Устройство для измерения ударных ускорений
Иллюстрации
Реферат
ОП ИСАНИЕ див
И ЗОБРЕТЕ Н Ия.(Союз Советских
Социалистических
Рес нублин
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (51)М. Кл.
6 01 У 1/16
G 01 L 1/16 (22) Заявлено 02.02.77 (21) 2447686/18-25 с присоединением заявки М— (23) Приоритет
6кудератееиим6 комитет
СССР до делам изееретеиий и открытий (53) УДК
550.834 (088.8) Опубликовяио 25.02.80 Бюллетень Ре 7
Дата опубликования описания 28.02.80 (72) Автор изобретения
А. Б. Качоровский
Западно-Сибирское отделение Всесоюзного аучно -исследовательского института геофизических методов разведки (7l ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДАРНЫХ УСКОРЕНИЙ
Изобретение относится к области измерительной техники в геофизических исследованиях и может быть использовано в устройствах контроля возмущающей силы генератора сейсмических колебаний ударного действия.
Известны устройства для измерения уда1эйьтх
5 ускорений на основе пьезоэлектрических датчиков, в которых повышение чувствительнос- ти и усреднение сигнала достигается путем применения секционирования пьезоэлементов
10 и расположения их илн по плоскости, или соединения в столбики с последовательным включением (Ц.
Недостаток этих устройств состоит в том, что онн требуют изготовления сложных согла15 сующих усилителей с очень высокими SxoJQotми сопротивлениями, кроме того последовательное соединение пьезоэлектрических элементов приводит к появлению на них высоких электростатических потенциалов, что вызывает дополнительные помехи.
Известны схемы усилителей зарядов, которые позволяют получить повышение чувствительности при параллельном соединении
2 на их входе нескольких пьезоэлектрических элементов (2).
Однако применение операционного усилителя с емкостной обратной связью требует снабжения его цепями автоматической стабили- . зации нуля периодического действия. Это требование также сильно осложняет его конструкцию особенно в тех случаях, когда усилитель заряда должен быль выполнен в виде выносного блока и устанавливаться на вибрирую-, шнх основаниях
Известно также устроиство для измерения ударных ускорений, содержащее пьезоэлектрический датчик с выносньпа блоком, линию связи и базовый блок регистратора (3).
Недостаток устройства в снижении его точности при установке на подвижных элементах генератора мйсмнческих колебаний ударного действия и эксплуатации в тяжелых климатических условиях (например, Западной Сибири) .
Снижение точности обусловлено нестабильностью параметров входных цепей выносных элементов, вибрациями выносного согласующего усилителя, устанавливаемого непосредствен717684
3 ио иа возбуждающих элементах генератора, большими колебаниями температур и влажнос
- - - и окружающей среды, которые приводят к разрушениям антивибрационных кабелей датчиков, проникновению в них влаги и изменению входных сопротивлений.
11ель предлагаемого изобретения — повышение точности измерения при работе в условиях вибраций и повышенной влажности.
Д)iя этого выносной блок выполнен. в виде ið дифференцйрф ощего операционного УСиАи геля, Ьабженного -частотно-корректирующиМи цепями, а базовый блок содержит интегратор, соединенный входом через масштабные согласующие устройства с дифференцирующим усилителем выносного блока, выходом — с нормирующим преобразователем выходного сигнала.
На чертеже дана схема устройства для измерения ударных ускорений.
Пьезоэлектрические датчики 1 и 2 установлены на возбуждающих элементах сейсмичес кого генератора, например, на опорной плите и падающем грузе. Эти; датчики подключены к дифференцирующим усилителям 3 и 4, содержащим операционные усилители 5 с обабщенныьг входным сопротивлением 6, с активным сопротивлением 7 во внешней цепи обратной. связи и с комплексным сопротивлением 8 частотно-корректирующей цепи. Своими выходами 9 операционные усилители подключены к входам 10 базового блока 11.
Базовый блок содержит интегратор, состоящий из операционного усилителя 12 с конденсатором 13 обратной связи, Узловая точка 14 интегратора через входные сопротивления 15, 16 и масштабные согласующие устрой. ства (например, потенциометры) 17, 18 соединена с входами 10. Выход интегратора подключен к нормирующему преобразбвателю 4р
НП 19 с выходом 20 во внешнюю цепь.
Кроме интегратора базовый блок 11 содержит программное реле времени ПРВ 21, которое своим входом 22 подключено квнешне- му источнику импульса момента сброса груза сейсмического генератора, а выходами — к узлу 23 автоматического регулирования балан. са АРБ интегратора и к реле P 24 включения нормирующего преобразователя 19.
В данном примере конструктивного выполнения устройства показано два выносных дифференцирующих усилителя, хотя их число и количество параллельно подключаемых на их входы датчиков с целью повышения чувст-вительности и усреднения результатов контроля не ограничено.
Устройство работает следующим образом.
Возбуждение ударных ускорений в элементах сейсмического генератора, на которых
4 закреплены пьезоэлектрические датчики 1 и 2, приводит к появлению электрического заряда на входе усилителя 5. Если принять, что его цепь обратной связи состоит только из активного сопротивления 7, то на выходе 9 возникает сигнал напряжения, который в оперативной форме будет иметь вид:
Я РТ
О„,„(р>=- С, " сх() (1) » и при одном подключенном датчике 1 и
K PT при и-ом количестве параллельно подключенных датчиков 1, . где Р— оператор Лапласа;
S — чувствйтельность пьезоэлектрического преобразователя;
Твх — постоянная времени .реального дифференцирующего звена;
Я
1 "- - и —. я.- -постоянная времени реальи к+й к ного дифференцирующего звена:
7 =Я p - постоянная времени входной вх Вх sr цепи с обобщенными значениями входной емкости Свх и сопротивления Ввх, К вЂ” коэффициент усиления усилителя 5;
S; — чувствительность i-го датчика; а(р) — ускорение в оперативной форме;. йос- величина сопротивления Т обратной связи.
Если К весьма велико, то в пределе постоянная времени Тп обращается в нуль, а . U ù д(p)» pcs a(I) Q) при одном подключенном датчике 1 и
0®„,„(Р)Ф-PR 2- g, ñ .(P) 1Ц при п-ом количестве параллельно подключенных датчиков. 1.
Отсюда следует; что. усилитель 5 выполняет операцию чистого дифференцирования и поэтому создаваемые им частотные искажения лежат в высокочастотной области спектра, представляющей малый интерес для геофизических исследований. Уменьшение амплитуд высокочастотных составляющих сигналов и искажений в области низких частот может быть получено введением дополнительной частотной коррекции с помощью комплексной цепи
8.
Кроме того, величины параметров входных цепей не оказывают существенного влияния на точность преобразования сигнала,что
5 717684 видно из отсутствия их в формулах (3) и (4). Поэтому при снижении требований к стабильности параметров входных цепей устройства возможно получение повышения точности контроля. 5
Величина выходного сигнала возрастает аро- порционально количеству параллельно включенных на один вход пьезоэлектрических датчиков, как это видно иэ формулы (4). Это позволяет упростить и повысить чувствитель-, ность устройства, а также усреднять результаты контроля по большой поверхности излу чателя сейсмического генератора путем устаювки на ней нескольких датчиков 1, например, с одним выносным блоком 3 диф- 15 ференцирующего усилителя.
Из выносных блоков 3 и 4 дифференцированные сигналы поступают на входы 10 базового блока 11, откуда через потенциометргя
17 и 18 и сопротивления входных цепей 15 2d и 16 интегратора — на его узловую точку
14. В этой точке, обладающей нулевым но-. тенциалом, происходит суммирование сигна- лов, необходимое для получения сигнала пропорционального силе F, -.àê как 25
1 = т Р;+ 1 З1 д+" "" ч41и
Здесь коэффициенты, пропорциональные массам m, и е, возмущающих элементов сей- Зо смического генератора, задаются потенцнометрами 17 и 18 соответственно.
Усилитель 12 с конденсатором 13 обратной связи выполняют одновременно операции суммирования и интегрирования сигнапов, 35 поступающих с выносных блоков 3, 4. В этих операциях восстанавливаются продифференцированные ранее сигналы ускорений и выполняется действие соответствующее формуле (5). Нормирующий преобразователь 40
НП 19 преобразует выходной сигнал интегратора в унифицированный сигнал и вьщает его иа выход 20 устройства.
В периоды между поступлениями импульсов с сейсмического генератора.узел 23 авто- 45 матической регулировки баланса АРБ корректирует выходной сигнал интегратора на
6 нуль, а реле P 24 отключает НП 19 н не пропускает на выход 20 переходные процессы, вызываемые работой узла АРБ 23. Управление узлом АРБ 23 и реле P 24 происходит от программного реле времени ПРВ
21, получающего исходный импульс на вход
22 от устройства сброса груза сейсмического генератора.
Повышение . виброустойчивости выносных дифференцирующих усилителей достигается использованием в них простых дифференциальных усилителеи, выполненных на интегральных схемах и введением стабилизирующих цепей обратных связей, Таким образом, за счет последовательюго дифференцирования сигнала и его интегрирования достигнуты все поставленные цели предлагаемого изобретения.
Формула изобретения
Устройство для измерения ударных ускорений, содержащее пьезоэлектрический датчик с выносным блоком, линию связи и базовый блок регистратора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения при работе в условиях вибраций и повышенной влажности, выносной блок выполнен в виде дифференцирующего операционного усилителя, снабженного частотно-корректирующими цепями, а базовый блок содержит интегратор, соединенный входом через масштабные согласующие устройства с дифференцирующим усилителем выносного блока, выходом— с иормирующим преобразователем выходного сигнала.
Источники информации, принятые во вщимание при экспертизе
1. Авторское свидетельство СССР N 444959, кп. G 01 1 9/08, 1973.
2. Пеллинец В. С. Измерение ударных ускорений. М., "Издательство стандартов", 1975, с. 200, рис. 64.
3. Пеллинец В. С. Измерение ударных ускорений .М., "Издательство стандартов", 1975,.с. 198 — 200, рис. 63.
717684
Составитель Л. Солодилов
Техред Н.Ковалева
Корректор Е.Папп
Редактор И.Павлов
Подписное
Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4
Заказ 9834/62 Тираж 649. ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5