Сейсмометр вращательный

ВРАЩАТЕЛЬНЫЕ СЕЙСМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ И МГД ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

Несмотря на то, что традиционные сейсмометры существуют уже не один десяток лет, вращательные моды землетрясений и других слабых инфранизкочастотных механических колебаний исследованы довольно слабо. Это было связано, в первую очередь, с отсутствием до настоящего времени доступных высокочувствительных датчиков вращательного движения. Молекулярно-электронная технология позволила создать угловые акселерометры/сейсмометры с жидкой инерционной массой, которые очень надёжны в эксплуатации и при транспортировке, потребляют мало электроэнергии, работают в широком температурном диапазоне и полностью нечувствительны к поступательному движению. Схема такого датчика показана на рисунке.

1 - Тороидальный канал, заполненный электролитом

2 - Преобразующий элемент

3 - Расширительный объем

Угловое ускорение, приложенное к подобному датчику, вызывает поток жидкости q через преобразующий элемент, выходной ток которого может быть с помощью внешней электрической схемы преобразован в выходной сигнал, пропорциональный угловой скорости или угловому ускорению в широком диапазоне частот.

Первый коммерческий образец вращательного сейсмометра R-1 был представлен компанией eentec в 2000 году. Этот уникальный прибор инициировал интерес международного сообщества к вращательной сейсмологии. Была создана Международная рабочая группа по вращательной сейсмологии (IWGoRS). Сейсмометр R-1 постепенно получил международное признание и в настоящее время активно используется во многих странах.

За годы производства R-1 был неоднократно модернизирован, возросла его надёжность и улучшились потребительские качества.

На рисунке показан R-1 и его компоненты образца 2004 года (2). С незначительными изменениями сейсмометр выпускается и в настоящее время.

Первый вращательный сейсмометр обладал, по сути дела, только одним существенным недостатком - значительной неравномерностью частотной характеристики. К тому же в нём отсутствовал вход для калибровки, что не предоставляло конечному пользователю возможности измерения его амплитудно-фазо-частотных характеристик (АФЧХ). На первых порах данное обстоятельство практически не ограничивало распространение сейсмометра, тем более, что аналогов R-1 просто не существовало. Однако это препятствовало широкомасштабному использованию R-1 в Глобальной Сейсмической Сети(GSN), а также в крупных региональных сейсмических сетях(USGS и др.), где уже давно сформировались определённые требования к параметрам сейсмических приборов.

Наиболее естественный, с физической точки зрения, способ калибровки и организации обратной связи во вращательном датчике основан на принципах магнитной гидродинамики(МГД). Подобно тому, как это показано на рисунке.

Физические принципы организации МГД обратной связи для молекулярно-электронных датчиков были впервые разработаны еще в 2001 году(1), но ряд особенностей устройства вращательных преобразователей затруднил создание промышленных образцов. Ранние прототипы сейсмодатчиков с МГД обратной связью отличались крайней ненадежностью и нестабильностью, а по своим параметрам уступали серийным R-1. Тем не менее, мы продолжали работать над ними.

Первые в мире коммерческие образцы вращательных молекулярно-электронных сейсмометров с МГД калибровкой и обратной связью мы создали в 2007 году, а в настоящее время десятки сейсмометров семейства RSВ20 с успехом эксплуатируются во многих уголках земного шара. Силовая обратная связь улучшает стабильность, расширяет динамический, частотный и температурный диапазон, снижает нелинейные искажения и гарантирует плоскую передаточную функцию сейсмометра.

Литература:

1. А.В. Харламов Физические принципы организации МГД обратной связи и переноса спектра в молекулярно-электронных системах // Автореферат кандидатской диссертации, М.: 2001

2. A. Kharlamov A Non-Traditional High Performance Seismic Sensor // Broad-band Sensor Workshop, Lake Tahoe , California , USA 2004

3. Leugoud, R.J.; Kharlamov, A.V. Second generation of a rotational electrochemical seismometer using magnetohydrodynamic technology. J Seismologi. Soc. 2012, 16, 587–593.