地震計(jì)機(jī)械擺結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

地震是一種嚴(yán)重危害人們生命安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的突發(fā)性自然災(zāi)害,當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí),強(qiáng)烈的地面震動(dòng)及伴生的地面裂縫會(huì)使各類建筑物倒塌和損壞,并造成設(shè)備和設(shè)施損壞。為減少地震災(zāi)害所造成的損失,需要對地震信息進(jìn)行采集與分析研究。地震計(jì)可以實(shí)時(shí)采集大量的地震信息,在地震預(yù)報(bào)和地震災(zāi)后監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。不同類型的地震計(jì)能記錄距離不同、強(qiáng)度不同的地震。差容式地震計(jì)是一種高分辨率、寬頻帶的地震計(jì),其發(fā)展方向是具有更寬的頻帶范圍。對于差容式地震計(jì)而言,機(jī)械擺的固有頻率越低,地震計(jì)低頻響應(yīng)越好。然而,傳統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化方法無法有效降低機(jī)械擺的固有頻率,因此通過拓?fù)鋬?yōu)化機(jī)械擺結(jié)構(gòu)降低固有頻率,從而獲得更好的低頻響應(yīng),是獲得高性能差容式地震計(jì)的一種有效途徑。

1差容式地震計(jì)工作原理

對于現(xiàn)代地震測量廣泛使用的地震計(jì)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(jì)由機(jī)械擺、換能器及其反饋環(huán)節(jié)三部分構(gòu)成,其工作原理如圖1所示。

機(jī)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(huì)產(chǎn)生反饋力,它在機(jī)械擺上起作用,以阻止機(jī)械擺的運(yùn)動(dòng),然后完成地面運(yùn)動(dòng)的放大和記錄。地震信號在此過程中進(jìn)行轉(zhuǎn)換,通過擺轉(zhuǎn)換成為相對運(yùn)動(dòng)的信號,再經(jīng)過換能器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成與地震信號同類型的反饋信號進(jìn)行疊加,形成閉環(huán)控制。

2差容式地震計(jì)結(jié)構(gòu)

差容式地震計(jì)機(jī)械擺的結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)械擺關(guān)鍵結(jié)構(gòu)由尼龍柱、磁鋼、電容板、線圈、質(zhì)量塊、磁鋼座、支撐簧片、擺動(dòng)支架、十字簧片9個(gè)部件組成。尼龍柱主要作用是固定中間電容板,調(diào)節(jié)中間電容板與上下電容板的位置,使3個(gè)電容板只有一個(gè)合理的初始位置。磁鋼的作用是提供一個(gè)磁場環(huán)境,線圈運(yùn)動(dòng)時(shí)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(zhuǎn)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(biāo)定作用的標(biāo)定線圈。質(zhì)量塊的作用是增加擺動(dòng)支架的慣性,提高機(jī)械擺對微弱信號的拾取能力。磁鋼座起到固定整個(gè)機(jī)械擺的作用,同時(shí)內(nèi)部還安裝著磁鋼。支撐簧片對整個(gè)機(jī)械擺結(jié)構(gòu)起到穩(wěn)定作用,震動(dòng)發(fā)生時(shí)可使整體的穩(wěn)定性提高。十字簧片作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu),起到連接固定部件與運(yùn)動(dòng)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(dòng)支架,質(zhì)量塊與擺動(dòng)支架通過螺釘固定,線圈與擺動(dòng)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(dòng)支架連接,磁鋼座固定安裝,當(dāng)震動(dòng)發(fā)生時(shí),質(zhì)量塊由于慣性帶動(dòng)擺動(dòng)支架上的中間電容板產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),將震動(dòng)信號轉(zhuǎn)換為電信號,同時(shí)線圈在磁鋼中發(fā)生運(yùn)動(dòng)為電路提供反饋。

在solidWorks中繪制差容式地震計(jì)機(jī)械擺各部分零部件的加工圖紙,然后機(jī)械加工廠按照圖紙完成零部件制作。對差容式地震計(jì)機(jī)械擺線圈框用0.06mm的銅制漆包線進(jìn)行纏繞,反饋線圈纏繞2000圈阻值為964Ω、標(biāo)定線圈繞制200圈阻值為95.8Ω,線圈繞制后分別與導(dǎo)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(dòng)支架與磁鋼座部分,同時(shí)使用M3銅制平圓頭螺釘連接支撐簧片兩端,使機(jī)械擺結(jié)構(gòu)震動(dòng)發(fā)生時(shí)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(dòng)支架連接,磁鋼安裝磁鋼座由頂絲固定,機(jī)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(jì)機(jī)械擺性能測試

測試系統(tǒng)如圖4所示,固定安裝好地震計(jì)機(jī)械擺測試樣機(jī),函數(shù)信號發(fā)生器向校準(zhǔn)線圈輸入正弦信號,使擺產(chǎn)生受迫震動(dòng),電容板之間的距離發(fā)生變化,解調(diào)電路的輸出電壓值通過示波器顯示。實(shí)驗(yàn)中輸入信號電壓過高,會(huì)使擺產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致樣機(jī)損壞,因此,必須控制輸入信號電壓值。

圖4機(jī)械擺固有頻率測試系統(tǒng)

采用正弦標(biāo)定法對優(yōu)化前后的機(jī)械擺進(jìn)行固有頻率測試。由于地震計(jì)系統(tǒng)是一個(gè)線性時(shí)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(huì)出現(xiàn)線性的變化,因此,正弦標(biāo)定過程如下:標(biāo)定電路向標(biāo)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(biāo)定線圈驅(qū)動(dòng)地震計(jì)的擺錘,進(jìn)而在地震計(jì)的輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的正弦相應(yīng)波形。相應(yīng)波形的頻率和輸入電流信號的頻率對應(yīng)相同,但幅度和相位產(chǎn)生了變化。

測試設(shè)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(diào)電路,測試頻率范圍設(shè)置為1～10Hz,分別記錄機(jī)械擺優(yōu)化前后不同輸出電壓下的頻率值。機(jī)械擺固有頻率測試曲線如圖5所示。

圖5機(jī)械擺固有頻率測試曲線

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

4結(jié)語

綜上所述,對地震計(jì)機(jī)械擺各部分零部件進(jìn)行實(shí)物加工,然后按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行裝配,采用正弦標(biāo)定法對優(yōu)化前后的機(jī)械擺進(jìn)行幅頻響應(yīng)測試,優(yōu)化后的機(jī)械擺固有頻率由5.3Hz降低為4.4Hz,降低了27%,實(shí)現(xiàn)了降低固有頻率的目的。