RU2287777C2 - Two-coordinate string tilt indicator - Google Patents
Two-coordinate string tilt indicator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2287777C2 RU2287777C2 RU2004113347/28A RU2004113347A RU2287777C2 RU 2287777 C2 RU2287777 C2 RU 2287777C2 RU 2004113347/28 A RU2004113347/28 A RU 2004113347/28A RU 2004113347 A RU2004113347 A RU 2004113347A RU 2287777 C2 RU2287777 C2 RU 2287777C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- attached
- pairs
- vessel
- rod
- vessels
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к геофизической аппаратуре и может быть использовано для регистрации наклонов и сейсмических колебаний земной коры и инженерных сооружений, для регистрацииа малых горизонтальных гравитационных ускорений в прецизионных физических экспериментах, а также в качестве датчика горизонтальных ускорений в системах инерциальной навигации.The invention relates to geophysical equipment and can be used to record slopes and seismic vibrations of the earth's crust and engineering structures, to register small horizontal gravitational accelerations in precision physical experiments, and also as a sensor of horizontal accelerations in inertial navigation systems.
Наиболее распространен на практике наклономер с горизонтальным маятником - наклономер А.Е.Островского (Островский А.Е. Наклономер с фотоэлектрической регистрацией // изучение земных приливов. М.: Изд-во АН СССР, 1961, №2. С.41-75). К недостаткам этого наклономера относятся сложность конструкции, трудоемкость измерений, недостаточная помехозащищенность чувствительной системы, ограниченные точность и диапазон измерений, малая информативность (измерения проводятся только в одном азимуте) и нестабильность нуля, обусловленная нестабильностью упругих параметров пружины и затрудняющая выявление медленных тектонических наклонов земной коры.The most common tiltmeter with a horizontal pendulum is the tiltmeter of A.E. Ostrovsky (Ostrovsky A.E. The tiltmeter with photoelectric registration // Earth tide study. M: Publishing House of the USSR Academy of Sciences, 1961, No. 2. P. 41-75 ) The disadvantages of this tiltmeter include the complexity of the design, the complexity of the measurements, the lack of noise immunity of the sensitive system, the limited accuracy and range of measurements, the low information content (measurements are carried out in only one azimuth) and the instability of zero due to the instability of the elastic parameters of the spring and making it difficult to detect slow tectonic slopes of the earth's crust.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является двухкоординатный струнный наклономер (ДСН) (Таймазов Д.Г., А.с. СССР №1242713. Наклономер Д.Г.Таймазова // БИ, 1986, №25), в котором устранено большинство из перечисленных недостатков. Он содержит корпус и инерционное тело, взаимодействующее с корпусом через дифференциальные струнные преобразователи, расположенные попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, симметрично относительно вертикальной оси прибора, под острым углом к нему. Роль инерционного тела выполняет жидкость, например ртуть, занимающая зазор между стенками коаксиальных сосудов, соединенных с противоположными основаниями вакуумированного корпуса через механически развязанные между собой жесткие рамки, оканчивающиеся осевыми стержнями с гибкими тягами на концах. Струны преобразователя прикреплены к концам осевых стержней, каждый из которых зафиксирован на оси корпуса гибкими горизонтальными растяжками, а расстояния от точек крепления растяжек к стержням до их концов меньше, чем до геометрического центра коаксиальных сосудов. Осевые тяги принимают на себя основную часть силы гидростатического давления ртути на внешний сосуд и выталкивающей силы, действующей на внутренний сосуд.The closest in technical essence to the claimed is a two-coordinate string tiltmeter (SDS) (Taymazov DG, A.S. USSR No. 1242713. Tiltmeter D.G. Taymazova // BI, 1986, No. 25), in which most of listed disadvantages. It contains a housing and an inertial body interacting with the housing through differential string transducers arranged in pairs in mutually perpendicular planes, symmetrically relative to the vertical axis of the device, at an acute angle to it. The role of the inertial body is performed by a liquid, for example, mercury, which occupies a gap between the walls of coaxial vessels connected to opposite bases of the evacuated body through mechanically decoupled rigid frames ending in axial rods with flexible rods at the ends. The strings of the transducer are attached to the ends of the axial rods, each of which is fixed on the axis of the body by flexible horizontal extensions, and the distances from the attachment points of the extensions to the rods to their ends are less than to the geometric center of the coaxial vessels. Axial thrusts assume the bulk of the hydrostatic pressure of mercury on the outer vessel and the buoyancy force acting on the inner vessel.
Недостатками этого наклономера являются отсутствие защиты от механических воздействий и ограниченные динамический диапазон и функциональные возможности, связанные с использованием струнных преобразователей в обеих чувствительных системах.The disadvantages of this tiltmeter are the lack of protection against mechanical stress and the limited dynamic range and functionality associated with the use of string transducers in both sensitive systems.
В предлагаемом двухкоординатном струнном наклономере вместо второго (нижнего) струнного преобразователя предусмотрена чувствительная система емкостного типа, настроенная на другой динамический диапазон, охватывающий весь диапазон сейсмических ускорений. Пробное тело выполнено в виде сосуда с ртутью. Для уменьшения требуемого количества ртути в него конформно помещен без механического контакта с ним жесткий внутренний сосуд, прикрепленный ко второй чувствительной системе, настроенной на сейсмический диапазон. В первом случае устройство выполняет только функции двухкоординатного наклономера, а во втором - функции наклономера-сейсмографа (Н-С) с широким динамическим диапазоном (до 220 дБ), который может работать как в режиме ДСН, так и в режиме трехкоординатного сейсмоакселерографа (ТСА).In the proposed two-coordinate string tiltmeter, instead of the second (lower) string transducer, a sensitive capacitive type system is configured for a different dynamic range, covering the entire range of seismic accelerations. The test body is made in the form of a vessel with mercury. To reduce the required amount of mercury, a rigid inner vessel is attached conformally to it without mechanical contact with it, attached to a second sensitive system tuned to the seismic range. In the first case, the device performs only the functions of a two-coordinate tiltmeter, and in the second, the functions of a tilt-seismograph (H-C) with a wide dynamic range (up to 220 dB), which can operate both in the SDS mode and in the three-coordinate seismic accelerograph (TSA) mode .
Гибкая осевая тяга, прикрепленная к верхнему концу осевого стержня, принимает на себя основную часть силы гидростатического давления ртути на внешний сосуд. Благодаря этому разгружаются тензопреобразователи и увеличивается относительное изменение их натяжения при наклонах и горизонтальных ускорениях, т.е. повышается чувствительность наклономера. Использование ртути в качестве инерционного тела позволяет увеличить осевые усилия, а следовательно, и чувствительность, без увеличения массы инерционного тела и всего прибора в целом. Дополнительное увеличение чувствительности и точности достигается закреплением стержня горизонтальными растяжками, образующими точку опоры для коромысла, к длинному плечу которого прикреплен внешний сосуд, а к короткому плечу - тензопреобразователи, расположенные под острым углом к вертикальной оси наклономера.A flexible axial thrust attached to the upper end of the axial rod assumes the bulk of the hydrostatic pressure of mercury on the outer vessel. Due to this, strain gauges are unloaded and the relative change in their tension increases during slopes and horizontal accelerations, i.e. increases the sensitivity of the tiltmeter. The use of mercury as an inertial body makes it possible to increase axial forces, and therefore sensitivity, without increasing the mass of the inertial body and the entire device as a whole. An additional increase in sensitivity and accuracy is achieved by fixing the rod with horizontal extensions, forming a fulcrum for the rocker arm, to the long arm of which an external vessel is attached, and strain gauges located at an acute angle to the vertical axis of the inclinometer to the short arm.
Для надежный защиты чувствительного элемента от сейсмических ударов и при транспортировке в ДСН предусмотрен арретир, состоящий из двух пар пьезоэлементов, между которыми зажато пробное тело. При приложении электрического напряжения к боковым граням пьезоэлементов последние укорачиваются, освобождая пробное тело (поперечный обратный пьезоэффект). После выполнения измерений напряжение выключается и пробное тело вновь фиксируется между пьезоэлементами.For reliable protection of the sensitive element from seismic shocks and during transportation, an arrestor is provided in the SDS, consisting of two pairs of piezoelectric elements, between which the test body is clamped. When an electric voltage is applied to the lateral faces of the piezoelectric elements, the latter are shortened, freeing the test body (transverse inverse piezoelectric effect). After performing the measurements, the voltage is turned off and the test body is again fixed between the piezoelectric elements.
На чертеже изображен схематический разрез предлагаемого ДСН.The drawing shows a schematic section of the proposed SDS.
В вакуумированном корпусе 1 установлены два жестких конформных сосуда 2 и 3, зазор между которыми заполнен ртутью 4. Сосуд 2 через жестко прикрепленный к нему стержень 5 и гибкую тягу 6 соединен с верхним основанием корпуса. Стержень 5 зафиксирован на оси прибора двумя парами горизонтальных растяжек 7. К верхнему концу стержня прикреплены тензопреобразователи, выполненные в виде струн 8, проходящих между полюсами постоянных магнитов 9. Концы струн присоединены к измерителю частот их собственных колебаний (не показан). Полый сосуд 3 через жесткую рамку 10, стержень 11, жесткий металлический диск 12 и две пары жестких пружин 13, разнесенных вдоль двух горизонтальных координат, прикреплен к корпусу 1. По обе стороны от диска 12 установлены 4 пары обкладок 14, подключенных к дифференциальному емкостному преобразователю (последний не показан).In the evacuated housing 1, two rigid conformal vessels 2 and 3 are installed, the gap between which is filled with mercury 4. The vessel 2 is connected to the upper base of the housing through a rod 5 rigidly attached to it and a flexible rod 6. The rod 5 is fixed on the axis of the device with two pairs of horizontal extensions 7. Strain gages made in the form of strings 8 passing between the poles of the permanent magnets 9 are attached to the upper end of the rod. The ends of the strings are connected to a frequency meter of their natural vibrations (not shown). A hollow vessel 3 through a rigid frame 10, a rod 11, a hard metal disk 12 and two pairs of hard springs 13, spaced along two horizontal coordinates, is attached to the housing 1. On both sides of the disk 12 there are 4 pairs of plates 14 connected to a differential capacitive transducer (last not shown).
При изменении угла наклона корпуса на такую же величину по отношению к оси прибора изменяются и углы наклона силы гидростатического давления, действующей со стороны ртути 4 на сосуд 2, и выталкивающей силы, действующей на полый сосуд 3. В результате этого изменяются поперечные составляющие этих сил, которые через стержни 5 и 11 передаются соответственно струнам 8, образующим дифференциальные частотные преобразователи, и диску 12, являющемуся роторной обкладкой дифференциального емкостного датчика 14.When the angle of inclination of the body changes by the same amount with respect to the axis of the device, the angles of inclination of the hydrostatic pressure acting from the side of the mercury 4 on the vessel 2 and the buoyant force acting on the hollow vessel 3 change as well. which are transmitted through the rods 5 and 11, respectively, to the strings 8 forming the differential frequency converters, and to the disk 12, which is the rotor lining of the differential capacitive sensor 14.
Для арретирования ЧЭ к нижней части сосуда 2 приварена 4-гранная металлическая призма 15, зажатая между двумя парами пьезоэлементов 16, на боковых гранях которых расположены (нанесены гальванически или напылением) разноименные электроды 17 и 18.To arrest the CE, a 4-sided metal prism 15 is welded to the lower part of the vessel 2, sandwiched between two pairs of piezoelectric elements 16, on the lateral faces of which are located (galvanized or deposited) unlike electrodes 17 and 18.
Суммарное изменение натяжения противолежащих струн 8 при наклоне корпуса на малый угол φ в плоскости их расположения можно описать выражениемThe total change in the tension of the opposite strings 8 when the body is tilted at a small angle φ in the plane of their location can be described by the expression
где d и L - расстояния от точки крепления растяжек к стержню 5 соответственно до его верхнего конца и до геометрического центра сосудов 2 и 3, α - угол между струнами и вертикальной осью прибора, V - объем сосуда 3, ρ - плотность ртути, g - нормальное значение ускорения силы тяжести.where d and L are the distances from the attachment point of the stretch marks to the rod 5, respectively, to its upper end and to the geometric center of vessels 2 and 3, α is the angle between the strings and the vertical axis of the device, V is the volume of the vessel 3, ρ is the density of mercury, g - normal value of gravity acceleration.
Соответствующее Δf изменение разностной частоты собственных колебаний этих струн составитThe corresponding Δf change in the difference frequency of the natural oscillations of these strings will be
где ν - частота собственных колебаний струн 8 при номинальном натяжении f.where ν is the natural frequency of the strings 8 at a nominal tension f.
При V=1500 см3, L/d=5, ρ=13,6 г/см3 (ртуть), f=100 Г, sinα=0,1 (α≈6°) и достигнутой точности измерения Δν/ν в ±10-7, расчетная погрешность измерения угла φ, вычисленная по формуле (2), составляет ±4·10-6 угл.сек, что соответствует горизонтальным ускорениям ~2·10-11 g.At V = 1500 cm 3 , L / d = 5, ρ = 13.6 g / cm 3 (mercury), f = 100 G, sinα = 0.1 (α≈6 °) and the achieved measurement accuracy Δν / ν in ± 10 -7 , the calculated error in measuring the angle φ, calculated by the formula (2), is ± 4 · 10 -6 angular sec, which corresponds to horizontal accelerations of ~ 2 · 10 -11 g.
Если ввести ограничение Δf≤0,01f, при котором можно пренебречь квадратичными членами в уравнении колебания струны, то диапазон измерений составит ±0,4 угл.сек (~2·10-6), что соответствует динамическому диапазону регистрации наклонов в 100 дБ. При сферической форме сосудов и зазоре между ними 2 мм количество необходимой ртути составляет ~127 см3 (~1,7 кг).If we introduce the restriction Δf≤0.01f, at which the quadratic terms in the equation of string vibration can be neglected, then the measurement range will be ± 0.4 angular sec (~ 2 · 10 -6 ), which corresponds to a dynamic range of registration of slopes of 100 dB. With a spherical shape of the vessels and a gap between them of 2 mm, the amount of mercury required is ~ 127 cm 3 (~ 1.7 kg).
Вторая чувствительная система с емкостным преобразователем сильно загублена и предназначена для регистрации сейсмоакселерограмм в интервале амплитуд от 2·10-6 до 2 g, соответствующем динамическому диапазону 120 дБ. Таким образом, общий динамический диапазон наклономера-сейсмографа составит 220 дБ. При работе в режиме ТСА струнная чувствительная система арретирована: автоматическое снятие арретировки предусмотрено только на время регистрации наклонов. Это осуществляется путем подачи на электроды 17 и 18 постоянного напряжения такой величины и полярности, чтобы пьезоэлектрические стержни 16 укоротились и освободили пробное тело (сосуд 2). Жесткость пружин 13 подобрана так, чтобы смещения сосуда 3 при боковых ускорениях в 2 g не превышали ~1 мм при зазоре между стенками сосудов в 2 мм.The second sensitive system with a capacitive transducer is very ruined and is designed to record seismic accelerograms in the range of amplitudes from 2 · 10 -6 to 2 g, corresponding to a dynamic range of 120 dB. Thus, the total dynamic range of the tilt-seismograph will be 220 dB. When operating in TCA mode, the string sensitive system is arrested: automatic removal of the arrestment is provided only for the time of registration of inclinations. This is done by applying a constant voltage to the electrodes 17 and 18 of such magnitude and polarity that the piezoelectric rods 16 are shortened and the test body is released (vessel 2). The stiffness of the springs 13 is selected so that the displacements of the vessel 3 during lateral accelerations of 2 g do not exceed ~ 1 mm with a gap between the walls of the vessels of 2 mm.
Режим ДСН может быть использован как для регистрации наклонов в геофизических и инженерных целях, так и в качестве высокочувствительного двухкоординатного акселерометра в системах инерциальной навигации. Он может быть также использован для измерения малых сил гравитационной природы в прецизионных физических экспериментах. В режиме ТСА при измерении горизонтальных составляющих ускорений в плечи дифференциального емкостного преобразователя включаются противолежащие в данном азимуте обкладки, находящиеся по одну сторону от пластины 12 (верхняя или нижняя пара), а при измерении вертикальной составляющей - любое число из 4-х пар противолежащих обкладок, расположенных по разные стороны от пластины 12.The SDS mode can be used both for recording inclinations for geophysical and engineering purposes, and as a highly sensitive two-coordinate accelerometer in inertial navigation systems. It can also be used to measure small forces of gravitational nature in precision physical experiments. In the TCA mode, when measuring the horizontal components of accelerations, the plates opposite in this azimuth located on one side of the plate 12 (upper or lower pair) are turned on in the shoulders of the differential capacitive transducer, and when measuring the vertical component, any number of 4 pairs of opposite plates, located on opposite sides of the plate 12.
В режиме ДСН ввиду малой номинальной нагрузки на струны и дифференциального метода измерений их частот влияние на результаты дрейфа нуля струнных преобразователей ничтожно мало. Так, если дрейф нуля преобразователя принять равным в относительных единицах 10-7 в сутки (как в струнных гравиметрах), то это приведет к дрейфу нуля наклономера менее 0",3 в год. В режиме ТСА дрейф нуля прибора определяется исключительно изменениями во времени упругих характеристик пружин 13, которые имеют линейный характер и, следовательно, легко поддаются аналитическому учету.In the SDS mode, due to the small nominal load on the strings and the differential method of measuring their frequencies, the influence on the results of zero drift of string converters is negligible. So, if the converter zero drift is taken equal to in relative units of 10 -7 per day (as in string gravimeters), this will lead to a zero drift of the tiltmeter less than 0 ", 3 per year. In TCA mode, the instrument zero drift is determined solely by changes in the elastic time the characteristics of the springs 13, which are linear in nature and, therefore, are easily amenable to analytical accounting.
Теоретически рассчитанные (ожидаемые) характеристики предлагаемого наклономера следующие: погрешность измерений ±4·10-6 угл.сек, что соответствует горизонтальным ускорениям ~±2·10-11; дрейф нуля в режиме ДСН - менее 0",3 в год; общий динамический диапазон - 220 дБ. Малая амплитуда отклонений сосуда 3 от положения равновесия и демпфирующее действие рабочей жидкости (ртути), обеспечивающее быстрое затухание его колебаний, предопределяют возможность регистрации высокочастотных сейсмических колебаний (до десятков Гц), и поскольку со стороны низких частот диапазон не ограничен (благодаря дифференциальному емкостному преобразователю), то можно констатировать, что в режиме ТСА прибор охватывает весь частотный диапазон сейсмических колебаний.The theoretically calculated (expected) characteristics of the proposed tiltmeter are as follows: measurement error ± 4 · 10 -6 arcsec, which corresponds to horizontal accelerations of ~ ± 2 · 10 -11 ; the zero drift in the SDS mode is less than 0 ", 3 per year; the total dynamic range is 220 dB. The small amplitude of the deviations of the vessel 3 from the equilibrium position and the damping effect of the working fluid (mercury), providing fast attenuation of its oscillations, determine the possibility of recording high-frequency seismic oscillations (up to tens of Hz), and since the range is not limited from the low frequencies (thanks to the differential capacitive converter), it can be stated that in the TCA mode the device covers the entire frequency range of seismic kih fluctuations.
Таким образом, введение дополнительной чувствительной системы и надежной системы арретирования расширяет функциональные возможности ДСН и позволяет использовать его, помимо регистрации наклонов в геофизических и инженерных целях, также в качестве высокочувствительного двухкомпонентного и/или трехкомпонентного акселерометра в системах инерциальной навигации, для измерения малых сил гравитационной природы в прецизионных физических экспериментах, а также для регистрации сейсмоакселерограмм в широком динамическом и частотном диапазоне. Малые габариты позволяют использовать его для скважинных наблюдений за наклонами земной коры и сейсмическими колебаниями в прогностических целях.Thus, the introduction of an additional sensitive system and a reliable arresting system expands the functionality of the SDS and allows it to be used, in addition to registering slopes for geophysical and engineering purposes, also as a highly sensitive two-component and / or three-component accelerometer in inertial navigation systems, for measuring small gravitational forces in precision physical experiments, as well as for recording seismic accelerograms in a wide dynamic and frequency range zone. Small dimensions allow it to be used for downhole observations of the slopes of the earth's crust and seismic vibrations for prognostic purposes.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004113347/28A RU2287777C2 (en) | 2004-04-29 | 2004-04-29 | Two-coordinate string tilt indicator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004113347/28A RU2287777C2 (en) | 2004-04-29 | 2004-04-29 | Two-coordinate string tilt indicator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004113347A RU2004113347A (en) | 2005-10-27 |
| RU2287777C2 true RU2287777C2 (en) | 2006-11-20 |
Family
ID=35863574
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004113347/28A RU2287777C2 (en) | 2004-04-29 | 2004-04-29 | Two-coordinate string tilt indicator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2287777C2 (en) |
-
2004
- 2004-04-29 RU RU2004113347/28A patent/RU2287777C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004113347A (en) | 2005-10-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Agnew | Strainmeters and tiltmeters | |
| KR101332136B1 (en) | Three axis accelerometer with variable axis sensitivity | |
| Ishii et al. | Development Of Multi-Component Borehole Instrument For Earthquake Prediction Study:: Some Observed Examples of Precursory And Co-Seismic Phenomena Relating To Earthquake Swarms And Application Of The Instrument For Rock Mechanics | |
| EP3186664B1 (en) | Measurement of acceleration | |
| US3731537A (en) | Gravity gradiometer | |
| RU2650839C1 (en) | Low-frequency vector acoustic receiver | |
| RU121364U1 (en) | SHOCK-UP PRIMER INFORMATION SENSOR UNIT FOR FREE PLATFORM INERTIAL NAVIGATION SYSTEMS | |
| Chawah et al. | A simple pendulum borehole tiltmeter based on a triaxial optical-fibre displacement sensor | |
| RU2287777C2 (en) | Two-coordinate string tilt indicator | |
| Taimazov | A two-coordinate string tiltmeter | |
| RU2687297C1 (en) | Low-frequency two-component bottom seismic cable | |
| RU89723U1 (en) | MOBILE ABSOLUTE GRAVIMETER FOR GEOLOGICAL EXPLORATION, GEOPHYSICAL RESEARCHES AND OPERATIONAL IDENTIFICATION OF EARTHQUAKES OF EARTHQUAKES (OPTIONS) | |
| Kalab et al. | Examples of rotational component records of mining induced seismic events from Karviná region | |
| US6557392B1 (en) | Device for checking and calibrating high precision inclinometric sensors | |
| RU2438151C1 (en) | Gravitational variometre | |
| Jedlička et al. | Designs and test results for three new rotational sensors | |
| RU2260199C2 (en) | Method and device for determining parameters of gravitation and wave fields | |
| RU2488125C1 (en) | Hydrostatic accelerometer | |
| CN215867156U (en) | Translational gravity measuring device | |
| CN113687435B (en) | Translational gravity/acceleration measurement sensitive structure | |
| JPH09113349A (en) | Three-dimensional vibration meter | |
| Weiher | Progress in Test Pad Stability | |
| RU77446U1 (en) | MOVEMENT PARAMETERS | |
| SU742850A1 (en) | Hydrostabilized gravimeter | |
| SU866149A1 (en) | Device for measuring well deflection |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070430 |