RU1794252C

RU1794252C - Geophone

Info

Publication number: RU1794252C
Application number: SU904844470A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Владимирович Григорьев; Юлия Леонидовна Киселева; Борис Михайлович Князев; Владимир Петрович Кокшаров; Сергей Викторович Ларин
Original assignee: Нижне-Волжский научно-исследовательский институт геологии и геофизики
Priority date: 1990-07-03
Filing date: 1990-07-03
Publication date: 1993-02-07

Description

электромеханический преобразователь в виде основной колпачковой мембраны 2 с размещенным на ее плоской центральной части пьезоэлементом 3, инертную массу в виде тела 4 сращени , жестко скрепленную с упругим элементом в виде колпачковой мембраны 5, проход щей через центр т жести инертной массы перпендикул рно рабочей оси сейсмоприемника и образующей с основной колпачковой мембраной замкнутый объем 6, заполненный жидкостью, В корпусе 1 установлена дополнительна кол- пачкова мембрана 7 с пьезоэлементом-8, расположенным также на плоской центральной части мембраны 7, котора образует с колпачковой мембраной 5 дополнительный замкнутый объем 9, идентичный объему б и также заполненный жидкостью. Внутренние электроды пьезоэлементов 10 и 11 электрически св заны между собой, а внешние 12 и 13 подключены посредством тонкихтоковы- водных спиралей 14 и 15 к гермовыводам сейсмоприемника 16 и 17 и электрически соединены посредством перемычки 18. Выводы 19 сейсмоприемника выполнены из антивибрационного кабел и подключены к одному из гермовыводов и корпусу 1. Симметрично расположению упругого элемента 5 о инертной массе 4 выполнены кольцевые выемки 20. Величина зазора 21 между инертной массой 4 и центральными част ми кол- пачкопых мембран 2 и 7 определ етс соотношением (1) , при этом величина бокового зазора 22 между инертной массой 4 корпусом 1 инертной массой 4 и цилиндрическими буртиками 23 колпачковых мембран 2, 5 и 7 определ етс соотношением (2).. Величина кольцевых выемок 20 также определ етс соотношением (1), при этом она может быть либо равна величине зазора 21, либо, если исходить из соображений повышени надежности, быть меньше. При этом инертна масса 4 в месте выполнени кольцевой выемки приобретает возможность упора в цилиндрический буртик 23 колпачковой мембраны 5, где ее жесткость по отношению к действующей силе со стороны инертной массы 4 максимальна, что повышает надежность.an electromechanical converter in the form of a main cap membrane 2 with a piezoelectric element 3 placed on its flat central part, an inert mass in the form of an adhesion body 4, rigidly fastened to an elastic element in the form of a cap membrane 5 passing through the center of gravity of the inert mass perpendicular to the working axis of the geophone and forming a closed volume 6 filled with liquid with the main cap membrane, In the housing 1 an additional cap membrane 7 with a piezoelectric element-8, also located on a flat In Central part of the membrane 7, which forms a cap membrane 5 additional closed volume 9 identical volume used and also filled with liquid. The internal electrodes of the piezoelectric elements 10 and 11 are electrically connected to each other, and the external 12 and 13 are connected via thin current-conducting spirals 14 and 15 to the earth leads of the seismic receiver 16 and 17 and are electrically connected via a jumper 18. The terminals 19 of the seismic receiver are made of anti-vibration cable and are connected to one from the hermetic leads and the housing 1. Symmetrical to the location of the elastic element 5 about the inert mass 4, annular recesses 20 are made. The size of the gap 21 between the inert mass 4 and the central parts of the cap membranes 2 and 7 is determined is given by relation (1), and the lateral clearance 22 between the inert mass 4 of the housing 1, the inert mass 4 and the cylindrical flanges 23 of the cap membranes 2, 5, and 7 is determined by the relation (2). The size of the annular recesses 20 is also determined by the relation ( 1), in this case, it can be either equal to the size of the gap 21, or, proceeding from considerations of increasing reliability, it can be less. At the same time, the inert mass 4 at the place of the annular recess makes it possible to abut against the cylindrical flange 23 of the cap membrane 5, where its rigidity with respect to the acting force from the side of the inert mass 4 is maximum, which increases reliability.

Корпус 1 образует с колпачковыми мембранами 2, 5 и 7 жесткое герметичное сварное соединение 24, при этом свободные объемы 25 над основной 2 и дополнительной 7 колпачковыми мембранами заполнены инертным газом.The housing 1 forms a rigid tight welded joint 24 with cap membranes 2, 5 and 7, while the free volumes 25 above the main 2 and additional 7 cap membranes are filled with inert gas.

Корпус 1 с образованием узкого зазора 26, жестко закреплен основанием во внешнем установочном корпусе 27, выполненном из пластмассы.The housing 1 with the formation of a narrow gap 26, is rigidly fixed by the base in the external installation housing 27 made of plastic.

На фиг.2 корпус 1 выполнен из диэлектрического материала, и на его внутренней поверхности напылена металлическа пленка . При этом исполнении корпус 1 выполн - 5 ет также функцию установочного корпуса 27. Преобразовательный блок 28 выступом 29 боковой поверхности жестко св зан с внешним установочным корпусом 27, образу механическую и электрическую св зь сIn Fig. 2, the housing 1 is made of a dielectric material, and a metal film is sprayed on its inner surface. In this embodiment, the housing 1 also fulfills the function of the installation housing 27. The conversion unit 28 by the protrusion 29 of the side surface is rigidly connected to the external installation housing 27, forming a mechanical and electrical connection with

0 металлической пленкой. Между преобразовательным блоком 28 и металлической пленкой устанавливаетс зазор 30, служащий дл механической разв зки. Дл дополнительной механической разв зки в данном0 metal film. Between the transducer block 28 and the metal film, a gap 30 is provided for mechanically decoupling. For additional mechanical isolation in this

5 варианте выполнени сейсмо.приемника, во внешнем установочном корпусе 27 выполнена цилиндрическа выемка 31. Выводы 19 подключены к гермовыводам 16 и 17 внутри заэкранированного объема, образованного5 embodiment of the seismic receiver, a cylindrical recess 31 is made in the external mounting housing 27. The findings 19 are connected to the pressure leads 16 and 17 inside the shielded volume formed

0 металлической пленкой, что наилучшим образом предохран ет сейсмоприемник от электрических наводок.0 with a metal film, which best protects the seismic receiver from electrical interference.

Сейсмоприемник работает следующим образом.The seismic receiver operates as follows.

5 При перемещении сейсмоприемника под действием входного сигнала в силу инерционности механической системы происходит относительное перемещение инертной массы 4 и прогиб св занного с ней5 When the seismic receiver moves under the influence of the input signal due to the inertia of the mechanical system, the inertial mass 4 moves relative and the deflection associated with it

0 упругого элемента 5, которые воздействуют на жидкость гидравлической системы в объемах 6 и 9. При этом сила инерции, действующа на жидкость, пропорциональна массе и ускорению перемещени инертной массы0 of the elastic element 5, which act on the fluid of the hydraulic system in volumes 6 and 9. In this case, the inertia force acting on the fluid is proportional to the mass and acceleration of the inertial mass

5 4. В результате в объеме 6 создаетс разрежение , а и объеме 9 - сжатие и наоборот при изменении направлени перемещени инертной массы 4, т.е. изменение направлени , действи силы инерции. Через жид0 кость, которую считаем практически несжимаемой, сила передаетс основной 2 и дополнительной 7 колпзчковым мембранам с расположенными на них пьезоэлемен- тами 3 и 8, прогиба их. В результате на5 4. As a result, a vacuum is created in the volume 6, and compression is created in the volume 9, and vice versa when the direction of movement of the inert mass 4 changes, i.e. change of direction, action of inertia. Through a liquid, which we consider practically incompressible, the force is transmitted to the main 2 and additional 7 capsule membranes with piezoelectric elements 3 and 8 located on them, their deflection. As a result on

5 обкладках пьезоэлементов 3 и 8 по вл етс напр жение, характеризующее данное воз: действие.The 5 voltages of the piezoelectric elements 3 and 8 show the voltage characterizing this effect: action.

При этом пьезоэлементы 3 и 8 могут быть электрически соединены последова0 тельно или параллельно.In this case, the piezoelectric elements 3 and 8 can be electrically connected in series or in parallel.

Введение дополнительной колпачковой мембраны 7, вследствие чего инертна масса 4 полностью погружена в в зкую жидкость, приводит к увеличению демпфировани , сте5 пень которого возрастает с уменьшением боковых зазоров 22, между инертной массой 4 и корпусом 1, либо цилиндрическими буртиками 23 колпачковых мембран 2, 5 и 7, Вли ние на демпфирование остальных зазоров практически отсутствует. Введение демпфировани позволило расширить плоскую часть амплитудно-частотной характеристики сейсмоприемника в область высоких частое захватив область резонанса.The introduction of an additional cap membrane 7, as a result of which the inert mass 4 is completely immersed in a viscous liquid, leads to an increase in damping, the degree of which increases with decreasing side gaps 22, between the inert mass 4 and the housing 1, or cylindrical flanges 23 of the cap membranes 2, 5 and 7, there is virtually no effect on the damping of the remaining gaps. The introduction of damping made it possible to expand the flat part of the amplitude-frequency characteristics of the geophone in the high region, often capturing the resonance region.

Выбор величины зазоров 21 и 22 осуществл етс из следующих соображений.The selection of the gaps 21 and 22 is made from the following considerations.

Дл устранени нелинейных искажений величина прогиба мембраны с пьезоэле- ментом при изменении температуры не должна превышать 0.1 их толщины. Отсюда исходный объем хшдкостиIn order to eliminate nonlinear distortions, the deflection of the membrane with the piezoelectric element with temperature should not exceed 0.1 of their thickness. Hence the initial volume of hardness

инертной массой и центральными част ми колпэчковых мембран.inert mass and central parts of cap membranes.

Приравнива коэффициенты демпфировани дл движени цилиндрического телаEquating the damping coefficients for the movement of a cylindrical body

с боковой поверхностью S в зазоре шириной б, заполненном жидкостью с динэмической в зкостью fi , и дл движени тела массой m с круговой частотой (00 при показателе затухани е, получаем with a lateral surface S in a gap of width b filled with a fluid with a dynamic viscosity fi, and for moving a body of mass m with a circular frequency (00 for the attenuation index e, we obtain

д У -S - Ri I -ft т (i)0 г m F. f0d Y -S - Ri I -ft t (i) 0 g m F. f0

(б)(b)

VV

R2 hR2 h

7,5 ДТ -а 7.5 DT

(3) 15(3) 15

где V - исходный объем жидкости гидравлической системы при комнатной температуре;where V is the initial volume of fluid in the hydraulic system at room temperature;

а - коэффициент объемного расширени жидкости;a is the coefficient of volume expansion of the liquid;

h - толщина колпачковой мембраны с пъезоэлементом;h is the thickness of the cap membrane with a piezoelectric element;

R - радиус основной и дополнительной колпачковых мембран.R is the radius of the primary and secondary cap membranes.

Учитыва , что объем гидравлической системы сейсмоприемника составл етTaking into account that the volume of the hydraulic system of the seismic receiver is

У 2лг-A(2R2 -r2)+JTl(R2 -Ri), (A)2lg-A (2R2-r2) + JTl (R2 -Ri), (A)

ДD

где I - высота инертной массы;where I is the height of the inert mass;

RI - радиус цилиндрической инертной массы;RI is the radius of the cylindrical inert mass;

г - радиус площади колпачковой мемб- раны, защемленной инертной массой;g is the radius of the area of the cap membrane pinched by an inert mass;

А- величина зазора между инертной массой и центральными част ми колпачковых мембран,тоA is the gap between the inert mass and the central parts of the cap membranes, then

а. QtS-R -и а-|(2бв-б2)and. QtS-R- and a- | (2bv-b2)

2(2R2-r2)2 (2R2-r2)

. (5) . (5)

6- величина зазора между инертной мае- сой и цилиндрическими буртиками колпачковых мембран; 6 - the gap between the inert mass and the cylindrical flanges of the cap membranes;

Д Т - диапазон рабочих температур. Дл данного сейсмоприемника демпфирование зависит только от величины бокоD T - the range of operating temperatures. For a given geophone, damping depends only on the side

вого зазора и не зависит от зазора междуof the gap and does not depend on the gap between

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION 1. A seismic receiver comprising a housing with a transducer unit fixed therein having at least

where f0 is the frequency of the natural vibrations of the seismic receiver. v.

When RI - R - sz, m l / Ohm I

.

R2 and

where / is the kinematic viscosity of the liquid;

L - I R- - & LU

2-4 / Ohm I E to

(7)

with

0

5

0

,.

0

we obtain an expression for determining the lateral clearance in the geophone. In this case, the attenuation index, as follows from practice, should not be taken more than the value Y2 × -3 / corresponding to its optimal value.

The use of a case in the form of a closed, sealed -metal casing not mechanically connected with the central working parts of the cap membranes allows one to reduce the level of electrical pickups on the piezoelectric elements, reduce the influence of external spurious mechanical influences, wind, acoustic noise and, as a result, improve the quality of seismic recording information, achieve improved signal to noise ratio.

The air in the free volume of the body when the temperature and pressure changes causes condensation of water vapor, which leads to leaks, contributes to a wider dispersion of the parameters of the seismic receiver. Therefore, the air filling in the seismic receiver is replaced by a neutral medium, argon, and the pressure is less than atmospheric. In this case, the housing is sealed and equipped with a pressure seal.

one piezo membrane with a piezoelectric element fixed on its flat central part and provided with electrodes, and

an inert mass in the form of a body of revolution rigidly bonded to an elastic element passing through the center of gravity of the inert mass perpendicular to the working axis of the seismic receiver and forming a closed volume filled with liquid with a cap membrane, characterized in that, in order to increase the conversion coefficient and the exponent attenuation when expanding the operating frequency range, an additional cap-shaped membrane is installed in the housing with a piezoelectric element fixed on its flat central part, forming with an elastic element An additional closed volume is identical to the first one and also filled with liquid, the internal electrodes of the piezoelectric elements are electrically connected to each other, and the external ones are connected via current-output coils to the terminals of the seismic receiver, while the gaps between the inertial mass and the central parts of the cap membranes A, as well as between the cylindrical flanges of the cap membranes and the inert mass d are selected from the ratios.

and

d

0.133 R2 h / At; a- (2 (5 R -d2)

(2 2 -g2)

1 4 rm

P to

10

fifteen

twenty

25

where R is the radius of the primary and secondary cap membranes;

h is the thickness of the primary and secondary cap membranes;

AT - operating temperature range; A. - volume expansion coefficient of a liquid;

I is the height of the inert mass;

g is the radius of the area formed by the inert mass and the elastic element pinched by the inert mass;

RJ, rm fluid density and inert mass;

c-kinematic viscosity of the liquid;

Ј - index of attenuation;

fo is the frequency of the natural oscillations of the geophone.

.

2. The seismic receiver according to claim 1, with the exception of the fact that, in order to improve manufacturability, the housing is made of dielectric material with a metal film deposited on its inner surface, while the conversion unit is connected with the body protrusion on its side surface.

119