RU2193218C2

RU2193218C2 - Piezomagnetic geophone

Info

Publication number: RU2193218C2
Application number: RU2000130437/28A
Authority: RU
Inventors: В.А. Щецов; В.В. Мотузюк; И.А. Полевик; А.Г. Полевик
Original assignee: Зао "Техкомплект"
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2002-11-20

Abstract

FIELD: measurement technology, primary transducers-energy converters, seismic prospecting, underwater acoustics, alarm systems detecting traveling targets. SUBSTANCE: piezomagnetic geophone has case housing three induction coils, three permanent magnets with formation of intermagnet distances X₁ and X₂ and two piezoceramic elements with straps. Permanent magnets and piezoceramic elements with straps are so positioned on one axis that center magnet is placed in magnetic suspension with flexibility C which allows it travel along axis within intermagnet distances X₁ and X₂. EFFECT: increased specific sensitivity and noise immunity. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, к первичным датчикам-преобразователям энергии и может быть использовано в сейсмической разведке и в гидроакустических устройствах. The invention relates to measuring equipment, to primary sensors-converters of energy and can be used in seismic exploration and in hydroacoustic devices.

Известны первичные датчики давления - гидрофоны [1, 2], состоящие из поляризованной пьезокерамики с выводами, помещенной в защитную звукопрозрачную оболочку. Primary pressure sensors are known - hydrophones [1, 2], consisting of polarized piezoceramics with leads placed in a protective soundproof shell.

Несмотря на достаточно ровную амплитудно-частотную характеристику в области низких частот, все же выделить полезный сигнал на низких звуковых и инфразвуковых частотах в неоднородной среде на фоне внешних шумов весьма затруднительно ввиду малой удельной чувствительности самого пьезокерамического элемента. Despite the fairly even amplitude-frequency response in the low-frequency region, it is still very difficult to isolate a useful signal at low sound and infrasound frequencies in an inhomogeneous medium against external noise due to the low specific sensitivity of the piezoceramic element itself.

Ближайшим аналогом заявляемого технического решения являются первичные датчики скорости - геофоны [3, 4], состоящие из корпуса, в котором размещены индукционная катушка, закрепленная к корпусу на упругой подвеске, и неподвижный постоянный магнит, размещенный внутри индукционной катушки, также закрепленный на корпусе. The closest analogue of the claimed technical solution are primary speed sensors - geophones [3, 4], consisting of a housing in which an induction coil is mounted, mounted to the housing on an elastic suspension, and a fixed permanent magnet located inside the induction coil, also mounted on the housing.

Недостатком геофонов является то, что они имеют резонансную амплитудно-частотную характеристику и при смещении в сторону низких частот падает чувствительность приемных устройств из-за быстрого возрастания упругого сопротивления подвеса индукционной катушки [4], ухудшается основной показатель приемного устройства, это отношение энергии полезного сигнала к энергии существующей помехи, поэтому выделить полезный низкочастотный сигнал в неоднородной среде, да еще на фоне внутренних и внешних шумов весьма затруднительно. The disadvantage of geophones is that they have a resonant amplitude-frequency characteristic and when shifted towards low frequencies, the sensitivity of the receiving devices decreases due to the rapid increase in the elastic resistance of the suspension of the induction coil [4], the main indicator of the receiving device deteriorates, this is the ratio of the useful signal energy to energy of the existing interference; therefore, it is very difficult to isolate a useful low-frequency signal in an inhomogeneous medium, and even against the background of internal and external noise.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности выделения полезного низкочастотного сигнала в широкой полосе частот в неоднородной среде за счет увеличения первичным датчиком начальных экстремальных значений индуцируемой ЭДС, т.е. за счет повышения удельной чувствительности и помехозащищенности. The aim of the present invention is to increase the efficiency of the selection of a useful low-frequency signal in a wide frequency band in an inhomogeneous medium by increasing the primary sensor of the initial extreme values of the induced EMF, i.e. by increasing the specific sensitivity and noise immunity.

Поставленная цель достигается тем, что известный геофон, содержащий корпус, индукционную катушку и постоянный магнит, снабжен еще двумя индукционными катушками, двумя постоянными магнитами и двумя пьезокерамическими элементами с накладками. This goal is achieved by the fact that the well-known geophone, comprising a housing, an induction coil and a permanent magnet, is equipped with two more induction coils, two permanent magnets and two piezoceramic elements with overlays.

Все три постоянных магнита размещены на одной оси и одноименными полосами друг к другу с образованием между ними двух межмагнитных расстояний X₁ и Х₂ так, чтобы средний магнит оказался в магнитной подвеске с возможностью его перемещения вдоль оси.All three permanent magnets are placed on the same axis and with the same strips to each other with the formation of two intermagnetic distances X ₁ and X ₂ between them so that the middle magnet is in the magnetic suspension with the possibility of its movement along the axis.

Пьезокерамические элементы также размещены на одной оси с пластинами постоянных магнитов, а катушки неподвижно закреплены на корпусе. Piezoceramic elements are also placed on the same axis as the permanent magnet plates, and the coils are fixedly mounted on the housing.

На чертеже схематично изображен пьезомагнитный геофон. The drawing schematically shows a piezomagnetic geophone.

Пьезомагнитный геофон состоит из корпуса 1, в котором размещены три кольцевые индукционные катушки 2, 3 и 4. С двух торцов корпуса 1 размещены накладки 5 и 6, на которых жестко закреплены пьезокерамические элементы 7 и 8, а на элементах 7 и 8 на жестких магнитопроводящих подложках 9 и 10 закреплены пластины постоянных магнитов 11 и 12. A piezomagnetic geophone consists of a housing 1, in which three ring induction coils 2, 3, and 4 are placed. From the two ends of the housing 1, pads 5 and 6 are placed, on which piezoceramic elements 7 and 8 are rigidly fixed, and on rigid elements 7 and 8 substrates 9 and 10 fixed plate of permanent magnets 11 and 12.

Между магнитами 11 и 12 размещен третий постоянный магнит 13, при этом его диаметр может быть равным, больше или меньше диаметров магнитов 11 и 12, а его центральная ось 14 выполнена из немагнитного материала и размещена в подшипниках скольжения 15. Between the magnets 11 and 12 a third permanent magnet 13 is placed, while its diameter can be equal to, greater or less than the diameters of the magnets 11 and 12, and its central axis 14 is made of non-magnetic material and placed in the bearings 15.

Все пластины постоянных магнитов 11, 12 и 13 размещены на одной оси с образование воздушных магнитных зазоров X₁ и Х₂ и одноименными полюсами друг к другу, при этом средняя плоскость магнита 13 пересекает индукционную катушку 3, а магниты 11 и 12 размещены во внутреннем объеме катушек 2 и 4.All plates of permanent magnets 11, 12 and 13 are placed on the same axis with the formation of air magnetic gaps X ₁ and X ₂ and the same poles to each other, while the middle plane of magnet 13 intersects the induction coil 3, and the magnets 11 and 12 are placed in the internal volume coils 2 and 4.

Магнитные потоки Ф₁,Ф₂ и Ф₃ от пластин постоянных магнитов 11, 12 и 13 пересекают витки индукционных катушек 2, 3 и 4, индуцируя в них ЭДС. Поскольку в межмагнитных расстояниях X₁ и Х₂ магнитные потоки Ф₁,Ф₂ и Ф₃ одного направления, то между ними создаются пондеромоторные отталкивающие силы F, наличие которых с обеих сторон от магнита 13 создают ему упругую магнитную подвеску с гибкостью С, которая обеспечивает ему перемещение вдоль оси 14.Magnetic fluxes F ₁ , F ₂ and F ₃ from the plates of permanent magnets 11, 12 and 13 intersect the turns of induction coils 2, 3 and 4, inducing EMF in them. Since the magnetic fluxes Ф ₁ , Ф ₂ and Ф ₃ in the intermagnetic distances X ₁ and X _{2 are of the} same direction, ponderomotive repulsive forces F are created between them, the presence of which on both sides of the magnet 13 creates an elastic magnetic suspension with flexibility C, which provides him moving along axis 14.

Величинами коэрцитивных сил постоянных магнитов 11, 12 и 13, изменением массы магнита 13 и изменением величины межмагнитных расстояний X₁ и Х₂ имеется возможность создавать колебательную систему пьезомагнитного геофона на магнитной подвеске с заданной гибкостью С и величину начального давления на пьезокерамические элементы 7 и 8.The magnitude of the coercive forces of the permanent magnets 11, 12 and 13, the change in the mass of the magnet 13 and the change in the magnitude of the intermagnetic distances X ₁ and X _{2, it} is possible to create an oscillating system of a piezomagnetic geophone with magnetic suspension with a given flexibility C and the initial pressure on the piezoceramic elements 7 and 8.

При отсутствия внешнего воздействия на геофон масса постоянного магнита 13 всегда находится в состоянии покоя, в нулевом исходном положении, при этом магнитные силовые линии не изменяют свою форму и на выводах 16, 17, 18, 19 и 20 индукционных катушек 2, 3 и 4 и пьезокерамических элементов 7 и 8 наведенная ЭДС отсутствует. In the absence of external influence on the geophone, the mass of the permanent magnet 13 is always at rest, in the zero initial position, while the magnetic lines of force do not change their shape at the terminals 16, 17, 18, 19 and 20 of induction coils 2, 3 and 4, and piezoelectric elements 7 and 8 induced EMF is absent.

Пьезомагнитный геофон работает следующим образом. Piezomagnetic geophone works as follows.

Акустическая волна, распространяясь в среде, воздействует на корпус 1 и на все элементы, находящиеся в нем. The acoustic wave, propagating in the medium, acts on the housing 1 and on all the elements located in it.

Поскольку масса постоянного магнита 13 находится в магнитной подвеске, то под воздействием механических колебаний корпуса 1 магнит 13 будет выведен из состояния покоя относительно корпуса 1 и индукционных катушек 2, 3 и 4 и, находясь на упругой магнитной подвеске, он начинает совершать колебания вдоль своей оси 14, воздействуя, таким образом, своим магнитным потоком Ф₃ на витки индукционной катушки 3, индуцируя в них ЭДС.Since the mass of the permanent magnet 13 is in the magnetic suspension, under the influence of mechanical vibrations of the housing 1, the magnet 13 will be taken out of a state of rest relative to the housing 1 and induction coils 2, 3 and 4 and, being on an elastic magnetic suspension, it begins to oscillate along its axis 14, thus acting with its magnetic flux f ₃ on the turns of the induction coil 3, inducing an emf in them.

Одновременно своим магнитным потоком Ф₃ магнит 13 воздействует на магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ постоянных магнитов 11 и 12, изменяя форму магнитных силовых линий этих потоков.At the same time, with its magnetic flux Ф _{3, the} magnet 13 acts on the magnetic fluxes Ф ₁ and Ф _{2 of the} permanent magnets 11 and 12, changing the shape of the magnetic field lines of these flows.

Изменяющаяся форма силовых линий магнитных потоков Ф₁ и Ф₂, пресекая витки индукционных катушек 2 и 4, также будет индуцировать в них ЭДС.The changing shape of the lines of magnetic fluxes Ф ₁ and Ф ₂ , cutting off the turns of induction coils 2 and 4, will also induce EMF in them.

Магнит 13 одновременно своей коэрцитивной силой F_k в межмагнитных зазорах X₁ и Х₂, воздействует через магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ на постоянные магниты 11 и 12 и через жесткие прокладки 9 и 10 на пьезокерамические элементы 7 и 8.The magnet 13 simultaneously with its coercive force F _k in the intermagnetic gaps X ₁ and X ₂ acts through the magnetic fluxes F ₁ and F ₂ on the permanent magnets 11 and 12 and through the rigid gaskets 9 and 10 on the piezoceramic elements 7 and 8.

Поскольку пьезокерамические элементы 7 и 8 имели предварительные обжатия, то под воздействием знакопеременных пондеромоторных сил в магнитных зазорах X₁ и Х₂ между магнитом 13 и магнитами 11 и 12 в элементах 7 и 8 происходит изменение ЭДС, т. е. предположим, что в первом полупериоде колебания постоянного магнита 13, когда X₁ уменьшается, а Х₂ увеличивается, то давление на пьезокерамический элемент 7 увеличивается, а на элемент 8 уменьшается, на втором полупериоде наоборот. Поэтому в первом полупериоде потенциалы на элементе 7 складываются, а на элементе 8 вычитаются, во втором полупериоде наоборот: на элементе 8 складываются, на элементе 7 вычитаются. Таким образом, при воздействии акустической волны на пьезомагнитный геофон имеется пять элементов источников ЭДС, одновременно реагирующие на процесс прохождения волны:
- два пьезокерамических элемента 7 и 8 как датчики давления;
- три индукционных катушки 2, 3 и 4 как датчики скорости.Since the piezoceramic elements 7 and 8 had preliminary reductions, under the influence of alternating ponderomotive forces in the magnetic gaps X ₁ and X ₂ between the magnet 13 and magnets 11 and 12 in the elements 7 and 8, the EMF changes, i.e., suppose that in the first half-period of the oscillation of the permanent magnet 13, when X ₁ decreases and X ₂ increases, then the pressure on the piezoceramic element 7 increases, and on the element 8 decreases, on the second half-cycle, vice versa. Therefore, in the first half-cycle, the potentials on the element 7 are added, and on the element 8 are subtracted, in the second half-cycle, on the contrary: on the element 8 are added, on the element 7 are subtracted. Thus, when an acoustic wave acts on a piezomagnetic geophone, there are five elements of EMF sources that simultaneously respond to the process of wave propagation:
- two piezoceramic elements 7 and 8 as pressure sensors;
- Three induction coils 2, 3 and 4 as speed sensors.

Эта совокупность источников ЭДС позволяет применить теорию корреляции потенциалов по принимаемому сигналу, уменьшить общее внутреннее сопротивление пьезомагнитного геофона за счет смешанного соединения источников ЭДС, а чем меньше внутреннее сопротивление приемника, тем меньше падение напряжения на нем и, соответственно, больше напряжение на нагрузке, на клеммах 16, 17, 18 19 и 20. Это позволяет повысит отношение "полезный сигнал/шум" и осуществить первичную фильтрацию принимаемого сигнала от внешних шумов, повысить точность формы принимаемого сигнала и его амплитудно-фазовые распределения в широкой полосе частот. This set of EMF sources makes it possible to apply the theory of potential correlation according to the received signal, to reduce the total internal resistance of the piezomagnetic geophone due to the mixed connection of the EMF sources, and the smaller the internal resistance of the receiver, the lower the voltage drop across it and, accordingly, the greater the voltage across the load at the terminals 16, 17, 18 19 and 20. This allows you to increase the ratio of the useful signal / noise "and to carry out the primary filtering of the received signal from external noise, to improve the accuracy of the shape of the received th signal and its amplitude-phase distribution in the wide frequency band.

Создание заявляемого пьезомагнитного геофона как первичного датчика позволяет создавать новые более эффективные геофизические широкополосные когерентные приемоизлучающие системы, предназначенные для работы в воде, в заболоченных местах и на суше, и охранные системы по обнаружению шумящих целей. The creation of the inventive piezomagnetic geophone as a primary sensor allows you to create new, more efficient geophysical broadband coherent receive-emitting systems designed to work in water, in wetlands and on land, and security systems for detecting noisy targets.

Источники информации
1. Гранин B.C. "Гидрофон", Авторское свидетельство 1766232, Н 04 Р 1/44, заявка 4789407/10, приоритет 06.02.90 г., журнал И.Р. 16, 1994 г., стр. 215.Sources of information
1. Granin BC "Hydrophone", Copyright certificate 1766232, Н 04 Р 1/44, application 4789407/10, priority 06.02.90, journal I.R. 16, 1994, p. 215.

2. Г. М. Свердлин "Гидроакустические преобразователи и антенны", Л.: "Судостроение", 1980 г. 2. G. M. Sverdlin "Hydroacoustic transducers and antennas", L .: "Shipbuilding", 1980

3. Электродинамический сейсмоприемник", заявка РФ 94001083/25 от 12.01.92 г., G 01 V 1/16, журнал И.Р. 20 за 1994 г., стр. 16. 3. Electrodynamic geophones ", application of the Russian Federation 94001083/25 dated 12.01.92, G 01 V 1/16, journal IR 20 for 1994, p. 16.

4. В.В. Фурдуев "Электроакустика", ОГИЗ, М., 1948, ξ78, стр. 327. 4. V.V. Furduev "Electroacoustics", OGIZ, M., 1948, ξ78, p. 327.

Claims

A piezomagnetic geophone containing a housing, an induction coil and a permanent magnet, characterized in that it is equipped with two more induction coils, two permanent magnets and two piezoceramic elements with overlays, while all three permanent magnets are located on the same axis with the same poles to each other with the formation between them two intermagnetic distances X ₁ and X ₂ so that the middle magnet is in a magnetic suspension with flexibility C and with the ability to move along the axis, with each permanent magnet placed inside its stationary induction coil, and piezoceramic elements with overlays are also placed on the same axis with permanent magnets and they are fixed to the permanent magnets through the substrates through the substrates, and to the overlays with the second surface.