NL8202309A - Actieve geofoon, meer in het bijzonder een versnellingsgevoelige geofoon. - Google Patents

Description

ïf·' * I : • I VO 3458 i ! I i 1 Titel: Actieve geofoon, meer in. het bijzonder een versnellings-gevoelige geofoon.

, , De uitvinding heeft betrekking op een actieve geofoon, : meer in het bijzonder een versnellingsgevoelige geofoon, voor het opnemen van mechanische trillingen, zoals bijvoorbeeld, seismische golven. Een voor een .dergelijke geofoon te gebruiken transducent om-: 5 vat een. huis met een magneetstructuur voor h.et teweegbrengen van per- j • manent magnetische velden en een speelsysteem met een. eerste spoel en een tweede daarvan afzonderlijke spoel, welke spoelen zijn geplaatst i in genoemde magnétische velden, waarbij genoemde magnee ts tructuur en het genoemde spoelsysteem met betrekking' tot elkaar beweegbaar in dit huis 10 worden gedragen, en genoemde magnee ts tructuur zodanig is ingericht, dat de koppelfactor die maatgevend is voor de. elektromagnetische koppeling tussen de twee spoelen onderling, in hoofdzaak nul is, en uitsluitend tussen een desbetreffende van de. twee spoelen enerzijds en de magneetstructuur anderzijds, elektromagnetische koppeling kan bestaan.

15 : Een dergelijke actieve geofoon. omvat, verder een versterker waarvan de en ingang met genoemde, eerste spoel > waarvan de uitgang via een terugkoppel-ketea met genoemde tweede spoel is verbonden,, waarbij een en ander dan. zodanig is ingericht, dat het snelheidsverschil tussen het ten opzichte van het transducenthuis. beweegbare transducentgedeelte en dit huis, 20 tot nul wordt gereduceerd door een krachtwerking op dit beweegbare transducentgedeelte^ en zoals veroorzaakt door de elektromagnetische interactie tussen genoemde tweede, in de terugkoppelketen opgenomen spoel van het spoelsysteem en de magneetstructuur.

Een actieve geofoon met terugkoppeling van bovenomschreven soort 25 is een versnellingsgevoelige geofoon met een banddoorlaatkarakter.

Gebleken is nu dat voor een van belang zijnd frequentiegebied van op te nemen mechanische trillingen, meer in het bijzonder een gebied van circa 2 tot 500 Hz, de genoemde tweede, spoel, ook wel aandrijf spoel genoemd·, die in de terugkoppelketen van de versterker is opgenomen, 30 zich gedraagt als een in hoofdzaak resistieve impedantie. Verder is gebleken dat de door deze aandrij fspoel voorgestelde weerstand tempe-ratuurafhankelijk is, bijvoorbeeld een temperatuurafhankelijkheid die is gegeven als 0,4 % per °C. Voor een temperatuurgebied waarvoor een ---geofoon waarop de onderhavige uitvinding betrekking heeft bruikbaar —820Τ3ΤΓ9..........‘ "..........

* * t i —2- 1 moet zijn, meer in het bijzonder een temperatuurgebied van +55°C tot • i : +100°C betekent .zulks een weerstandsvariatie over dat gebied, van i ' ca 62%·..

} I

| In de terugkoppellusketen waarin de versterker waarmee de. genoemde i 5 : eerste, of. sensorspoel en de genoemde tweede o£ aandrijf spoel zijn ver- i * bonden,, is opgenomen,. is ter verkrijging, van een relatief brede doorlaat-I band van de als banddoorlaatfilter voor te stellen, geofoon, een zekere rondgaande versterking geïntroduceerd. De temperatuur afhankelijk- I‘ ï ( ; heid van genoemde aandrijf spoel betekent nadat ook deze rondgaande ver- I i ! 10 ’ sterking over: het desbetreffende, temperatuurgebied zal veranderen.

ï ; ' i Een dergelijke verandering zal in het bijzonder bij die bandgrens- * frequentie aan de laagfrequente zijde en. bij de bandgrensfrequentie aan. de hoogfrequentzijde resulteren in ongewenste verschuivingen van deze bandgrens frequenties, zodat bandbreedte-veranderingen ontstaan.

: 15 Bi jvoorbeeld. verschuift de bandgrens frequentie aan de laagfrequentzijde ca· 52% naar boven en de bandgrens frequentie aan, de hoogfrequentzijde verschuift ca 38% naar beneden. Dergelijke frequentieverschuivingen brengen ontoelaatbare baseverschuivingen mede.

om

Met de uitvinding is nu. beoogd 'een geofoon van bovenomschreven 20 soort temperatuuronafhankelijk te doen zijn voor het desbetreffende frequentiegebied met behoud van het. banddoorlatend karakter voor het gewenste frequentiegebied.

Een geofoon is volgens da uitvinding daartoe daardoor gekenmerkt dat de versterker is uitgevoerd als een transconductantieversterker, 25 waarvan de ingangsimpedantie respectievelijk de uitgangsimpedantie aanzienlijk hoger is dan de impedantie van de eerste respectievelijk de tweede spoel van het genoemde spoelsysteem.

Meer in het bijzonder is een geofoon volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat. in serie met de genoemde tweede spoel een in 30 hoofdzaak. temperatuur-onafhankelijke weerstand is verbonden, welke weerstand is verbonden met een uitgangsaansluiting via welke het uitgangssignaal. van de versterker kan worden afgenomen. Sen andere uitvoeringsvorm van een geofoon volgens de uitvinding is daardoor gekenmerkt, dat genoemde tweede spoel is uitgevoerd als een spoel met een 35 geringe temperatuurcoëfficient.

“82ÏÏ23ÏÏ9'"' * ·* ^r i ——— ] ’ ; -3- i | \ I De uitvinding zal in het. onderstaande nader worden toegelicht j f ί ; onder verwijzing naar de tekening, waarin: * ' I ! ! Fig. 1 een doorsnede-aanzidit weergeeft van een uitvoeringsvorm ' . van een transducent te. gebruiken in. een geofoon volgens de uitvin- | 5 ! ding* fig. 2 een schema weergeeft ter illustratie van de uitvinding; en fig. 3 een schema weergeeft van een uitvoeringsvoorbeeld van een : geofoon volgens de uitvinding.

De in fig. 1 weergegeven uitvoeringsvorm van een transducent 10 i_ te gebruiken in een geofoon volgens de uitvinding,,, omvat een hol, aan de beide uiteinden open cilindrisch huis 1, dat bijvoorbeeld uit kunststof is vervaardigd. Aan de beide uiteinden is dit huis hermetisch afsluitbaar door middel van een eerste deksel 2 en een tweede deksel 3. Elk van deze deksels is voorzien van een ringvormige pas-15 . rand 4, 5, die nauwkeurig passend in het inwendige van het huis reikt. Elk van deze deksels kan bijvoorbeeld door middel van een lijmverbinding hermetisch afsluitend aan het huis worden bevestigd.

Het huis. is verder voorzien van een verdikt wandgedeelte 6, en wel zodanig, dat bij. de beide uiteinden van het. huis ringvormige 20: en met betrekking tot de longitudinale as van het huis transversaal verlopende steunvlakken 7,8 zijn gevormd. Door elk van deze steunvlakken wordt een van twee spoelframes 9,10 gedragen. Elk spoelframe · .draagt op zijn beurt een schematisch weergegeven spoel 11,12. Bijvoorbeeld dient de spoel 11 als snelheidssensor en de spoel 12 als de aandrijf-25 spoel. Tevens is elk spoelframe voorzien van een cilindrische rand 13, 14, waarvan het ringvormoge kopvlak zich bevindt tegenover het kopvlak van de pasrand 4,5 van het desbetreffende deksel 2,3.

In afgemonteerde, toestand is tussen deze naar elkaar toe gekeerde kop-vlakken een in hoofdzaak cirkelvormige en platte draagveer 15, 16 30 ingeklemd. Door middel van deze beide draagveren wordt een in zijn algemeenheid door. 17 aangeduide magneetstructuur met betrekking tot het huis vrijwel uitsluitend in axiale richting beweegbaar gedragen.

Deze magneetstructuur 17 die als een één geheel vormende eenheid is uitgevoerd is samengesteld uit de volgende onderdelen:· een in hoofd-35 zaak cilindrisch, hol en aan de beide uiteinden open magneetframe 18, 8’2 0 2ΊΓ0 ïï ! ! ' : : 1 - ! : -4- i * met een zich. in het inwendige en ter hoogte van het midden bevindend [middengedeelte 19; tegen dit middengedeelte aanliggende, in hoofdzaak.

t x · !cilindrische permanente magneten 20,21; uit niet-magnetisch materiaal, (bijvoorbeeld kunststof) gevormde centreerringen 22,23, die deze magneten ; t : 5 : in. het magneetframe centreren; tegen de desbetreffende kopvlakken van. de magneet aanliggende magneetpool-ringen 24,25, die elk in het van.

.de bijbehorende magneet af gekeerde vlak zijn voorzien van een centrale f !uitsparing 26,2.7; en uit niet-magnetisch materiaal (bijvoorbeeld kunst-

ί I

' :stof) gevormde centreerorganen 28,29. Elk van deze centreerorganen is 10 ;bij het naar het midden van de magneetstructuur toegekeerde uiteinde voorzien van een tegen de desbetreffende magneetpool-ring aanliggende . steunflens. 30,31 en een cilindrische paskop 32,33 die in de bijbeho- i rende poolring uitsparing reikt, zodat het desbetreffende centreerorgaan deze poolring gecentreerd houdt. Aan het andere uiteinde is elk· cen-15 ^ treerorgaan voorzien van een verjongd, cilindrisch gedeelte 34,35, dat 1 passend door een centrale opening van de desbetreffende draagveer ;heenreikt en fungeert als stootkop. Hierdoor wordt verhinderd, dat de magneetstructuur, bij niet-bekrachtigde spoelen,, ongewenst· grote verplaatsingen ten opzichte van het huis ondergaat, bijvoorbeeld als 20 gevolg van stoten bij transport van de transducent. Bij de beschreven uitvoeringsvorm van de transducent is de magneetstructuur ten opzichte van. het huis beweegbaar gedragen door twee draagveren, terwijl het de twee spoelen omvattende spoelsysteem vast in dit huis is gemonteerd. Doordat de magneetstructuur als een één. geheel vormende eenheid die be-25 weegbaar, is ten opzichte van het transducenthuis, is geconstrueerd, bestaat het voordeel dat de veerophanging niet behoeft te zijn gedimensioneerd voor het opnemen van betrekkelijk grote magnetische centreer-krachten, die tussen onderdelen van een magnetisch circuit waarvan deze onderdelen in betrekking tot elkaar beweegbaar zouden zijn, 30 kunnen ontstaan.

Fig. 2 geeft een elektrisch schema van een geofoon waarop de onderhavige uitvinding betrekking heeft. In dit schema is door 11 aangeduid de sensorspoel. van de bovenomeschreven transducent,door 12 is aangeduid de aandrijfspoel van deze transducent. De over deze spoel 35 ontwikkelde elektrische spanning die representatief is voor het snel-heidsverschil: tussen het beweegbare transducentgedeelte en het huis 8202309 t Λ ~ *» t . ' - l

! , I

; ; -5- - i daarvan, wordt aangelegd aan. een spanningsversterker Tl, waarvan het uitgangssignaal via een. koppelnetwerk met een condensator C en . een weerstand R wordt toegevoerd aan c&iirgang van een uitgangstrap. T2 die een spanning-stroom. omzettende trap is. De uitgangsstroom van 5 deze trap T2 wordt toegevoerd aan. de aandrijfspoel 12 waarvan de impedantie is., voor teusieilemdoor Z^. Bij de in de· voorafgaande beschreven transducent is de. daarbij beschreven magneetstructuur zodanig ingericht, dat de. koppelfactor die maatgevend is voor de elektro- \ magnetische koppeling tussen de· sensorspoel en de aandrijfspoel, 10 in hoofdzaak nul is, terwijl uitsluitend tussen, de aandrijfspoel enerzijds en. de magneetstructuur anderzijds elektromagnetische koppeling kan bestaan. Bij een. geofoon volgens fig.2 wordt nu bereikt -dat een snelheids ver schil tussen de magneetstructuur en het. transducent-huis, tot nul wordt teruggebracht door een krachtwerking die qp deze 15 magneetstructuur wordt uitgeoefend die wordt veroorzaakt' door de. elektromagnetische interactie tussen de. in de terügkoppelketen opgenomen, aandrijfspoel van het spoelsysteem en deze magneetstructuur. De rondgaande versterking G voor een dergelijke geofoon is gegeven door 'G- ot eC Z· A/2 s dm d 20 Hierin zijn Us respectievelijk ^ een o ver drachts factor geldend voor de sensorspoel respectievelijk aandrijfspoel; 2^ impedantie van de sensorspoel, Z^ de impedantie van de aandrijfspoel,· en A de spanningsversterking van de trap Tl. De aldus geconstrueerde geofoon heeft een banddoorlaatkarakter waarvan de bandbreedte ten opzichte 25 van de frequentie (eigen frequentie van de transducent) afhankelijk is van de versterking A. In het van belang zijnde frequentiegebied van de op te nemen mechanische trillingen blijkt nu de impedantie van de aandrijfspoel Z^ in hoofdzaak resistief te zijn zodat de rondgaande versterking G dan evenredig is met de verhouding A/R^, waarin R^ de 30 door de aandrijfspoel 12 voor dat frequentiegebied aangeboden weerstand voorstelt. Met andere woorden blijkt hieruit dat de temperatuur-afhankelijke variatie van deze aandrijfspoel dienovereenkomstige variatie van. de rondgaande versterker G meebrengt. Dergelijke variaties van de rondgaande versterking brengen ongewenste veranderingen van de bandbreedte 35 met zich mede, welke bandbreedte-veranderingen gepaard gaan met ontoelaatbare faseverschuivingen.

8202309 " J · i -β- : * i ! Ter tegemoetkoming aan dit bezwaar is in een geofoon volgens de uitvinding tussen de sensorspoel 11 en de aandrijf spoel 12 een transconductantieversterker aangesloten, d.w.z. een versterker waarvan de ingangsi npedantie respectievelijk de uitgangsimpedantie in verge-5 lijking met de impedantie van de sensorspoel respectievelijk de aandrijf spoel groot is*

Fig* 3 geeft een elektrisch, schema van een uitvoeringsvoorbeeld van een geofoon volgens de uitvinding* De sensorspoel 11 is hierbij weer verbonden met een spanningsversterker waardoor een spanningsversterking 10 . ft wordt geïntroduceerd. De uitgang van deze spanningsversterker is via een koppelnetwerk met een weerstand R en een condensator C ver-bonden met: de ene* ingang van een spanning-rstroom omzetter fungerende uitgangstrap waarvanude uitgang is verbonden met de aandrijfspoel 12.

In serie met deze aandrijfspoel 12 is verbonden een weerstand Rq 15 van. bijvoorbeeld 1 köhm en over welke weerstand een uitgangs- spanning üq kan worden afgenomen welke uitgangsspanning evenredig is met de versnelling zoals gegeven door de mechanische trillingen die met de transducent van de geofoon moeten worden opgenomen. Bij een configuratie volgens fig. 3 geldt dat. de· rondgaande versterking G 20 evenredig is met de verhouding S/Rq. Door nu deze weerstand Rq uit te* voeren als een weerstand met zeer geringe temperatuurcoefficient,kan worden bereikt dat de bovenbeschreven door temperatuurvariaties geïntroduceerde faseverschuivingen worden geëlimineerd. Bijvoorbeeld kan de weerstand Rq onder toepassing van een dikke-filmtechniek 25 worden vervaardigd van een geëigende weerstandspasta. In de beide uitvoeringsvoorbeelden volgens de figuren 2 en 3 dient het koppelnetwerk dat de condensator C omvat er;toe om de "off-set*' gelijkspanning die aan de uitgang van de spanningsversterker ontstaat te elimineren* Vanzelfsprekend is de uitvinding niet beperkt tot het uit-30 voeringsvoorbeeld volgens fig. 3. Bijvoorbeeld kan gebruik worden gemaakt van een versterker van de als OTA aangeduide soort (Operational Transconductance Amplifier), mits van een uitvoering met een hoge ingangsimpedantie. Wanneer namelijk gebruik' wordt gemaakt van een voor "off-set" compensatie dienend netwerk met de condensator zoals 35 C en de weerstand zoals R, dient dit netwerk te zijn gedimensioneerd voor het doorlaten van relatief lage frequenties (met een grootte-orde van ca 2Hz) hetgeen betekent dat de weerstand dan een betrekkelijk 82 0 2 3 0 9 .......................

I T -----------------------—------ • I j ! -7- ! ; ! ! hoge waarde dient te bezitten. Zulks brengt mede dat de ingangs- weerstand van de daaropvolgende spanning-stroom omzettende trap hoog dient te zijn. Strikt genomen is het echter niet noodzakelijk gebruik te maken van een dergelijk RC-koppe Inetwerk. In plaats daarvan kan bijvoorbeeld gebruik worden gemaakt van een operationele 5 versterker met een automatische off-set compenserende schakeling van een op zichzelf bekende uitvoering.

Ook is het. moge lijk om de aandrijfspoel uit te voeren als een spoel met een zeer geringe temperatuurcoëfficient, bijvoorbeeld door de aandrijfspoel te wikkelen met constantaandraad. -10. In het algemeen geldt dat bij een geofoon volgens- de uitvinding aan de ingangszijde van de versterker de spanning wordt gemeten die wordt ontwikkeld over de sensorspoel^ welke spanning een maat is voor de relatieve snelheid van het. beweegbare gedeelte van de geofoon, terwijl aan de uitgangszijde van de versterker een:stroom 15 door de aandrijfspoel wordt geleid welke stroom evenredig is met de kracht die via deze aandrijfspoel door elektromagnetische werking op Eet beweegbare gedeelte van de geofoon wordt uitgeoefend. De transcon-ductantier d.w.z. de verhouding tussen de uitgangsstroom en de ingangsspanning van deze versterker is gedefinieerd door de in. de 20 terugkoppelketen opgenomen weerstand. Deze weerstand is. aldus bepalend voor de rondgaande versterking in de terugkoppellus waardoor het bedoelde snelheidsverschil. tot nul wordt teruggebracht.

Aldus is de rondgaande versterking onafhankelijk van tempera tuurvariaties en zijn ongewenste handbreedtevariaties en fase— 25 verschuiven geëlimineerd.

" 8202509 - ' ------ «

Claims (4)

1. 2. Actieve geofoon volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat in serie met da genoemde tweede spoel een in hoofdzaak temperatuur-onafhankelijke weerstand is verbonden,· welke weerstand is verbonden met een uitgangs-aansluiting via welke het uitgangssignaal van de versterker kan worden 30 af genomen..
2. 3. Actieve geofoon volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde tweede spoel, is uitgevoerd als een spoel met een geringe tempe-ratuurcoëfficiënt.
3. 4. Actieve geofoon volgens een van de voorafgaande conclusies, 82 0 2 3 0 9 ·*. S » · / , \ r r » -9- • i. ' j , met: het, kenmerk,, dat de transconductantieversterker een spannings-| | versterkende ingangstrap omvat waarvan -de uitgang is gekoppeld met de ] i ; ingang van. een· spanning.-stroom. omzetten.de uitgangstrap* ί ! j | 5» Actieve, geofoon volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de i 5 . spanning, versterkende ingangstrap. "off-set"' eliminerende voorzieningen ; omvat»
4. 6. Actieve geofoon. volgens een van de voorafgaande conclusies, ! | met het kenmerk, dat genoemde magneetstruc tuiir is uitgevoerd als een | ί één geheel vormei onderdeel dat beweegbaar in het genoemde huis wordt gedragen» » 82 0 2 3T9' I -*