RU2060506C1

RU2060506C1 - Differential accelerometer

Info

Publication number: RU2060506C1
Application number: RU93045204A
Authority: RU
Inventors: Р.А. Шакиров; П.Г. Соловьев; Е.Н. Курбацкий; Д.А. Малышев
Original assignee: Шакиров Рустам Анисович
Priority date: 1993-09-22
Filing date: 1993-09-22
Publication date: 1996-05-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: axial stops arranged on ends of inertial mass bend piezoids outside and their internal conducting plates are electrically insulated from inertial mass. External conducting plates of piezoids are made in the form of two concentric electrically insulated sections one of which is connected to metering circuit of charge amplifier and other one, to negative feedback circuit of the latter. Outputs of charge amplifier of each piezoid are connected to differential amplifier input. Accelerometer can use differential amplifier for amplifying useful signal and reducing noise. EFFECT: improved sensitivity and measurement accuracy. 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения параметров колебаний в сейсмометрии. The invention relates to measuring technique and can be used, in particular, for measuring vibration parameters in seismometry.

Известен пьезоэлектрический сейсмоприемник [1] содержащий цилиндрический корпус, на торцах которого установлены пьезоэлектрические преобразователи, выполненные в виде сборки из металлической мембраны и закрепленных на ней двух пьезокерамических дисков. Known piezoelectric seismic receiver [1] containing a cylindrical body, at the ends of which there are piezoelectric transducers made in the form of an assembly of a metal membrane and two piezoelectric disks fixed to it.

Недостатком сейсмоприемника является его низкая чувствительность. The disadvantage of the seismic receiver is its low sensitivity.

Известен также пьезоэлектрический сейсмоприемник [2] содержащий составной (из стали и эбонита) цилиндрический корпус, герметически закрытый с торцов крышками, пьезоэлектрические преобразователи, жестко закрепленные внутри корпуса, и заключенную между ними жидкостную (например, ртуть) инерционную массу. Каждый пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде сборки из металлической мембраны и закрепленных на ней двух пьезокерамических дисков. Also known is a piezoelectric seismic receiver [2] containing a composite (steel and ebonite) cylindrical body, hermetically sealed at the ends of the covers, piezoelectric transducers rigidly fixed inside the body, and an inertial liquid (for example, mercury) enclosed between them. Each piezoelectric transducer is made in the form of an assembly of a metal membrane and two piezoelectric disks mounted on it.

При воздействии на корпус ускорения инерционная масса создает давление на пьезоэлементы, которые при этом прогибаются, а на их обкладках возникает заряды, плотность которых пропорциональна величине действующего ускорения. When exposed to the acceleration case, the inertial mass creates pressure on the piezoelectric elements, which in this case bend, and charges arise on their plates, the density of which is proportional to the value of the effective acceleration.

При последовательном соединении пьезоэлектрических преобразователей сигналы, снимаемые с наружных обкладок пьезоэлементов суммируются, что повышает чувствительность устройства в целом. When the piezoelectric transducers are connected in series, the signals taken from the outer plates of the piezoelectric elements are added up, which increases the sensitivity of the device as a whole.

Недостаток рассмотренного сейсмоприемника заключается в том, что наряду с полезным сигналом, возникающим под действием ускорения вдоль оси сейсмоприемника, на него накладываются паразитные звуковые колебания, которые могут действовать в самых различных направлениях. The disadvantage of the considered geophone is that along with the useful signal arising under the action of acceleration along the axis of the geophone, spurious sound vibrations are superimposed on it, which can act in a variety of directions.

Другой недостаток заключается в том, что давление жидкостной инерционной массы на пьезоэлементы рассредоточено по всей площади пьезокерамических дисков, в то время как наиболее чувствительной к деформирующим усилиям является их центральная часть. Another disadvantage is that the pressure of the liquid inertial mass on the piezoelectric elements is dispersed over the entire area of the piezoceramic disks, while the central part is the most sensitive to deforming forces.

Кроме того, к недостаткам устройства следует отнести технологическую сложность заполнения сейсмоприемника жидкостной инерционной массой, при котором необходимо избежать образования пустот, воздушных капель и подушек, так как прибольших гидростатических давлениях они могут стать причиной разрушения конструкции. In addition, the disadvantages of the device include the technological complexity of filling the seismic receiver with a liquid inertial mass, in which it is necessary to avoid the formation of voids, air droplets and pillows, since at high hydrostatic pressures they can cause structural destruction.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому техническому эффекту к изобретению являетсчя сеймометр [3] содержащий цилиндрический корпус, герметически закрытый с торцов крышками, и пьезоэлементы в форме дисков, жестко закрепленных внутри корпуса. Между пьезоэлементами размещена инерционная масса в виде цилиндрического поршня, жестко закрепленного на пьезоэлементах при помощи шайб, уплотнительных прокладок и зажимных винтов, установленных в центре дисков. Свободное пространство между пьезоэлементами, инерционной массой и корпусом заполнено демпфирующей жидкостью. The closest in technical essence and the achieved technical effect to the invention is a seismometer [3] containing a cylindrical body, hermetically sealed at the ends of the caps, and piezoelectric elements in the form of disks rigidly fixed inside the case. Between the piezoelectric elements there is an inertial mass in the form of a cylindrical piston rigidly fixed to the piezoelectric elements with washers, sealing gaskets and clamping screws installed in the center of the disks. The free space between the piezoelectric elements, the inertial mass and the housing is filled with a damping fluid.

Воздействие ускорения на корпус сейсмометра вдоль оси чувствительности приводит к одновременному прогибу пьезоэлементов, на обкладках которых возникают заряды, плотность которых пропорциональна величине действующего ускорения. При этом демпфирующая жидкость гасит собственные колебания инерционной массы, улучшая амплитудно-частотную характеристику сейсмометра. При последовательном соединении пьезоэлементов их заряды, являющиеся выходным сигналом, суммируются, повышая чувствительность сейсмометра. The effect of acceleration on the body of the seismometer along the sensitivity axis leads to a simultaneous deflection of the piezoelectric elements, on the plates of which charges arise whose density is proportional to the value of the effective acceleration. In this case, the damping fluid damps the natural oscillations of the inertial mass, improving the amplitude-frequency characteristic of the seismometer. When the piezoelectric elements are connected in series, their charges, which are the output signal, are added together, increasing the sensitivity of the seismometer.

Недостатком сейсмометра является то, что заряды, возникающие на обкладках пьезоэлементов, в результате боковых воздействий и различных звуковых колебаний в скважине, представляющие собой помеху, регистрируются как полезный сигнал. The disadvantage of the seismometer is that the charges arising on the plates of the piezoelectric elements, as a result of lateral influences and various sound vibrations in the well, which are an obstacle, are recorded as a useful signal.

Другой недостаток состоит в том, что демпфирующая жидкость рассредотачивает давление инерционной массы на пьезоэлементы, что уменьшает изгибные деформации и, следовательно, чувствительность сейсмометра. Этот недостаток усугубляется тем, что в центральной части пьезоэлементов, наиболее чувствительной к деформирующим усилиям, имеется отверстие под узел крепления инерционной массы к пьезоэлементам. Another disadvantage is that the damping fluid disperses the pressure of the inertial mass onto the piezoelectric elements, which reduces bending deformation and, therefore, the sensitivity of the seismometer. This disadvantage is compounded by the fact that in the central part of the piezoelectric elements, which is most sensitive to deforming forces, there is an opening for the attachment point of the inertial mass to the piezoelectric elements.

Недостатком рассматриваемого устройства является также зависимость вязкости демпфирующей жидкости, а следовательно, и эффективности демпфирования от температуры. The disadvantage of this device is also the dependence of the viscosity of the damping fluid, and hence the efficiency of damping on temperature.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и точности измерений в широком диапазоне изменения температуры. The technical result of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of measurements in a wide range of temperature changes.

Это достигается тем, что в устройстве, содержащем цилиндрический корпус, герметически закрытый с торцов крышками, пьезоэлементы в форме дисков, жестко закрепленных по контуру внутри корпуса, и инерционную массу в виде цилиндрического поршня, установленного между пьезоэлементами и жестко скрепленного с ними, пьезоэлементы изогнуты наружу при помощи осевых упоров, размещенных с торцов инерционной массы и электрически изолирующих ее от внутренних токопроводящих обкладок пьезоэлементов, а наружные токопроводящие обкладки пьезоэлементов выполнены из двух концентрически расположенных и электрически изолировнных секций с возможностью подключения одной из секций каждого пьезоэлемента в измерительную цепь усилителя заряда, а другой в цепь отрицательной обратной связи последнего, причем выходы усилителей заряда каждого из пьезоэлементов соединены с входом дифференциального усилителя. This is achieved by the fact that in a device containing a cylindrical body hermetically sealed at the ends of the caps, piezoelectric elements in the form of disks rigidly fixed along the contour inside the body, and an inertial mass in the form of a cylindrical piston mounted between the piezoelectric elements and rigidly fastened with them, the piezoelectric elements are bent outward using axial stops placed at the ends of the inertial mass and electrically isolating it from the internal conductive plates of the piezoelectric elements, and the external conductive plates of the piezoelectric elements made of two concentrically located and electrically isolated sections with the possibility of connecting one of the sections of each piezoelectric element to the measuring circuit of the charge amplifier, and the other to the negative feedback circuit of the latter, and the outputs of the charge amplifiers of each of the piezoelectric elements are connected to the input of the differential amplifier.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство, продольный разрез; на фиг. 2 конструкция наружных обкладок пьезоэлементов; на фиг. 3 электрическая схема акселерометра. In FIG. 1 shows the proposed device, a longitudinal section; in FIG. 2 design of the outer plates of the piezoelectric elements; in FIG. 3 electrical diagram of the accelerometer.

Дифференциальный акселерометр содержит цилиндрический корпус 1, герметически закрытый с торцов крышками 2, пьезоэлементы 3 в форме дисков, жестко закрепленных по контуру внутри корпуса, и инерционную массу 4 в виде цилиндрического поршня, установленного между пьезоэлементами и жестко скрепленного с ними. Пьезоэлементы изогнуты наружу при помощи осевых упоров 5, размещенных с торцов инерционной массы и изолирующих ее от внутренних токопроводящих обкладок 6 пьезоэлементов. The differential accelerometer contains a cylindrical body 1, hermetically sealed at the ends by covers 2, piezoelectric elements 3 in the form of disks rigidly fixed along the contour inside the body, and an inertial mass 4 in the form of a cylindrical piston mounted between the piezoelectric elements and rigidly attached to them. The piezoelectric elements are bent outward by means of axial stops 5 located at the ends of the inertial mass and isolating it from the internal conductive plates 6 of the piezoelectric elements.

Наружные токопроводящие обкладки пьезоэлементов выполнены из двух концентрически расположенных и электрически изолированных секций 7 и 8. Одна из секций каждого пьезоэлемента может быть подключена в измерительную цепь усилителя заряда 9, а другая в цепь отрицательной обратной связи последнего. При этом выходы усилителей заряда каждого из пьезоэлементов соединены с входом дифференциального усилителя 10. The outer conductive plates of the piezoelectric elements are made of two concentrically arranged and electrically isolated sections 7 and 8. One of the sections of each piezoelectric element can be connected to the measuring circuit of the charge amplifier 9, and the other to the negative feedback circuit of the latter. In this case, the outputs of the charge amplifiers of each of the piezoelectric elements are connected to the input of the differential amplifier 10.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При воздействии ускорения на корпус 1 инерционная масса 4 давит на пьезоэлементы 3, деформируя их. При этом на токопроводящих обкладок 6, 7 и 8 пьезоэлементов возникают заряды, плотность которых пропорциональна величине деформации и деформирующего на корпус ускорения. Благодаря направленному действию осевых упоров 5 на пьезоэлементы повышается чувствительность устройства. С пьезоэлементов заряды подаются на усилители заряда 9. Under the influence of acceleration on the housing 1, the inertial mass 4 presses on the piezoelectric elements 3, deforming them. In this case, charges arise on the conductive plates 6, 7 and 8 of the piezoelectric elements, the density of which is proportional to the magnitude of the deformation and the acceleration deforming to the housing. Due to the directed action of the axial stops 5 on the piezoelectric elements increases the sensitivity of the device. From piezoelectric elements charges are fed to charge amplifiers 9.

Наличие отрицательной обратной связи в усилителях заряда и подключение секций наружных токопроводящих обкладок 7 и 8, соответственно в измерительную цепь и цепь отрицательной обратной связи позволяет стабилизировать работу усилителей заряда и повысить точность измерений в широком диапазоне измерения температуры. С выхода усилителей заряда сигналы подаются на дифференциальный усилитель. При воздействии ускорения на корпус в осевом направлении, вызывающем полезный сигнал, пьезоэлементы изгибаются в одну сторону. Поскольку пьезоэлементы имеют начальный изгиб наружу, один из них будет при этом испытывать деформацию сжатия, а другой растяжения. При этом на выходе усилителей заряда будут действовать сигналы разного знака, которые, проходя через дифференциальный усилитель 10, суммируются. При воздействии поперечных ускорений на корпус, вызывающих паразитный сигнал, пьезоэлементы, благодаря начальному изгибу будут деформироваться одинаково, работая либо на сжатие, либо на растяжение. При этом на выходе усилителей заряда будут действовать сигналы одного знака, которые при прохождении через дифференциальный усилитель будут вычитаться, уменьшая уровень паразитного сигнала. The presence of negative feedback in the charge amplifiers and the connection of the sections of the external conductive plates 7 and 8, respectively, in the measuring circuit and the negative feedback circuit allows you to stabilize the work of the charge amplifiers and increase the accuracy of measurements in a wide temperature measurement range. From the output of the charge amplifiers, the signals are fed to a differential amplifier. When acceleration is applied to the housing in the axial direction, causing a useful signal, the piezoelectric elements bend in one direction. Since the piezoelectric elements have an initial bending outward, one of them will undergo compression deformation and the other tensile. In this case, at the output of the charge amplifiers, signals of a different sign will act, which, passing through the differential amplifier 10, are summed. Under the influence of transverse accelerations on the case, causing a spurious signal, the piezoelectric elements, due to the initial bending, will be deformed the same way, working either in compression or in tension. In this case, the signals of the same sign will act at the output of the charge amplifiers, which, when passing through the differential amplifier, will be subtracted, reducing the level of the stray signal.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет использовать дифференциальный усилитель для усиления полезного сигнала и подавления помех, что повышает чувствительность и точность измерений. Thus, the proposed design allows the use of a differential amplifier to amplify the useful signal and suppress noise, which increases the sensitivity and accuracy of measurements.

Claims

A differential accelerometer comprising a cylindrical body hermetically sealed at the ends of the caps, piezoelectric elements in the form of disks rigidly fixed along the contour inside the body, and an inertial mass in the form of a cylindrical piston mounted between the piezoelectric elements and rigidly fastened with them, characterized in that the piezoelectric elements are bent outward with axial stops placed at the ends of the inertial mass and electrically isolating it from the internal conductive plates of the piezoelectric elements, and the external conductive plates the piezoelectric elements are made of two concentrically arranged and electrically isolated sections with the possibility of connecting one of the sections of each piezoelectric element to the measuring circuit of the charge amplifier, and the other to the negative feedback circuit of the latter, the outputs of the charge amplifiers of each of the piezoelectric elements being connected to the input of the differential amplifier.