CS259151B1

CS259151B1 - Seismometer

Info

Publication number: CS259151B1
Application number: CS861306A
Authority: CS
Inventors: Goce Chadzitaskos; Stanislav Dado; Pavel Vrana; Miroslav Kubicek
Original assignee: Goce Chadzitaskos; Stanislav Dado; Pavel Vrana; Miroslav Kubicek
Priority date: 1986-02-26
Filing date: 1986-02-26
Publication date: 1988-10-14
Also published as: CS130686A1

Abstract

Je řešen eeismometr umožňující posunout hranici dosažitelné citlivosti k nižším hodnotám zrychlení. Seismometr obssůiuge tři samostatné uzavřené smyčky, tvořené elektrodovými systémy navzájem kolmými, ve kterých je setrvačná hmota ve tvaru kuličky uložena v elektrostatickém poli s cílem dosažení vyšší citlivosti než u stávajících seismografů. Elektrodové systémy mají vždy dva páry snímacích elektrod a jeden pár řídících elektrod. Snímací elektrody ^sou v každém systému přes transformátorovy můstek a pásmovou propust spojeny se synchronním detektorem. Transformátorový můstek a synchronní detektor jsou spopeny s generátorem harmonického napětí. Výstup detektoru je přes zesilovač spojen v elektrodovém systému pro měření ve směru x a y přímo a v elektrodovém systému pro měření ve směru z přes rozmítaný zdroj stejnosměrného předpětí s řídicími elektrodami. Seismometr lze využít v systémech zkoumajících mechanické kmity v zemské kůře.The eeismometer is designed to move sensitivity to lower values acceleration. Seismometer obssůiuge three separate closed loops, formed by electrode systems mutually perpendicular in which is a ball-shaped inertia stored in an electrostatic field to achieve higher sensitivity than existing ones seismographs. Electrode systems always have two pairs of pickup electrodes and one pair control electrodes. The sensing electrodes are in each system via a transformer bridge and bandpass coupled to synchronous detector. Transformer bridge a the synchronous detector is coupled to the generator voltage. Detector output is connected via an amplifier in the electrode a system for measuring in the x and y directions directly and in the electrode system for measuring in the direction z through a biased DC bias source with control electrodes. Seismometer can be used in mechanical investigating systems oscillations in the earth's crust.

Description

Vynález se týká seismometrů,zejména pro systémy zkoumající mechanické kmity v zemské kůře. , U existujících seismometrů jsou setrvačná hmota, vůči které se vztahují měřené kmity, případně jednotlivé setrvačné hmoty , vůči kterým se vztahují složky kmitů v jednotlivých osách, uloženy mechanicky. Nevýhodou těchto přístrojů je, že mechanicky uložená setrvačná hmota je při kmitání více nebo méně strhávána, čímž je omezena citlivost, a že snímač, snímající pohyb ve směru jedné osy, je více či méně ovlivňován pohybem ve směru druhé osy, čímž se rozumí osy kartézského souřadného systému.The invention relates to seismometers, in particular for systems investigating mechanical oscillations in the Earth's crust. In existing seismometers, the inertia mass to which the measured oscillations relate, or the individual inertia masses to which the oscillation components in the individual axes refer, are mechanically mounted. The disadvantage of these devices is that the mechanically stored inertia mass is more or less entrained during oscillation, thereby limiting sensitivity, and that the sensor sensing movement in one axis direction is more or less influenced by movement in the direction of the other axis, meaning the Cartesian axis coordinate system.

Výěe uvedené nedostatky odstraňuje seismo.metr podle vynálezu. Jeho podstatou je, že jeho setrvačná hmota je vytvořena ve tvaru kuličky z elektricky vodivého materiálu, která je uložena uprostřed tří, navzájem kolmýčh, elektrodových systémů. Každý z těchto elektrodových systémů je tvořen dvěma páry snímacích elektrod, které jsou umístěny symetricky vzhledem k ose kuličky a jedním párem řídících elektrod, uložených též symetricky k ose kuličky. Snímací elektrody každého z elektrodových systémů jsou připojeny vždy na čtyři vstupy jednoho transformátorového můstku,a to tak, že protilehlé snímací elektrody jsou zapojeny do protilehlých větví transformátorového můstku. Výstup každého ze tří transformátorových můstků je vždy přesjjednu pásmovou propust spojen se synchronním detektorem. Druhý vstup synchronního detektox*u a rovněž i pátý vstup transformátorového můstku je v každém elektrodovém systému připojen na výstup generátoru harmonického napětí. Výstup synchronního detektoru smyčky elektrodového systému pro měření ve směru x a rovněž i synchronního detektoru pro měření ve směru y jsou při259151 pojeny vždy na vstup jednoho zesilovače, jehož dva výstupy jsou připojeny k řídicím elektrodám daného elektrodového systému. Výstup synchronního detektoru elektrodového systému pro měření ve směru z je připojen též na vstup zesilovače, který je však k řídícím elektrodám připojen přes rozmítaný zdroj.The above-mentioned drawbacks are overcome by the seismometer according to the invention. Its essence is that its inertial mass is formed in the form of a ball of electrically conductive material, which is located in the middle of three perpendicular electrode systems. Each of these electrode systems consists of two pairs of sensing electrodes, which are arranged symmetrically with respect to the ball axis and one pair of control electrodes, also disposed symmetrically with the ball axis. The sensing electrodes of each of the electrode systems are each connected to the four inputs of one transformer bridge, such that the opposing sensing electrodes are connected to opposite branches of the transformer bridge. The output of each of the three transformer bridges is always coupled to a synchronous detector via one bandpass filter. The second input of the synchronous detector * as well as the fifth transformer bridge input are connected to the output of the harmonic voltage generator in each electrode system. The output of the synchronous loop detector of the electrode system for measuring in the x direction as well as of the synchronous detector for measuring in the direction of y are always connected to the input of one amplifier whose two outputs are connected to the control electrodes of the given electrode system. The output of the synchronous detector of the electrode system for measuring in the z direction is also connected to the amplifier input, which, however, is connected to the control electrodes via a swept source.

Výhodou tohoto seismometru je, že dovoluje posunout hranici dosažitelné citlivosti k nižším hodnotám zrychlení, což je umožněno tím, že se parametry kmitů zemské kůry snímají ve formě tří složek vektoru zrychlení v kartézských souřadných osách tělesa přístroje, pevně sp.jeného se zemským povrchem v místě měření, vůči setrvačné hmotě v podobě lehké elektricky vodivé kuličky uložené v elektrodovém systému, jejíž změna polohy vzhledem k tomuto elektrodovému systému se měří změnou kapacity takto vzniklých proměnných kondenzótorů. Ustavování kuličky zpět do střední polohy se děje pomocí elektrostatických sil přímo úměrných vychýlení ze střední polohy v jednotlivých osách x, y, z, přičemž vektor gravitačního zrychlení působící ve směru osy z se vyrovnává přídavnou elektrostatickou silou působící ve směru této osy.The advantage of this seismometer is that it allows to move the limit of attainable sensitivity to lower acceleration values, which is made possible by sensing the Earth's crust oscillation parameters in the form of three components of the acceleration vector in the Cartesian coordinate axes of the instrument body. measurement, relative to the inertial mass in the form of a light electrically conductive ball embedded in the electrode system, the change in position relative to the electrode system being measured by changing the capacitance of the resulting variable capacitors. The positioning of the ball back to the middle position takes place by means of electrostatic forces directly proportional to the displacements from the middle position in the individual axes x, y, z, the gravitational acceleration vector acting in the z direction being compensated by the additional electrostatic force acting in this direction.

Příklad seisrno metiu podle vynálezu je uveden na přiloženém výkrese. Na obr. 1 je blokové schéma části seismometru pro měření složek vektoru zrychlení ve směru os x a y a na obr. 2 je blokové schéma části pro měření složky vektoru zrychlení ve směru osy z.An example of a method according to the invention is given in the attached drawing. Fig. 1 is a block diagram of a portion of a seismometer for measuring x-axis and y-axis acceleration vector components; and Fig. 2 is a block diagram of a portion for measuring a z-axis acceleration vector component.

Část seismometru pro měření ve směru osy x a y je stejné. Základem seismometru je kulička 1 z elektricky vodivého materiálu. Tato kulička 1 je umístěna mezi třemi, navzájem kolmými elektrodovými systémy pro měření ve směru os x, y a z. Každý z těchto elektrodových systémů je tvořen jednak dvěma páry snímacích elektrod 2, symetricky uložených vzhledem k ose kuličky 1 a jednak jedním párem řídících elektrod 9, které jsou rovněž symetricky umístěné vzhledem k ose kuličky 1. Snímací elektrody 2 jsou v každém elektrodovém' systému připojeny ke čtyřem vstupům vždy jednoho transformátorového můstku 2» jehož druhyThe part of the seismometer for measurement in the x and y direction is the same. The basis of the seismometer is a ball 1 of electrically conductive material. This ball 1 is positioned between three perpendicular electrode systems for measuring in the x, y and z directions. Each of these electrode systems consists of two pairs of sensing electrodes 2 symmetrically disposed relative to the axis of the ball 1 and one pair of control electrodes 9. which are also symmetrically disposed relative to the axis of the ball 1. In each electrode system, the sensing electrodes 2 are connected to the four inputs of a transformer bridge 2 each of whose types

- 3 *vstup je připojen na první výstup generátoru £. Výstup transfor mátorového můstku £ ^v každém elektrodovém systému je připojen přes pásmovou propust 2 ^na vstup synchronního detektoru £, jehož druhý vstup je spojen s druhým výstupem generátoru £ harmonického napětí. Výstup synchronního, detektoru 6. je výstupem seismografu a je připojen zároveň na.vstup zesilovače £·- 3 * input is connected to the first output of generator £. The output of the transformer bridge 6 ⁱⁿ each electrode system is connected via a bandpass filter 2 ^{to the} input of the synchronous detector 6, the second input of which is connected to the second output of the harmonic voltage generator. The output of the synchronous detector 6 is the output of the seismograph and is connected simultaneously to the input of the amplifier.

V případě elektrodových systémů pro měření ve směru x a. y jsou dva výstupy zesilovače χ připojeny přímo na řídící elektrody £.In the case of electrode systems for measurement in the x and y directions, the two outputs of the amplifier χ are connected directly to the control electrodes 6.

V případě elektrodového systému pro měření ve směru y jsou oba výstupy zesilovače £ k řídícím elektrodám 2 připojeny přes rozmítaný zdroj 8. stejnosměrného předpětí·In the case of the electrode system for measuring in the y direction, both outputs of the amplifier 8 are connected to the control electrodes 2 via a swept source 8 of a direct bias voltage.

Funkce seismometru je následující. Pod vlivem působícího vektoru zrychlení se vychýlí kulička £ ze střední polohy v systému tří navzájem kolmých elektrodových systémů. Tato změna, způsobí' změny kapacit kondenzátorů tvořených snímacími elektrodami 2. a povrchem kuličky χ. Protilehlé snímací elektrody Z každého elektrodového systému jsou zapojeny do protilehlých větví příslušného transformátorového můstku £, který je napájen generátorem £ harmonického napětí.. Napětí nerovnováhy transformátorového můstku £ se vede přes pásmovou propust 2 ⁸ pevně definovaným ziskem do synchronního detektoru £. Výstupní napětí synchronního detektoru X, jehož stejnosměrná složka je co do velikosti i znaménka úměrná měřené složce vektoru zrychlení, se vede přes zesilovač ·£ na řídicí elektrody 2 ^u části.pro měření složek ve směru x a y přes zesilovač £ do rozmítaného zdroj® 8. stejnosměrného předpětí u části pro měření složky ve směru z* Tento rozmítaný zdroj 8 vytváří stejnosměrnou složkou výstupního signálu potřebné elektrostatické pole pro vyrovnání gravitačního zrychlení· Toto napětí definuje po zapnutí přístroje náboj kuličky X_ta tím i sílu, která na· ni při dané velikosti vektoru intenzity elektrostatického pole mezi řídicími elektrodami 2 působí. Rozmítaný zdroj 8 stejnosměrného předpětí je roz· mítán řídícím napětím ze zesilovače £. Řídicí napětí mezi elektrodami £ generuje elektrostatické pole, jehož silovými účinky je nabitá kulička χ ustavována zpět do střední polohy v elektrodovém systému· Výstupem ze seí.smometru jsou výstupy.The function of the seismometer is as follows. Under the influence of the acting acceleration vector, the ball 6 deflects from a central position in a system of three mutually perpendicular electrode systems. This change causes changes in capacitors capacities formed by the sensing electrodes 2 and the surface of the ball χ. Opposite sensing electrodes from each electrode system are connected to opposite branches of the respective transformer bridge 6, which is fed by a harmonic voltage generator ⁸ . The output voltage of the synchronous detector X, the DC component of which is proportional in magnitude and to the measured component of the acceleration vector, is fed through the amplifier 8 to the control electrodes 2 ^{at the} part. biasing of component in z direction * This swept source 8 produces the necessary electrostatic field for DC gravity to be generated by the DC component of the output signal. This voltage defines the ball charge X _t and thus the force it exerts at a given vector size the electrostatic field intensity between the control electrodes 2 acts. The swept DC biasing source 8 is distributed by the control voltage from the amplifier 8. The control voltage between the electrodes 6 generates an electrostatic field, the force of which forces the charged ball χ back to the center position in the electrode system. The outputs of the seismometer are the outputs.

- 4 synchronních detektorů 6, jejichž napětí jsou úměrná měřeným složkám vektoru zrychlení podle následujících vztahů:- 4 synchronous detectors 6 whose voltages are proportional to the measured components of the acceleration vector according to the following formulas:

Ui /t/ = ^ / ¹ - cos CU-5. t/ /i = x, y, z/ kde:Ui / t / = ^ / ¹ -cos CU-5. t / / i = x, y, z / where:

a£ /i = x, y, z/ jsou složky vektoru zrychlení v jednotlivých směrech x, y, z /x = x, y, z/ jsou přenosy ve zpětných vazbách, tvořených zesilovačem 7, respektive zesilovačem ]_' á rozmítaným zdrojem 8 stejnosměrného předpěti . ~ i = x, y, zand λ / i = x, y, z / are components of the acceleration vector in each direction x, y, z / x = x, y, z / are feedback transmissions consisting of amplifier 7 and amplifier 11 and a swept source 8 DC bias. ~ i = x, y, z

Ki /i - x, y, z/ jsou přenosy v přímé větvi seismografu, tvořené transformátorovým můstkem 2> pásmovou propustí 2 a synchronním detektorem 8.Ki / i - x, y, z / are transmissions in the straight branch of the seismograph, consisting of a transformer bridge 2 ' bypass filter 2 and a synchronous detector 8.

Seismométř je využitelný v měřící technice a lze jej použít v systémech zkoumajících mechanické kmity v zemské kůře.The seismometer can be used in measuring technology and can be used in systems investigating mechanical oscillations in the Earth's crust.

Claims

A seisraometer characterized by its inertial mass. is formed in the form of a ball (1) of electrically conductive material, which is located between three mutually perpendicular electrode systems, each of which is formed by two pairs relative to the ball axis (1) of symmetrically placed pickup electrodes (2) and one pair, to the ball axis (1 / * symmetrically placed), the control electrodes (9) and the sensing electrodes (2) of each of the electrode systems are connected to the four inputs of one transformer bridge (3), where the opposite sensing electrodes (2) are connected to opposite branches transformer bridge (3), whose output is pres. band pass filter (5) connected to a synchronous detector (6), the second input of which is connected to the first output of the harmonic voltage generator (4), which has a second output connected to the fifth transformer bridge input (3) and the synchronous detector output to the input of the amplifier (7) whose output is connected directly to the control electrodes (9) in the electrode system for measuring in the x-direction and · in the electrode system for measuring in the y direction and in the electrode system for the z-direction connected to the control electrodes (9) via a swept DC power supply (8).