RU94724U1

RU94724U1 - VIBRATION CONTACT SENSOR

Info

Publication number: RU94724U1
Application number: RU2009138877/22U
Authority: RU
Inventors: Виктор Анатольевич Бабкин; Людмила Константиновна Бабкина; Людмила Васильевна Прибавченкова; Дмитрий Евгеньевич Савичев; Валентина Александровна Трофимова
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "ОКБ "Октава"
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2010-05-27

Abstract

1. Контактный датчик вибраций, содержащий корпус и жестко соединенную с ним крышку, образующие полость, контактную виброприемную площадку, капсюль, установленный в полости корпуса и жестко соединенный с этим корпусом и содержащий, в свою очередь, виброчувствительный виброэлектрический преобразователь и усилитель, жестко соединенные капсюлем, соединительные провода для подведения к капсюлю электрического питания и съема электрического сигнала, преобразованного из вибрационного сигнала, отличающийся тем, что виброчувствительный виброэлектрический преобразователь выполнен из объемной пьезоэлектрической керамики. ! 2. Контактный датчик вибраций по п.1, отличающийся тем, что виброчувствительный виброэлектрический преобразователь жестко соединен с контактной виброприемной площадкой. 1. A contact vibration sensor comprising a housing and a cover rigidly connected to it, forming a cavity, a contact vibration receiving platform, a capsule mounted in a housing cavity and rigidly connected to this housing and containing, in turn, a vibration-sensitive vibroelectric transducer and amplifier rigidly connected by a capsule , connecting wires for bringing to the capsule electrical power and removing the electrical signal converted from a vibration signal, characterized in that the vibration-sensitive vibration The electrical transducer is made of bulk piezoelectric ceramics. ! 2. The contact vibration sensor according to claim 1, characterized in that the vibration-sensitive vibroelectric transducer is rigidly connected to the contact vibration receiving platform.

Description

Заявляемая полезная модель относится к технике приемников сейсмических сигналов (вибраций) (класс МПК: G01V 1/16), в частности - к технике геофонов (класс МПК: 1/18), а также к технике приема акустических сигналов, распространяющихся в плотной, практически несжимаемой среде (твердые тела, например, кости), мягкие ткани, например, человек), в том числе к пьезоэлектрическим контактным микрофонам (МПК: H04R 17/00, 17/02).The inventive utility model relates to the technique of receivers of seismic signals (vibrations) (IPC class: G01V 1/16), in particular to the technique of geophones (IPC class: 1/18), as well as to the technique of receiving acoustic signals propagating in dense, practically incompressible medium (solids, such as bones), soft tissues, such as humans), including piezoelectric contact microphones (IPC: H04R 17/00, 17/02).

Известны аналоги заявляемой полезной модели. Одним из них является электроакустический преобразователь акустических сигналов, распространяющихся через кости человека (патент Англии №2246015 от 18.06.1994, МПК: H04R 1/46, приоритет - Япония, заявка №2 - 107689 от 22.06.90, «Электроакустический преобразователь с костной проводимостью», выданный фирме «Matsushita Electronic Industrial Co»). В этом патенте пьезоэлектрический датчик на биморфном пьезоэлектрическом капсюле встроен в кресло оператора на уровне затылка и воспринимает звуки, создаваемые оператором, когда его затылок плотно прижат к спинке кресла, т.е., когда затылок контактирует с электроакустическим преобразователем (с капсюлем электроакустического преобразователя).Known analogues of the claimed utility model. One of them is an electro-acoustic transducer of acoustic signals propagating through human bones (England patent No. 2226015 from 06/18/1994, IPC: H04R 1/46, priority - Japan, application No. 2 - 107689 from 06/22/90, "Electroacoustic transducer with bone conduction ", Issued by Matsushita Electronic Industrial Co). In this patent, a piezoelectric sensor on a bimorphic piezoelectric capsule is integrated into the operator’s chair at the back of the head and perceives sounds made by the operator when his head is pressed firmly against the back of the chair, i.e. when the back of his neck is in contact with the electro-acoustic transducer (with the electro-acoustic transducer capsule).

Недостатками этого аналога являются:The disadvantages of this analogue are:

- недостаточная эргономичность - требование плотного прижатия затылка оператора к спинке кресла, т.е. к капсюлю;- lack of ergonomics - the requirement of tight pressing the back of the head of the operator to the back of the chair, i.e. to the capsule;

- необходимость подгонки установки датчика по высоте спинки кресла, чтобы датчик и затылок находились на одной высоте от уровня сиденья;- the need to adjust the installation of the sensor to the height of the back of the chair so that the sensor and neck are at the same height from the seat level;

- невозможность использования электроакустического преобразователя для приема акустических сигналов в контакте с другими частями тела оператора (с гортанью, шеей, грудной клеткой);- the inability to use an electro-acoustic transducer for receiving acoustic signals in contact with other parts of the operator’s body (with the larynx, neck, chest);

- невозможность использования электроакустического преобразователя для приема вибраций сейсмического характера, т.е. в режиме геофона: сейсмоколебания расположены в низкочастотной части диапазона (единицы герц), а акустические сигналы оператора в более высокой части диапазона (сотни Гц - килоГц).- the inability to use an electro-acoustic transducer for receiving vibrations of a seismic nature, i.e. in the geophone mode: seismic oscillations are located in the low-frequency part of the range (units of hertz), and the acoustic signals of the operator in the higher part of the range (hundreds of Hz - kiloHz).

Другим аналогом заявляемой полезной модели является «Съемник вибраций, предаваемых через кости», описанный в патенте США №4596903, класс НПК 179-121 (класс МПК - H04R 17/02), выданный японской фирме «Pilot-Mak-Nen Hitsu К.К.» В этом аналоге биморфный элемент - капсюль в виде консоли заключен в герметичный корпус, выполненный по форме и размерам так, что пригоден для установки в ушной канал среднего уха оператора. При такой установке плотно прилегает к стенкам ушного канала и воспринимает звуки, распространяющиеся в костных тканях головы оператора. Жидкость, заполняющая корпус полностью, т.е. весь его объем, передает звуки на капсюль (биморфный пьезоэлемент) и одновременно подавляет резонансную чувствительность на частотах в области 1500 Гц, обеспечивая добротность системы Q=0,3. Недостатками аналога являются:Another analogue of the claimed utility model is the "Remover of vibrations transmitted through the bones" described in US patent No. 4596903, class NPK 179-121 (class IPC - H04R 17/02), issued by the Japanese company "Pilot-Mak-Nen Hitsu K.K. . ”In this analogue, the bimorph element - the capsule in the form of a console is enclosed in a sealed case, made in shape and size so that it is suitable for installation in the ear canal of the middle ear of the operator. With such an installation, it fits snugly against the walls of the ear canal and perceives sounds propagating in the bony tissues of the operator’s head. Liquid filling the housing completely, i.e. its entire volume transmits sounds to the capsule (bimorph piezoelectric element) and at the same time suppresses the resonant sensitivity at frequencies in the region of 1500 Hz, ensuring the quality factor of the system Q = 0.3. The disadvantages of the analogue are:

- недостаточная эргономичность - невозможность использования датчика на других частях тела оператора (только в ушном канале);- insufficient ergonomics - the inability to use the sensor on other parts of the operator’s body (only in the ear canal);

- невозможность использования в иных условиях (вне тела человека), в том числе в качестве геофона. Этому же препятствует частотный диапазон датчика - невосприимчивость к вибрациям в диапазоне нескольких Гц.- the inability to use in other conditions (outside the human body), including as a geophone. The frequency range of the sensor prevents this from happening - immunity to vibrations in the range of several Hz.

Еще одним аналогом является «Магнитогидродинамический геофон» (патент США №4583207; НПК - 367-208, МПК: G01V 1/18, выданный гражданину США S.G.Groer). Этот геофон устанавливается в грунт остроконической частью корпуса для восприятия сейсмических вибросигналов. Недостатком этого аналога является невозможность приема вибрационных сигналов акустического диапазона, распространяющихся в тканях оператора (костях, мышцах шеи и т.п.) из-за невозможности установки геофона на теле оператора.Another analogue is the “Magnetohydrodynamic Geophone” (US patent No. 4583207; NPK - 367-208, IPC: G01V 1/18, issued to US citizen S.G. Groer). This geophone is installed in the ground with the pointed part of the body for the perception of seismic vibration signals. The disadvantage of this analogue is the impossibility of receiving vibrational signals of the acoustic range propagating in the tissues of the operator (bones, neck muscles, etc.) due to the inability to install a geophone on the body of the operator.

Всем вышеперечисленным аналогам свойственен тот недостаток, что они воспринимают либо высокие частоты диапазона человеческого голоса: несколько сотен Гц - несколько килоГц, либо только низкие частоты: несколько Гц.All of the above analogs have the disadvantage that they perceive either the high frequencies of the human voice range: a few hundred Hz - several kiloHz, or only low frequencies: a few Hz.

Известен также капсюль, разработанный кафедрой общей и неорганической химии Ростовского Государственного Университета «КМ-2000», технические условия «ММ-06.2000». Этот капсюль, выполненный на основе объемной пьезокерамики, обладает весьма высокой виброчувствительностью в диапазоне частот от нескольких Гц до нескольких кГц, а его диаграмма направленности чувствительности не имеет преимущественного направления, поэтому при установке не требуется ориентирования капсюля в пространстве.Also known is a capsule developed by the Department of General and Inorganic Chemistry of Rostov State University "KM-2000", specifications "MM-06.2000". This capsule, made on the basis of volumetric piezoceramics, has a very high vibration sensitivity in the frequency range from several Hz to several kHz, and its sensitivity radiation pattern does not have a preferential direction, therefore, the installation does not require the orientation of the capsule in space.

Максимально близким аналогом (прототипом) заявляемой полезной модели является сейсмодатчик «ДСВ-1» (геофон). В этом геофоне в корпусе с жестко соединенной с ним крышкой, установлен капсюль электродинамический - как катушечный, в котором виброэлектрический преобразователь выполнен в виде катушки, установленной в корпусе на плоских немагнитных пружинах в магнитной цепи, создающей радиально направленное магнитное поле, силовые линии которого пересекают витки катушки. Эти катушка и магнитная цепь образуют виброчувствительный виброэлектрический преобразователь, при воздействии на геофон на его вибрационную часть в виде остроконического штыря, выполненного за одно целое с корпусом вибраций, направление которых в основном совпадает с продольной осью геофона, катушка совершает колебания вдоль продольной оси геофона относительно его корпуса и в ее витках возбуждается ЭДС индукции, величина которой пропорциональна амплитуде колебаний, потоку сцепления магнитной индукции с катушкой, а частота равна частоте колебаний катушки (частоте сейсмических вибраций).The closest analogue (prototype) of the claimed utility model is the DSV-1 seismic sensor (geophon). An electrodynamic capsule, like a coil, is installed in this geophone in a housing with a rigidly connected lid, in which a vibroelectric transducer is made in the form of a coil mounted in a housing on flat non-magnetic springs in a magnetic circuit that creates a radially directed magnetic field whose lines of force intersect the turns coils. These coils and magnetic circuits form a vibration-sensitive vibroelectric transducer when exposed to a geophone on its vibrational part in the form of a pointed conical pin made in one piece with the body of vibrations, the direction of which basically coincides with the longitudinal axis of the geophone, the coil vibrates along the longitudinal axis of the geophone relative to its of the housing and in its turns, the induction EMF is excited, the value of which is proportional to the amplitude of the oscillations, the magnetic induction flux to the coil, and the frequency is equal to an hour OTE coil vibrations (seismic vibration frequency).

Для установки в грунт корпус датчика имеет конический штырь, погружаемый в этот грунт.For installation in soil, the sensor housing has a conical pin immersed in this soil.

Прототип имеет следующие недостатки:The prototype has the following disadvantages:

- датчик - низкочастотный: доли Герца - несколько Гц. Для приема вибраций звуковых частот датчик не предназначен и непригоден;- sensor - low-frequency: Hertz fractions - several Hz. The sensor is not intended and unsuitable for receiving vibrations of sound frequencies;

- если при установке датчика в рабочее положение его продольная ось отклоняется от вертикали более, чем на 15°, то катушка при приеме вибраций цепляется за части датчика, жестко связанные с грунтом («неподвижные») и вибросигнал либо существенно искажается, либо вовсе не воспринимается;- if, when the sensor is installed in the working position, its longitudinal axis deviates from the vertical by more than 15 °, then when receiving vibrations, the coil clings to parts of the sensor that are rigidly connected to the ground (“fixed”) and the vibration signal is either significantly distorted or not perceived at all ;

- у датчика недостаточная надежность из-за того, что пружины подвески катушки в корпусе необратимо деформируются или разрушаются. Увеличение прочности пружин смещает диапазон воспринимаемых частот вверх. К этому же приводит уменьшение массы катушки. Уменьшение массы катушки за счет числа витков приводит, кроме того, к уменьшению чувствительности датчика.- the sensor has insufficient reliability due to the coil suspension springs in the housing being irreversibly deformed or destroyed. An increase in spring strength shifts the range of perceived frequencies up. The reduction in coil mass leads to the same. The decrease in coil mass due to the number of turns leads, in addition, to a decrease in the sensitivity of the sensor.

Целью создания заявляемой полезной модели является ликвидация упомянутых недостатков, а именно: повышение надежности, расширение диапазона частот воспринимаемых вибраций (от нескольких Гц до нескольких килоГц, независимость воспринимаемых вибраций от ориентации датчика в пространстве, т.е. от расположения датчика на вибрирующем теле (грунт, любая часть тела оператора) и расположения его контактного узла (органа); кроме того, целью создания данной полезной модели являются минимализация веса и возможность установки на любом участке тела оператора, т.е. универсализация «контактного» датчика вибраций на контактную виброприемную площадку.The purpose of creating the claimed utility model is to eliminate the aforementioned disadvantages, namely: increasing reliability, expanding the frequency range of perceived vibrations (from several Hz to several kiloHz, the independence of perceived vibrations from the orientation of the sensor in space, i.e., from the location of the sensor on a vibrating body (soil , any part of the operator’s body) and the location of its contact node (organ); in addition, the purpose of creating this utility model is to minimize weight and the ability to install on any part of the body operator, ie universalization of the “contact” vibration sensor to the contact vibration receiving platform.

Поставленные цели достигаются тем, что контактный датчик вибраций, содержащий корпус, и жестко соединенную с ним крышку, образующие полость, капсюль, установленный в полости корпуса и жестко соединенный с этим корпусом крышкой и содержащий в свою очередь виброчувствительный виброэлектрический преобразователь и усилитель, также жестко соединенные с корпусом, соединительные провода для подведения к капсюлю электрического питания и съема электрического сигнала, в который преобразованы воздействующие на датчик вибрации, отличающийся тем, что виброчувствительный виброэлектрический преобразователь выполнен из объемной пьезоэлектрической керамики и жестко соединен с контактной виброприемной площадкой.The goals are achieved in that the contact vibration sensor containing the housing, and a rigidly connected lid, forming a cavity, a capsule mounted in the cavity of the housing and rigidly connected to this housing by a lid and containing in turn a vibration-sensitive vibroelectric transducer and amplifier, are also rigidly connected with a housing, connecting wires for supplying an electric power to the capsule and picking up an electrical signal into which the vibrations acting on the sensor are transformed, which differ That vibrochuvstvitelny vibroelektrichesky transducer is made of bulk piezoelectric ceramics, and is fixedly connected to the contact pad vibropriemnoy.

Также выполнение контактного датчика вибраций позволяет использовать его в качестве геофона, а также контактного микрофона, который может быть установлен в любой точке человеческого тела, к которой подходят через ткани звуки человеческого голоса (кости головы - остеофон, ушной микрофон; ткани гортани или шеи - ларингофон, ткани щеки и т.п.). Широкий диапазон частот объемной пьезокерамики позволяет использовать датчик во всех упомянутых случаях без существенных переделок, за исключением устройств крепления или фиксации датчика на теле человека (в том числе на голове, на шее, на груди и т.п.) или на грунте.Also, the implementation of a contact vibration sensor allows you to use it as a geophone, as well as a contact microphone, which can be installed anywhere in the human body, to which the sounds of the human voice (bones of the head - osteophone, ear microphone; tissue of the larynx or neck - laryngophone , cheek tissue, etc.). The wide frequency range of volumetric piezoceramics allows the sensor to be used in all the mentioned cases without significant alterations, with the exception of the device for fixing or fixing the sensor on the human body (including on the head, neck, chest, etc.) or on the ground.

Другие цели этого датчика не исследовались. Не исследовались другие возможности и другие способы применения.Other targets of this sensor have not been investigated. Other possibilities and other applications have not been investigated.

Перечень фигур чертежей, поясняющих сущность заявляемой полезной модели:The list of figures of drawings explaining the essence of the claimed utility model:

- контактный датчик вибраций, осевое сечение (капсюль, усилитель и контактная площадка не рассечены).- contact vibration sensor, axial section (capsule, amplifier and contact area are not dissected).

Заявляемый в качестве полезной модели контактный датчик вибраций состоит из жестко соединенных между собой корпуса 1 и крышки 2. Соединение корпуса 1 и крышки 2 выполнено на резьбе 3. Между корпусом и крышкой жестко зажат капсюль 4. Ко дну 5 капсюля 4 жестко прикреплен усилитель 6, к которому извне подведен кабель 7 с проводами электрического питания усилителя (не показаны) и съема электрического сигнала, созданного при преобразовании вибросигнала в электрический сигнал (не показаны). Кабель 7 через отверстие 8 в корпусе 1 выведен из датчика для подключения к аппаратуре использования сигнала (не показана).Declared as a useful model, the contact vibration sensor consists of a housing 1 and a cover 2 rigidly interconnected. The connection of the housing 1 and the cover 2 is made on the thread 3. The capsule 4 is rigidly clamped between the body and the cover 4. Amplifier 6 is rigidly attached to the bottom 5 of the capsule 4, to which the cable 7 with the wires of the electric power supply of the amplifier (not shown) and the removal of the electric signal created by converting the vibration signal into an electric signal (not shown) is connected from the outside. Cable 7 through the hole 8 in the housing 1 is removed from the sensor to connect to the equipment using a signal (not shown).

На верхней плоскости 9 капсюля 4 жестко установлена, например, приклеена опорная контактная площадка 10 верхняя плоскость 11 которой плотно контактирует со средой 12, в которой распространяются вибрации. Этой средой 12 может быть либо ткань какого-либо органа человека (кость головы, гортань, шея, грудь и т.п.), либо грунт, в котором распространяются сейсмические вибрации.On the upper plane 9, the capsule 4 is rigidly mounted, for example, a support contact pad 10 is glued, the upper plane 11 of which is in close contact with the medium 12 in which vibrations propagate. This medium 12 can be either tissue of a human organ (head bone, larynx, neck, chest, etc.) or soil in which seismic vibrations propagate.

Внутри капсюля 4 установлены виброчувствительный виброэлектропреобразователь (не показан), выполненный из объемной пьезокерамики и предусилитель-повторитель (не показан), служащий для согласования высокоомного выхода объемной пьезокерамики со входом усилителя 6 показаны).Inside the capsule 4, a vibration-sensitive vibroelectric transducer (not shown) made of volumetric piezoelectric ceramics and a preamplifier-repeater (not shown) used to match the high-resistance output of volumetric piezoelectric ceramics with the input of amplifier 6 are shown).

Работает заявляемый контактный датчик вибраций следующим образом: вибрации, распространяющиеся в среде 12 переходят из среды 12 через верхнюю плоскость 11, плотно примыкающую к поверхности среды 12, в опорную контактную площадку 10 и через нее переходят в капсюль 4, в котором воздействуют на виброчувствительный электровибропреобразующий элемент (на виброчувствительный виброэлектрический преобразователь) (не показан), который выдает на свой выход электрический сигнал, частота которого равна частоте механических колебаний, воспринятых «контактным датчикам вибраций» из среды 12, и с амплитудой, пропорциональной амплитуде этих механических колебаний. Предварительный усилитель-повторитель (не показан) подает этот электрический сигнал на вход усилителя 6, который усиливает электрический сигнал до нужного уровня и через свой выход и кабель 7, его выходные провода (не показаны) передает на соответствующую аппаратуру.The inventive contact vibration sensor operates as follows: the vibrations propagating in the medium 12 pass from the medium 12 through the upper plane 11, which is closely adjacent to the surface of the medium 12, into the contact pad 10 and through it pass into the capsule 4, in which they act on the vibration-sensitive electrovibration-converting element (to a vibration-sensitive vibroelectric transducer) (not shown), which produces an electric signal at its output, the frequency of which is equal to the frequency of mechanical vibrations perceived by actual vibration sensors ”from medium 12, and with an amplitude proportional to the amplitude of these mechanical vibrations. A pre-repeater amplifier (not shown) supplies this electrical signal to the input of amplifier 6, which amplifies the electrical signal to the desired level and passes through its output and cable 7, its output wires (not shown) to the corresponding equipment.

Виброчувствительный виброэлектрический преобразователь, выполненный из объемной пьезокерамики не имеет преимущественного направления чувствительности и воспринимает и преобразовывает механические вибрации в равной мере, независимо от ориентации преобразующего элемента в пространстве, поэтому датчик чувствителен при любой установке на поверхность среды 12, передающей механические вибрации (на горизонтальной поверхности сверху, на горизонтальной поверхности снизу, на вертикальной или на наклонной поверхности). Датчик не восприимчив к воздушным акустическим колебаниям, а поэтому обладает весьма высокой шумостойкостью (невосприимчив к акустическим сигналам, распространяющимся в воздушной среде), но обладает высокой чувствительностью к сигналам, распространяющимся в плотной среде (ткани человека, грунт и т.п.).A vibration-sensitive vibroelectric transducer made of volumetric piezoelectric ceramics does not have a preferred direction of sensitivity and perceives and converts mechanical vibrations equally, regardless of the orientation of the transforming element in space, therefore, the sensor is sensitive for any installation on the surface of a medium 12 transmitting mechanical vibrations (on a horizontal surface from above , on a horizontal surface below, on a vertical or on an inclined surface). The sensor is not susceptible to airborne acoustic vibrations, and therefore has a very high noise immunity (immune to acoustic signals propagating in the air), but has a high sensitivity to signals propagating in a dense environment (human tissue, soil, etc.).

Данная полезная модель внедрена в разработанный заявителем «Контактный датчик вибраций.This utility model is implemented in the contact vibration sensor developed by the applicant.

Claims

1. A contact vibration sensor comprising a housing and a cover rigidly connected to it, forming a cavity, a contact vibration receiving platform, a capsule mounted in a housing cavity and rigidly connected to this housing and containing, in turn, a vibration-sensitive vibroelectric transducer and amplifier rigidly connected by a capsule , connecting wires for bringing to the capsule electrical power and removing the electrical signal converted from a vibration signal, characterized in that the vibration-sensitive vibration The electrical transducer is made of bulk piezoelectric ceramics.

2. The contact vibration sensor according to claim 1, characterized in that the vibration-sensitive vibroelectric transducer is rigidly connected to the contact vibration receiving platform.