RU2176404C1

RU2176404C1 - Seismometer-clinometer-deformation meter

Info

Publication number: RU2176404C1
Application number: RU2000113180/28A
Authority: RU
Inventors: А.И. Белоносов; ков В.А. Чист; В.А. Чистяков
Original assignee: ООО "Мировые технологии"
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2001-11-27

Abstract

FIELD: measurement technology, gravitational measurements, seismometry. SUBSTANCE: given seismometer-clinometer-deformation meter has inert mass comprised of two symmetric magnetic systems insulated one from another by dielectric spacer. Each magnetic system includes magnetic circuit, permanent magnet and pole piece. Inert mass is anchored in cylindrical case made of dielectric material with the aid of bracket and two springy joints. Two rods of magnetically soft alloy are fixed in dielectric case uniaxially with longitudinal axis of magnetic systems and are located in holes in butt parts of magnetic systems inside which three-section coil put on form anchored in dielectric cylindrical case and placed in feedback circuit of operational amplifier is mounted. Output electrodes of displacement transducer are positioned on internal surface of dielectric cylindrical case in symmetry with vertical axis of magnetic systems and are separated by dielectric material. Magnetic circuits of two magnetic systems which present two initiating electrodes of capacitive displacement transducer are connected to opposition outputs of generator of sinusoidal oscillations. In this case output electrodes of capacitive displacement transducer are connected to inputs of computation unit whose output is output of deformation meter and of adder whose output is output of clinometer and is linked to input of operational amplifier whose output is output of seismometer. EFFECT: widened application field of device thanks to expansion of its functional capabilities. 1 cl, 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, Трифонов Н.В. "Сейсмическая станция ССМ", Техническое описание, М., ИФЗ РАН, 80), содержащий основание, на котором на двух упругих элементах 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, закрепленную одним концом на основании, а другим на инертной массе, емкостной датчик перемещений, выходной электрод которого соединен с инертной массой, а два электрода возбуждения - с основанием, генератор синусоидальных 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 fixed at one end to the base and the other to an inert mass, capacitive displacement sensor, output elec the kind of which is connected to an inertial mass, and two excitation electrodes to the base, a sinusoidal oscillation generator, two outputs of which are connected to the excitation electrodes of the capacitive sensor, and also an amplifier connected by the first input to the output electrode of the capacitive sensor, and the second input to the outputs of the sinusoidal oscillator , 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.

Известен сейсмометр (см., например, патент США N 4412317, кл. 367-185, 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. A known seismometer (see, for example, US patent N 4412317, CL 367-185, 1984), containing a base, two magnetic systems consisting of a series-connected cylindrical magnetic core, a permanent magnet and a pole tip, two coils located between the magnetic cores and pole tips of magnetic systems, as well as an amplifier connected by the output to the input of the coil.

Этот сейсмометр принят за прототип. This seismometer is taken as a prototype.

В известном сейсмометре, 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 the known seismometer, a node of magnetic systems performs the function of an inert mass, which reduces its size. 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.

Предложенное изобретение решает задачу повышения метрологических характеристик сейсмометра и расширения его функциональных возможностей без усложнения устройства. The proposed invention solves the problem of increasing the metrological characteristics of the seismometer and expanding its functionality without complicating the device.

Для решения указанной задачи сейсмометр, содержащий инертную массу, закрепленную в корпусе с помощью кронштейна и двух упругих шарниров и состоящую из двух симметричных изолированных друг от друга диэлектрической прокладкой магнитных систем, каждая из которых содержит магнитопровод, постоянный магнит и полюсный наконечник, два магнитомягких стержня, закрепленных в диэлектрическом корпусе соосно с продольной осью магнитных систем и размещенных в отверстиях на торцевых частях магнитных систем, внутри которых установлена катушка, размещенная на каркасе, закрепленном в диэлектрическом цилиндрическом корпусе, дополнительно содержит операционный усилитель, блок вычитания, сумматор и емкостной датчик перемещений, двумя возбуждающими электродами которого являются магнитопроводы двух магнитных систем, подключенные к генератору синусоидальных колебаний, а выходные электроды расположены на внутренней поверхности диэлектрического цилиндрического корпуса, разделены между собой диэлектриком и подключены к входам блока вычитания, выход которого является выходом деформометра, и входам сумматора, выход которого является выходом наклономера и подключен к входу операционного усилителя, причем катушка выполнена трехсекционной и включена в цепь обратной связи операционного усилителя, выход которого является выходом сейсмометра, причем соотношение между шириной диэлектрической прокладки и толщиной диэлектрика равно δ₁ = (2-3)δ₂.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого сейсмометра-наклономера-деформометра.To solve this problem, a seismometer containing an inert mass fixed in the housing using a bracket and two elastic hinges and consisting of two symmetric magnetic systems insulated from each other by a dielectric spacer, each of which contains a magnetic circuit, a permanent magnet and a pole tip, two soft magnetic rods, fixed in the dielectric casing coaxially with the longitudinal axis of the magnetic systems and placed in the holes on the end parts of the magnetic systems inside which the coil is installed, mounted on a frame fixed in a dielectric cylindrical housing, additionally contains an operational amplifier, a subtraction unit, an adder and a capacitive displacement sensor, the two exciting electrodes of which are the magnetic circuits of two magnetic systems connected to a sinusoidal oscillation generator, and the output electrodes are located on the inner surface of the dielectric cylindrical housing are separated by a dielectric and connected to the inputs of the subtraction unit, the output of which is the output of the deform Etra and inputs of an adder whose output is an output tiltmeter and connected to the input of the operational amplifier, wherein the coil is formed three-section and included in the feedback circuit of the operational amplifier, whose output is the output seismometer, wherein the ratio between the width of dielectric spacers and dielectric thickness is equal to δ ₁ = (2-3) δ ₂ .
The drawing shows a functional diagram of the proposed seismometer-tiltmeter-strainmeter.

Сейсмометр-наклономер-деформометр содержит инертную массу 1, состоящую из двух симметричных магнитных систем 2, включающих в себя последовательно соединенные магнитопровод 3, постоянный магнит 4 и полюсный наконечник 5. Магнитные системы 2 изолированы друг от друга диэлектрической прокладкой 6, ширина которой δ₁. Магнитопроводы 3 магнитных систем образуют электроды возбуждения емкостного датчика перемещения инертной массы относительно корпуса 7. Выходные электроды емкостного датчика перемещения инертной массы выполнены в виде двух цилиндров 8, закрепленных на корпусе 7 и разделенные диэлектриком 9, толщина которого - δ₂. Соотношение между шириной диэлектрической прокладки 6 - δ₁ и толщиной диэлектрика 9 - δ₂ равно
δ₁ = (2-3)δ₂.
Инертная масса 1 посредством кронштейна 10 и двух упругих шарниров 11 соединена с корпусом 7. Для регулирования периода собственных колебаний инертной массы используются два стержня 12 из магнитомягкого сплава. Стержни 12, соединенные с корпусом 7 посредством резьбового соединения, могут перемещаться внутри магнитных систем 2.The seismometer-tiltmeter-strainmeter contains an inertial mass 1 consisting of two symmetric magnetic systems 2, including a series-connected magnetic circuit 3, a permanent magnet 4 and a pole piece 5. Magnetic systems 2 are isolated from each other by a dielectric strip 6, the width of which is δ ₁ . The magnetic circuits 3 of the magnetic systems form the excitation electrodes of the capacitive inertial mass displacement sensor relative to the housing 7. The output electrodes of the capacitive inert mass displacement sensor are made in the form of two cylinders 8, mounted on the housing 7 and separated by a dielectric 9, the thickness of which is δ ₂ . The ratio between the width of the dielectric strip 6 - δ ₁ and the thickness of the dielectric 9 - δ ₂ is
δ ₁ = (2-3) δ ₂ .
The inert mass 1 through the bracket 10 and two elastic hinges 11 is connected to the housing 7. To control the period of natural vibrations of the inert mass, two rods 12 of soft magnetic alloy are used. The rods 12 connected to the housing 7 by means of a threaded connection can be moved inside the magnetic systems 2.

Во внутренней части магнитной системы расположена трехсекционная катушка 13, в которой создается усилие для перемещения инертной массы 1. In the inner part of the magnetic system there is a three-section coil 13, in which a force is created to move the inert mass 1.

Для возбуждения емкостного датчика используется генератор синусоидальных колебаний 14, напряжение с которого в противофазе подается на магнитные системы 2, выполняющие функции обкладок возбуждения емкостного датчика перемещения. Выходной сигнал емкостного датчика перемещения снимается с выходных электродов 8 и поступает на входы сумматора 15, выход которого является выходом наклономера, и блока вычитания 16, выход которого является выходом деформометра. Выход сумматора 15 подключен к входу операционного усилителя 17, выход которого является выходом сейсмометра. Усиленный операционным усилителем 17 сигнал с выхода сумматора 15 через дифференцирующий конденсатор 18 поступает на вход первой секции катушки 13, вход второй секции которой соединен с выходом сумматора 15 непосредственно. Третья секция катушки 13 используется для калибровки сейсмометра (на чертеже не показана). To excite the capacitive sensor, a sinusoidal oscillation generator 14 is used, the voltage from which is supplied in antiphase to the magnetic systems 2, which perform the functions of the excitation plates of the capacitive displacement sensor. The output signal of the capacitive displacement sensor is removed from the output electrodes 8 and fed to the inputs of the adder 15, the output of which is the output of the tiltmeter, and the subtraction unit 16, the output of which is the output of the strainmeter. The output of the adder 15 is connected to the input of the operational amplifier 17, the output of which is the output of the seismometer. Amplified by the operational amplifier 17, the signal from the output of the adder 15 through a differentiating capacitor 18 is fed to the input of the first section of the coil 13, the input of the second section of which is connected directly to the output of the adder 15. The third section of the coil 13 is used to calibrate the seismometer (not shown).

Корпус сейсмометра 7 выполнен из диэлектрической керамики и состоит из двух равных частей, между которыми расположен упругий диэлектрик 9. The body of the seismometer 7 is made of dielectric ceramic and consists of two equal parts, between which is located an elastic dielectric 9.

Сейсмометр работает следующим образом. A seismometer works as follows.

При колебаниях основания происходят перемещения инертной массы 1 относительно корпуса 7. Они измеряются емкостным датчиком перемещения и поступают через сумматор 15 на вход второй секции многосекционной катушки 13 непосредственно и через операционный усилитель 17 и дифференцирующий конденсатор 18 - на вход первой секции катушки 13. When the base oscillates, inert mass 1 moves relative to the housing 7. They are measured by a capacitive displacement sensor and fed through the adder 15 to the input of the second section of the multi-section coil 13 directly and through the operational amplifier 17 and the differentiating capacitor 18 to the input of the first section of the coil 13.

Аналогичные перемещения инертной массы 1 относительно корпуса 7 сейсмометра происходят и при наклоне корпуса 7 сейсмометра на угол α. Причем сигнал, пропорциональный углу α с выхода сумматора 15 поступает лишь на вход второй секции катушки 13. На вход первой секции катушки 13 с выхода усилителя 17 сигнал не проходит из-за наличия в цепи дифференцирующего конденсатора 18, который не пропускает сигналы низкой частоты и постоянного уровня. Similar movements of the inertial mass 1 relative to the body 7 of the seismometer occur when the body 7 of the seismometer is tilted at an angle α. Moreover, the signal proportional to the angle α from the output of the adder 15 is fed only to the input of the second section of the coil 13. At the input of the first section of the coil 13 from the output of the amplifier 17, the signal does not pass due to the presence of a differentiating capacitor 18 in the circuit, which does not transmit low-frequency and constant signals level.

Таким образом, на выходе блока суммирования 15 получаем сигнал, пропорциональный углу α наклона корпуса сейсмометра, а на выходе усилителя 17 - сигнал, пропорциональный скорости перемещения корпуса сейсмометра (режим велосиметра). Thus, at the output of summing unit 15, we obtain a signal proportional to the angle α of inclination of the seismometer body, and at the output of amplifier 17, a signal proportional to the speed of movement of the seismometer body (velosimeter mode).

Сигнал о деформациях корпуса 7 сейсмометра, который помещен на деформируемом основании, формируется вычитанием сигналов с выходных электродов 8 емкостного датчика перемещений в блоке вычитания 16. The signal about the deformations of the case 7 of the seismometer, which is placed on the deformable base, is formed by subtracting the signals from the output electrodes 8 of the capacitive displacement sensor in the subtraction unit 16.

Сейсмические возмущения и возмущения от наклонов различаются по спектральному составу. Seismic perturbations and perturbations from slopes differ in spectral composition.

Частота сейсмических движений колеблется в пределах 0,01 до 20 Гц. Геофизические наклоны представляют интерес в области частот ниже 0,0001 Гц. На этих частотах уровень сейсмических возмущений на несколько порядков ниже, чем от наклонов. Поэтому разделение сигналов, возникающих при наклонах от сейсмических возмущений, легко осуществить по их частотному спектру. The frequency of seismic movements ranges from 0.01 to 20 Hz. Geophysical slopes are of interest in the frequency region below 0.0001 Hz. At these frequencies, the level of seismic disturbances is several orders of magnitude lower than from tilts. Therefore, the separation of signals arising from tilts from seismic disturbances is easy to implement according to their frequency spectrum.

Claims

1. Сейсмометр-наклономер-деформометр, содержащий инертную массу, закрепленную в корпусе с помощью кронштейна и двух упругих шарниров и состоящую из двух симметричных изолированных друг от друга диэлектрической прокладкой магнитных систем, каждая из которых содержит магнитопровод, постоянный магнит и полюсный наконечник, два магнитомягких стержня, закрепленных в диэлектрическом корпусе соосно с продольной осью магнитных систем и размещенных в отверстиях на торцевых частях магнитных систем, внутри которых установлена катушка, размещенная на каркасе, закрепленном в диэлектрическом цилиндрическом корпусе, отличающийся тем, что дополнительно содержит операционный усилитель, блок вычитания, сумматор и емкостной датчик перемещений, двумя возбуждающими электродами которого являются магнитопроводы двух магнитных систем, подключенные к генератору синусоидальных колебаний, а выходные электроды расположены на внутренней поверхности диэлектрического цилиндрического корпуса, разделены между собой диэлектриком и подключены к входам блока вычитания, выход которого является выходом деформометра, и сумматора, выход которого является выходом наклономера и подключен к входу операционного усилителя, причем катушка выполнена трехсекционной и включена в цепь обратной связи операционного усилителя, выход которого является выходом сейсмометра. 1. Seismometer-tiltmeter-deformometer containing an inert mass fixed in the housing using a bracket and two elastic hinges and consisting of two symmetric insulated from each other by a dielectric gasket magnetic systems, each of which contains a magnetic circuit, a permanent magnet and a pole tip, two soft magnetic rod fixed in the dielectric housing coaxially with the longitudinal axis of the magnetic systems and placed in holes on the end parts of the magnetic systems inside which the coil is installed, is placed on a frame mounted in a dielectric cylindrical housing, characterized in that it further comprises an operational amplifier, a subtraction unit, an adder and a capacitive displacement sensor, the two exciting electrodes of which are the magnetic circuits of two magnetic systems connected to a sinusoidal oscillation generator, and the output electrodes are located on the inner the surface of the dielectric cylindrical body, separated by a dielectric and connected to the inputs of the subtraction unit, the output of which is I have the output of the strain meter and the adder, the output of which is the output of the tiltmeter and connected to the input of the operational amplifier, the coil being made in three sections and included in the feedback circuit of the operational amplifier, the output of which is the output of the seismometer.

2. Сейсмометр-наклономер-деформометр по п.1, отличающийся тем, что соотношение между шириной диэлектрической прокладки δ₁ и толщиной диэлектрика δ₂ равно δ₁= (2-3)δ₂.2. The seismometer-tiltmeter-strainmeter according to claim 1, characterized in that the ratio between the width of the dielectric strip δ ₁ and the thickness of the dielectric δ ₂ is equal to δ ₁ = (2-3) δ ₂ .