-section coil placed on a frame fixed in a dielectric cylindrical body, and the amplifier is made with additional inputs and additional outputs, the first input of the amplifier connected to the first an electrode of a capacitive displacement sensor, the second and third electrodes of which are located coaxially on both sides of the first output electrode and soy are dined with additional inputs of the amplifier, the second and third inputs of which are connected to the outputs of the sinusoidal oscillator, electrically connected to the magnetic circuits of two magnetic systems, which are two exciting electrodes of a capacitive displacement sensor, and additional outputs of the amplifier are connected to sections of a multi-section coil.