CN106353790A - 无源伺服地震转动速度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无源伺服地震转动速度计，属于地震测量装置领域，包括底板、轮辐式质量弹簧装置、两个摆式无源伺服大阻尼动圈换能器以及电路板；摆式无源伺服大阻尼动圈换能器包括摆架、动圈组件以及磁路系统；两摆架的一端对称安装在轮辐式质量弹簧装置的质量环的两侧，动圈组件安装在摆架的另一端，动圈组件伸入磁路系统的磁缝隙中；电路板包括两个无源伺服大阻尼动圈换能电路、两个角加速度调理电路以及合成电路；换能器与换能电路输入端连接，换能电路的输出端与角加速度调理电路的输入端电连接，两个角加速度调理电路的输出端连接合成电路；合成电路用于消除非转动分量，合成转动分量，输出与地震转动加速度成正比的电压信号。

Description

无源伺服地震转动速度计

技术领域

本发明涉及加速度计领域，尤其涉及一种无源伺服地震转动速度计。

背景技术

通常强震观测使用的是三分向平动加速度计，实际上地震时刚体在一点的完整运动特性是六自由度震动，即包括三个平动和三个转动，尤其是近场地震动，转动分量更加明显。

目前在多次大地震中均发现转动破坏的现象。大量研究也发现在结构地震反应中，转动分量在结构构件中可以产生很大的剪力和弯矩，然而由于缺乏转动分量记录等原因，许多国家在结构的抗震设计中都未考虑转动作用。

为解决上述问题，申请在先申请了名称为“一种地震转动加速度计”，申请号为“CN201320066963.2”的发明专利，在该发明专利中，地震转动加速度计包括密封外壳、底板，密封外壳内部设有轮辐式质量弹簧装置、两组对称反向安装的摆式差动电容换能器、两组动圈式阻尼器和电路板；

轮辐式质量弹簧装置包括中轴、质量分布均匀的质量环、内环，位于两组摆式差动电容换能器中间，通过中轴下端与底板相连，通过质量环与两个摆座连接，质量环与内环通过2-8个参数相同、对称安装的弹簧片连接,内环固定安装在中轴上端；

两组摆式差动电容换能器分别包括外动极板、内动极板和固定极板，外动极板、内动极板与摆架一端连接，摆架的另一端与摆座相连；

两组动圈式阻尼器分别包括动圈、轭铁、磁钢、定位套和磁路后盖，通过轭铁下端按对称反向安装在磁路座上，磁路座固定在底板上，轭铁的前端通过套管与摆式差动电容换能器的固定极板相连，动圈上端分别与外动极板、内动极板、摆架相连，下部伸入到由圆柱形极靴的外侧和轭铁上部内侧形成的磁缝隙中，电路板包括两个电容电压变换电路、两个调理电路、合成电路、两个阻尼调节电路；

每组摆式差动电容换能器的外动极板、内动极板和固定极板分别与一个电容电压变换电路输入端连接，电容电压变换电路的输出端接调理电路的输入端，两个调理电路的输出端连接合成电路，合成电路用于把平动分量消除，把转动分量合成后输出与地震转动加速度成正比的电压信号，每组动圈式阻尼器中的动圈对应一个阻尼调节电路，并相互连接，提供加速度计所需要的阻尼比。

在该技术方案中，利用电容电压变换电路、调理电路、合成电路消除了地震平动加速度，实现了地震转动加速度的测量，监测精度高，可靠性好；适用范围广，可广泛用于地震转动加速度的观测和土木工程结构的转动测量。

但是，上述地震转动加速度计存在电路复杂，调整较困难等缺点，目前国内外尚无无源伺服地震转动速度计的产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、设计合理、电路简单和可测量地震转动加速度的地震转动加速度计。

本发明提供一种无源伺服地震转动速度计，包括：

底板，所述底板安装固定在观测点；

轮辐式质量弹簧装置，所述轮辐式质量弹簧装置包括中轴、质量分布均匀的质量环、多个弹簧片以及内环；所述中轴的底端与底板连接，所述内环安装在中轴的顶端，所述质量环通过多个参数相同、对称安装的弹簧片与内环连接；

两个摆式无源伺服动圈换能器，所述摆式无源伺服动圈换能器包括摆架、动圈组件以及磁路系统；两摆架的一端对称安装在质量环的两侧，所述动圈组件安装在摆架的另一端；所述磁路系统上设有磁缝隙，所述动圈组件包括工作线圈，所述工作线圈伸入磁缝隙中且可在磁缝隙中运动；

电路板，所述电路板包括两个无源伺服动圈换能电路、两个角加速度调理电路以及合成电路；每个摆式无源伺服动圈换能器分别与一个无源伺服动圈换能电路输入端连接，所述无源伺服动圈换能电路的输出端与所述角加速度调理电路的输入端电连接，两个角加速度调理电路的输出端连接合成电路；所述合成电路用于消除非转动分量，合成转动分量，输出与地震转动加速度成正比的电压信号；

所述无源伺服动圈换能电路包括工作线圈的等效内阻以及阻尼调节电阻；所述工作线圈的一端通过等效电阻后与阻尼调节电阻的上端相连，所述工作线圈的另一端与阻尼调节电阻的下端相连。

进一步地，所述磁路系统包括磁路座、轭铁以及衔铁；所述磁路座安装在底板上，所述轭铁下端按对称反向安装在磁路座上，所述轭铁上端设有安装腔；所述衔铁安装固定在安装腔内，所述衔铁的外侧和安装腔内侧形成磁缝隙。

进一步地，所述磁路系统还包括磁钢、定位套和磁路后盖；所述的定位套套接在轭铁内部，所述轭铁后端设有磁路后盖，定位套内部、极靴后端套接有磁钢。

进一步地，所述动圈组件还包括线圈架，所述摆架上设有线圈架安装位，所述线圈架固定在所述线圈架安装位上，所述工作线圈缠绕固定在线圈架上。

进一步地，所述动圈组件还包括自校准线圈，所述自校准线圈缠绕固定在线圈架上；

所述电路板还包括与自校准线圈一一对应的用于地震现场的在线校准的自校准电路，所述自校准电路与自校准线圈电连接。

进一步地，该无源伺服地震转动速度计还包括密封外壳，所述密封外壳与底板固定连接，所述轮辐式质量弹簧装置、摆式无源伺服动圈换能器以及电路板均安装在密封外壳内部。

进一步地，所述密封外壳顶部设有把手。

进一步地，所述底板上设有输出插座，所述输出插座与电路板的合成电路以及自校准电路连接。

进一步地，所述摆式无源伺服动圈换能器还包括摆座，两摆座分别固定在质量环的两侧，且两摆座的连线通过质量环的圆心；所述摆架的一端与摆座固定连接，且两摆架位于同一平面内，两磁路系统分别位于该平面的左右两侧。

进一步地，所述的内环通过固定螺丝与中轴的上端固定连接。

相较于现有技术，本发明提供的无源伺服地震转动速度计，具有以下优点：

1、结构紧凑、设计合理，电路简单,在一个密封腔内内实现了基于轮辐式质量弹簧式双摆无源伺服大阻尼动圈换能；

2、利用无源伺服变换电路、角加速度调理电路、合成电路实现了地震转动加速度的测量，低频特性好；

3、适用范围广，可广泛用于地震转动加速度的观测和土木工程结构的转动加速度的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供无源伺服地震转动速度计的立体结构图；

图2为本发明提供无源伺服地震转动速度计的主视图；

图3为本发明提供无源伺服地震转动速度计的俯视图；

图4为本发明提供无源伺服地震转动速度计的电器原理图；

图5为本发明提供无源伺服地震转动速度计的数学模型图。

附图标记：

1-中轴； 2-质量环； 3-内环；

4-弹簧片； 5-固定螺丝； 6-摆座；

7-摆架； 8-磁路座； 9-磁路后盖；

10-轭铁； 11-支脚； 12-底板；

13-动圈组件； 14-衔铁； 15-磁钢；

16-定位套； 17-密封外壳； 18-把手；

19-电路板； 20-输出插座；

21-无源伺服动圈换能电路；

22-角速度角加速度调理电路； 23-合成电路；

24-自校准电路； 25-支撑套管；

26-摆式无源伺服动圈换能器； 27-轮辐式质量弹簧装置；

28-磁路系统； 29-自校准器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明提供无源伺服地震转动速度计的立体结构图；图2为本发明提供无源伺服地震转动速度计的主视图；图3为本发明提供无源伺服地震转动速度计的俯视图；图4为本发明提供无源伺服地震转动速度计的电器原理图；图5为本发明提供无源伺服地震转动速度计的数学模型图。

如图1-5所示，本发明提供一种无源伺服地震转动速度计，包括底板12、轮辐式质量弹簧装置27、两个摆式无源伺服动圈换能器26以及电路板19。

底板12安装固定在观测点；底板12是一长条形铝板，底板上通过支撑套管25安装有三个支脚11；底板12中部安装中轴1、两个对称反向的磁路座8安装在底板12的两端，密封外壳17安装在底板12上，密封外壳17与底板12构成密封腔，轮辐式质量弹簧装置27、摆式无源伺服动圈换能器26以及电路板19均安装在密封腔，以减少外界干扰。

密封外壳17顶部设有把手18，方便安装操作；密封外壳17侧面设有输出插座20，输出插座20与电路板19的合成电路23以及自校准电路24连接。

轮辐式质量弹簧装置27悬挂于外壳17内，轮辐式质量弹簧装置27包括中轴1、质量分布均匀的质量环2、多个弹簧片4以及内环3；中轴1的底端与底板12连接，内环3通过固定螺丝5安装在中轴1的顶端，质量环2通过4个参数相同、对称安装的弹簧片4与内环3连接。

在本实施例中，弹簧片4的数量为4个，但是，这仅为本发明的一个具体实施例，本发明的弹簧片4的数量并不局限于此，也可以为2-8个，而且优选偶数个。

摆式无源伺服动圈换能器26包括摆架7、动圈组件13以及磁路系统28；两摆式无源伺服动圈换能器26的摆架7的各个参数相同，两摆架7的一端对称安装在质量环2的两侧，动圈组件13安装在摆架7的另一端。

具体来说，质量环2的两侧分别固定一摆座6，两摆座6的连线通过质量环2的圆心；两摆架7的一端对称安装在质量环2两侧的摆座6上，两摆架7位于同一平面内，两磁路系统28分别位于该平面的左右两侧。

动圈组件13包括线圈架和绕在线圈架上参数相同的工作线圈G和自校准线圈G₁，两个摆式无源伺服动圈换能器26的线圈架的各项参数相同。

磁路系统28上设有磁缝隙，具体来说，磁路系统28包括磁路座8、轭铁10以及衔铁14；磁路座8安装在底板12上，所述轭铁10下端按对称反向安装在磁路座8上，所述轭铁10上端设有安装腔；所述衔铁14安装固定在安装腔内，圆柱形的衔铁14的外侧和安装腔内侧形成磁缝隙。

进一步地，磁路系统28还包括磁钢15、定位套16和磁路后盖9；所述的定位套16套接在轭铁10内部，所述轭铁10后端设有磁路后盖9，定位套16内部套接有磁钢15。

动圈组件13的工作线圈G和自校准线圈G₁均伸入该磁缝隙中，当工作线圈G和自校准线圈G₁在磁缝隙中运动时，会产生一感应电动势。

电路板19包括两个无源伺服动圈换能电路21、两个角加速度调理电路22、合成电路23以及两个自校准电路24。

具体来说，由两组工作线圈G分别依次与两个参数相同的无源伺服动圈换能电路21、角速度角加速度调理电路22相连，组成对称、参数相同反向安装的两个摆式无源伺服大阻尼动圈换能式角加速度计。

每组摆式无源伺服动圈换能器26分别与一个无源伺服动圈换能电路21输入端连接，无源伺服动圈换能电路21的输出端接角加速度调理电路22的输入端，两个角加速度调理电路22的输出端连接到合成电路23的输入端，合成电路23输出与为转动速度成正比的输出电压形成地震转动加速度计，地震转动加速度计通过输出插座20可与任何记录器(或数据采集器)连接，获得地震转动加速度时程曲线。

具体来说，无源伺服动圈换能电路21包括工作线圈的等效内阻R_S、低频扩展电容C以及阻尼调节电阻R；工作线圈G的一端通过等效电阻R_S后与低频扩展电容C的上端相连，工作线圈G的另一端与低频扩展电容C的下端相连，阻尼调节电阻R并联在低频扩展电容C上。

两个角速度角加速度调理电路22分别对两组无源伺服动圈换能电路21的输出电压进行调理,并同时输入给合成电路23。

自校准线圈G₁与所述电路板24电连接，自校准线圈G₁与所述电路板24的自校准电路构成自校准器29，自校准器29提供转动加速度计技术参数的校准，地震时两个参数相同的自校准线圈G₁和两个参数相同的工作线圈G在磁缝隙中同步运动。

自校准电路24可发出正弦波电压信号，自校准电路24输出信号给自校准线圈G₁，用于地震现场的在线校准，校准转动加速度计幅频特性等参数。

下面详述其工作原理和过程：

地震转动速度计基本原理可用图1、图2和图4来描述。在进行地震观测时，地震转动速度计底板12固定在观测点上，当地震震动时，地震转动加速度同时作用在底板上，与底板12相连的磁路系统、中轴、外壳同时跟随底板同步震动，由质量环2、摆架7和动圈组件13组成的运动部分相对于中轴1产生相对转角，安装在两个摆架7上的两个工作线圈G相对于两个磁路的磁缝隙都产生相同的相对运动，两个工作线圈G都在各自的磁缝隙中切割磁力线产生感应电动势，各自产生的电动势分别输入给各自的无源伺服动圈换能电路21和角速度调理电路22，两个角速度调理电路22同时输入给合成电路23，合成电路23输出与地震转动速度成正比的电压信号形成地震转动速度计。

对于轮辐式双摆结构，见图5，其运动微分方程为：

J₀为摆的转动惯量，K₀弹簧系统的角刚度，B₀为包括空气阻尼在内的阻尼力系数，G＝Bl·L_K为电动常数，L_K为指示摆长,i为线圈中的电流，y为地基的平运动位移，为地基的转动位移，θ为摆的角位移。

方程的解为：

式中：m₁,m₂分别为双摆的等效质量，H₁,H₂分别为两个质量重心到转动轴的距离，l₀为双摆锤回转摆的折合摆长，s算子,n₀为自振圆频率,D₁为阻尼比，

当m₁H₁＝m₂H₂时，l₀＝∞，对平动不反应。

当ω<<n₀,D₁≤1时，摆的角位移θ(s)与地基的转动加速度成正比，ω为地基转动频率，当构成两组对称反向安装的摆式无源伺服动圈换能器,结合图4所示，其电路方程为

$\left.\begin{array}{c}{R}_{s}i+e=G\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}\\ C\stackrel{\&CenterDot;}{e}+\frac{1}{R}e=i\end{array}\right\}---\left(2\right)$

式(2)中的R_s为动圈内阻，C为并联电容，R为并联电阻，e为输出电压,设空气阻尼可以忽略，用算子法联立求解方程(1)和(2)，可得

由式(3)得

由式(5)可以看出，当ω>>n₀,D₁≤1时，无源伺服电路的输出电压e与地基转动速度成正比。

式中:

式(6)中为单摆角速度灵敏度，n₀为原机械系统自振圆频率，n₁为上限截止频率，n为无源伺服后二阶系统的自振圆频率，D₁为二阶系统的阻尼常数。

由式(6)可求得单摆的阻尼比:

$D_1=\frac{\frac{{n_0}^2\&CenterDot;\frac{G^{2}C}{J_0}}{1+\frac{R_S}{R}+\frac{G^{2}C}{J_0}}+\frac{G^2}{R_S{\mathrm{RCJ}}_0}}{\frac{2n_0}{R_{S}C}\sqrt{(1+\frac{R_S}{R})(1+\frac{R_S}{R}+\frac{G^{2}C}{J_0})}}$

当时

$D_1\stackrel{\&CenterDot;}{=}\frac{n_0{R}_S\sqrt{J_{0}C}}{2G}---\left(7\right)$

由式(6)可见，在n₁很高时，n²和之比为：

$\frac{n^2}{n_0^2}\&ap;\frac{1}{1+\frac{G^{2}RC}{J_0(R+R_s)}}=\frac{1}{1+A_1}---\left(8\right)$

式中

n值远比n₀为小，故可使测量范围延伸到低于自振频率范围。

当R→∞,A₁>>1时,单摆角速度灵敏度为

低频下限为：

$n\stackrel{\&CenterDot;}{=}\frac{n_0}{G}\sqrt{\frac{J_0}{C}}---\left(10\right)$

由(10)式可知，并联的电容越大，频率下限越低，从而达到拓展低频特性的目的。

对称反向安装的两组摆式无源伺服动圈换能器的输出电压e分别同时输入給两组角速度角速度调理电路22，两组角速度角速度调理电路22的输出同时输入給角速度合成电路23，角速度合成电路23消除非转动分量，合成转动分量后形成无源伺服式地震转动速度计，输出与地震转动速度呈正比的电压：

式中K₁为角速度调理电路的调理系数。

无源伺服式地震转动速度计的灵敏度：

相较于现有技术，本发明提供的无源伺服地震转动速度计，具有以下优点：

1、结构紧凑、设计合理，电路简单,在一个密封腔内内实现了基于轮辐式质量弹簧式双摆无源伺服大阻尼动圈换能；

2、利用无源伺服变换电路、角加速度调理电路、合成电路实现了地震转动加速度的测量，低频特性好；

3、适用范围广，可广泛用于地震转动加速度的观测和土木工程结构的转动加速度的测量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种无源伺服地震转动速度计，其特征在于，包括：

底板，所述底板安装固定在观测点；

轮辐式质量弹簧装置，所述轮辐式质量弹簧装置包括中轴、质量分布均匀的质量环、多个弹簧片以及内环；所述中轴的底端与底板连接，所述内环安装在中轴的顶端，所述质量环通过多个参数相同、对称安装的弹簧片与内环连接；

两个摆式无源伺服动圈换能器，所述摆式无源伺服动圈换能器包括摆架、动圈组件以及磁路系统；两摆架的一端对称安装在质量环的两侧，所述动圈组件安装在摆架的另一端；所述磁路系统上设有磁缝隙，所述动圈组件包括工作线圈，所述工作线圈伸入磁缝隙中且可在磁缝隙中运动；

电路板，所述电路板包括两个无源伺服动圈换能电路、两个角加速度调理电路以及合成电路；每个摆式无源伺服动圈换能器分别与一个无源伺服动圈换能电路输入端连接，所述无源伺服动圈换能电路的输出端与所述角加速度调理电路的输入端电连接，两个角加速度调理电路的输出端连接合成电路；所述合成电路用于消除非转动分量，合成转动分量，输出与地震转动加速度成正比的电压信号；

无源伺服动圈换能电路包括工作线圈的等效内阻、低频扩展电容以及阻尼调节电阻，工作线圈的一端通过等效电阻后与低频扩展电容的上端相连，工作线圈的另一端与低频扩展电容的下端相连，阻尼调节电阻并联在低频扩展电容上。

2.根据权利要求1所述的无源伺服地震转动速度计，其特征在于，所述磁路系统包括磁路座、轭铁以及衔铁；所述磁路座安装在底板上，所述轭铁下端按对称反向安装在磁路座上，所述轭铁上端设有安装腔；所述衔铁安装固定在安装腔内，所述衔铁的外侧和安装腔内侧形成磁缝隙。

3.根据权利要求2所述的无源伺服地震转动速度计，其特征在于，所述磁路系统还包括磁钢、定位套和磁路后盖；所述的定位套套接在轭铁内部，所述轭铁后端设有磁路后盖，定位套内部套接有磁钢。

4.根据权利要求1所述的无源伺服地震转动速度计，其特征在于，所述动圈组件还包括线圈架，所述摆架上设有线圈架安装位，所述线圈架固定在所述线圈架安装位上，所述工作线圈缠绕固定在线圈架上。

5.根据权利要求4所述的无源伺服地震转动速度计，其特征在于，所述动圈组件还包括自校准线圈，所述自校准线圈缠绕固定在线圈架上；

所述电路板还包括与自校准线圈一一对应的用于地震现场的在线校准的自校准电路，所述自校准电路与自校准线圈电连接。

6.根据权利要求1所述的无源伺服地震转动速度计，其特征在于，该无源伺服地震转动速度计还包括密封外壳，所述密封外壳与底板固定连接，所述轮辐式质量弹簧装置、摆式无源伺服动圈换能器以及电路板均安装在密封外壳内部。

7.根据权利要求6所述的无源伺服地震转动速度计，其特征在于，所述密封外壳顶部设有把手。

8.根据权利要求5所述的无源伺服地震转动速度计，其特征在于，所述底板上设有输出插座，所述输出插座与电路板的合成电路以及自校准电路连接。

9.根据权利要求1所述的无源伺服地震转动速度计，其特征在于，所述摆式无源伺服动圈换能器还包括摆座，两摆座分别固定在质量环的两侧，且两摆座的连线通过质量环的圆心；所述摆架的一端与摆座固定连接，且两摆架位于同一平面内，两磁路系统分别位于该平面的左右两侧。

10.根据权利要求1所述的无源伺服地震转动速度计，其特征在于，所述的内环通过固定螺丝与中轴的上端固定连接。