CH700570B1 - Seismometer mit Kraftrückkopplung. - Google Patents

Abstract

Ein Breitbandseismometer für schwache Bewegungen enthält: einen Rahmen (3), eine Masse (12), ein Aufhängungselement (1) zum beweglichen Verbinden der Masse mit dem Rahmen, einen Messaufnehmer zum Messen der Auslenkung der Masse bezüglich des Rahmens und zum Erzeugen eines Messaufnehmer-Ausgangssignals, das eine Funktion der gemessenen Auslenkung ist, einen Kraftwandler (7, 8) zum Anlegen einer Rückkopplungskraft in einer vorgegebenen Richtung an die Masse und eine Regelschaltung. Die Regelschaltung empfängt das Messaufnehmer-Ausgangssignal und erzeugt ein Kraftwandler-Eingangssignal, das einen Eigenrauschanteil enthält. Das Kraftwandler-Eingangssignal wird durch den Kraftwandler verarbeitet, um die Rückkopplungskraft so anzulegen, dass die Masse in Ruhe bezüglich des Rahmens gehalten wird. Die Rückkopplungskraft reicht aus, um einer konstanten Beschleunigung des Rahmens von mindestens 0,2 m/s 2 in der vorgegebenen Richtung der Rückkopplungskraft entgegenzuwirken. Der Eigenrauschanteil des Kraftwandler-Eingangssignals erzeugt bei der Verarbeitung durch den Kraftwandler eine variable Beschleunigung der Masse mit einer spektralen Dichte von weniger als –150 dB bezüglich 1 m 2 /s 3 bei 0,01 Hz.

Description

Gebiet der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Seismometer und genauer Systeme und Verfahren für Kraftrückkopplungsregelung in Seismometern.

Hintergrund

[0002] Es gibt zwei allgemeine Klassen von Seismometern, die als kurzperiodische und Breitbandseismometer bekannt sind. Breitbandseismometer können schwache Bodenbewegungen bei niedrigen Frequenzen messen, während kurzperiodische Seismometer dies nicht können. Die Amplitude seismischer Bodenbewegungen tendiert dazu, bei einer Frequenz unter 1 Hz schnell abzufallen, während der Eigenrauschpegel von Seismometern dazu tendiert, anzusteigen, sodass es viel leichter ist, ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis bei Frequenzen über 1 Hz («kurzen Perioden») zu erreichen als bei niedrigeren Frequenzen.

[0003] Die meisten Breitband- und einige kurzperiodische Seismometer sind vom Kraftrückkopplungstyp. Alle Kraftrückkopplungs-Seismometer umfassen ein elektronisches Element, um eine Kraft anzulegen, um eine bewegliche Trägheitsmasse bei einer vorgegebenen Nullposition bezüglich eines auf dem Boden ruhenden Rahmens zu halten. Bei kurzperiodischen Seismometern mit elektronischer Kraftrückkopplung ist die Rückkopplung stark genug, um Effekte von Schieflage und Temperatur auf die Seismometermechanik sowie Trägheitskräfte aufgrund seismischer Bodenbewegungen auszugleichen; jedoch verursacht diese starke elektronische Rückkopplung Rauschen, welches das Seismometer untauglich macht, schwache Bodenbewegungen bei niedrigen Frequenzen zu messen. Bei Breitbandseismometern wird die elektronische Kraftrückkopplung (entwurfsmässig) schwächer gemacht, um das Rauschverhalten zu verbessern, aber ein zusätzlicher Massenzentrierungs-Justiermechanismus ist zum Justieren der inneren Mechanik des Seismometers erforderlich, um die Effekte von Schieflage und Temperatur auszugleichen. Dieser Massenzentrierungs-Justiermechanismus erhöht die Grösse und die Kosten des Seismometers und beeinträchtigt die Zuverlässigkeit. Weiter ist es unbequem, die innere Mechanik jedes Mal zu justieren, wenn das Seismometer an einem neuen Standort installiert wird, und es von Zeit zu Zeit neu zu justieren, da sich die Neigung oder die Temperatur der Installation ändert.

[0004] Daher besteht Bedarf an einem breitbandigen Kraftrückkopplungs-Seismometer, das im Feldeinsatz ohne Justierung der inneren Mechanik mit einem brauchbaren Betriebsbereich von Neigung und Temperatur zurechtkommen kann. Auch ist jede Konstruktionsverbesserung erwünscht, die Grösse und Kosten eines Breitbandseismometers reduzieren kann.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0005] Die oben genannten Probleme werden gelöst durch einen Breitbandseismometer für schwache Bewegungen gemäss Anspruch 1 sowie ein Kraftrückkopplungs-Verfahren zur Verwendung in einem Breitbandseismometer gemäss Anspruch 9.

[0006] Offenbart sei unter anderem ein Breitbandseismometer für schwache Bewegungen, das umfasst: einen Rahmen, eine Masse, ein Aufhängungselement zum beweglichen Verbinden der Masse mit dem Rahmen, einen Messaufnehmer zum Messen der Auslenkung der Masse bezüglich des Rahmens und zum Erzeugen eines Messaufnehmer-Ausgangssignals, das eine Funktion der Auslenkung ist, einen Kraftwandler zum Anlegen einer Rückkopplungskraft in einer vorgegebenen Richtung an die Masse und eine Regelschaltung zum Empfangen des Messaufnehmer-Ausgangssignals und zum Erzeugen eines Kraftwandler-Eingangssignals, das einen Eigenrauschanteil enthält; wobei das Kraftwandler-Eingangssignal durch den Kraftwandler verarbeitet wird, um die Rückkopplungskraft so anzulegen, dass die Masse in Ruhe bezüglich des Rahmens gehalten wird; wobei die Rückkopplungskraft ausreichend ist, um einer konstanten Beschleunigung des Rahmens von mindestens 0,2 m/s<2>in der vorgegebenen Richtung der Rückkopplungskraft entgegenzuwirken, wobei der Eigenrauschanteil des Kraftwandler-Eingangssignals bei der Verarbeitung durch den Kraftwandler eine variable Beschleunigung der Masse mit einer spektralen Dichte von weniger als –150 dB bezüglich 1 m<2>/s<3>bei 0,01 Hz erzeugt.

[0007] Offenbart sei darüber hinaus ein Kraftrückkopplungs-Verfahren zur Verwendung in einem Breitbandseismometer für schwache Bewegungen, das aufweist: einen Rahmen; eine Masse; ein Aufhängungselement zum beweglichen Verbinden der Masse mit dem Rahmen; eine Massen-Kondensatorplatte, die wirkend mit der Masse verbunden ist; eine Rahmen-Kondensatorplatte, die wirkend mit dem Rahmen verbunden und parallel zur Massen-Kondensatorplatte ausgerichtet ist und einen senkrechten Abstand von der Massen-Kondensatorplatte aufweist; wobei das Verfahren umfasst: Erfassen einer Auslenkung der Masse bezüglich des Rahmens durch Messen des senkrechten Abstands zwischen der Massen-Kondensatorplatte und der Rahmen-Kondensatorplatte und Erzeugen eines Messaufnehmer-Ausgangssignals auf Grundlage des gemessenen senkrechten Abstands; Erzeugen eines Kraftwandler-Eingangssignals aus dem Messaufnehmer-Ausgangssignal; Erzeugen einer Rückkopplungskraft aus dem Kraftwandler-Eingangssignal, wobei die Rückkopplungskraft einen Eigenrauschanteil enthält; Anlegen der Rückkopplungskraft in einer vorgegebenen Richtung an die Masse, sodass die Masse in Ruhe bezüglich des Rahmens gehalten wird; wobei die Rückkopplungskraft ausreichend ist, um einer konstanten Beschleunigung des Rahmens von mindestens 0,2 m/s<2>in der vorgegebenen Richtung entgegenzuwirken, wobei der Eigenrauschanteil der Rückkopplungskraft eine variable Beschleunigung der Masse mit einer spektralen Dichte von weniger als –150 dB bezüglich 1 m<2>/s<3>bei 0,01 Hz erzeugt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0008] Fig. 1A und 1B veranschaulichen schematische Darstellungen von Bauteilen eines Kraftrückkopplungs-Seismometers gemäss einer Ausführungsform; Fig. 2A und 2B sind schematische Darstellungen zum Veranschaulichen des Kräftegleichgewichts, wie es zum Zeitpunkt der Montage des Seismometers von Fig. 1A und 1B eingestellt ist; Fig. 3A und 3B sind schematische Darstellungen zum Veranschaulichen des Kräftegleichgewichts, wenn der Rahmen des Seismometers von Fig. 1A und 1B in einem Kippwinkel ausgerichtet ist; und Fig. 4 ist eine schematische Signalflussdarstellung eines Verfahrens der Kraftrückkopplungsregelung eines Seismometers gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung

[0009] Eine Ausführungsform eines Breitbandseismometers für schwache Bewegungen mit Kraftrückkopplungsregelung gemäss der vorliegenden Erfindung ist schematisch in den Fig. 1A und 1B dargestellt. Fig. 1A ist eine vereinfachte Schemazeichnung, die mechanische Bauteile zeigt. Fig. 1B ist ein vereinfachtes schematisches Schaltbild, das elektrische Bauteile zeigt. Die Fig. 1A und 1B zusammen zeigen eine Baugruppe zum Erfassen von Bodenbewegungen in einer Empfindlichkeitsrichtung 15. Diese Richtungserfassungsbaugruppe ist als eine Seismometerachse bekannt. Um Bewegungen in allen Richtungen zu messen, umfassen Seismometer mit Kraftrückkopplung oft drei getrennte Achsen, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind.

[0010] Mit Bezug auf Fig. 1A ist ein Ausleger 1 über ein Aufhängungselement mit einem Rahmen 3 verbunden. Das Aufhängungselement enthält ein Drehgelenk 2 und eine Feder 9. Das Drehgelenk 2 ermöglicht dem Ausleger 1, sich im Wesentlichen frei in einem vorgegebenen Bewegungsbereich um eine Drehgelenkachse 13 mit einem einzigen Freiheitsgrad zu drehen. Die Feder 9 übt eine Kraft aus, die zum Zeitpunkt der Montage bestimmt und eingestellt wird, um die Schwerkraft auszugleichen und den Ausleger 1 bei einem vorgeschriebenen Auslegerwinkel 22 bezüglich des Rahmens 3 zu stützen, wenn der Rahmen 3 horizontal ist.

[0011] In dem allgemeinen Fall, wo der Rahmen 3 gekippt sein kann, ist der Auslegerwinkel 23 wie folgt definiert. Der Ausleger 1, Bauteile, die am Ausleger 1 befestigt sind, und Bauteile, die sich mit dem Ausleger 1 bewegen, umfassen zusammen eine bewegliche Auslegerbaugruppe. Die bewegliche Auslegerbaugruppe weist einen Schwerpunkt 12 auf. Die Ebene, die durch den Schwerpunkt 12 und die Drehgelenkachse 13 verläuft, ist als die Ebene 14 des Auslegers bekannt. Der Auslegerwinkel 23 ist der Winkel zwischen der Ebene 14 des Auslegers und einer wahren horizontalen Ebene 11 senkrecht zur Richtung der Schwerkraft. Der Rahmen 3 umfasst eine horizontale Bezugsfläche 27. Wenn die Rahmen-Horizontale 27 parallel zur wahren Horizontalen 11 ist, wird das Seismometer als horizontal betrachtet. Das Seismometer sollte in horizontaler Ausrichtung benutzt werden, aber im Feldeinsatz kann der Rahmen 3 in einem Kippwinkel 10 ausgerichtet sein, der dazu führt, dass der Auslegerwinkel 23 vom vorgeschriebenen Auslegerwinkel 22 abweicht.

[0012] Eine Bewegung des Rahmens 3 senkrecht zur Ebene 14 des Auslegers bringt den Ausleger 1 dazu, sich um das Drehgelenk 2 zu drehen, und bringt den Schwerpunkt 12 dazu, sich bezüglich des Rahmens 3 zu bewegen. Dagegen bringt eine Bewegung des Rahmens 3 in der Ebene 14 des Auslegers den Ausleger 1 nicht dazu, sich zu drehen, und bringt auch den Schwerpunkt 12 nicht dazu, sich bezüglich des Rahmens 3 zu bewegen. Daher ist die Empfindlichkeitsrichtung 15 der Seismometerachse die Richtung senkrecht zur Ebene 14 des Auslegers.

[0013] Ein Messaufnehmer erfasst die Position des Auslegers 1 bezüglich des Rahmens 3 wie folgt. Der Messaufnehmer enthält eine obere Platte 4 und eine untere Platte 5, die am Ausleger 1 befestigt sind, sowie eine innere Platte 6, die am Rahmen 3 befestigt ist. Eine beispielhafte elektronische Rückkopplungs-Regelschaltung ist in Fig. 1B gezeigt. Die elektronische Rückkopplungs-Regelschaltung enthält einen Oszillator 28, der oszillierende Spannungen mit gleicher Amplitude und Frequenz, jedoch entgegengesetzter Phase an die obere Platte 4 und die untere Platte 5 anlegt. Diese oszillierenden Spannungen werden kapazitiv auf die mittlere Platte 6 gekoppelt.

[0014] Die drei Platten 4, 5, 6 des Messaufnehmers sind im Wesentlichen parallel und so ausgerichtet, dass eine Drehung des Auslegers 1 um die Drehachse 2 die obere Platte 4 und die untere Platte 5 dazu bringt, sich in eine Richtung zu bewegen, die im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der mittleren Platte 6 ist, und dadurch die Abstände zwischen der mittleren Platte 6 und den anderen beiden Platten 4, 5 zu verändern. Die Nullposition des Auslegers 1 ist die Position, in der sich die obere Platte 4 und die untere Platte 5 in gleichen Abständen von der mittleren Platte 6 befinden, sodass die Kapazitäten zwischen den Platten gleich sind und sich deshalb die an die obere Platte 4 und die untere Platte 5 angelegten entgegengesetzten Spannungen aufheben und eine Spannung von null an der mittleren Platte 6 erzeugen.

[0015] Wenn sich der Ausleger 1 von der Nullposition weg bewegt, erscheint an der mittleren Platte 6 ein von null abweichendes Signal, und dieses Signal wird durch einen Eingangsverstärker 29 verstärkt und von einer Detektorschaltung 30 ausgewertet. Die Detektorschaltung 30 erzeugt eine Seismometer-Ausgangsspannung 31, die eine Funktion der Bodenbewegung ist. Die Seismometer-Ausgangsspannung 31 wird rückgekoppelt, um die Bewegung des Auslegers über ein Rückkopplungsnetzwerk mit drei Zweigen zu regeln, wobei ein Zweig einen differentiellen Rückkopplungskondensator 32, ein zweiter Zweig einen proportionalen Rückkopplungswiderstand 33 und ein als Integrator bekannter dritter Zweig einen integrierenden Verstärker 35 und einen Integrator-Ausgangswiderstand 34 enthält.

[0016] Die Ausgangsströme aus jedem der drei Zweige des Rückkopplungsnetzwerks kombinieren sich, um einen Rückkopplungsstrom zu erzeugen, der in einen Kraftwandler eingegeben wird. Der Kraftwandler enthält eine an dem Ausleger 1 befestigte Spule 7 und einen an dem Rahmen 3 befestigten Magneten 8. Der durch die Spule 7 fliessende Rückkopplungsstrom erzeugt eine Rückkopplungskraft 26, die jeder Bewegung des Auslegers 1 weg von der Nullposition entgegenwirkt und dadurch dahin wirkt, den Ausleger in Ruhe bezüglich des Rahmens 3 zu halten.

[0017] Wenn die Schleifenverstärkung hoch ist, ist die Empfindlichkeit der Seismometer-Ausgangsspannung 31 gegenüber einer bei einer beliebigen gegebenen Frequenz eingehenden Bodenbewegung durch die Verstärkung des Rückkopplungsnetzwerks bei dieser Frequenz bestimmt. Der Integrator hat bei Gleichspannung eine sehr hohe Verstärkung, sodass die Seismometer-Ausgangsspannung 31 im Wesentlichen unempfindlich gegenüber einer konstanten Beschleunigung oder dem Kippen des Rahmens 3 oder – gleichwertig – einer auf den Ausleger 1 wirkenden konstanten Kraft ist. Der Integrator kompensiert jedes Ungleichgewicht zwischen der Aufhängungskraft 19 und der Schwerkraft 16, wie in Fig. 3B gezeigt, und hält dadurch den Ausleger 1 bei dem vorgeschriebenen Auslegerwinkel 22 bezüglich des Rahmens sowie den Messaufnehmer in einem vorgeschriebenen, auf die Nullposition zentrierten Arbeitsbereich. Die Verstärkung des Integrators sinkt mit der Frequenz, sodass die Empfindlichkeit der Seismometer-Ausgangsspannung 31 gegenüber zeitveränderlichen seismischen Bodenbewegungen durch den differentiellen Rückkopplungskondensator 32 und den proportionalen Rückkopplungswiderstand 33 eingestellt ist.

[0018] Die Fig. 2A und 2B zeigen das Kräftegleichgewicht, wie es zum Montagezeitpunkt eingestellt ist, wenn der Rahmen 3 horizontal ist. Die direkt nach unten wirkende Schwerkraft 16 wird durch eine direkt nach oben wirkende Aufhängungskraft 19 ausgeglichen. Die Schwerkraft 16 weist eine axiale Komponente 17 auf, die in der Empfindlichkeitsrichtung 15 wirkt und durch eine Federkraft 21 ausgeglichen wird, sowie eine ausseraxiale Komponente 18, die in der Ebene 14 des Auslegers wirkt und durch eine Drehgelenkkraft 18 ausgeglichen wird.

[0019] Die Fig. 3A und 3B zeigen das Kräftegleichgewicht, wenn der Rahmen 3 in einem Kippwinkel 10 ausgerichtet ist. Die Schwerkraft 16 und die Federkraft 21 haben sich nicht geändert. Da sich jedoch der Auslegerwinkel 23 geändert hat, hat sich die axiale Komponente der Schwerkraft 17 geändert, sodass sie nicht mehr die Federkraft 21 ausgleicht, und eine Rückkopplungskraft 26 wird durch den Integrator geliefert, um den Ausleger in Ruhe bezüglich des Rahmens zu halten. Die ausseraxiale Komponente 18 der Schwerkraft hat sich ebenfalls geändert, und die Drehgelenkkraft 18 hat sich geändert, um sie auszugleichen; dies ergibt nur einen vernachlässigbaren Betrag von ausseraxialer Bewegung, da Bewegung in der Ebene 14 des Auslegers durch das Drehgelenk 2 steif eingeschränkt ist. Die Rückkopplungskraft 26 ist die Kraft, die auf den Schwerpunkt 12 anhand des Kraftwandlers wirkt, der nicht am Schwerpunkt 12 angebracht sein mag, der aber ein Drehmoment auf den Ausleger ausübt und daher eine resultierende Rückkopplungskraft 26 auf den Schwerpunkt 12 ausübt.

[0020] Ähnlich wird, falls der Rahmen 3 horizontal ist, sich aber die Federkraft 21 aufgrund von Veränderung der Steifheit mit der Temperatur ändert, wieder eine Rückkopplungskraft 26 durch den Integrator geliefert, um den Ausleger 1 in Ruhe bezüglich des Rahmens 3 zu halten.

[0021] Weiter wirkt, wenn der Rahmen 3 aufgrund seismischer Bodenbewegung beschleunigt wird, eine Trägheitskraft auf den Ausleger 1, und die Trägheitskraft wird ebenfalls durch die Rückkopplungskraft 26 und die Drehgelenkkraft 18 ausgeglichen. Das gesamte Kräftegleichgewicht wird durch Gleichung 1 beschrieben.

[0022] Gleichung 1:

wobei die Beschleunigung des Rahmens 3 aufgrund von Bodenbewegung ist, die gesamte Kraft ist, die erforderlich ist, um den Ausleger 1 bei einer konstanten Position bezüglich des Rahmens zu halten, die Masse des Auslegers 1 ist, die Erdbeschleunigung ist, die Aufhängungskraft 19 ist und die Rückkopplungskraft 26 ist.

[0023] Gleichung 1 kann als skalare Gleichung 2 umgeschrieben werden, welche das Kräftegleichgewicht in der Empfindlichkeitsrichtung beschreibt.

[0024] Gleichung 2:

wobei der Betrag der Erdbeschleunigung ist, ϕ der Auslegerwinkel 23 ist und die anderen Kräfte und Beschleunigungen die Komponenten der Kräfte und Beschleunigungen in Gleichung 1 in der Empfindlichkeitsrichtung 15 sind.

[0025] Daher weist die Rückkopplungskraft Fƒ, 26 Komponenten – mgcosϕ – Fs17, 21 auf, die im Wesentlichen über Stunden oder Tage zu einem Zeitpunkt konstant bleiben, und eine schneller zeitveränderliche Komponente ma, die ein proportionales Mass seismischer Bodenbewegung ist. Der Integrator hebt die konstanten Kraftkomponenten mgcosϕ + Fs17, 21 auf, sodass nur das zeitveränderliche seismische Signal am Seismometerausgang 31 erscheint. Die Beträge dieser konstanten Kraftkomponenten sind die folgenden:

[0026] 1. Der Auslegerwinkel ϕ 23 verändert sich gemäss der Ausrichtung des Seismometers. Unter Feldeinsatzbedingungen kann es beträchtlich schief stehen, da genaues Nivellieren aufwändig ist und in einigen Situationen nicht möglich sein kann. Bei einer typischen Aufstellung unter Verwendung einer Libelle wird das Seismometer innerhalb 0,1 Grad horizontal eingestellt, und daher liegt dann ϕ 23 innerhalb 0,1 Grad eines vorgeschriebenen Werts 22. Jedoch kann sich das Seismometer über die Zeit um 1 Grad oder mehr aufgrund von Setzbewegung oder Frostanhebung des Erdreichs neigen. Weiter ist es, wenn das Seismometer an einem Ort aufgestellt wird, der Menschen nicht zugänglich ist, zum Beispiel in einem Bohrloch oder auf dem Ozeanboden, wahrscheinlich, dass es um mindestens 1 Grad gekippt ist. Die Auswirkung des Kippens 10 (Änderung von ϕ 23) hängt vom Anfangswert von ϕ 23 ab. Eine horizontale Achse ist am empfindlichsten gegenüber Kippen, da bei

ein Kippen von 1 Grad eine Änderung der Gravitationskraft mgcosϕ 17 von 1,7 % verursacht. Eine vertikal ausgerichtete Achse ist am wenigsten empfindlich gegenüber Kippen, da bei

ein Kippen von 1 Grad nur eine Änderung der Gravitationskraft -mgcosϕ 17 von 0,015 % verursacht. Eine geneigte Achse in einem symmetrischen dreiachsigen Seismometer weist typisch

auf und daher eine mittlere Empfindlichkeit gegenüber Kippen.

[0027] 2. Die Aufhängungskraft Fsverändert sich über die Zeit aufgrund der Temperaturempfindlichkeit der Feder 9. Seismometer sind in allen Klimata Aussentemperaturen ausgesetzt. Die Veränderung von Fs21 über einen Arbeitstemperaturbereich von ±50 Grad Celsius beträgt annähernd ±2% bei gewöhnlichem Federmaterial.

[0028] 3. Die Erdbeschleunigung g variiert mit der geografischen Breite und der Höhenlage. Sie ist auf Meeresspiegelhöhe am Nordpol annähernd 0,5% grösser als in hohen äquatorialen Bereichen, ändert sich daher um ±0,25% bezüglich der Schwerkraft in mittleren Breiten.

[0029] Um mit einem brauchbaren Betriebsbereich von Neigung und Temperatur im Feldeinsatz ohne Einstellen der inneren Mechanik zurechtzukommen, muss der an eine Spule 9 (d.h. einen Kraftwandler) anzulegende Ausgang des Integrators in der Lage sein, eine konstante Kraft von mindestens ±2% von mg (gleichwertig mit ±0,2 m/s<2>Beschleunigung oder ungefähr +1 Grad Neigung einer horizontalen Achse) aufzubringen.

[0030] Die maximale Beschleunigung, die durch die Kraftrückkopplung 26 kompensiert werden kann, ist gegeben durch: Gleichung 3:

wobei Vmaxdie maximale Ausgangsspannung des Integratorverstärkers 35 ist, R der Integrator-Ausgangswiderstand 34 ist,

der maximale Ausgangsstrom des Integrators ist, kFdie Empfindlichkeit des Kraftwandlers in auf den Schwerpunkt 12 wirkenden Newton pro Ampere Strom in der Spule 7 ist und

die kombinierte Beschleunigung des Schwerpunkts 12 pro Ampere Strom in der Spule 7 ist.

[0031] Der Integratorverstärker 35 weist unvermeidlich einen bestimmten Pegel an Ausgangs-Spannungsrauschen auf. Diese Rauschspannung erzeugt Rauschbeschleunigung gemäss Gleichung 4.

[0032] Gleichung 4:

wobei Vndas Ausgangs-Spannungsrauschen des Integrators ist, αndie Rauschbeschleunigung infolge des Integrators ist und die anderen Variablen wie in Gleichung 3 sind.

[0033] Da sich Vn, mit der Frequenz verändert, wird es am besten als Spannungs-Spektraldichtefunktion der Frequenz ausgedrückt, sodass αneine Beschleunigungs-Spektraldichtefunktion der Frequenz ist.

[0034] Ein Kraftrückkopplungs-Seismometer mit rauscharmen Breitbandeigenschaften sollte einen ausreichend niedrigen Wert von αnaufweisen, und das Schaffen eines Kraftrückkopplungs-Seismometers ohne Zentrierung der mechanischen Masse erfordert einen ausreichend grossen Wert von αmax. Zwei Faktoren sollten betrachtet werden: 1. ein Integrator mit ausreichend grossem dynamischem Bereich

und 2. eine geeignete Rückkopplungs-Beschleunigungsempfindlichkeit

[0035] Falls der dynamische Bereich Vmax/Vn, des Integrators ausreichend hoch ist, existiert ein Bereich von Werten für kF/mR, der gleichzeitig einen genügend hohes αmaxerzielt, um mit einem brauchbaren Betriebsbereich von Neigung und Temperatur im Feldeinsatz zurechtzukommen, und auch ein genügend niedriges αn, um rauscharme Breitbandeigenschaften zu ermöglichen.

[0036] In einem Ausführungsbeispiel werden die folgenden Parameterwerte benutzt:

[0037] Diese Parameterwerte sind typisch für rauscharme Breitbandseismometer, mit Ausnahme der Masse m. Eine Trägheitsmasse von 14 Gramm ist typisch für kurzperiodische Seismometer, während bei rauscharmen Breitbandseismometern typisch eine ungefähr 10-mal grössere Masse benutzt wird.

[0038] Reduzieren der Masse ist ein Weg,

zu erhöhen und dadurch αmaxzu erhöhen.

[0039] Reduzieren der Masse trägt dazu bei, die Gesamtgrösse des Seismometers und dadurch auch die Kosten zu verringern. Reduzieren der Masse weist auch den Vorteil auf, die Leistungsabgabe des Integrators und damit den gesamten Leistungsverbrauch des Seismometers zu reduzieren, wie aus dem Nachstehenden folgt.

[0040] Gleichung 5:

[0041] Daher führt eine Reduzierung bei der Masse zu einer proportionalen Reduzierung der bei einem gegebenen Wert von αmaxerforderlichen Leistung.

[0042] Die neue Kombination der oben aufgeführten Parameterwerte ergibt:

was gross genug ist, um mit einem brauchbaren Betriebsbereich von Neigung und Temperatur im Feldeinsatz zurechtzukommen, und

was niedrig genug ist für die meisten teleseismischen und hintergrundseismischen Studien, wo ein rauscharmes Breitbandseismometer benötigt würde. Die Ausgangs-Rauschspannung Vndes Integratorverstärkers 35 weist ein Leistungsspektrum mit 1/f-Abfall bei niedrigen Frequenzen auf; daher fällt an mit der Frequenz mit einem Mass von 10 dB pro Dekade oberhalb 0,01 Hz ab.

[0043] Fig. 4 zeigt das Kraftrückkopplungsverfahren zur Verwendung in einem Breitbandseismometer für schwache Bewegungen, das die zuvor beschriebenen Strukturen und Parameterwerte aufweist.

[0044] Ein Messaufnehmer 36 erfasst die Auslenkung 43 der Masse 42 (d.h. der zuvor beschriebenen schwenkbaren Auslegerbaugruppe) bezüglich des Rahmens wie folgt. Oszillierende Spannungen von einem Oszillator 28 werden an die obere Platte 4 und die untere Platte 5 angelegt und kapazitiv auf die mittlere Platte 6 gekoppelt. Die resultierende Spannung an der mittleren Platte 6 ist das Ausgangssignal 37 des Messaufnehmers; seine Amplitude ist ein Mass des Abstands des Auslegers 1 von der Nullposition, und seine Phase ist ein Mass für die Richtung der Auslenkung des Auslegers 1, entweder positiv oder negativ bezüglich der Nullposition.

[0045] Ein Rückkopplungs-Regler 38 erzeugt wie folgt ein Kraftwandler-Eingangssignal 39 aus dem Messaufnehmer-Ausgangssignal 37. Das Messaufnehmer-Ausgangssignal 37 wird durch den Detektor 30 verarbeitet, um die Seismometer-Ausgangsspannung 31 zu erzeugen. Die Seismometer-Ausgangsspannung 31 wird in das Rückkopplungsnetzwerk eingegeben, das drei Zweige aufweist, wie zuvor beschrieben. Die Ausgangsströme aus jedem der drei Zweige des Rückkopplungsnetzwerks kombinieren sich, um ein Kraftwandler-Eingangssignal 39 zu erzeugen.

[0046] Ein Kraftwandler 40 erzeugt wie folgt eine Rückkopplungskraft 41 aus dem Kraftwandler-Eingangssignal 39. Das Kraftwandler-Eingangssignal 39 wird an eine am Ausleger 1 befestigte Spule 7 angelegt. Der resultierende Strom in der Spule 7, die durch das Feld eines am Rahmen 3 befestigten Magneten 8 taucht, erzeugt eine Kraft in der Spule 7. Die Kraft in der Spule 7 überträgt sich auf den Ausleger 1 und erzeugt ein Drehmoment, das wiederum die Rückkopplungskraft 41 erzeugt, die auf den Schwerpunkt 12 wirkt.

[0047] Die auf die Masse 42 wirkende Rückkopplungskraft 41 beschleunigt diese nach dem zweiten Newtonschen Gesetz. Beschleunigung des Rahmens 3 erzeugt eine Trägheitskraft 44, die auch auf die Masse 42 wirkt. Die Auslenkung 43 der Masse bezüglich des Rahmens ist das Ergebnis der durch alle auf die Masse wirkende Kräfte erzeugten Netto-Beschleunigung. Der Rückkopplungs-Regler 38 erzeugt das Kraftwandler-Eingangssignal 39, um die auf die Masse 42 wirkenden Kräfte aufzuwiegen, wie zuvor beschrieben, daher die Auslenkung 43 zu minimieren und die Masse 42 in Ruhe bezüglich des Rahmens 3 zu halten.

[0048] Der Rückkopplungs-Regler 38 weist einen endlichen Dynamikbereich auf, welcher der Grösse des Kraftwandler-Eingangssignals 39 eine Maximalgrenze setzt und auch der Spektraldichte des zeitveränderlichen Eigenrauschanteils des Kraftwandler-Eingangssignals 39 eine Minimalgrenze setzt. Diese Grenzen für das Kraftwandler-Eingangssignal 39 setzen der Rückkopplungskraft 41 und der resultierenden maximalen Beschleunigung αmaxund der Rauschbeschleunigung αnGrenzen, wie zuvor beschrieben.

[0049] Die Kombination von zuvor beschriebenen Parameterwerten erzeugt

was gross genug ist, um mit einem brauchbaren Betriebsbereich von Neigung und Temperatur im Feldeinsatz zurechtzukommen, und

bei 0,01 Hz, was niedrig genug ist für teleseismische und Hintergrund-seismische Studien, wo ein rauscharmes Breitbandseismometer benutzt wird.

[0050] Obwohl die Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen und Anwendungen beschrieben wurde, kann ein Fachmann angesichts dieser Belehrung weitere Ausführungsformen und Abwandlungen schaffen, ohne vom Erfindungsgedanken der beanspruchten Erfindung abzuweichen oder über ihren Umfang hinauszugehen. Demgemäss ist zu verstehen, dass die hierin enthaltenen Zeichnungen und Beschreibungen als Beispiel geeignet sind, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, und nicht ausgelegt werden sollten, um ihren Umfang einzuschränken.

Claims (11)

1. Breitbandseismometer für schwache Bewegungen, umfassend: einen Rahmen, eine Masse, ein Aufhängungselement zum beweglichen Verbinden der Masse mit dem Rahmen, einen Messaufnehmer zum Messen der Auslenkung der Masse bezüglich des Rahmens und zum Erzeugen eines Messaufnehmer-Ausgangssignals, das eine Funktion der Auslenkung ist, einen Kraftwandler zum Anlegen einer Rückkopplungskraft in einer vorgegebenen Richtung an die Masse, und eine Regelschaltung zum Empfangen des Messaufnehmer-Ausgangssignals und zum Erzeugen eines Kraftwandler-Eingangssignals, das einen Eigenrauschanteil enthält; wobei der Kraftwandler dazu ausgebildet ist, das Kraftwandler-Eingangssignal zu verarbeiten, um die Rückkopplungskraft so anzulegen, dass die Masse in Ruhe bezüglich des Rahmens gehalten wird; wobei die Rückkopplungskraft ausreichend ist, um einer konstanten Beschleunigung des Rahmens von mindestens 0,2 m/s<2>in der vorgegebenen Richtung der Rückkopplungskraft entgegenzuwirken, wobei der Kraftwandler dazu ausgebildet ist, den Eigenrauschanteil des Kraftwandler-Eingangssignals so zu verarbeiten, dass eine variable Beschleunigung der Masse mit einer spektralen Dichte von weniger als –150 dB bezüglich 1 m<2>/s<3>bei 0,01 Hz erzeugt wird.

2. Seismometer nach Anspruch 1, wobei der Messaufnehmer eine Massen-Kondensatorplatte umfasst, die mit der Masse verbunden ist; eine Rahmen-Kondensatorplatte, die mit dem Rahmen verbunden und parallel zur Massen-Kondensatorplatte ausgerichtet ist und einen senkrechten Abstand von der Massen-Kondensatorplatte aufweist; und wobei der Messaufnehmer dazu ausgebildet ist, den senkrechten Abstand zwischen der Massen-Kondensatorplatte und der Rahmen-Kondensatorplatte zu messen und das Messaufnehmer-Ausgangssignal auf Grundlage des gemessenen senkrechten Abstands zu erzeugen.

3. Seismometer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Masse weniger als 50 Gramm beträgt.

4. Seismometer nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Regelschaltung einen Verstärker umfasst, der in der Lage ist, eine Ausgangsspannung von mehr als 60 V zu erzeugen.

5. Seismometer nach Anspruch 1, wobei der Rahmen, die Masse, das Aufhängungselement, der Messaufnehmer, die Regelschaltung und der Kraftwandler zusammen eine Baugruppe bilden, die eine Empfindlichkeitsrichtung aufweist, und wobei das Seismometer drei solcher Baugruppen umfasst, die so ausgerichtet sind, dass ihre Empfindlichkeitsrichtungen senkrecht aufeinander stehen.

6. Seismometer nach Anspruch 5, wobei die Empfindlichkeitsrichtungen der drei Baugruppen alle in gleichen Winkeln zur Vertikalen stehen, wenn sich das Seismometer in horizontaler Ausrichtung befindet.

7. Seismometer nach Anspruch 5, wobei die Empfindlichkeitsrichtung einer Baugruppe im Wesentlichen vertikal ist und die Empfindlichkeitsrichtungen der anderen beiden Baugruppen im Wesentlichen horizontal sind, wenn sich das Seismometer in horizontaler Ausrichtung befindet.

8. Seismometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kraftwandler dazu ausgebildet ist, den Eigenrauschanteil des Kraftwandler-Eingangssignals so zu verarbeiten, dass eine variable Beschleunigung der Masse mit einer spektralen Dichte von weniger als 160 dB bezüglich 1 m<2>/s<3>bei 0,01 Hz erzeugt wird.

9. Kraftrückkopplungs-Verfahren zur Verwendung in einem Breitbandseismometer für schwache Bewegungen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der aufweist: einen Rahmen; eine Masse; ein Aufhängungselement zum beweglichen Verbinden der Masse mit dem Rahmen; eine Massen-Kondensatorplatte, die mit der Masse verbunden ist; eine Rahmen-Kondensatorplatte, die mit dem Rahmen verbunden und parallel zur Massen-Kondensatorplatte ausgerichtet ist und einen senkrechten Abstand von der Massen-Kondensatorplatte aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen einer Auslenkung der Masse bezüglich des Rahmens durch Messen des senkrechten Abstands zwischen der Massen-Kondensatorplatte und der Rahmen-Kondensatorplatte und Erzeugen eines Messaufnehmer-Ausgangssignals auf Grundlage des gemessenen senkrechten Abstands; Erzeugen eines Kraftwandler-Eingangssignals aus dem Messaufnehmer-Ausgangssignal; Erzeugen einer Rückkopplungskraft aus dem Kraftwandler-Eingangssignal, wobei die Rückkopplungskraft einen Eigenrauschanteil enthält; Anlegen der Rückkopplungskraft in einer vorgegebenen Richtung an die Masse, sodass die Masse in Ruhe bezüglich des Rahmens gehalten wird; wobei die Rückkopplungskraft ausreichend ist, um einer konstanten Beschleunigung des Rahmens von mindestens 0,2 m/s<2>in der vorgegebenen Richtung entgegenzuwirken, wobei der Eigenrauschanteil der Rückkopplungskraft eine variable Beschleunigung der Masse mit einer spektralen Dichte von weniger als –150 dB bezüglich 1 m<2>/s<3>bei 0,01 Hz erzeugt.

10. Kraftrückkopplungs-Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Eigenrauschanteil der Rückkopplungskraft eine variable Beschleunigung der Masse mit einer spektralen Dichte von weniger als –160 dB bezüglich 1 m<2>/s<3>bei 0,01 Hz erzeugt.

11. Kraftrückkopplungs-Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Masse weniger als 50 Gramm beträgt.