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Die
Erfindung betrifft das Gebiet faseroptischer seismischer Sensoren.
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Genauer
gesagt, die vorliegende Erfindung betrifft faseroptische seismische
Sensoren von sehr hoher Empfindlichkeit, die auf einer biegsam verlängerungsfähigen Struktur
basieren.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere faseroptische seismische
Sensoren, die Vibrationssensoren sind, wie z.B. ein Beschleunigungsmesser.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Ölexploration
und kann auf jedes Gebiet mit Verwendung von seismischen Sensoren angewandt
werden.
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Fachleuten
ist bekannt, daß es
viele verschiedene Formen faseroptischer Sensoren gibt.
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Faseroptische
seismische Sensoren nutzen ein interferometrisches Verfahren zur
Interpretation externer Störungen
(Druck, Vibration usw.), die auf eine optische Faser einwirken,
wobei diese Störungen
einer zu messenden Größe entsprechen.
Bestimmte Eigenschaften der optischen Faser (Brechungsindex und
Länge)
werden durch die Wirkung dieser Meßgrößen modifiziert. Die Änderung
dieser Eigenschaften bewirkt Änderungen
der Laufzeit der sich darin ausbreitenden optischen Signale. Die Laufzeitänderungen
der optischen Signale, die durch ein interferometrisches Verfahren
interpretiert werden, sind daher repräsentativ für die Störungen der Meßgrößen.
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Einige
von diesen faseroptischen seismischen Sensoren, die auf der Messung
der Spannung und/oder der Änderung
des Brechungsindex der optischen Faser basieren, bestehen aus einer
optischen Faser, die gegenüber
den Meßgrößen empfindlich
ist und diesen Meßgrößen entweder
direkt oder indirekt mit Hilfe eines Prüfkörpers ausgesetzt wird.
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Fachleute
haben viele Prüfkörper zur Übertragung
der Wirkungen der Meßgrößen auf
die optische Faser vorgeschlagen. Das Dokument US-A-5 369 485 schlägt zum Beispiel
einen faser optischen seismischen Sensor mit einem Paar empfindlicher optischer
Fasern vor, wobei jede dieser optischen Fasern in Form einer flachen
Spirale an einer entsprechenden Scheibe befestigt ist. Diese Scheiben,
die einen Prüfkörper bilden,
sind elastisch, um durch ihre Spannung die Meßgrößen auf das Paar optischer
Fasern übertragen
zu können.
Bei diesem Typ eines seismischen Sensors erfahren die direkt am
Prüfkörper (der
Scheibe) befestigten optischen Fasern eine Spannung, die direkt
mit der Spannung dieses Prüfkörpers verbunden
ist, und können
sich als nicht sehr empfindlich erweisen. Daher sind faseroptische
seismische Sensoren von höherer
Empfindlichkeit vorgeschlagen worden.
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Diese
hochempfindlichen faseroptischen seismischen Sensoren bestehen gewöhnlich aus
einem Prüfkörper von
biegsam verlängerungsfähiger Struktur.
Diese biegsam verlängerungsfähige Struktur
weist einen ersten, der Meßgröße ausgesetzten Teil
und einen zweiten Teil auf, der mit dem ersten Teil verbunden ist
und sich in direktem Kontakt mit der optischen Faser befindet.
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Das
Dokument US-A-6 049 511 offenbart einen faseroptischen seismischen
Sensor, genauer gesagt ein Hydrophon (einen Schalldrucksensor),
in dem die biegsam verlängerungsfähige Struktur
des Prüfkörpers eine
Kraftverstärkung
ermöglicht.
Ein Druck, der an der Oberfläche
angreift, die den ersten Teil dieser Struktur bildet, überträgt die Spannung, die
diese erfährt, über eine
Einspannstelle auf den zweiten Teil der Struktur, der annähernd senkrecht zum
ersten Teil angeordnet ist. Dieser zweite Teil, der sich in direktem
Kontakt mit der optischen Faser befindet, ist frei von jeder Verschiebung
und verformt sich mit zunehmendem Abstand von der Einspannstelle
immer stärker.
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Das
Dokument WO 2004/042425 offenbart einen faseroptischen seismischen
Sensor, genauer gesagt einen Vibrationssensor (oder Beschleunigungsmesser),
bei dem die biegsam verlängerungsfähige Struktur
des Prüfkörpers eine
Kraftverstärkung
ermöglicht.
Der erste Teil dieser Struktur, der die Wirkung der Meßgröße erfährt, besteht
aus einem elliptischen Element. Eine in Richtung der Nebenachse
dieses elliptischen Elements einwirkende Größe wird auf einen zweiten Teil
der Struktur übertragen,
die aus zwei Elementen von gerundeter Form besteht, die auf je einer
der beiden Seiten der Hauptachse des elliptischen Elements angeordnet
sind. Daher verstärkt
dieser seismische Sensor die durch die Meßgröße angreifende Kraft entsprechend
dem Verhältnis
der Hauptachsenlänge
zur Nebenachsenlänge
des elliptischen Elements. Die so erzeugte Kraftverstärkung bewirkt
eine höhere
Spannung in der optischen Faser und daher eine größere Empfindlichkeit.
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Diese
auf einer biegsam verlängerungsfähigen Struktur
basierenden faseroptischen seismischen Sensoren verbessern daher
die Empfindlichkeit in Richtung der empfindlichen Achse des Sensors.
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Im
Fall eines Vibrationssensors weist jedoch eine beträchtliche
Anzahl vorgeschlagener Strukturen unerwünschte (Neben-) Schwingungsformen
in Richtung einer anderen Achse als der empfindlichen Achse des
Sensors auf.
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Aktuelle
faseroptische seismische Sensoren, Drucksensoren und Vibrationssensoren
müssen
daher verbessert werden, da ein Bedarf für einen höchstempfindlichen faseroptischen
seismischen Sensor besteht. Besonders im Fall von Vibrationssensoren
besteht ein Bedarf für
einen Sensor mit größerer Unempfindlichkeit
gegen Störschwingungsformen.
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Diese
Aufgabe wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung dank eines faseroptischen
seismischen Sensors mit einem Prüfkörper gelöst, der
dadurch gekennzeichnet ist, daß der
Prüfkörper mehrere
getrennte Schalen, die um die Richtung der empfindlichen Achse des
Sensors verteilt sind, und zwei sternförmige Elemente aufweist, die
auf jeder Seite der Schalen angeordnet sind und die Schalen mechanisch
miteinander verbinden.
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Weitere
Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
beim Durchlesen der nachstehenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich werden, die als Beispiele angeführt werden, aber
keine Beschränkung
bedeuten. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines faseroptischen Vibrationssensor gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
Schnittansicht des Vibrationssensor von 1;
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3 ein
Schema eines sternförmigen
Elements, das in einem erfindungsgemäßen seismischen Sensor verwendet
wird, in einer Ansicht, die der Schnittansicht von 2 entspricht;
und
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4 eine
Schnittansicht eines Vibrationssensors gemäß der vorliegenden Erfindung,
der mit zusätzlichen
Federn ausgestattet ist.
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Die 1 bzw. 2 zeigen
in einer perspektivischen Ansicht bzw. einer Schnittansicht (Schnitt
A-A) eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Vibrationssensors 100.
Dieser Vibrationssensor 100 besteht aus einem Träger 101 von
annähernd
kreisförmigem
Querschnitt. Die Breite des Trägers 101 ist
so gestaltet, daß eine
gute Stabilität
des Vibrationssensor 100 gewährleistet ist, und ist vorzugsweise
größer als
die Breite des Prüfkörpers 110.
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Der
Prüfkörper 110 ist
vorzugsweise ein rotationssymmetrischer Körper mit einer Achse Z, die
der empfindlichen Achse des Sensors entspricht. Der Prüfkörper 110 weist
auf: eine seismische Masse 111 des Prüfkörpers 110 von annähernd zylindrischer Form,
Schalen 113, 114, 115, 116,
die voneinander getrennt und um die seismische Masse 111 herum und
daher rund um die Richtung der empfindlichen Achse des Sensors verteilt
sind, ein sternförmiges Element 120,
das an den oberen Flächen
der Schalen 113, 114, 115, 116 befestigt
ist, und ein sternförmiges
Element 130 von ähnlicher
Form wie das Element 120, das an den unteren Flächen der
Schalen 113, 114, 115, 116 befestigt
ist.
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Das
sternförmige
Element 120 wird von einer als Deckplatte bezeichneten
Platte 121 und von als obere Lamellen bezeichneten Lamellen 122, 123, 124, 125 gebildet,
durch die das sternförmige
Element 120 an den Schalen 113, 114, 115, 116 befestigt wird.
Entsprechend wird das sternförmige
Element 130 von einer als Bodenplatte bezeichneten Platte 131 und
von als untere Lamellen bezeichneten Lamellen 132, 133, 135 gebildet,
die in gleicher Anzahl wie die oberen Lamellen vorhanden sind (in 2 sind
nur drei untere Lamellen sichtbar), und durch die das sternförmige Element 130 an
den Schalen 113, 114, 115, 116 befestigt
wird. Auf diese Weise werden die Schalen 113, 114, 115, 116 durch
die auf jeder Seite (im unteren und im oberen Teil) der Schalen
angeordneten sternförmigen
Elemente 120, 130 mechanisch miteinander verbunden.
Man wird in 2 feststellen, daß die Schale 116 und
die untere Lamelle 135 nicht in der Schnittebene A-A liegen,
und aus diesem Grund sind sie nicht schraffiert dargestellt worden.
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Das
sternförmige
Element 120 verbindet die seismische Masse 111 mechanisch
mit den entsprechenden oberen Flächen
der Schalen 113, 114, 115, 116.
Genauer gesagt, das sternförmige
Element 120 verbindet die obere Fläche der seismischen Masse 111 mit
den entsprechenden oberen Flächen
der Schalen 113, 114, 115, 116.
Zu diesem Zweck wird die obere Platte 121 durch irgendein
geeignetes Mittel an der seismischen Masse 111 befestigt.
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Entsprechend
verbindet das sternförmige Element 130 mechanisch
die untere Fläche
der Schalen 113, 114, 115, 116 mit
dem Träger 101.
Genauer gesagt, die untere Platte 131 und der Träger 101 werden
durch irgendein geeignetes Mittel aneinander befestigt.
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Die
oberen Lamellen 122, 123, 124, 125 und die
unteren Lamellen 131, 132, 135 (die nicht
dargestellte untere Lamelle) werden durch irgendein geeignetes Mittel
an den oberen bzw. unteren Flächen
der Schalen 113, 114, 115, 116 befestigt.
Als nicht einschränkendes
Beispiel können
Bolzen 141, 142, 143, 144 mit
Gewinde an ihren unteren Enden zur Aufnahme einer Muter 145, 146 vorgesehen
werden.
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Die
Schalen 113, 114, 115, 116 und
die seismische Masse 111 haben keinen direkten Kontakt,
so daß durch
den Träger
erfaßte
Axialschwingungen (das heißt
Schwingungen in Richtung der empfindlichen Achse des Sensors) quer
zu den Schalen 113, 114, 115, 116 über die
unteren Lamellen 132, 133 und die oberen Lamellen 122, 123, 124, 125 übertragen
werden.
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Jede
der Schalen 113, 114, 115, 116 ist
an ihrer zum Sensor radial äußeren Fläche 113a, 114a, 115a, 116a von
gerundeter Form. Um diese Schalen 113, 114, 115, 116 wird
die optische Faser 200 gewickelt und befindet sich, genauer
gesagt, im Kontakt mit den Flächen 113a, 114a, 115a, 116a.
Die gerundete Form dieser radial außen liegenden Flächen 113a, 114a, 115a, 116a minimiert
die auf das Wickeln zurückzuführenden
Spannungen in der optischen Faser 200 und minimiert außerdem die
optischen Verluste. Die Art des verwendeten Materials und die Oberflächenrauhigkeit
der Schalen 113, 114, 115, 116 werden
gleichfalls so gestaltet, daß die
Spannungen und die optischen Verluste in der optischen Faser 200 minimiert
werden. Vorzugsweise sind die radial äußeren Flächen 113a, 114a, 115a, 116a der Schalen 113, 114, 115, 116 halbkreisförmig, und
ihre radial inneren Flächen
sind flach, so daß die
Schalen Halbzylinder bilden.
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3 zeigt
ein in Richtung des Schnitts A-A extrahiertes Schema des Elements 120.
In dieser Schnittansicht sind zwei obere Lamellen 122 und 123 und
die obere Platte 121 des Elements 120 sichtbar. Genauer
gesagt, eine Lamelle 122, 123 weist einen horizontalen
ersten Teil (d. h. einen zur Richtung der empfindlichen Achse des
Sensors senkrechten und folglich zur Z-Achse senkrechten Teil),
der an einer Schale befestigt ist, und einen geneigten zweiten Teil (oder
eine geneigte Ebene) auf, die unter einem Winkel A zur horizontalen
Richtung geneigt ist und die Platte 121 mit dem horizontalen
ersten Teil verbindet.
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Wenn
eine zur oberen Platte 121 senkrechte Kraft Fa an
der Platte 121 angreift, wandeln die Lamellen die Kraft
Fa in eine horizontale Kraftkomponente Fb um, deren Angriffspunkt in einem Punkt liegt,
wo die Bolzen 141 bzw. 142 die Lamellen 122 bzw. 123 befestigen.
Das Kräfteverhältnis Fa/Fb ist proportional
zu dem Längenverhältnis b/a.
Die Längen
a bzw. b sind beispielsweise definiert als die Längen der von P2 ausgehenden
Seiten P2P3 bzw.
P1P2 des gedachten
rechtwinkligen Dreiecks P1P2P3, wobei die Hypothenuse des Dreiecks dem
gegen die Horizontale geneigten Teil der Lamelle 123 entspricht.
Das Verhältnis
b/a wird so gewählt,
daß es
einen Kraftverstärker
ergibt, das heißt,
daß für b/a > 1 die Spannungen in
der optischen Faser 200 verstärkt werden. Mit anderen Worten,
die Wahl des Verhältnisses
b/a > 1 entspricht
der Wahl eines Neigungswinkels A von definitiv weniger als 45°.
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Wenn
im Fall eines Vibrationssensors der Prüfkörper 110 einer normalen
Vibration ausgesetzt wird, die vom Träger 101 ausgeht, wird
eine Relativbewegung zwischen der seismischen Masse 111 und dem
Träger 101 ausgelöst. Diese
Relativbewegung zwischen dem Träger 101 und
der seismischen Masse 111 ist eine Bewegung, deren Hauptkomponente eine
Translation in Richtung der Z-Achse (der empfindlichen Achse des
Sensors) ist, die es den Schalen 113, 114, 115, 116 erleichtert,
sich in radialer Richtung näher
zueinander oder weiter auseinander zu bewegen und daher die optische
Faser 200 zu verformen. Es gibt jedoch andere Schwingungsformen
als die Hauptschwingungsform, d. h. Transversalschwingungsformen,
die sich als problematisch erweisen können.
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Die
Anzahl der in einem sternförmigen
Element 120, 130 enthaltenen Lamellen ist nicht
auf vier beschränkt,
wie in den 1 bis 5 dargestellt.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist durchaus vorstellbar,
von zwei bis zu einer unbegrenzten Zahl von Lamellen auf einem sternförmigen Element 120, 130 bereitzustellen,
die daher rund um die empfindliche Achse (die Z-Achse) des Sensors innerhalb
des Prüfkörpers verteilt
sind. Vorzugsweise sind die Lamellen (ebenso wie die Schalen) gleichmäßig um die
empfindliche Achse des Sensors verteilt, d. h. sie sind in regelmäßigen Winkelabständen verteilt,
wobei der zwei aufeinanderfolgende Lamellen (oder Schalen) trennende
Winkel gleich 2π/n
ist, wobei n die Anzahl der Lamellen (oder die Anzahl der Schalen)
des sternförmigen
Elements ist. Es ist jedoch vorstellbar, daß die Lamellen (ebenso wie
die Schalen) nicht gleichmäßig um die
empfindlichen Achse des Sensors verteilt sind.
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Es
zeigt sich jedoch, daß die
Anzahl der pro sternförmigem
Element 120, 130 benötigten Lamellen mindestens
gleich vier ist, so daß die
Nebenschwingungsformen des Sensors geringe Auswirkung auf die Qualität der Messung
haben, die in der Hauptschwingungsform (in Richtung der empfindlichen
Achse des Sensors, die der Z-Achse entspricht) durchgeführt wird.
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Im
allgemeinen ist bei Verwendung sternförmiger Elemente 120, 130 der
Sensor um so besser und symmetrischer und um so unempfindlicher
gegen Nebenschwingungsformen, je größer die Anzahl n der Lamellen
ist. Im Fall eines Vibrationssensors spricht der Sensor dann nur
auf die Hauptschwingungsform an, welche die gewünschte Schwingungsform ist.
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Bei
Verwendung sternförmiger
Elemente 120, 130 ist außerdem im allgemeinen die Spannung der
optischen Faser 200 (bei gleicher Kraft) um so größer, je
größer die
Anzahl n der Lamellen ist, wodurch die Empfindlichkeit des seismischen
Sensors erhöht
wird. Ferner sind die Schalen einander um so näher, je größer die Anzahl der Lamellen
ist. Dies erleichtert das Aufwickeln der optischen Faser 200 und das
Anlegen einer konstanten Vorspannkraft über die gesamte Länge der
optischen Faser 200.
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4 zeigt
Mittel, die imstande sind, die Querunempfindlichkeit des Sensors
zu erhöhen. 4 ist
eine Schnittansicht eines Vibrationssensors gemäß der vorliegenden Erfindung,
bei dem die Mittel, welche die Querunempfindlichkeit des Sensors erhöhen können, zusätzliche
Federn 410, 420 sind. Konkret ist im Fall eines
Vibrationssensors vorstellbar, eine erste Zusatzfeder 410,
die am Träger
der seismischen Masse 111 angeordnet ist, und/oder eine
zweite Zusatzfeder 420 bereitzustellen, die selbst auf
dem oberen Ende der seismischen Masse 111 angeordnet ist.
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Genauer
gesagt, die erste Zusatzfeder 410 von annähernd Kreisform
wird in ihrem Mittelpunkt 411 am Träger 101 des Sensors
befestigt. Der Mittelpunkt 411 der ersten Zusatzfeder 410 ist
nicht im Kontakt mit der seismischen Masse 111; zu diesem Zweck
ist in der seismischen Masse 111 ein Hohlraum 112 vorgesehen.
Der Umfang 412 der Feder 410 ist jedoch an der
seismischen Masse 111 befestigt. Die seismische Masse 111 und
die erste Zusatzfeder 410 sind nur am Umfang 412 der
Feder 410 im Kontakt miteinander.
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Die
zweite Zusatzfeder 420 wird nur in ihrem Mittelpunkt 421 an
der oberen Platte 121 des sternförmigen Elements 120 befestigt,
wobei dieses Element 120 selbst an der seismischen Masse 111 befestigt
wird. Diese Feder 420 wird außerdem nur über ihren Umfang 422 an
einer Schale 104 befestigt, die in einem Stück mit dem
Träger 101 des
Sensors ausgeführt
ist.
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Diese
Federn 410 und/oder 420 erhöhen die Querunempfindlichkeit
des Sensors in dem Sinne, daß sie
den Prüfkörper 110 in
Richtung der empfindlichen Achse des Sensors (der Z-Achse) führen. Dies ist
darauf zurückzuführen, daß diese
Federn eine niedrige Steifigkeit in einer gewählten Richtung, in diesem Fall
in Richtung der empfindlichen Achse des Sensors, und wegen ihrer
annähernden
Kreisform eine hohe Steifigkeit in allen anderen radialen Richtungen
aufweisen.
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Wenn
der Prüfkörper 110 einer
vom Träger 101 ausgehenden
Normalschwingung ausgesetzt wird, wird die Relativbewegung zwischen
der seismischen Masse 111 und dem Träger 101 nicht durch
die Zusatzfedern 410, 420 beeinflußt, da diese
eine niedrige Steifigkeit in Richtung der empfindlichen Achse des
Sensors aufweisen. Wenn jedoch der Prüfkörper 110 Transversalschwingungen
ausgesetzt wird, das heißt
Schwingungen in einer von der Richtung der empfindlichen Achse des
Sensors verschiedenen Richtung, besteht der Zweck der Zusatzfedern 410, 420 darin,
radiale Steifigkeit bereitzustellen, welche die Querverschiebungen
der seismischen Masse 111 minimiert. Folglich erfährt die
optische Faser eine geringe oder gar keine Längenänderung infolge dieser Querverschiebungen.
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Der
Einfluß der
Transversalschwingungsformen wird vermindert, wodurch die Übertragung
einer Nebenschwingung quer zur Richtung der empfindlichen Achse
auf die seismische Masse 111 verhindert wird.
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Bei
Verwendung dieser Federn muß der
Vibrationssensor eine Abdeckung bereitstellen. Die Verwendung solcher
Federn zur Implementierung der Erfindung ist nicht obligatorisch.
Ferner kann der Vibrationssensor bei Abwesenheit derartiger Federn 410, 420 eine
Abdeckung aufweisen oder nicht.
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Typischerweise
ist im Zusammenhang mit seismischen Anwendungen ein Vibrationssensor
gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Beschleunigungsmesser.