RU2054699C1

RU2054699C1 - Seismometer

Info

Publication number: RU2054699C1
Authority: RU
Inventors: А.С. Беляков; О.С. Беляков
Original assignee: Беляков Олег Сергеевич
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 1996-02-20

Abstract

FIELD: applied physics. SUBSTANCE: seismometer has housing containing inert mass, permanent magnet and magnetoelastic converter consisting of magnetoelastic sensitive element and measuring windings. Inert mass is made of nonmagnetic material, mainly of material of high density. Magnet is made in form of radially magnetized ring with poles on lateral cylindrical surfaces. Inert mass is rigidly secured to magnetoelastic sensitive element filling interior of radially magnetized ring with no clearance (i.e. rigidly fit on free end of magnetoelastic sensitive element for interaction with poles of magnet on inner lateral surface of magnetized ring). EFFECT: increased resonance frequency of natural oscillations of system which enhances resolving power of method and sensitivity due to optimization of construction and weakening of spurious external actions, thus increasing depth of seismic prospecting. 1 dwg

Description

Изобретение относится к технической физике, а именно к геофизическому приборостроению, и предназначено для использования в прикладной сейсмологии и сейсморазведке, в частности при вертикальном сейсмическом профилировании методом отраженных волн. The invention relates to technical physics, namely to geophysical instrumentation, and is intended for use in applied seismology and seismic exploration, in particular with vertical seismic profiling by the method of reflected waves.

Известен сейсмометр [1] содержащий инертную массу, посредством пружин прикрепленную к корпусу, магнитоэлектрический преобразователь сейсмических колебаний в электрические и источник опорного сигнала, выполненный в виде электромагнита, причем инертная масса выполнена в виде немагнитного стержня из, например, алюминия, на одном конце которого закреплена пластина из ферромагнетика, взаимодействующая с источником опорного сигнала, а на другом конце закреплена цилиндрическая катушка в виде незамкнутого кольца, помещенного в зазор магнитной системы магнитоэлектрического преобразователя. A known seismometer [1] containing an inert mass, by means of springs attached to the body, a magnetoelectric transducer of seismic vibrations into electrical waves and a reference signal source, made in the form of an electromagnet, and the inert mass is made in the form of a non-magnetic rod of, for example, aluminum, at one end of which is fixed a ferromagnet plate interacting with a reference signal source, and a cylindrical coil in the form of an open ring placed in the gap of a magnetic ohm magnetoelectric converter system.

Однако выполнение инертной массы в виде протяженного стержня в аксиальном направлении из материала типа алюминия, требуемого конструкцией известного сейсмометра, влечет за собой относительно невысокую резонансную частоту собственных колебаний системы, что приводит к ограничению сверху частотного диапазона чувствительности известного сейсмометра. Следствием этого является невысокая разрешающая способность такого сейсмометра. Выполнение магнитной системы магнитоэлектрического преобразователя в виде открытой системы с существенной частью незамкнутых магнитных линий приводит к наличию значительных полей рассеяния, что снижает эффективность работы преобразователя и ограничивает чувствительность известного сейсмометра. Указанная выше причина (незамкнутость магнитных линий) при протяженных размерах магнитной системы приводит также к тому, что эта система становится восприимчивой к внешним магнитным полям, т.е. своеобразной магнитной антенной. Это также ограничивает чувствительность известного сейсмометра. However, the execution of an inert mass in the form of an extended rod in the axial direction of a material such as aluminum, required by the design of the known seismometer, entails a relatively low resonant frequency of natural oscillations of the system, which leads to a limitation of the sensitivity frequency range of the known seismometer from above. The consequence of this is the low resolution of such a seismometer. The implementation of the magnetic system of the magnetoelectric transducer in the form of an open system with a significant part of open magnetic lines leads to the presence of significant scattering fields, which reduces the efficiency of the transducer and limits the sensitivity of the known seismometer. The above reason (magnetic lines open) with extended dimensions of the magnetic system also leads to the fact that this system becomes susceptible to external magnetic fields, i.e. a kind of magnetic antenna. It also limits the sensitivity of a known seismometer.

Известен сейсмометр [2] содержащий корпус, в котором жестко закреплен крестообразный магнитоупругий преобразователь, через постоянный магнит жестко соединенный с инертной массой. Known seismometer [2] containing a housing in which a cross-shaped magnetoelastic transducer is rigidly fixed, through a permanent magnet rigidly connected to an inert mass.

Подобно предложенному этот сейсмометр снабжен магнитоупругим преобразователем, что позволяет расширить частотный диапазон чувствительности сейсмометра в область более высоких частот. Like the proposed one, this seismometer is equipped with a magnetoelastic transducer, which allows you to expand the frequency range of the sensitivity of the seismometer to higher frequencies.

Однако жесткое соединение вышеуказанных элементов ведет к относительно низкой частоте резонанса собственных колебаний системы, а это через ограничение сверху частотного диапазона чувствительности известного сейсмометра ведет к относительно невысокой разрешающей способности такого прибора. Выполнение магнитной системы в виде крестообразной ферромагнитной балки и протяженного магнита обладает значительными полями рассеяния, что снижает эффективность работы преобразователя и ограничивает чувствительность известного сейсмометра, а также ведет к восприимчивости к внешним магнитным полям и дополнительно ограничивает чувствительность такого сейсмометра. However, a rigid connection of the above elements leads to a relatively low resonance frequency of the natural oscillations of the system, and this, by limiting from above the frequency range of the sensitivity of the known seismometer, leads to a relatively low resolution of such an instrument. The implementation of the magnetic system in the form of a cross-shaped ferromagnetic beam and an extended magnet has significant scattering fields, which reduces the efficiency of the transducer and limits the sensitivity of the known seismometer, and also leads to susceptibility to external magnetic fields and further limits the sensitivity of such a seismometer.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является сейсмометр [3] содержащий корпус, и инертную массу и магнитоупругий преобразователь, торец которого прикреплен к одному полюсу постоянного магнита, к другому полюсу которого прикреплена инертная масса, причем инертная масса и корпус выполнены из ферромагнитного материала. The closest in technical essence to the proposed one is a seismometer [3] containing a body, and an inert mass and a magnetoelastic transducer, the end of which is attached to one pole of a permanent magnet, the inert mass is attached to the other pole, the inert mass and the body made of ferromagnetic material.

Подобно предложенному известное техническое решение, принятое за прототип, снабжено магнитоупругим преобразователем, что позволяет расширить частотный диапазон чувствительности сейсмометра в область более высоких частот. Like the proposed known technical solution adopted for the prototype, is equipped with a magnetoelastic transducer, which allows you to expand the frequency range of the sensitivity of the seismometer in the region of higher frequencies.

Однако жесткое соединение вышеуказанных элементов ведет к относительно низкой собственной резонансной частоте системы. Вследствие применения постоянного магнита в виде цилиндра, расположенного вдоль вертикальной оси преобразователя, увеличивается характеристическая длина маятника (колебательной системы) при детектировании горизонтальных компонент сейсмического сигнала по сравнению с детектированием вертикальной компоненты такого сигнала. Это дополнительно снижает частоту резонанса собственных колебаний системы в горизонтальной плоскости. Выполнение магнитной системы с частично незамкнутыми силовыми линиями магнитного поля ведет к появлению значительных полей рассеяния, что снижает эффективность работы преобразователя и ограничивает чувствительность известного решения (прототипа). However, a rigid connection of the above elements leads to a relatively low natural resonant frequency of the system. Due to the use of a permanent magnet in the form of a cylinder located along the vertical axis of the transducer, the characteristic length of the pendulum (oscillation system) increases when detecting the horizontal components of the seismic signal compared to detecting the vertical components of such a signal. This further reduces the resonance frequency of the natural oscillations of the system in the horizontal plane. The implementation of the magnetic system with partially open field lines of the magnetic field leads to the appearance of significant scattering fields, which reduces the efficiency of the Converter and limits the sensitivity of the known solutions (prototype).

По вышеуказанной причине и в связи с относительно большой протяженностью в пространстве ферромагнитных деталей известного решения, таких как корпус, инертная масса и постоянный магнит, известное решение является весьма восприимчивой магнитной антенной, откликающейся на воздействие внешних магнитных полей, паразитное воздействие которых также ограничивает чувствительность известного решения (прототипа). For the above reason and due to the relatively large extent in space of the ferromagnetic parts of the known solution, such as the housing, inert mass and permanent magnet, the known solution is a highly susceptible magnetic antenna that responds to external magnetic fields, the parasitic effect of which also limits the sensitivity of the known solution (prototype).

Изобретение направлено на решение таких важных задач прикладной сейсмологии и сейсморазведки, как повышение разрешающей способности и увеличение глубины разведки, в частности, при вертикальном сейсмическом профилировании методом отраженных волн. The invention is aimed at solving such important problems of applied seismology and seismic exploration as increasing the resolution and increasing the depth of exploration, in particular, with vertical seismic profiling by the method of reflected waves.

Решение указанных задач осуществляется посредством повышения резонансной частоты собственных колебаний системы, что обеспечивает повышение разрешающей способности, и повышением чувствительности предлагаемого устройства за счет оптимизации конструкции и ослабления паразитных внешних воздействий, что обеспечивает увеличение глубины разведки. The solution of these problems is carried out by increasing the resonant frequency of the natural oscillations of the system, which improves the resolution and increases the sensitivity of the proposed device by optimizing the design and attenuating spurious external influences, which ensures an increase in the depth of exploration.

Вышеуказанные технические результаты могут быть получены при осуществлении такого технического решения как сейсмометр, содержащий корпус с размещенными в нем инертной массой, постоянным магнитом и магнитоупругим преобразователем из магнитоупругого чувствительного элемента и измерительных обмоток и отличающийся выполнением инертной массы из немагнитного материала предпочтительно высокой плотности, выполнением магнита в виде радиально намагниченного кольца с полюсами на боковых (цилиндрических) поверхностях, жестким скреплением инертной массы с магнитоупругим чувствительным элементом, заполняющим внутреннюю полость радиально намагниченного кольца без зазора (т.е. с жестко насаженным кольцом). The above technical results can be obtained by implementing a technical solution such as a seismometer containing a housing with an inert mass, a permanent magnet and a magnetoelastic transducer made of a magnetoelastic sensing element and measuring windings, and characterized by the performance of an inert mass of a nonmagnetic material of preferably high density, by performing a magnet in in the form of a radially magnetized ring with poles on the lateral (cylindrical) surfaces, rigid bonding nertnoy mass with magnetoelastic sensor element, filling the inner cavity of the radially magnetized ring with no gap (i.e. the fitted rigidly with a ring).

Поскольку все вышеперечисленные признаки влияют на решение поставленных задач, то они являются существенными. Однако среди вышеуказанных признаков можно выделить частные существенные признаки, отличающие конкретные формы выполнения предлагаемого устройства. К таким признакам относятся следующие. Выполнение инертной массы из материала высокой плотности и размещение полюсов магнита на цилиндрических поверхностях магнита. Since all of the above signs affect the solution of tasks, they are significant. However, among the above features, one can distinguish private essential features that distinguish specific forms of execution of the proposed device. These signs include the following. The implementation of an inert mass of high density material and the placement of the poles of the magnet on the cylindrical surfaces of the magnet.

Между вышеперечисленными существенными признаками и достигаемыми техническими результатами существуют следующие причинно-следственные связи. Применение в сейсмометре, состоящем из корпуса с размещенными в нем постоянным магнитом и инертной массой, магнитоупругого преобразователя позволяет повысить резонансную частоту собственных колебаний системы, так же как выполнение инертной массы из материала высокой плотности и конструктивное выполнение устройства с жесткими связями. Выполнение инертной массы из немагнитного материала позволяет повысить чувствительность предлагаемого устройства за счет снижения восприимчивости сейсмометра к паразитным внешним магнитным воздействиям (наводкам) за счет невосприимчивости этих наводок инертной массой в отличие от известных решений. Выполнение магнита в виде радиально намагниченного кольца с полюсами на боковых поверхностях позволяет повысить чувствительность за счет снижения наводок благодаря концентрации магнитного поля внутри магнита и части магинитоупругого чувствительного элемента, без зазора заполняющего внутреннюю полость магнита в виде кольца. Посадка кольцевого магнита на свободный конец магнитоупругого чувствительного элемента обеспечивает создание в последнем требуемого намагничивания без внешних помех, что также повышает чувствительность. Выполнение кольцевого магнита с боковыми цилиндрическими поверхностями упрощает конструкцию и изготовление магнита и магнитоупругого чувствительного элемента. Жесткое скрепление инертной массы с магнитоупругим чувствительным элементом и последнего с кольцевым магнитом обеспечивает повышение резонансной частоты собственных колебаний системы за счет суммарного увеличения колеблющейся массы. Вследствие замкнутости циркулирующих в устройстве магнитных потоков повышается чувствительность из-за отсутствия эффекта магнитной антенны. Выполнение магнита в виде кольца и соответствующего выполнения магнитоупругого чувствительного элемента обеспечивает сближение механических параметров колебательной системы в вертикальном и горизонтальном направлениях. В результате этого соответственно сближаются резонансные частоты системы в указанных направлениях. Таким образом, оказывается возможным получить равномерную линейную характеристику сейсмометра предложенной конструкции в диапазонах частот до 500 Гц в горизонтальном направлении и до 1-2 кГц в вертикальном, а разрешающую способность повысить до пределов, обеспечивающих одномоментное (т.е. без дополнительной статистической обработки) обнаружение при вертикальном сейсмическом профилировании слоев толщиной от 50 до 20 м. Between the above essential features and the achieved technical results, there are the following cause-effect relationships. The use of a magnetoelastic transducer in a seismometer consisting of a housing with a permanent magnet and an inertial mass placed inside it makes it possible to increase the resonant frequency of the natural oscillations of the system, as well as performing an inertial mass from high-density material and constructive design of the device with rigid connections. The implementation of an inert mass of non-magnetic material allows you to increase the sensitivity of the proposed device by reducing the susceptibility of the seismometer to spurious external magnetic influences (pickups) due to the immunity of these pickups with an inert mass, in contrast to the known solutions. The implementation of the magnet in the form of a radially magnetized ring with poles on the side surfaces allows you to increase sensitivity by reducing interference due to the concentration of the magnetic field inside the magnet and part of the magnetoelastic sensor without filling the inner cavity of the magnet in the form of a ring. The landing of the ring magnet on the free end of the magnetoelastic sensing element ensures that the latter generates the required magnetization without external interference, which also increases the sensitivity. The implementation of the annular magnet with side cylindrical surfaces simplifies the design and manufacture of the magnet and the magnetoelastic sensing element. Rigid bonding of an inert mass with a magnetoelastic sensitive element and the latter with a ring magnet provides an increase in the resonant frequency of the natural oscillations of the system due to the total increase in the oscillating mass. Due to the closure of the magnetic flux circulating in the device, the sensitivity increases due to the lack of the effect of a magnetic antenna. The implementation of the magnet in the form of a ring and the corresponding implementation of the magnetoelastic sensing element provides approximation of the mechanical parameters of the oscillatory system in the vertical and horizontal directions. As a result of this, the resonant frequencies of the system approach in the indicated directions, respectively. Thus, it is possible to obtain a uniform linear characteristic of the seismometer of the proposed design in the frequency ranges up to 500 Hz in the horizontal direction and up to 1-2 kHz in the vertical, and the resolution can be increased to the limits that provide simultaneous (i.e., without additional statistical processing) detection with vertical seismic profiling of layers from 50 to 20 m thick.

На чертеже представлен предлагаемый сейсмометр в разрезе. The drawing shows the proposed seismometer in section.

Сейсмометр содержит корпус 1, выполненный из ферромагнитного материала, внутри которого жестко закреплен один торец магнитоупругого чувствительного элемента 2, свободный конец которого проходит через полость кольцевого магнита 3, имеющего радиальное направление намагничивания и полюса на боковых поверхностях кольца. Магнит 3 закреплен на свободном конце магнитоупругого чувствительного элемента 2 так, что торцовые плоскости магнита 3 перпендикулярны продольной оси магнитоупругого чувствительного элемента 2, к свободному торцу которого жестко прикреплена инертная масса 4, выполненная из немагнитного материала. Магнитоупругий чувствительный элемент 2 снабжен измерительными обмотками 5. The seismometer contains a housing 1 made of ferromagnetic material, inside of which one end of the magnetoelastic sensing element 2 is rigidly fixed, the free end of which passes through the cavity of the annular magnet 3, which has a radial direction of magnetization and a pole on the side surfaces of the ring. The magnet 3 is fixed on the free end of the magnetoelastic sensing element 2 so that the end faces of the magnet 3 are perpendicular to the longitudinal axis of the magnetoelastic sensing element 2, to the free end of which the inert mass 4 is made rigidly made of non-magnetic material. The magnetoelastic sensing element 2 is equipped with measuring windings 5.

Сейсмометр работает следующим образом. A seismometer works as follows.

Под воздействием сейсмического возбуждения корпус 1, воспринявший это возбуждение, смещается относительно удерживаемой в состоянии покоя инертной массы 4. Вследствие жесткого закрепления с инертной массой 4 магнитоупругого чувствительного элемента 2 в последнем возникают механические напряжения, изменяющие его форму, а значит, и магнитный поток, взаимодействующий с полем постоянного магнита 3. Изменение магнитного потока возбуждает в обмотках 5 ЭДС, характеризующую продетектированное возбуждение посредством третьей производной по времени от смещения корпуса, вызванного этим возбуждением. Under the influence of seismic excitation, the housing 1, perceiving this excitation, is shifted relative to the inert mass 4 held at rest. Due to the rigid fastening of the magnetoelastic sensing element 2 with the inert mass 4, the latter generates mechanical stresses that change its shape, and hence the magnetic flux interacting with a field of a permanent magnet 3. A change in the magnetic flux excites in the windings 5 EMF, which characterizes the detected excitation by means of the third time derivative Change from housing displacement caused by this excitation.

Таким образом, предложенное решение при сохранении таких достоинств прототипа как простота и надежность устройства обеспечивает повышение резонансной частоты собственных колебаний системы. Это позволяет вести высокоразрешающую сейсморазведку с использованием более высокочастотного возбуждения сейсмических колебаний. Локализация магнитного поля за счет предлагаемого расположения и формы выполнения постоянного магнита ведет к повышению эффективности преобразования и снижению влияния внешних наводок, благодаря чему увеличивается глубина разведки. Thus, the proposed solution while maintaining such advantages of the prototype as the simplicity and reliability of the device provides an increase in the resonant frequency of the natural oscillations of the system. This allows for high-resolution seismic exploration using more high-frequency excitation of seismic vibrations. Localization of the magnetic field due to the proposed location and form of the permanent magnet leads to an increase in conversion efficiency and a decrease in the influence of external interference, thereby increasing the depth of exploration.

Claims

SEISMOMETER containing a permanent magnet placed in a body made of ferromagnetic material, an inert mass and a magnetoelastic transducer made in the form of a magnetoelastic sensing element attached to one end of the body on which measuring windings are located, characterized in that the inert mass is made of non-magnetic material and is rigidly fastened with a free end face of the magnetoelastic sensing element, and the permanent magnet is made in the form of a radially magnetized ring with poles on lateral surfaces rigidly mounted on the free end of the magnetoelastic sensor so that the end surfaces of the magnet are perpendicular to the longitudinal axis of the magnetoelastic sensor.