Способ контроля динамических характеристик сейсмоакустических преобразователей

Размещено на http://allbest.ru

6

¹Институт горного дела ДВО РАН

²Дальневосточный государственный институт путей сообщения

Способ контроля динамических характеристик сейсмоакустических преобразователей

1И.А. Кривошеев, д-р техн. наук

2Н.Д. Поваров

Хабаровск

Аннотация

Предложен способ с его технической реализацией для определения динамических характеристик сейсмоакустических преобразователей. Приведены аналитические выражения и алгоритмы вычисления. Численным моделированием показана работоспособность способа при различных исходных данных.

Ключевые слова: сейсмоакустический преобразователь, динамические характеристики, время отклика, численное моделирование, импульсное воздействие.

Введение

Практически любая система мониторинга базируется на каких-либо датчиках, обеспечивающих преобразование наблюдаемого параметра в электрический сигнал с последующей обработкой. Не исключением являются и различного рода сейсмоакустические информационные системы, позволяющие в реальном времени отслеживать изменение контролируемого параметра для выделения прогнозных характеристик, а впоследствии - прогнозировать поведение наблюдаемого объекта.

Для сопоставления результатов различных информационных систем необходимо знать передаточные характеристики каждого звена, входящего в информационную систему.

Различные электронные схемы, используемые в таких системах, хорошо описаны в отечественной и зарубежной литературе. Особое значение имеют первичные преобразователи, или в нашем случае сейсмоакустические преобразователи (САП), характеристики которых многие исследователи определяют самостоятельно, имея в своем арсенале разработанную аппаратуру [1 - 5]. Нельзя сказать, что достоверность проводимых в этом случае измерений высока, так как все измерения косвенные. Более того, в большинстве случаев не учитывается ряд особенностей, связанных с конструктивными решениями конкретных преобразователей, а также механических систем, участвующих при измерении [3, 4, 6, 7].

Способ и техническая реализация

Для устранения указанных недостатков, на наш взгляд, необходимо подойти к этому вопросу комплексно, оценив вклад как в погрешность, так и в достоверность каждого элемента, участвующего в измерениях и задействованного в технически реализованном решении.

Первое, на что можно обратить внимание - это возможность замены косвенных измерений прямыми. САП имеют частотный диапазон 0,6 - 50,0КГц, поэтому конструкции таких САП весьма разнообразны и могут существенно различаться по размерам и массе. При разработке подобных устройств контроля необходимо учитывать способ получения информации об амплитуде смещения рабочей поверхности САП.

Можно использовать съем информации с малой части площади рабочей поверхности САП. В этом случае погрешность будет минимальной, а измерения более достоверными. Обычно выбранное отношение площадей общей рабочей поверхности САП к малой поверхности для съема информации всегда >> 500.

Общепринятый метод обычной двухлучевой интерферометрии [4, 6] в этом случае малопригоден ввиду существенной разницы плеч, и, как следствие, - слабая чувствительность и низкая достоверность полученных результатов.

С меньшими проблемами здесь можно использовать интерферометры на оптическом волокне (волоконно-оптические лазерные интерферометры (ВОЛИ)) [8,10], так как они проще в изготовлении и настройке.

Для размещения ВОЛИ потребуется малое отверстие в излучателе, на который устанавливается САП. Малое отверстие может быть диаметром один миллиметр, так как диаметр одномодового оптического волокна - около 8 мкм. В техническом решении может быть использован вариант, предложенный в [8], с некоторыми изменениями и дополнениями.

Более детально предложенное техническое решение отображает функциональная схема, приведенная на рис. 1.

В этой схеме возбуждение САП 1 осуществляется генератором импульсов 12 с помощью излучателя 2, имеющего вид кольца с малым отверстием 4 в его середине.

Рис. 1. Схема устройства.

Излучатель 2 непосредственно контактирует с рабочей поверхностью 3 САП. Механический импульс от излучателя 2 передается САП 1 непосредственно через его рабочую поверхность 3. Информацию о смещении этой поверхности получаем посредством головки 16 ВОЛИ, установленной в малом отверстии 4 излучателя 2.

Головка 16 является частью ВОЛИ, в который входят оптически квантовый генератор 5, оптический разветвитель 6, оптическое волокно 7, фотоприемник 8, усилитель 9 и регистратор 10. Непосредственное смещение рабочей поверхности САП 1 фиксируется фотоприемником 8 и в электрическом виде через усилитель 9 поступает в регистратор 10. Отклик САП 1 на механическое воздействие излучателя 2 как электрический сигнал поступает через схему 13 селекции и усилитель 14 на регистратор 15. В качестве генератора 12 используется генератор прямоугольных импульсов, который через регулируемый усилитель 11 соединен с излучателем 2. В качестве схемы 13 селекции используется временной селектор [11 - 13], позволяющий выделять отклик САП во времени. В нем также могут применять различные способы [12,13] для повышения достоверности и точности измеряемых величин.

Алгоритм и численное моделирование

Заключение

Приведен способ контроля динамических характеристик сейсмоакустических преобразователей, отличающийся от известных тем, что в нем используются прямые измерения исследуемых характеристик. В этой связи можно предположить, что погрешности измерений будут меньше, а достоверность выше. К достоинствам способа можно отнести также снижение влияния человеческого фактора. Техническая реализация не претендует на оригинальность и оставляет исследователям обширное поле деятельности.

Литература

1. Кривошеев И.А. Использование лазерного интерферометра для контроля характеристик сейсмоакустических преобразователей // Дефектоскопия. - 2002. - №9. - С.34- 37.

2. Кривошеев И.А., Кондратьев А.И. Исследование работы емкостного преобразователя в низкочастотном диапазоне // Дефектоскопия. - 1989. - №7. - С.13-17.

3. Патент №2165092 РФ. Устройство контроля характеристик сейсмоакустических датчиков Способ контроля динамических характеристик сейсмоакустических преобразователей / И.А. Кривошеев. - Официальный бюл. «Изобретения. Полезные модели». - 2001. - №10.

4. Желкобаев Ж., Календин В., Тодуа П. Лазерная метрология акустических наносмещений // Фотоника. - 2009. - №5(17). - С.14-17.

5. Патент №2550761 РФ. Способ контроля динамических характеристик сейсмоакустических преобразователей / И.А. Кривошеев, М.И. Игнатьева. - Официальный бюл. «Изобретения. Полезные модели». - 2015. - №3.

6. Патент №2321849 РФ. Способ калибровки преобразователей акустической эмиссии и устройство для его реализации / Б.Г. Владимиров и др. - Официальный бюл.

«Изобретения. Полезные модели». - 2008. - №10.

7. Кривошеев И.А., Игнатьева М.И., Шамурина А.И. Контроль динамических характеристик сейсмоакустических преобразователей информационных систем // Информатика и системы управления. - 2014. - №2. - С.168-172.

8. Патент №2574218 РФ. Устройство для контроля характеристик сейсмоакустических датчиков / И.А. Кривошеев. - Официальный бюл. «Изобретения. Полезные модели». - 2015. - №4.

9. Патент №2558651 РФ. Способ контроля динамических характеристик сейсмоакустических датчиков / И.А. Кривошеев, М.И. Игнатьева. - Официальный бюл. «Изобретения. Полезные модели». - 2015. - №22.

10. Патент №2595688 РФ. Устройство для калибровки сейсмоакустических преобразователей / И.А. Кривошеев, М.И. Игнатьева. - Официальный бюл. «Изобретения. Полезные модели». - 2016. - №24.

11. Кривошеев И.А., Игнатьева М.И., Шамурина А.И. Увеличение отношения сигнал/шум при ультразвуковом контроле // Дефектоскопия. - 2016. - №6. - С.11-16.

12. Патент №2520959 РФ. Способ контроля изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород / И.А. Кривошеев, А.И. Шамурина. - Официальный бюл. «Изобретения. Полезные модели». - 2014. - №18.

13. Патент №2539521 РФ. Устройство контроля изменения физико-механического состояния массива горных пород / И.А. Кривошеев, М.И. Игнатьева, А.И. Шамурина. - Официальный бюл. «Изобретения. Полезные модели». - 2015. - №2.

Размещено на Allbest.ru