RU2237913C1

RU2237913C1 - Seismometer

Info

Publication number: RU2237913C1
Application number: RU2003118481A
Authority: RU
Inventors: ков В.А. Чист (RU); В.А. Чистяков
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт импульсной техники"
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2004-10-10

Abstract

FIELD: measuring engineering.

SUBSTANCE: seismometer has base provided with the cylindrical dielectric housing. The housing receives two magnetic systems made of cylindrical magnetic conductor, permanent magnet, and pole tip connected in series. The magnetic systems are interconnected and insulated from each other with a dielectric spacer. The space between two magnetic systems receives a coil. The magnetic systems are rigidly interconnected via the dielectric cantilever which is secured to the base through two flexible pivots. The inner side of the cylindrical housing is provided with the cylindrical output electrode. The inner faces of the housing are provided with two additional output electrodes. The seismometer has two amplifiers, generator of sinusoidal oscillation whose two outputs are connected with the magnetic systems and two inputs of the first amplifier whose output is connected with the coil. The second (inverting) amplifier is connected in series with the adder whose second input is connected with the cylindrical output electrode and output is connected with the third input of the first amplifier. The additional output electrodes are connected with the input of the inverting amplifier.

EFFECT: enhanced signal-to-noise ratio.

1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области гравиинерциальных измерений, а именно к сейсмометрии.The invention relates to measuring technique, in particular to the field of gravitational inertial measurements, namely to seismometry.

Известен сейсмометр (см., например, "Сейсмические приборы", М., Наука, 1975, вып.8, с.13-18), содержащий: основание, на котором посредством двух упругих элементов установлены инертная масса и катушка; магнитную систему, включающую последовательно соединенные магнитопровод, постоянный магнит и полюсный наконечник, причем катушка помещена в рабочем зазоре между магнитопроводом и полюсным наконечником, а также винтовую пружину, прикрепленную одним концом к основанию, а другим к инертной массе.A known seismometer (see, for example, "Seismic Instruments", M., Science, 1975, issue 8, p.13-18), comprising: a base on which an inertial mass and a coil are installed by means of two elastic elements; a magnetic system comprising a magnetic circuit connected in series, a permanent magnet and a pole piece, the coil being placed in the working gap between the magnetic circuit and the pole piece, as well as a coil spring attached at one end to the base and the other to an inert mass.

Этот сейсмометр не обеспечивает высокие метрологические характеристики, т.к. отсутствие в нем датчика перемещений инертной массы делает невозможным создание прибора с эффективными отрицательными обратными связями.This seismometer does not provide high metrological characteristics, as the absence of an inertial mass displacement sensor in it makes it impossible to create a device with effective negative feedbacks.

Известен сейсмометр (см., например, Трифонов Н.В. "Сейсмическая станция ССМ", Техническое описание, М., ИФЗ РАН, 80), содержащий: основание, на котором посредством двух упругих элементов установлены инертная масса и катушка; магнитную систему, включающую последовательно соединенные магнитопровод, постоянный магнит и полюсный наконечник, причем катушка помещена в рабочем зазоре между магнитопроводом и полюсным наконечником; винтовую пружину, прикрепленную одним концом к основанию, а другим к инертной массе, емкостной датчик перемещений, выходной электрод которого соединен с инертной массой, а два электрода возбуждения - с основанием; генератор синусоидальных электрических колебаний, два выхода которого соединены с электродами возбуждения емкостного датчика; усилитель, соединенный первым входом с выходным электродом емкостного датчика, вторым входом - с выходами генератора синусоидальных колебаний, а выходом - с катушкой.A known seismometer (see, for example, Trifonov N.V. “SSM Seismic Station”, Technical Description, Moscow, Institute of Physics and Mathematics, Russian Academy of Sciences, 80), comprising: a base on which an inertial mass and a coil are mounted by means of two elastic elements; a magnetic system including a series-connected magnetic circuit, a permanent magnet and a pole piece, the coil being placed in the working gap between the magnetic circuit and the pole piece; a coil spring attached at one end to the base and the other to an inert mass, a capacitive displacement sensor, the output electrode of which is connected to the inert mass, and two excitation electrodes to the base; a sinusoidal electrical oscillation generator, the two outputs of which are connected to the excitation electrodes of the capacitive sensor; an amplifier connected to the output electrode of the capacitive sensor by the first input, the second input to the outputs of the sinusoidal oscillator, and the output to the coil.

Этот сейсмометр содержит отрицательную обратную связь, в состав которой входят емкостной датчик перемещений, усилитель и катушка, и обеспечивает более высокие метрологические характеристики, но имеет значительные габариты, обусловленные тем, что инертная масса, магнитная система, емкостной датчик перемещений и пружина выполнены на отдельных конструктивных элементах.This seismometer contains negative feedback, which includes a capacitive displacement sensor, amplifier and coil, and provides higher metrological characteristics, but has significant dimensions due to the inert mass, magnetic system, capacitive displacement sensor and spring are made on separate structural elements.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является сейсмометр (см. патент RU №2159449, кл. G 01 V 1/16, 1999 г.). Этот сейсмометр содержит: основание с цилиндрическим диэлектрическим корпусом, внутри которого помещены две соединенные встречно и изолированные одна от другой диэлектрической прокладкой магнитные системы из последовательно соединенных цилиндрического магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника; катушку, размещенную на каркасе в зазоре магнитных систем; диэлектрический кронштейн, соединенный с основанием посредством двух упругих опор, жестко соединяющий между собой обе магнитные системы, три цилиндрических выходных электрода емкостного датчика, размещенных на внутренней поверхности корпуса; усилитель, генератор синусоидальных колебаний, соединенный двумя выходами с магнитными системами и с двумя входами первого усилителя, выход которого соединен с катушкой, и два магнитомягких стержня, закрепленных в диэлектрическом корпусе, соосно с продольной осью магнитных систем и помещенных коническими концами в отверстиях на торцевых частях магнитных систем. Инертная масса сейсмометра состоит из двух магнитных систем и кронштейна, соединяющего их. В этом сейсмометре емкостной датчик перемещений образован тремя выходными электродами, расположенными на внутренней поверхности диэлектрического цилиндрического корпуса и двумя входными возбуждающими электродами, в качестве которых используются две соединенные встречно и изолированные друг от друга магнитные системы. В сравнении с указанными выше данный сейсмометр обладает более высокими метрологическими характеристиками и меньшими габаритами.The closest in technical essence to the proposed one is a seismometer (see patent RU No. 2159449, class G 01 V 1/16, 1999). This seismometer contains: a base with a cylindrical dielectric body, inside of which are placed two magnetic systems connected in opposite and insulated from one another by a dielectric spacer from a series-connected cylindrical magnetic core, a permanent magnet and a pole piece; a coil placed on the frame in the gap of the magnetic systems; a dielectric bracket connected to the base by means of two elastic supports rigidly interconnecting both magnetic systems, three cylindrical output electrodes of a capacitive sensor located on the inner surface of the housing; an amplifier, a sinusoidal oscillation generator, connected by two outputs to magnetic systems and with two inputs of the first amplifier, the output of which is connected to a coil, and two soft magnetic rods fixed in a dielectric housing coaxially with the longitudinal axis of the magnetic systems and placed with conical ends in the holes on the end parts magnetic systems. The inertial mass of the seismometer consists of two magnetic systems and an arm connecting them. In this seismometer, the capacitive displacement transducer is formed by three output electrodes located on the inner surface of the dielectric cylindrical body and two input exciting electrodes, which are used as two opposed and isolated from each other magnetic systems. In comparison with the above, this seismometer has higher metrological characteristics and smaller dimensions.

Недостаток прототипа заключается в низком уровне отношения сигнал-шум на его выходе и соответственно в недостаточной точности измерения сейсмических воздействий, что обусловлено следующим.The disadvantage of the prototype is the low signal-to-noise ratio at its output and, accordingly, the insufficient accuracy of the measurement of seismic effects, which is due to the following.

Выходной сигнал емкостного датчика перемещений и сейсмометра пропорционален разности площадей перекрытия между выходными электродами датчика и поверхностями магнитных системThe output signal of the capacitive displacement sensor and the seismometer is proportional to the difference in the overlap area between the output electrodes of the sensor and the surfaces of the magnetic systems

где S₁, S₂ - соответственно площади перекрытия между магнитными системами и выходными электродами;where S ₁ , S ₂ - respectively, the overlap area between the magnetic systems and the output electrodes;

U_возб - напряжение возбуждения емкостного датчика перемещений;U _exc - excitation voltage of a capacitive displacement sensor;

ΔХ - перемещения инертной массы;ΔХ - displacement of inert mass;

l_o - длинна начального перекрытия электродов.l _o - the length of the initial overlap of the electrodes.

При этом напряжение собственных шумов емкостного датчика перемещений обратно пропорционально общей площади перекрытия между выходными электродами и возбуждающими электродамиIn this case, the noise voltage of the capacitive displacement sensor is inversely proportional to the total overlap area between the output electrodes and the exciting electrodes

где γ - некоторый коэффициент шумов, определяемый экспериментально. Отношение сигнал-шум в таком сейсмометре составитwhere γ is a certain noise figure determined experimentally. The signal-to-noise ratio in such a seismometer is

Из (3) следует, что при малых габаритах рассматриваемого сейсмометра площади перекрытия электродов емкостного датчика перемещений незначительны. Это приводит к малым значениям отношения полезного сигнала на выходе к шуму.From (3) it follows that for the small dimensions of the seismometer under consideration, the overlapping areas of the electrodes of the capacitive displacement sensor are insignificant. This leads to small values of the ratio of the useful signal at the output to the noise.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является повышение отношения сигнал-шум на выходе сейсмометра и соответственно повышение точности измерений.The technical result provided by the claimed invention is to increase the signal-to-noise ratio at the output of the seismometer and, accordingly, increase the accuracy of measurements.

Технический результат достигается тем, что в сейсмометр, содержащий основание с цилиндрическим диэлектрическим корпусом, внутри которого помещены две соединенные встречно и изолированные одна от другой диэлектрической прокладкой магнитные системы из последовательно соединенных между собой цилиндрического магнитопровода, постоянного магнита и полюсного наконечника; катушку, размещенную в зазоре магнитных систем; диэлектрический кронштейн, соединенный с основанием посредством двух упругих шарниров и жестко соединяющий между собой обе магнитные системы; цилиндрический выходной электрод, размещенный на внутренней цилиндрической поверхности корпуса; первый усилитель и генератор синусоидальных колебаний, соединенный двумя выходами с магнитными системами и двумя входами первого усилителя, выход которого соединен с катушкой; дополнительно введены два дополнительных выходных электрода, расположенные на внутренних торцевых поверхностях диэлектрического корпуса, а также последовательно соединенные между собой инвертирующий усилитель и сумматор, соединенный вторым входом с цилиндрическим выходным электродом, а выходом - с третьим входом первого усилителя; при этом дополнительные выходные электроды соединены электрически с входом инвертирующего усилителя. Такое выполнение сейсмометра обеспечивает повышение отношения сигнал-шум на его выходе за счет введения в конструкцию сейсмометра двух электродов, расположенных на торцевых поверхностях корпуса.The technical result is achieved by the fact that in a seismometer containing a base with a cylindrical dielectric body, inside of which are placed two magnetically opposed opposed and insulated from one another dielectric spacers from a cylindrical magnetic circuit, a permanent magnet and a pole piece connected in series; a coil placed in the gap of the magnetic systems; a dielectric bracket connected to the base by means of two elastic hinges and rigidly interconnecting both magnetic systems; a cylindrical output electrode located on the inner cylindrical surface of the housing; a first amplifier and a sine wave generator connected by two outputs to magnetic systems and two inputs of a first amplifier, the output of which is connected to a coil; additionally introduced two additional output electrodes located on the inner end surfaces of the dielectric housing, as well as serially connected to each other by an inverting amplifier and an adder connected to the second input with a cylindrical output electrode, and the output to the third input of the first amplifier; wherein additional output electrodes are connected electrically to the input of the inverting amplifier. This embodiment of the seismometer provides an increase in the signal-to-noise ratio at its output due to the introduction of two electrodes located on the end surfaces of the housing into the seismometer design.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого сейсмометра.The drawing shows a functional diagram of the proposed seismometer.

Сейсмометр содержит основание 1, на котором посредством двух упругих шарниров 2 и диэлектрического кронштейна 3 закреплены две магнитные системы 4, включающие в себя последовательно соединенные магнитопровод 5, постоянный магнит 6 и полюсный наконечник 7; магнитные системы 4, образующие инертную массу сейсмометра, изолированы друг от друга диэлектрической прокладкой 8. Внутри магнитной системы на каркасе 9 помещена многосекционная катушка 10. Магнитные системы 4 помещены в диэлектрический цилиндрический корпус 11, на внутренней цилиндрической поверхности которого размещен выходной электрод 12. Генератор синусоидальных колебаний 13 подключен ко входам усилителя 14 и магнитопроводам 5 магнитных систем 4. Два дополнительных выходных электрода 15 расположены на внутренних торцевых поверхностях диэлектрического корпуса 11 и образуют с торцевыми поверхностями магнитных систем 4 конденсаторы, являющиеся емкостным датчиком перемещений, емкость которых зависит от величины воздушного зазора между торцами магнитных систем 4 и дополнительными выходными электродами 15. Дополнительные выходные электроды 15 соединены со входом инвертирующего усилителя 16, выход которого соединен со входом сумматора 17, второй вход которого соединен с выходным цилиндрическим электродом 12. Выход сумматора соединен с третьим входом первого усилителя 14, выход которого подключен к катушке 10.The seismometer contains a base 1, on which two magnetic systems 4 are fixed by means of two elastic hinges 2 and a dielectric bracket 3, including a magnetic circuit 5 connected in series, a permanent magnet 6 and a pole piece 7; the magnetic systems 4, forming the inert mass of the seismometer, are insulated from each other by a dielectric gasket 8. Inside the magnetic system on the frame 9 a multisection coil 10 is placed. The magnetic systems 4 are placed in a dielectric cylindrical housing 11, on the inner cylindrical surface of which an output electrode 12 is placed. A sinusoidal generator oscillations 13 is connected to the inputs of the amplifier 14 and the magnetic circuits 5 of the magnetic systems 4. Two additional output electrodes 15 are located on the inner end surfaces d of the electric housing 11 and form capacitors with the end surfaces of the magnetic systems 4, which are capacitive displacement sensors, the capacity of which depends on the size of the air gap between the ends of the magnetic systems 4 and additional output electrodes 15. Additional output electrodes 15 are connected to the input of the inverting amplifier 16, the output of which is connected with the input of the adder 17, the second input of which is connected to the output cylindrical electrode 12. The output of the adder is connected to the third input of the first amplifier 14, the output which is connected to the coil 10.

Две магнитные системы 4 являются входными, а электрод 12, расположенный на внутренней цилиндрической поверхности корпуса, и два электрода 15 на торцах корпуса - выходными электродами емкостного датчика перемещений инертной массы сейсмометра, образованной двумя магнитными системами 4.Two magnetic systems 4 are input, and an electrode 12 located on the inner cylindrical surface of the housing, and two electrodes 15 at the ends of the housing are the output electrodes of the capacitive displacement sensor of the inertial mass of the seismometer formed by two magnetic systems 4.

Сейсмометр работает следующим образом. При движении основания 1 происходит перемещение двух магнитных систем 4, т.е. инертной массы сейсмометра, относительно диэлектрического цилиндрического корпуса 11. Эти перемещения приводят к изменению площади перекрытия между электродами возбуждения емкостного датчика перемещений, которыми являются магнитные системы 4, и выходным электродом 12, а также к изменению зазора между дополнительными выходными электродами 15 и теми же магнитными системами 4. Соответственно на электродах 15 создаются потенциалы, пропорциональные изменению зазора (перемещению инертной массы). После согласования по фазе посредством инвертирования в усилителе 16 эти потенциалы суммируются в сумматоре 17 с потенциалом на электроде 12. В результате выходной сигнал емкостного датчика перемещений, снимаемый с выхода усилителя 14 и являющийся выходным сигналом сейсмометра, увеличивается. Значение выходного напряжения такого сейсмометра составитA seismometer works as follows. When the base 1 moves, two magnetic systems 4 move, i.e. the inertial mass of the seismometer relative to the dielectric cylindrical body 11. These movements lead to a change in the overlap area between the excitation electrodes of the capacitive displacement sensor, which are magnetic systems 4, and the output electrode 12, as well as to a change in the gap between the additional output electrodes 15 and the same magnetic systems 4. Accordingly, potentials are created on the electrodes 15, which are proportional to the change in the gap (the movement of the inert mass). After phase matching by inverting in the amplifier 16, these potentials are summed in the adder 17 with the potential on the electrode 12. As a result, the output signal of the capacitive displacement sensor, taken from the output of the amplifier 14 and which is the output signal of the seismometer, increases. The value of the output voltage of such a seismometer is

где X_o - начальный зазор между дополнительными выходными электродами 15 и торцами магнитных систем 4.where X _o - the initial gap between the additional output electrodes 15 and the ends of the magnetic systems 4.

Отношение сигнал-шум на выходе сейсмометраSignal-to-noise ratio at the seismometer output

где S₃ - площадь дополнительного выходного электрода 15.where S ₃ is the area of the additional output electrode 15.

При выполнении очевидного условия l_o>>x_o из (4) и (5) следует, что в предлагаемом сейсмометре увеличивается коэффициент преобразования емкостного датчика в l_o/x_o раз, а также увеличивается отношение сигнал-шум. Это увеличение будет равноWhen the obvious condition l _o >> x _{o is} fulfilled, it follows from (4) and (5) that in the proposed seismometer, the conversion coefficient of the capacitive sensor increases by l _o / x _o times, and the signal-to-noise ratio also increases. This increase will be equal to

Таким образом, предлагаемый сейсмометр позволяет существенно увеличить отношение сигнал-шум на своем выходе по сравнению с известным техническим решением, а значит повысить точность измерений.Thus, the proposed seismometer can significantly increase the signal-to-noise ratio at its output in comparison with the known technical solution, and therefore increase the accuracy of measurements.

Например при S3;S₁ и l_o/x_o=50 это увеличение составит 10² раз.For example, with S3; S ₁ and l _o / x _o = 50, this increase will be 10 ² times.

Claims

A seismometer containing a base with a cylindrical dielectric body, inside of which are placed two magnetic systems connected in opposite and insulated from each other by a dielectric spacer from cylindrical magnetic cores, a permanent magnet and a pole piece connected in series; a coil placed in the gap of the magnetic systems; a dielectric bracket connected by two elastic hinges to the base and rigidly connecting each other both magnetic systems; a cylindrical output electrode located on the inner cylindrical surface of the housing, a first amplifier and a sinusoidal oscillation generator connected by two outputs to magnetic systems and two inputs of a first amplifier, the output of which is connected to a coil, characterized in that two additional output electrodes are additionally inserted into it, located on the inner end surfaces of the dielectric housing, as well as inverted amplifier and adder connected in series torym inlet with a cylindrical output electrode and output - with a third input of the first amplifier; additional output electrodes are connected electrically to the input of the inverting amplifier.