引言

地震是一種嚴重危害人們生命安全和國民經(jīng)濟發(fā)展的突發(fā)性自然災害,當?shù)卣鸢l(fā)生時,強烈的地面震動及伴生的地面裂縫會使各類建筑物倒塌和損壞,并造成設備和設施損壞。為減少地震災害所造成的損失,需要對地震信息進行采集與分析研究。地震計可以實時采集大量的地震信息,在地震預報和地震災后監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。不同類型的地震計能記錄距離不同、強度不同的地震。差容式地震計是一種高分辨率、寬頻帶的地震計,其發(fā)展方向是具有更寬的頻帶范圍。對于差容式地震計而言,機械擺的固有頻率越低,地震計低頻響應越好。然而,傳統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化方法無法有效降低機械擺的固有頻率,因此通過拓撲優(yōu)化機械擺結構降低固有頻率,從而獲得更好的低頻響應,是獲得高性能差容式地震計的一種有效途徑。

1差容式地震計工作原理

對于現(xiàn)代地震測量廣泛使用的地震計而言,力反饋環(huán)節(jié)是其電路中必不可少的一部分。差容式地震計由機械擺、換能器及其反饋環(huán)節(jié)三部分構成,其工作原理如圖1所示。

機械擺根據(jù)慣性原理采集地面速度、偏移量和加速度。換能器工作中的電磁線圈或電容器極板,將通過反饋環(huán)節(jié)產(chǎn)生反饋電流,在電磁場的作用下,反饋電流通過反饋線圈會產(chǎn)生反饋力,它在機械擺上起作用,以阻止機械擺的運動,然后完成地面運動的放大和記錄。地震信號在此過程中進行轉換,通過擺轉換成為相對運動的信號,再經(jīng)過換能器轉換成為模擬電信號。而反饋環(huán)節(jié)則是將得到的模擬電信號通過電磁力的形式,再轉換成與地震信號同類型的反饋信號進行疊加,形成閉環(huán)控制。

2差容式地震計結構

差容式地震計機械擺的結構如圖2所示。機械擺關鍵結構由尼龍柱、磁鋼、電容板、線圈、質量塊、磁鋼座、支撐簧片、擺動支架、十字簧片9個部件組成。尼龍柱主要作用是固定中間電容板,調節(jié)中間電容板與上下電容板的位置,使3個電容板只有一個合理的初始位置。磁鋼的作用是提供一個磁場環(huán)境,線圈運動時切割磁感線,產(chǎn)生反饋力。電容板主要作用是將位移信號轉換為電信號。線圈分布有兩組,一組為反饋電路組成部分的反饋線圈,另一組是起到標定作用的標定線圈。質量塊的作用是增加擺動支架的慣性,提高機械擺對微弱信號的拾取能力。磁鋼座起到固定整個機械擺的作用,同時內(nèi)部還安裝著磁鋼。支撐簧片對整個機械擺結構起到穩(wěn)定作用,震動發(fā)生時可使整體的穩(wěn)定性提高。十字簧片作為關鍵結構,起到連接固定部件與運動部件的作用。

支撐簧片與十字簧片通過螺釘固定連接磁鋼座與擺動支架,質量塊與擺動支架通過螺釘固定,線圈與擺動支架固定連接,電容板中層通過尼龍柱與磁鋼座連接,電容板上下兩層與擺動支架連接,磁鋼座固定安裝,當震動發(fā)生時,質量塊由于慣性帶動擺動支架上的中間電容板產(chǎn)生運動,將震動信號轉換為電信號,同時線圈在磁鋼中發(fā)生運動為電路提供反饋。

在solidWorks中繪制差容式地震計機械擺各部分零部件的加工圖紙,然后機械加工廠按照圖紙完成零部件制作。對差容式地震計機械擺線圈框用0.06mm的銅制漆包線進行纏繞,反饋線圈纏繞2000圈阻值為964Ω、標定線圈繞制200圈阻值為95.8Ω,線圈繞制后分別與導線焊接。使用M2銅制平圓頭螺釘裝配固定十字簧片兩端,連接擺動支架與磁鋼座部分,同時使用M3銅制平圓頭螺釘連接支撐簧片兩端,使機械擺結構震動發(fā)生時穩(wěn)定性提高。電容板中層通過尼龍柱與磁鋼座連接,電容板上下兩層與擺動支架連接,磁鋼安裝磁鋼座由頂絲固定,機械擺整體固定在底座上,裝配后整體圖如圖3所示。

圖3裝配后整體圖

3地震計機械擺性能測試

測試系統(tǒng)如圖4所示,固定安裝好地震計機械擺測試樣機,函數(shù)信號發(fā)生器向校準線圈輸入正弦信號,使擺產(chǎn)生受迫震動,電容板之間的距離發(fā)生變化,解調電路的輸出電壓值通過示波器顯示。實驗中輸入信號電壓過高,會使擺產(chǎn)生強烈的震動,進而導致樣機損壞,因此,必須控制輸入信號電壓值。

圖4機械擺固有頻率測試系統(tǒng)

采用正弦標定法對優(yōu)化前后的機械擺進行固有頻率測試。由于地震計系統(tǒng)是一個線性時不變系統(tǒng),信號經(jīng)過系統(tǒng)之后,頻率保持不變,但幅值會出現(xiàn)線性的變化,因此,正弦標定過程如下:標定電路向標定線圈輸入一組不同頻率的正弦電流信號,這組電流信號通過標定線圈驅動地震計的擺錘,進而在地震計的輸出端產(chǎn)生相應的正弦相應波形。相應波形的頻率和輸入電流信號的頻率對應相同,但幅度和相位產(chǎn)生了變化。

測試設備采用Agilent公司的33500B函數(shù)信號發(fā)生器、DSO-X2012A示波器以及電容板解調電路,測試頻率范圍設置為1～10Hz,分別記錄機械擺優(yōu)化前后不同輸出電壓下的頻率值。機械擺固有頻率測試曲線如圖5所示。

圖5機械擺固有頻率測試曲線

由圖5可知,機械擺固有頻率由優(yōu)化前的5.3Hz降低為4.4Hz,降低了27%,實現(xiàn)了降低固有頻率的目的。

4結語

綜上所述,對地震計機械擺各部分零部件進行實物加工,然后按照結構設計進行裝配,采用正弦標定法對優(yōu)化前后的機械擺進行幅頻響應測試,優(yōu)化后的機械擺固有頻率由5.3Hz降低為4.4Hz,降低了27%,實現(xiàn)了降低固有頻率的目的。