Рідинний реєстратор ґрунтових коливань

Реферат: Рідинний реєстратор ґрунтових коливань має корпус з прикріпленим до корпусу джерелом когерентного світла та фоточутливою матрицею, яка з'єднана з вимірювальним пристроєм. Корпус виконано вакуумованим та термоізольованим, з непрозорого матеріалу чорного кольору, наприклад пластмаси. Знизу до дна корпуса прикріплено стійку з шарніром. Корпус має подовжену прямокутну форму з пласким дном, яке покрито тонким пласким шаром сейсмочутливої рідини чорного кольору та з малим коефіцієнтом поверхневого натягу, наприклад спиртом. У дальніх частинах дна розташовані хвильові демпфери. Джерело когерентного променя та фоточутлива матриця прикріплені на протилежних дальніх сторонах корпусу під нахилом таким чином, що кут падіння відбитого від рідини променя до матриці дорівнює 90°. UA 77967 U (54) РІДИННИЙ РЕЄСТРАТОР ҐРУНТОВИХ КОЛИВАНЬ UA 77967 U UA 77967 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, а саме до систем реєстрації коливань ґрунту оптичними методами. Пристрій може застосовуватися в сейсмології, сільському господарстві, геофізиці й метеорології, для прецизійного виміру сейсмічних деформацій від джерел як природного, так і штучного походження. Корисну модель може бути використано при вирішенні задач дистанційної безконтактної вібродіагностики машин, механізмів, будівельних конструкцій і споруджень. Відомий сейсмоприймач [1], що містить корпус, гідравлічний перетворювач, рідинну інерційну масу, що розташована у каркасі і компенсатор температурного розширення рідини. У системі з метою розширення діапазону робочих температур та стабільності параметрів сейсмоприймача, компенсатор температурного розширення рідини виконано у вигляді герметичного еластичного ковпачка, жорстко пов'язаного з каркасом та утворюючого з ним заповнену рідиною замкнуту порожнину, яка пов'язується з корпусом за допомогою виконаного в каркасі каналу з камерою гідравлічного перетворювача. Недоліком є складність конструкції, недостатня чутливість пристрою за рахунок того, що рідка інерційна маса передає тільки частину своєї енергії гідроперетворювачу, для роботи потрібна рідина з досить великою щільністю, необхідність існування складних компенсаторів об'єму рідини. Відомий пристрій для ідентифікації й контролю якості рідини по індивідуальних особливостях процесу розвитку та релаксації термокапілярного відгуку [2]. Пристрій містить кювету із пробною рідиною, лазер, що зчитує параметри рідини, екран, на який проектується термокапілярний відгук і телекамеру. У дно кювети герметично вбудований металевий теплопровідний елемент, верхня частина якого перебуває в рідині, а нижня у тепловому контакті з елементом Пельт'є, який робить тепловий вплив на рідину. Відбиваючись від закривленої поверхні рідини в районі елемента Пельт'є, лазерний промінь попадає на фотоприймач і далі обробляється відповідним чином. Недоліки: пристрій працює тільки при нерухомій досліджуваній рідині, необхідність розташування лазера під малим кутом для оптичного охоплення термовідклику поверхні рідини, неможливість використати пристрої для контролю коливань поверхні досліджуваної рідини. Відомий пристрій [3], що містить плиту-підставу, лазер, закріплений між поляризаційною розділовою призмою й частково проникним дзеркалом. Дзеркало встановлене на плиті-підставі так, що при паданні на нього оптичного випромінювання з лазера одну частину випромінювання дзеркало відбиває автоколімаційно, а іншу пропускає до встановленого за дзеркалом фотоприймача. До виходів фотоприймача підключений блок вимірювання різницевої частоти. Два дзеркала нерухомо закріплені на плиті-основі, двостороннє дзеркало закріплене на п'єзоелементі, підключеному до виходу генератора модуляційних коливань. П'єзозлемент закріплено на незалежній підставі. При влученні на дзеркала оптичних випромінювань із поляризаційної призми відбиті від відповідних дзеркал промені спрямовані назустріч один одному уздовж загальної прямої лінії, перпендикулярно якій на рівній відстані від дзеркал з використанням п'єзоелемента й незалежної підстави встановлене двостороннє дзеркало. Недоліком пристрою є необхідність встановлення плити уздовж передбачуваного напрямку поширення сейсмічних коливань, мала чутливість, наявність складних оптичних лінзових систем, що вимагають абсолютної співвісності елементів, можливість легкого зрушення оптичних елементів. Відомий лазерний вимірник амплітуди кутових і лінійних віброзрушень [4], що включає лазер, послідовно розташовані уздовж оптичної осі лінзу й напівпрозоре дзеркало, встановлене під кутом 45°, дві телекамери та фоточутливу матрицю, яка розташована у фокальній площині об'єктива телекамери. Пристрій має систему сполучення з ЕОМ та саму ЕОМ. Лазерний пучок після відбиття від напівпрозорого дзеркала та оптична вісь об'єктива другої телекамери перпендикулярні вібруючій поверхні, а оптична вісь першої телекамери з фоточутливою матрицею, встановленою від об'єктива на відстані різкого зображення плями лазерного випромінювання, орієнтована похило до оптичної осі променя, що падає на вібруючу поверхню. Виходи обох телекамер з'єднані із входами двоканального пристрою сполучення, вихід якого з'єднаний із входом на ЕОМ. Недолік пристрою - складність конструкції, велика кількість оптичних елементів, що вимагають точного настроювання та не допускають можливих зсувів у системі, недостатня чутливість. По характеристикам найбільш близьким до запропонованого є відомий сейсмограф [5], що містить когерентне джерело світла, інерційну масу, матрицю фотоприймача та два паралельно розташованих дзеркала, одне з яких установлено в корпусі приладу, а інше - кріпиться до 1 UA 77967 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 інерційної маси. Дзеркало, встановлене на інерційній масі, вільним кінцем шарнірно з'єднано з корпусом приладу. Недоліком його є наявність рухливих частин у підвісці дзеркала, мала чутливість за рахунок необхідності зрушення інерційної маси й дзеркала, складність конструкції, складність підрахувань кутів зрушень рухливого дзеркала при багаторазовому відбиванні світлового променя від дзеркал. Задача корисної моделі - підвищення чутливості коливань ґрунту за рахунок використання сейсмочутливої рідини, зменшення кількості рухливих деталей конструкції та, завдяки цьому, спрощення конструкції, стабільність у роботі. Задача вирішується тим, що корпус зроблено термоізольваним та з непрозорого матеріалу, та герметичним, внутрішні сторони корпусу виконано з матеріалу, що поглинає світло (наприклад з пластмаси). Сам корпус має подовжену прямокутну форму з пласким дном, дно покрито тонким пласким шаром сейсмочутливої рідини, що має малий коефіцієнт поверхневого натягу (наприклад спирт) та фарблена в чорний колір. У дальніх частинах дна розташовано рідинні демпфери. Джерело когерентного світлового променя та фоточутлива матриця прикріплені на протилежних дальніх торцях корпусу під кутами, що забезпечує падіння відбитого від рідини променя під кутом 90º до матриці. З зовнішньої сторони до дна корпуса прикріплено стійку, що має шарнір, зверху до корпусу прикріплено "покажчик рівня горизонту". На фіг. 1. зображено рідинний реєстратор ґрунтових коливань збоку, на фіг.2 - зображено внутрішню частину пристрою при погляді вниз від площини А-А. Пристрій містить корпус (1), на дні (2) якого перебуває сейсмочутлива рідина (3). На протилежних кінцях дна укріплені прокладки (4), що демпфують рідину (демпфери). З низу до дна корпусу 1 прикріплена стійка (5), що має шарнір (6). На верхній частині корпуса встановлено індикатор "бульбочковий рівень горизонтальності" (7). До "вікон" у дальніх бічних сторонах корпусу 1 приєднано фоточутливу матрицю (8) та джерело когерентного випромінювання (наприклад лазер) (9). Джерело світла 9 та фотоприймач 8 приєднані до корпусу 1 через скісні прокладки (10). Луч променя (11) джерела світла 9, розташовано під кутом до поверхні сейсмочутливої рідини 3. На поверхні рідини присутні поверхневі хвилі (12). Герметичний термоізольований вакуумований непрозорий корпус 1 має витягнуту прямокутну форму (фіг. 2), стійку 5 виконано у вигляді стрижня, та прикріплено до середини дна 2 корпусу 1. Джерело світла 9 та фоточутлива матриця 8 прикріплені у торцях корпуса симетрично до центральної лінії й одночасно під невеликим кутом (5-10°) до поверхні рідини завдяки скісним прокладкам 10. Вказані вище кути нахилу джерела світла та матриці щодо корпусу встановлено таким чином, щоб у випадку відсутності хвиль відбитий промінь падав на матрицю перпендикулярно. Сейсмочутлива рідина 3 у пристрої має: малу глибину (5-7 мм) уздовж усього дну корпуса (малий шар); малий коефіцієнт поверхневого натягу (наприклад спирт, ефір); чорний колір за рахунок фарблення рідини. Працює пристрій у такий спосіб. У ґрунт (контрольований об'єкт) вводять стійку 5, і за допомогою шарніра 6 встановлюють корпус 1 у горизонтальне положення, так, щоб поверхня рідини в корпусі була паралельна площині дна 2 корпусу 1. Горизонтальність корпуса контролюється за допомогою "рівня" 7 (по положенню бульбашки повітря в ньому) і настроюється з використанням шарніра 6, що дозволяє змінювати нахил корпуса 2 щодо землі. Промінь світла 11 із джерела 9, відбиваючись від поверхні рідини через "вікно" у стінці корпусу, попадає на фоточутливу матрицю 8. При коливаннях ґрунту, його зсув йде через стійку 5 та дно 2 корпусу 1. У результаті відбуваються мікрозрушення маси рідини з утворенням на рідині поверхневих хвиль 12 незалежно від того, який напрямок сейсмічних коливань [6]. Наявність поздовжнього корпусу (фіг. 2) приводить до того, що всі поверхневі хвилі 12, що йдуть поперек піддону (дна корпусу), вдарившись об бічні борти піддона, рухаються далі уздовж корпусу. У такий спосіб на поверхні залишаються тільки хвилі, які йдуть уздовж корпусу (показано стрілками). У протилежних кінцях дна 2 корпусу 1 встановлено демпфери 4 (наприклад з щільної вати), які поглинають усі хвилі, що добігли до них, не даючи ефектів відбивання хвиль. У спокійному стані (без поверхневих хвиль) когерентний промінь 11, відбиваючись від поверхні сейсмочутливої рідини, на фоточутливій матриці 8 формує пляму, що "не рухається". Навіть малі зрушення на поверхні рідини ведуть до виникнення хвиль, які зміщують відбиток променю по поверхні матриці. Для кращої концентрації променів після відбиття, пригнічення променів, відбитих від дна корпусу та вторинних відбитих променів у корпусі, сейсмочутлива рідина профарбована чорним пігментом, також всі внутрішні поверхні корпусу мають чорний колір, а корпус зроблений непрозорим. Для зменшення розсіювання світла з корпусу вилучено повітря, а для зменшення 2 UA 77967 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ефектів випару рідини та зменшення коливань рівня поверхні при змінах температури (температурні зміни об'єму) корпус виконаний теплоізоляційним (або із зовнішньою теплоізоляцією). Оскільки об'єм рідини невеликий, але велика площа її поверхні, то температурно-об'ємні зрушення будуть у цьому випадку з одного боку малі, а зсуви поверхні дуже повільні. Вказані ефекти будуть відбиватися лише повільним чином на рівні "базового" значення на фоточутливій матриці. Як відомо [6,7], у рідинах відсутні деформації зрушення, що веде до виникнення з однієї сторони до текучості, з іншого боку - до існування лише поздовжніх пружних хвиль. На поверхні рідини діє кілька сил: сила тяжіння й сила поверхневого натягу. Чим менше сила поверхневого натягу - тим менше енергія, що потребується на утворення поверхневих хвиль. Тому в пристрої використано рідину, що має малу силу поверхневого натягу (спирт, ацетон, ефір та інші), оскільки для утворення хвилі на поверхні таких рідин потрібно менше зовнішньої енергії коливання ґрунту. Кількісним критерієм лінійності хвиль є умова: (2А/)