Патент на изобретение №2172005

(54) СПОСОБ, УСТРОЙСТВО И ДАТЧИК ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЕФОРМИРУЕМЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, НАПРИМЕР ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД

(57) Реферат:

Изобретение относится к геофизике горного дела и может быть использовано при электроразведочных работах и исследованиях электромагнитных полей, излучаемых горными породами при их разрушении, а также в горной промышленности для прогноза динамических проявлений в массиве горных пород при изменении его напряженно-деформированного состояния. Технический результат: повышение достоверности регистрируемой информации. Способ включает установку образца, например, горной породы между обкладками емкостного датчика, деформирование его путем силового воздействия на него, сопровождаемое формированием электромагнитного излучения трещин, образующихся в процессе деформирования образца, воздействие этим излучением, смешанным с электромагнитными помехами и шумами аппаратуры, на обкладки емкостного датчика с формированием на них переменных электрических потенциалов и регистрацию их. Сущность изобретения: диаграмму направленности емкостного датчика формируют из трех зон, используя в качестве емкостного датчика трехзвенный цилиндрический емкостной датчик. Потенциал средней зоны приравнивают нулю путем заземления среднего цилиндрического емкостного элемента трехзвенного цилиндрического емкостного датчика и регистрируют блоком обработки сигналов текущие значения электрических потенциалов, возникающих на крайних обкладках трехзвенного цилиндрического емкостного датчика, которыми служат его крайние цилиндрические емкостные элементы, с помощью блока развязки. Блок развязки выполнен на трех операционных усилителях, соединенных между собой по дифференциальной схеме. К инвертирующим входам первого и второго операционных усилителей, служащих повторителями напряжений, подключены высокоомные выходы крайних цилиндрических емкостных элементов трехзвенного цилиндрического емкостного датчика. К выходу третьего операционного усилителя, служащего электрометрическим вычитателем, подключен вход блока обработки сигналов. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области геофизики и горного дела и может быть использовано при электроразведочных работах и исследованиях электромагнитных полей, излучаемых горными породами при их разрушении, а также в горной промышленности для прогноза динамических проявлений в массиве горных пород при изменении его напряженно-деформированного состояния.

Известен способ регистрации электромагнитного излучения (ЭМИ), возникающего при трещинообразовании горных пород, реализованный в устройстве по патенту РФ N 2085736, кл. E 21 C 39/00, G 01 V 3/00, опубл. в БИ N 21, 1997 г., основанный на использовании ферритового датчика и заключающийся в регистрации сигналов ЭМИ деформируемых горных пород.

Недостатками этого способа являются возможность пропуска в счете отдельных импульсов сигналов ЭМИ из-за недостаточной чувствительности, например, на повышенных частотах, либо возможность вместо сигнала ЭМИ зарегистрировать сигнал помехи, так как такой датчик не отфильтровывает их, что приводит к недостоверности получаемой информации и, следовательно, к снижению точности прогноза разрушения горных пород и других материалов. Другим недостатком способа, основанного на использовании ферритового датчика, является невозможность регистрации электрической компоненты ЭМИ.

Известен также способ определения оптимальных размеров электрических или магнитных диполей по патенту РФ N 2053519, кл. G 01 R 29/10, опубл. в БИ N 3, 1996 г., осуществляемый с помощью излучающих и приемных электрических диполей. Однако этот способ основан на измерении проводимости и относительной диэлектрической проницаемости исследуемой среды, что резко усложняет измерения как в натурных, так и в лабораторных условиях.

Недостатком этого способа является невозможность использования в качестве деформируемого стержня образцов горной породы (керна), так как последние, являясь диэлектриками, не проводят электрический ток и не могут быть заземлены. Устройства, реализующие этот способ, обладают низкой помехоустойчивостью из-за отсутствия в их конструкциях элементов гашения помех, что снижает степень достоверности получаемой по ним информации о процессах предразрушения и трещинообразования деформируемого стержня, как металлического, так и из других твердых материалов.

Недостатком такого устройства является невысокая помехозащищенность и низкая точность, вызванная узким частотным диапазоном входной цепи. Другим недостатком является низкая эффективность при исследовании ЭМИ горных пород на образцах малых объемов, какими являются цилиндрические образцы (керны), так как при малых объемах они излучают слабые по величине сигналы ЭМИ.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является антенное устройство по патенту СССР N 1429950, кл. H 01 Q 25/04, опубл. в БИ N 37, 1988, содержащее первую пару скрещенных взаимно ортогональных рамок, подключенных питающими проводниками к блоку обработки сигналов и размещенных на полом диэлектрическом цилиндрическом корпусе так, что их общая ось совпадает с осью полого диэлектрического цилиндрического корпуса, а продольные стороны расположены вдоль образующих на его поверхности, вторую пару скрещенных взаимно ортогональных рамок, идентичных первой и размещенных соосно с первой на втором полом диэлектрическом цилиндрическом корпусе, а также блок развязки, размещаемый между первой и второй парами рамок.

Недостатками этого устройства являются невозможность получения сигнала, пропорционального электрической компоненте электромагнитной волны, так как оно снабжено рамками, которые реагируют на магнитную компоненту электромагнитного сигнала, а также невозможность размещения в осевой полости цилиндрических элементов деформируемого образца, поскольку в ней размещена приемная рамка. Оно не позволяет обеспечить достоверность регистрируемой по сигналу ЭМИ информации.

Известен датчик для регистрации электрической компоненты электромагнитного поля в виде цилиндрического диполя, состоящий из тонкой проводящей трубки, которое питается от источника ЭДС, расположенного в центре этого диполя (Р. Кинг, Г. Смит. Антенны в материальных средах. Книга 2, перевод с англ. М.: “Мир”, 1984. – с. 425-451).

Недостатками такого датчика является низкая помехозащищенность, малая чувствительность к слабым электромагнитным полям ЭМИ, так как такой датчик не содержит каких-либо усилителей, и необходимость использования источника ЭДС, размещаемого в диполе для его питания.

Наиболее близким к заявляемому датчику по технической сущности и достигаемому результату является датчик для регистрации ЭМИ при растяжении металлического стержня цилиндрической формы (Electromagnetic effects at metallic fracture, Ashok Misra. – Nature Vol. 254, March 13, 1975. – p. 133-134), представляющий собой полуцилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого выполнена в форме полуцилиндрической медной пластины, а в качестве второй обкладки используется испытуемый (деформируемый) металлический стержень, причем для съема сигнала полуцилиндрическая медная пластина снабжена боковым отводом, подключенным к первому входу запоминающего осциллографа, а ко второму его входу подключен провод, соединенный с деформируемым металлическим стержнем, при этом последний заземлен.

Недостатком этого датчика является использование в качестве второй обкладки конденсатора, накапливающего заряды, связанные с прохождением регистрируемого сигнала ЭМИ деформируемого металлического стержня (исследуемого образца). В таком датчике не могут исследоваться образцы горной породы, которые не могут служить второй обкладкой конденсатора и не могут заземляться, так как являются диэлектриками. Другим недостатком этого датчика является отсутствие помехозащищенности, поскольку полуцилиндрическая металлическая (медная) пластина может фиксировать любые электромагнитные помехи, а блок подавления помех в датчике отсутствует. Следовательно, регистрируемая таким датчиком информация об ЭМИ будет обладать пониженной достоверностью.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении достоверности регистрируемой информации – сигнала ЭМИ, возникающего в высоконапряженном твердом теле, которая достигается за счет исключения помех и шумов аппаратуры.

Поставленная задача решается тем, что в способе регистрации ЭМИ деформируемых твердых тел, например образцов горных пород (в дальнейшем деформируемых образцов), включающем установку образца между обкладками емкостного датчика, деформирование образца путем силового воздействия на него, сопровождаемое формированием ЭМИ трещин, образующихся в процессе деформирования образца, воздействие этим излучением, смешанным с электромагнитными помехами и шумами аппаратуры, на обкладки емкостного датчика с формированием на них переменных электрических потенциалов и регистрацию их, согласно техническому решению, диаграмму направленности емкостного датчика формируют из трех зон, используя в качестве емкостного датчика трехзвенный цилиндрический емкостной датчик, причем потенциал средней зоны приравнивают нулю путем заземления среднего цилиндрического емкостного элемента трехзвенного цилиндрического емкостного датчика и регистрируют блоком обработки сигналов текущие значения электрических потенциалов, возникающих на крайних обкладках трехзвенного цилиндрического емкостного датчика, образованных его крайними цилиндрическими емкостными элементами, с помощью блока развязки, выполненного на трех операционных усилителях, соединенных между собой по дифференциальной схеме, в которой к инвертирующим входам первого и второго операционных усилителей, служащих повторителями напряжений, подключены высокоомные выходы крайних цилиндрических емкостных элементов трехзвенного цилиндрического емкостного датчика, а к выходу третьего операционного усилителя, служащего электрометрическим вычитателем, подключен вход блока обработки сигналов.

Использование трех операционных усилителей, соединенных по дифференциальной схеме, обеспечивает взаимную компенсацию помех и шумов аппаратуры, содержащихся в сигналах, формирующихся на двух крайних цилиндрических емкостных элементах трехзвенного цилиндрического емкостного датчика, при этом компенсация помех и шумов аппаратуры осуществляется за счет операции вычитания на третьем операционном усилителе сигналов, поступающих с двух первых операционных усилителей на его входы. За счет этого на выходе третьего операционного усилителя будет формироваться чистый сигнал, не содержащий помех и шумов.

Таким образом, предложенный способ позволяет зарегистрировать достоверную, не искаженную информацию о сигнале ЭМИ, возникающем в высоконапряженном деформируемом образце.

В устройстве для регистрации ЭМИ деформируемых твердых тел, например образцов горных пород, содержащем соосно установленные цилиндрические элементы с осевой полостью, блок развязки, блок обработки сигналов и источник питания, согласно техническому решению, в качестве цилиндрических элементов с осевой полостью использован трехзвенный цилиндрический емкостной датчик, содержащий средний и первый и второй крайние цилиндрические емкостные элементы, в осевой полости которых размещен деформируемый образец, при этом блок развязки выполнен на трех операционных усилителях, соединенных между собой по дифференциальной схеме, в которой два операционных усилителя использованы в качестве повторителей напряжений, а третий – в качестве электрометрического вычитателя сигналов, при этом выходы первого и второго крайних цилиндрических емкостных элементов трехзвенного цилиндрического емкостного датчика соединены с неинвертирующими высокоомными входами первого и второго операционных усилителей блока развязки, выходы которых подключены к соответствующим входам третьего операционного усилителя, а выход последнего подключен к блоку обработки сигналов.

Наличие в устройстве трехзвенного цилиндрического емкостного датчика (в дальнейшем трехзвенного датчика) с осевой полостью позволяет разместить в ней деформируемый образец и нагрузить его усилием, соответствующим трещинообразованию, благодаря чему будет получен электромагнитный сигнал, который требуется зарегистрировать. Применение цилиндрического емкостного элемента позволяет использовать свойство конденсатора перераспределять электрические заряды на его обкладках при воздействии ЭМИ. Выполнение емкостного датчика трехзвенным позволяет сформировать вокруг него при приеме сигнала электромагнитное поле из трех зон, включая среднюю зону с нулевым потенциалом, то есть обеспечить формирование диаграммы направленности трехзвенного датчика в виде “восьмерки”.

Последнее эффективно при регистрации ЭМИ, в частности, в ближней зоне (то есть на малых расстояниях от трехзвенного датчика, соизмеримых с его размерами). Напряженность электрического поля в цилиндрическом емкостном датчике значительно выше в его осевой полости. Это позволяет повысить достоверность регистрации электромагнитного сигнала деформируемого образца при размещении его в осевой полости трехзвенного датчика. Поскольку емкостные элементы, в том числе и емкостные элементы трехзвенного датчика, имеют высокоомный выход при снятии с него сигнала, в блоке развязки необходимы повторители напряжения с высокоомным входом. В качестве последних в техническом решении использованы первый и второй операционные усилители с высокоомным входом, подключенные соответственно к первому и второму крайним цилиндрическим емкостным элементам трехзвенного датчика. Чтобы повысить достоверность регистрации сигнала ЭМИ деформируемого образца, необходимо уменьшить или полностью исключить из регистрируемого сигнала все возможные помехи и шумы аппаратуры. Это достигается за счет введения в блок развязки третьего операционного усилителя, осуществляющего вычитание выходных сигналов с первого и второго операционных усилителей. Известно, что электромагнитные помехи и шумы аппаратуры являются случайными величинами, распределенными по нормальному закону, вследствие этого соответствующее им ЭМИ формирует на обоих крайних цилиндрических емкостных элементах трехзвенного датчика равные по величине и одинаковые по знаку заряды. Электрические потенциалы, снятые с этих элементов и поступившие на неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей, на выходе из них будут в одинаковых фазах. Поступив на инвертирующий и неинвертирующий входы третьего операционного усилителя, эти потенциалы, равные по величине, окажутся в противоположных фазах и вследствие этого взаимно компенсируются. Что же касается полезной компоненты – сигнала деформируемого образца, то соответствующее ЭМИ сформирует на первом и втором крайних цилиндрических емкостных элементах трехзвенного датчика заряды противоположного знака. Соответствующие им потенциалы, достигнув третьего операционного усилителя, сложатся в нем, за счет чего амплитуда сигнала ЭМИ возрастет в два раза.

Чтобы упростить регулировку и настройку аппаратуры, трехзвенный датчик следует выполнять симметричным относительно его геометрического центра. Это достигается за счет того, что первый и второй крайние цилиндрические емкостные элементы трехзвенного датчика изготовляют одинаковых размеров из одного и того же металла с одинаковой толщиной стенок. Соответственно электрический центр такого симметричного относительно центра среднего цилиндрического емкостного элемента трехзвенного датчика будет совпадать с его геометрическим центром, что обеспечивает формирование диаграммы направленности этого датчика в виде симметричной “восьмерки”.

Таким образом, рассмотренное устройство обеспечивает повышение достоверности регистрируемой информации, т.е. обеспечивает выполнение поставленной технической задачи.

В датчике для регистрации ЭМИ деформируемых твердых тел, например образцов горных пород, выполненном в виде цилиндрического емкостного элемента, в осевой полости которого установлен деформируемый образец, согласно техническому решению, цилиндрический емкостной элемент выполнен трехзвенным, содержащим средний и первый и второй крайние цилиндрические емкостные элементы, размещенные с разных сторон от среднего цилиндрического емкостного элемента вдоль общей оси с ним и соединенные с ним с помощью резисторов, при этом средний цилиндрический емкостной элемент заземлен.

За счет заземления среднего цилиндрического емкостного элемента его потенциал приравнивается нулю (совпадает с потенциалом земли). Вследствие этого потенциал зоны поля, прилегающего к заземленному элементу, равен нулю. Аналогично напряженность электрического поля, по крайней мере, в зоне центральной плоскости, нормальной оси среднего цилиндрического емкостного элемента, будет обращаться в ноль. Соответственно диаграмма направленности трехзвенного датчика будет иметь вид “восьмерки”. Это повышает точность распределения зарядов в трехзвенном датчике при воздействии на него волнами электромагнитного поля, поступающего от деформируемого образца, и электромагнитными помехами. Благодаря этому повышается достоверность регистрации сигнала деформируемого образца.

Целесообразно при этом крайние цилиндрические емкостные элементы трехзвенного датчика соединять с его средним цилиндрическим емкостным элементом с помощью по крайней мере трех резисторов, равномерно размещенных по окружности этих элементов.

Резисторы выполняют следующие функции. Во-первых, они как крепежные элементы соединяют три отдельных цилиндрических емкостных элемента в одно целое. Во-вторых, они обеспечивают связь по току через землю для операционных усилителей, в-третьих, обеспечивают симметрирование приема электромагнитного поля.

Таким образом, предлагаемый трехзвенный датчик позволяет регистрировать ЭМИ деформируемого образца. Все это обеспечивает повышение достоверности регистрируемой информации, т.е. обеспечивает решение поставленной технической задачи.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером конкретного выполнения и чертежами, где на фиг. 1 приведен общий вид с частичным разрезом трехзвенного датчика с размещенным в его осевой полости деформируемым твердым телом (образцом горной породы, породным керном); на фиг. 2 – блок-схема устройства для регистрации ЭМИ деформируемых твердых тел, например образцов горной породы.

Способ для регистрации ЭМИ деформируемых твердых тел, например образцов горных пород, реализуют с помощью устройства, предназначенного для этой цели (фиг. 2), которое состоит из трехзвенного датчика, блока развязки с усилителями и блока обработки сигналов.

Трехзвенный датчик (фиг. 1) для регистрации ЭМИ деформируемого образца 1 установлен на основании 2 через изолирующую прокладку 3. Вторая изолирующая прокладка 4 установлена на верхнем торце деформируемого образца 1. Прикладываемое к нему усилие передают через металлическую прокладку 5 и шарик 6. Последний рекомендуется использовать в тех случаях, когда требуется ускорить процесс трещинообразования деформируемого образца 1.

Собственно трехзвенный датчик 7 (фиг. 1) выполнен по крайней мере из трех соосно установленных тонкостенных цилиндрических емкостных элементов: среднего цилиндрического емкостного элемента 8 (фиг. 1, 2) и двух крайних – первого крайнего цилиндрического емкостного элемента 9 и второго крайнего цилиндрического емкостного элемента 10, изготовленных из тонколистового металла, например, меди или жести. Во внутренней полости трехзвенного датчика 7 между деформируемым образцом 1 и внутренними стенками цилиндрических емкостных элементов 8-10 размещена цилиндрическая изолирующая прокладка 11.

Первый и второй крайние цилиндрические емкостные элементы 9 и 10 соединены со средним цилиндрическим емкостным элементом 8 с помощью двух групп резисторов, например, 12-14 и 15-17, равномерно отстоящих друг от друга по окружности этих элементов на угол 120^o. Резисторы 12-17 обеспечивают соединение трех цилиндрических емкостных элементов 8-10 в единое целое. Средний цилиндрический емкостной элемент 8 заземлен. Первый и второй крайние цилиндрические емкостные элементы 9 и 10 экранированным кабелем 18 соединены через блок 19 развязки (фиг. 2) и экранированный кабель 20 со входом блока 21 обработки сигналов. Источник 22 двухполярного питания соединен с блоком 19 развязки и заземлен.

Блок 19 развязки (фиг. 2) состоит из трех операционных усилителей 23-25, соединенных по дифференциальной схеме.

Первый и второй крайние цилиндрические емкостные элементы 9 и 10 подключены соответственно к неинвертирующим входам первого и второго операционных усилителей 23 и 24, а выходы последних соответственно подключены к инвертирующему и неинвертирующему входам третьего операционного усилителя 25, служащего электрометрическим вычитателем, осуществляющим операцию вычитания напряжений. Выходы третьего операционного усилителя 25 подключены экранированным кабелем 20 ко входу блока 21 обработки информации, в качестве которого может использоваться компьютер.

В осевой полости трехзвенного датчика 7 (фиг. 1) устанавливают деформируемый образец 1, изготовленный в форме цилиндра (керна), например из горной породы. При этом размеры трехзвенного датчика 7 и его осевой полости, а также деформируемого образца 1 определяют следующими соотношениями:
D₁2,
h₁>h₂,
где D₁, h₁ – соответственно диаметр и длина деформируемого образца 1, размещаемого в осевой полости трехзвенного датчика 7;
D₂, h₂ – соответственно диаметр и длина осевой полости трехзвенного датчика 7, включая длину среднего 8 и первого и второго крайних цилиндрических емкостных элементов 9 и 10 и величину зазоров между ними.

Работу блока 19 развязки обеспечивают резисторы 12-14 и 15-17, соединяющие первый и второй крайние цилиндрические емкостные элементы 9 и 10 трехзвенного датчика 7 с его средним цилиндрическим емкостным элементом 8. Они, помимо крепежных функций, обеспечивают связь по току через землю для операционных усилителей 23-25 и, кроме того, симметрирование приема электрического поля.

Устройство для регистрации ЭМИ деформируемого твердого тела, например образцов горной породы, состоит из трехзвенного датчика 7 (фиг. 1, 2), блока 19 развязки, включающего операционные усилители 23-25, последний из которых выполняет роль электрометрического вычитателя сигналов и выход которого связан с блоком 21 обработки сигналов, источника 22 питания и экранированных кабелей 18 и 20.

Устройство работает следующим образом.

При приложении силы P, например, через шарик (концентратор напряжений) 6 к верхнему торцу деформируемого образца 1 происходит формирование трещины и скол части этого образца 1. На боковых поверхностях трещины формируются электрические заряды, движение которых (совместно с перемещением бортов трещины и ее носика) приводит к возникновению ЭМИ (электромагнитного поля), которое, распространяясь во все стороны, попадает на цилиндрические емкостные элементы 8-10 трехзвенного датчика 7 и формирует на них электрические заряды. В соответствии с электрической компонентой электромагнитного поля сигнала ЭМИ появившиеся на цилиндрических емкостных элементах 8-10 заряды приводят к возникновению между элементами 8, 9 и 8, 10 цилиндрического конденсатора разности потенциалов и формированию двух зон электрического поля.

Поскольку цилиндрический емкостной элемент 8 заземлен, потенциал зоны электрического поля вокруг него равен потенциалу земли, т.е. нулю. Потенциал поля от первого крайнего цилиндрического емкостного элемента 9, пропорциональный электрической напряженности между обкладками трехзвенного датчика, образованными его элементами 8 и 9, приложен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя 23. Аналогично потенциал поля второго крайнего цилиндрического емкостного элемента 10, пропорциональный электрической напряженности между обкладками трехзвенного датчика, образованными его элементами 8 и 10, приложен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя 24. Поскольку элемент 8 заземлен, то потенциалы электрического поля приложены к неинвертирующим входам первого и второго операционных усилителей 23 и 24 с противоположными знаками, т.е. последние включены по дифференциальной схеме. Также имеют противоположные полярности и входные токи первого и второго операционных усилителей 23 и 24, протекающие соответственно по цепям: нулевой потенциал земли – корпус среднего цилиндрического емкостного элемента 8 – параллельное соединение резисторов 12-14 – корпус первого крайнего цилиндрического емкостного элемента 9 – первая жила кабеля 18 – неинвертирующий вход первого операционного усилителя 23; вторая цепь: земля – корпус среднего цилиндрического емкостного элемента 8 – параллельное соединение резисторов 15-17 – корпус второго крайнего цилиндрического емкостного элемента 10 – вторая жила кабеля 18 – неинвертирующий вход второго операционного усилителя 24 – земля.

Напряжение помехи, наведенное в зарядовой обкладке трехзвенного датчика 7, частично гасится в параллельных проводах экранированного кабеля 18 за счет эффекта взаимодействия токов параллельных проводов. Однако при малой длине кабеля 18 этот эффект незначителен. Поэтому в устройство введен третий операционный усилитель 25, который выполняет операцию вычитания напряжений помехи и операцию складывания полезных напряжений зарядовых элементов 9 и 10, за счет чего повышается достоверность регистрации сигнала ЭМИ.

Напряжения u₁ и u₂ с выходов первого и второго операционных усилителей 23 и 24 соответственно равны
u₁ = ₁ (u_c1+u_п),
u₂ = ₂ (-u_c2+u_п),
где ₁,₂ – коэффициенты усиления первого и второго усилителей 23 и 24;
u_c1, u_c2 – напряжения полезных сигналов цилиндрических емкостных элементов 9 и 10;
u_п – напряжение помехи.

С выхода третьего операционного усилителя 25 снимают напряжение, пропорциональное электрической компоненте регистрируемого сигнала ЭМИ деформируемого образца 1:
u₃= ₃ (u₂-u₁)= ₃ ( ₂ (-u_c2+u_п)- ₁ (u_c1+u_п)),
где ₃ – коэффициент усиления усилителя 25.

Полагая ₁ = ₂ = и u_c1=u_c2=u_c, получим
₃
Заявляемый способ осуществляют с использованием заявляемого устройства и заявляемого датчика следующим образом.

Деформируемый образец 1 (фиг. 1) твердого тела, например горной породы, выполненный в виде цилиндра, устанавливают в осевой полости трехзвенного датчика 7 (фиг. 1, 2), затем этот образец 1 нагружают путем силового воздействия на него (силой P на фиг. 1). В конкретных случаях нагружение осуществляют с помощью пресса. 3a счет деформирования в образце 1 формируют трещины и микротрещины, на бортах которых всегда имеются электрические заряды. При прорастании трещин их берега перемещаются, колеблются, соответственно колеблются находящиеся на берегах трещин электрические заряды. Часть электрических зарядов перемещается с носиком растущей трещины. Все колеблющиеся и движущиеся заряды излучают волны ЭМИ. Возникшим ЭМИ воздействуют на обкладки трехзвенного датчика 7 (фиг. 2). Волны ЭМИ распространяются во все стороны от трещин и часть их попадает на цилиндрические емкостные элементы 8-10 трехзвенного датчика 7. Облучение обкладок датчика 7 приводит к перераспределению зарядов на них. Таким образом, на емкостных обкладках цилиндрического конденсатора за счет ЭМИ формируют электрические потенциалы. Последние регистрируют.

Повысить достоверность регистрации сигналов ЭМИ деформируемого твердого тела можно за счет формирования диаграммы направленности емкостного датчика в форме симметричной “восьмерки”. В соответствии с этим диаграмму направленности емкостного датчика в заявляемом способе формируют из трех зон, используя в качестве емкостного датчика трехзвенный датчик 7, причем потенциал средней зоны приравнивают нулю путем заземления среднего цилиндрического емкостного элемента 8 трехзвенного датчика 7, и регистрируют текущие значения электрических потенциалов, возникающих на крайних обкладках трехзвенного датчика 7, образованных его крайними цилиндрическими емкостными элементами 9 и 10 трехзвенного датчика 7.

Однако в пространстве всегда присутствуют случайные электромагнитные поля (за счет промышленных помех, работы радиостанций, гроз в атмосфере), которые являются помехами для рассматриваемых сигналов ЭМИ деформируемого образца 1. Помимо названных помех всегда присутствуют электромагнитные шумы аппаратуры. Помехи и шумы накладываются на полезный сигнал ЭМИ деформируемого образца 1. Этим суммарным сигналом воздействуют на емкостные обкладки трехзвенного датчика 7. Наличие помех и шумов резко снижает качество регистрируемого сигнала. Чтобы повысить достоверность регистрации сигнала ЭМИ деформируемых твердых тел, необходимо устранить помехи и шумы из зарегистрированного сигнала. В заявляемом способе последнего достигают за счет использования специальной схемы блока 19 развязки (фиг. 2), входящего в заявляемое устройство для регистрации ЭМИ деформируемых твердых тел, например образцов горных пород. Блок 19 развязки выполнен на трех операционных усилителях 23-25, соединенных между собой по дифференциальной схеме, в которой к инвертирующим входам первого 23 и второго 24 операционных усилителей, служащих повторителями напряжений, подключают высокоомные выходы крайних цилиндрических емкостных элементов 9 и 10 трехзвенного датчика 7, а к выходу третьего операционного усилителя 25, служащего электрометрическим вычитателем, подключают вход блока 21 обработки сигналов.

Таким образом, заявляемый способ регистрации ЭМИ деформируемых твердых тел, например образцов горных пород, в совокупности с заявляемыми устройством и датчиком обеспечивают достоверность регистрации ЭМИ высоконапряженных твердых тел, например образцов горных пород, и следовательно, позволяют решить поставленную техническую задачу.

Формула изобретения

1. Способ регистрации электромагнитного излучения деформируемых твердых тел, например образцов горных пород, включающий установку образца между обкладками емкостного датчика, деформирование образца путем силового воздействия на него, сопровождаемое формированием электромагнитного излучения трещин, образующихся в процессе деформирования образца, воздействие этим излучением, смешанным с электромагнитными помехами и шумами аппаратуры, на обкладки емкостного датчика с формированием на них переменных электрических потенциалов и регистрацию их, отличающийся тем, что диаграмму направленности емкостного датчика формируют из трех зон, используя в качестве емкостного датчика трехзвенный цилиндрический емкостной датчик, причем потенциал средней зоны приравнивают нулю путем заземления среднего цилиндрического емкостного элемента трехзвенного цилиндрического емкостного датчика и регистрируют блоком обработки сигналов текущие значения электрических потенциалов, возникающих на крайних обкладках трехзвенного цилиндрического емкостного датчика, образованных его крайними цилиндрическими емкостными элементами, с помощью блока развязки, выполненного на трех операционных усилителях, соединенных между собой по дифференциальной схеме, в которой к инвертирующим входам первого и второго операционных усилителей, служащих повторителями напряжений, подключены высокоомные выходы крайних цилиндрических емкостных элементов трехзвенного цилиндрического емкостного датчика, а к выходу третьего операционного усилителя, служащего электрометрическим вычитателем, подключен вход блока обработки сигналов.

2. Устройство для регистрации электромагнитного излучения деформируемых твердых тел, например образцов горных пород, содержащее соосно установленные цилиндрические элементы с осевой полостью, блок развязки, блок обработки сигналов и источник питания, отличающееся тем, что в качестве цилиндрических элементов с осевой полостью использован трехзвенный цилиндрический емкостной датчик, содержащий средний и первый и второй крайние цилиндрические емкостные элементы, в осевой полости которых размещен деформируемый образец, при этом блок развязки выполнен на трех операционных усилителях, соединенных между собой по дифференциальной схеме, в которой два операционных усилителя использованы в качестве повторителей напряжений, а третий – в качестве электрометрического вычитателя сигналов, при этом выходы первого и второго крайних цилиндрических емкостных элементов трехзвенного цилиндрического емкостного датчика соединены с неинвертирующими высокоомными входами соответственно первого и второго операционных усилителей блока развязки, выходы которых подключены к соответствующим входам третьего операционного усилителя, а выход последнего подключен к блоку обработки сигналов.

3. Датчик для регистрации электромагнитного излучения деформируемых твердых тел, например образцов горных пород, выполненный в виде цилиндрического емкостного элемента, в осевой полости которого установлен деформируемый образец, отличающийся тем, что цилиндрический емкостной элемент выполнен трехзвенным, содержащим средний и первый и второй крайние цилиндрические емкостные элементы, размещенные с разных сторон от среднего цилиндрического емкостного элемента вдоль общей оси с ним и соединенные с ним с помощью резисторов, при этом средний цилиндрический емкостной элемент заземлен.

4. Датчик по п.3, отличающийся тем, что крайние цилиндрические емкостные элементы соединены со средним с помощью по крайней мере трех резисторов, равномерно размещенных по окружности этих элементов.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 27.07.2002

Номер и год публикации бюллетеня: 4-2004

Извещение опубликовано: 10.02.2004