CN107765295A

CN107765295A - 由四个测量单元组成的高可靠地震仪

Info

Publication number: CN107765295A
Application number: CN201711178031.6A
Authority: CN
Inventors: 薛兵; 朱小毅
Original assignee: INSTITUTE OF EARTHQUAKE SCIENCE CHINA EARTHQUAKE ADMINISTRATION
Current assignee: INSTITUTE OF EARTHQUAKE SCIENCE CHINA EARTHQUAKE ADMINISTRATION
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2018-03-06
Anticipated expiration: 2037-11-22
Also published as: CN107765295B

Abstract

本发明公开一种由四个测量单元组成的高可靠地震仪，包括按照正交坐标系中的X、Y、Z坐标轴方向布设的三分向测量单元，还包括P分向测量单元、主控单元，P分向测量单元沿与由X、Y、Z坐标轴组成的立方体的对角线方向布设，每个测量单元包括相应的摆体、振荡及反馈电路，主控单元包括主控芯片、模数转换电路，各摆体感测的地面振动信号经相应的振荡及反馈电路处理，转换为相应的模拟电压信号，传输至模数转换电路，模数转换电路将相应的模拟电压信号转换为相应的数字信号，传输至主控芯片。本发明可大幅提升地震仪的可靠性，降低地震观测难度，保证地震仪的检测精度。

Description

由四个测量单元组成的高可靠地震仪

技术领域

本发明涉及一种地震仪，特别是涉及一种由四个测量单元组成的高可靠地震仪。

背景技术

现有的地震计主要包括东西向、南北向、垂直向三个分向的摆体，摆体由摆体支架和摆锤通过摆体簧片连接，通过摆锤绕摆体簧片的自由运动感知地面运动，再将地面运动转换为电信号，实现地面震动信号的检测。

现有的地震计，一方面，其摆体在工作之前需要进行调平、调零，以使摆体处于正常的工作状态，调平需要通过人工调地脚或是配置专用的调平装置，费时费力，实现代价高，且调平装置会影响地震计的检测精度；另一方面，三个分向的摆体，若其中一个出现故障或是检测性能下降，将会影响地震计的检测结果，可靠性不高，尤其是对于安装于海底、深井等监测位置的地震计，维护难度大、成本高，可靠性要求更高。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种由四个测量单元组成的高可靠地震仪，通过配置冗余摆体，可大幅提升地震仪的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种由四个测量单元组成的高可靠地震仪，包括按照正交坐标系中的X、Y、Z坐标轴方向布设的三分向测量单元，还包括P分向测量单元、主控单元，

P分向测量单元沿与由X、Y、Z坐标轴组成的立方体的对角线方向布设，

每个测量单元包括相应的摆体、振荡及反馈电路，

主控单元包括主控芯片、模数转换电路，各摆体感测的地面振动信号经相应的振荡及反馈电路处理，转换为相应的模拟电压信号，传输至模数转换电路，模数转换电路将相应的模拟电压信号转换为相应的数字信号，传输至主控芯片。

每个测量单元包括标定线圈，所述主控单元还包括标定电路，该标定电路根据所述主控芯片的控制信号向每个测量单元的标定线圈输出标定电流，相应的测量单元输出标定信号，并传输至所述主控芯片。

四个测量单元的坐标变换关系为：

其中，X、Y、Z分别对应三分向测量单元，P对应P分向测量单元。

按照公式(2)-(4)，所述主控芯片根据任意三个测量单元的测量数据，计算得到剩余一个测量单元的测量数据。

所述主控芯片根据所述三分向测量单元的测量数据，及按照公式(2)-(4)计算得到的三分向测量单元的测量数据，测算地震仪的自噪声水平。

所述摆体包括摆体支架、摆锤、摆体簧片、调零机构，

该摆体簧片包括分设于该摆体支架两侧的两组簧片，两组簧片的上端分别与该摆锤的两侧端固定连接，两组簧片的下端通过调零机构与该摆体支架相连接。

所述每个测量单元还包括零位检测及控制电路，所述主控芯片的控制信号输出端与零位检测及控制电路相连接，零位检测及控制电路的信号输出端与所述调零机构的动力控制端相连接，

所述摆锤上固定有第一电容动板、第二电容动板，所述摆体支架上与该第一容动板、第二电容动板相对应的位置固定有电容定板，该零位检测及控制电路用于检测第一电容动板、第二电容动板与电容定板的零位状态，并通过控制所述调零机构动作，将摆体调整至零位状态。

所述调零机构包括调零电机、传动轮组、调零螺杆、导向杆，所述零位检测及控制电路的信号输出端与该调零电机的控制端相连接，该调零电机的动力输出端通过该传动轮组与调零螺杆、导向杆连接，该调零电机动作，可带动该调零螺杆、导向杆动作。

所述两组簧片的下端通过一簧片安装板，及所述调零螺杆、导向杆与所述摆体支架相连接，所述调零电机动作，带动所述调零螺杆、导向杆动作，带动所述两组簧片、摆锤、第一电容动板、第二电容动板动作，而将摆体调整至正常的工作状态。

所述摆体簧片上设有加强板。

本发明的优点是：

1、本发明的高可靠地震仪，在三个分向摆体的基础上，增设一个冗余摆体，通过对四个摆体感测的地面振动信号进行采集及处理，可大幅提升地震仪的可靠性；

2、本发明的高可靠地震仪，通过四个摆体感测的地面振动信号，可实现地震仪的自噪声检测功能；

3、本发明的高可靠地震仪，四个摆体均为无需调平的摆体，地震仪安装于任意角度，均可自动调整至正常工作状态，简化了地震仪结构，大幅降低地震观测难度，保证地震仪的检测精度；

4、本发明的高可靠地震仪，尤其适用于海底、深井地震观测，可靠性高，降低设备维护难度及维护成本。

附图说明

图1是本发明的高可靠地震仪的立体结构示意图，未显示安装底板及电路板。

图2是本发明的四个摆体的坐标位置关系示意图。

图3是本发明的东西向测量单元的电路结构组成框图，其它三个测量单元的框图与该框图原理相同。

图4是本发明的摆体的立体结构示意图。

图5是本发明的摆体的另一视角的立体结构示意图。

图6是本发明的摆体的侧视图。

图7是图6中A-A线的剖视图。

图8是本发明的摆体的俯视图。

图9是本发明的摆体的仰视图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本发明公开的由四个测量单元组成的高可靠地震仪，包括四个测量单元、主控单元等。

四个测量单元分别包括摆体、相应的振荡及反馈电路、标定线圈等。具体的说，四个测量单元为东西向测量单元、南北向测量单元、垂直向测量单元、P分向测量单元，东西向测量单元包括东西向摆体10、东西向振荡及反馈电路、标定线圈，南北向测量单元包括南北向摆体20、南北向振荡及反馈电路、标定线圈，垂直向测量单元包括垂直向摆体30、垂直向振荡及反馈电路、标定线圈，P分向测量单元包括P分向摆体40、P分向振荡及反馈电路、标定线圈。其中：

东西向摆体10、南北向摆体20、垂直向摆体30分别按照正交坐标系中的X、Y、Z坐标轴方向布设；P分向摆体40沿P方向布设，P方向与由X、Y、Z坐标轴组成的立方体的对角线方向重合，P方向与X、Y、Z坐标轴的夹角均为α，且满足：

各分向的振荡及反馈电路均包括控制电路、振动器电路、解调、放大及反馈电路、积分电路，四个摆体感测的地面振动信号分别经过相应的控制电路、振动器电路、解调、放大及反馈电路、积分电路进行处理后，转换为相应的模拟电压信号，四个测量单元检测输出的模拟电压信号传输出至主控单元。

主控单元包括主控芯片、标定电路、模数转换电路。标定电路与主控芯片的I/O端相连接，标定电路用于根据主控芯片的控制信号向四个测量单元的标定线圈输出标定电流，标定电流通过标定线圈对相应摆体的磁钢组件输入激励源，相应的摆体输出标定信号，并将标定信号传输至主控芯片，主控芯片根据各个摆体的标定信号，判断摆体是否工作异常，出现故障。

模数转换电路的信号输入端与四个测量单元的信号输出端相连接，模数转换电路的信号输出端与主控芯片的信号输入端相连接。模数转换电路用于将四个测量单元输出的模拟电压信号进行模数转换，将转换后的四路数字信号输出至主控芯片。主控芯片根据各摆体的标定信号，若东西向摆体10、南北向摆体20、垂直向摆体30工作正常，则根据这三个分向摆体检测的地面振动信号，进行处理后作为地震仪的检测结果；若东西向摆体10、南北向摆体20、垂直向摆体30中的一个摆体出现故障，则按照四个摆体的坐标变换关系，根据P分向摆体40的测量数据，合成出故障摆体的测量数据。

其中，根据四个摆体的敏感轴位置，确定四个摆体的坐标变换关系为：

根据公式(1)-(4)，若三分向摆体10、20、30中的任意一个出现故障，均可利用其他两个摆体及冗余摆体(P分向摆体)的测量数据，通过间接计算得到故障摆体的测量数据，使得地震仪具有冗余功能，提高地震仪的可靠性。

例如，假设东西向摆体(对应X轴方向)出现故障，根据公式(2)，可以利用南北向摆体(对应Y轴方向)、垂直向摆体(对应Z轴方向)、P分向摆体(对应P方向)的测量数据，通过计算间接获得东西向摆体的测量数据。

另一方面，现有的地震计，检测地震计的自噪声水平时，需在同一监测环境中，安装同样的两个地震计，然后通过两个地震计的检测结果，测算地震计的自噪声水平。本发明的高可靠地震仪，通过设置三分向摆体10、20、30及冗余摆体共四个摆体，通过四个摆体的测量数据，就可以检测地震仪的自噪声水平。具体的说，由三分向摆体10、20、30各自采集的测量数据得到由X、Y、Z构成的一组测量数据，利用P分向摆体40的测量数据，根据公式(2)-(4)，可经坐标变换得到由X`、Y`、Z`构成的一组测量数据，对两组测量数据进行处理，即可求出其功率谱中的相关成分作为地震仪的自身噪声功率谱。

本发明的高可靠地震仪，每个摆体均为无需调平的摆体。如图4-9所示，该摆体包括摆体支架1、摆锤2、调零机构3、磁钢组件4，磁钢组件4设置于摆体支架1内部。

摆锤2通过摆体簧片5、簧片安装板6、调零机构3与摆体支架1相连接。具体的说，摆体簧片5包括分设于摆体支架1左、右两侧的两组、共四根簧片，两组簧片的上端分别与摆锤2的左、右两侧固定端固定连接，两组簧片的下端通过簧片安装板6、调零机构与摆体支架1相连接。

调零机构3通过固定安装板安装于摆体支架1下部，调零机构3包括调零电机33、传动轮组34、调零螺杆31、导向杆32，调零电机33的动力输出端通过传动轮组34与调零螺杆31、导向杆32连接，调零电机33动作，可带动调零螺杆31、导向杆32向左或是向右动作。

调零电机33动作，传动轮组34将调零电机32的转动转化为调零螺杆31的左右平动，调零螺杆31的左右两端各连接一块簧片安装板6，调零螺杆31的左右平动通过导向杆32的导向带动簧片安装板6左右动作；由于摆锤2通过摆体簧片5与簧片安装板6连接，从而簧片安装板6的左右动作带动摆锤2的左右动作。

各测量单元还包括用于检测摆体的零位状态的零位检测及控制电路，主控芯片的控制信号输出端与各零位检测及控制电路相连接，零位检测及控制电路的信号输出端与调零电机33的控制端相连接，当摆体处于非零位状态时，零位检测及控制电路控制调零电机33动作，经传动轮组34、调零螺杆31、导向杆32的传动作用，驱动摆体簧片5及摆锤2动作，通过调整摆体簧片5、摆锤2的位置将摆体调整至零位状态。具体的说：

摆锤2的左、右两侧端分别固定连接有第一电容动板8、第二电容动板9，摆体支架1上与第一电容动板8、第二电容动板9相对应的位置分设有第一电容定板10、第二电容定板11，第一电容定板10与第二电容定板11通过导线连接而构成一个电容定板。当地震计处于零位状态时，电容定板与第一电容动板8、第二电容动板9三者之间相互平行，且电容定板到第一电容动板8的距离等于电容定板到第二电容动板9的距离，即电容定板与第一电容动板8间的电容值(C1)与电容定板与第二电容动板9间的电容值(C2)相等；

零位检测及控制电路包括用于检测地震仪摆体零位状态的电容位移检测单元，该电容位移检测单元用于检测电容定板与第一电容动板间的电容值C1、电容定板与第二电容动板间的电容值C2，当C1≠C2时，零位检测及控制电路控制调零电机33动作，驱动传动轮组34、调零螺杆31、导向杆32动作，带动摆体簧片5及摆锤2向左或向右动作，进而带动与摆锤2固定的第一电容动板8、第二电容动板9相对电容定板动作，调整电容定板在第一电容动板8、第二电容动板9之间的位置，调整过程中，当电容位移检测单元检测到C1＝C2时，零位检测及控制电路控制调零电机33停止动作，完成摆体的调零过程，地震仪摆体处于正常的工作状态。

摆体簧片5上设有加强板7，用于加强摆体簧片5的强度。摆体簧片由3J58弹性合金材料制成，两组簧片一方面能够保证地震仪摆体的正常检测工作，另一方面能够支撑摆锤2，实现摆体位置的调整。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims

1.由四个测量单元组成的高可靠地震仪，包括按照正交坐标系中的X、Y、Z坐标轴方向布设的三分向测量单元，其特征在于，还包括P分向测量单元、主控单元，

每个测量单元包括相应的摆体、振荡及反馈电路，

2.根据权利要求1所述的由四个测量单元组成的高可靠地震仪，其特征在于，每个测量单元包括标定线圈，所述主控单元还包括标定电路，该标定电路根据所述主控芯片的控制信号向每个测量单元的标定线圈输出标定电流，相应的测量单元输出标定信号，并传输至所述主控芯片。

3.根据权利要求2所述的由四个测量单元组成的高可靠地震仪，其特征在于，四个测量单元的坐标变换关系为：

4.根据权利要求3所述的由四个测量单元组成的高可靠地震仪，其特征在于，按照公式(2)-(4)，所述主控芯片根据任意三个测量单元的测量数据，计算得到剩余一个测量单元的测量数据。

5.根据权利要求3所述的由四个测量单元组成的高可靠地震仪，其特征在于，所述主控芯片根据所述三分向测量单元的测量数据，及按照公式(2)-(4)计算得到的三分向测量单元的测量数据，测算地震仪的自噪声水平。

6.根据权利要求2所述的由四个测量单元组成的高可靠地震仪，其特征在于，所述摆体包括摆体支架、摆锤、摆体簧片、调零机构，

7.根据权利要求6所述的由四个测量单元组成的高可靠地震仪，其特征在于，所述每个测量单元还包括零位检测及控制电路，所述主控芯片的控制信号输出端与零位检测及控制电路相连接，零位检测及控制电路的信号输出端与所述调零机构的动力控制端相连接，

8.根据权利要求7所述的由四个测量单元组成的高可靠地震仪，其特征在于，所述调零机构包括调零电机、传动轮组、调零螺杆、导向杆，所述零位检测及控制电路的信号输出端与该调零电机的控制端相连接，该调零电机的动力输出端通过该传动轮组与调零螺杆、导向杆连接，该调零电机动作，可带动该调零螺杆、导向杆动作。

9.根据权利要求8所述的由四个测量单元组成的高可靠地震仪，其特征在于，所述两组簧片的下端通过一簧片安装板，及所述调零螺杆、导向杆与所述摆体支架相连接，所述调零电机动作，带动所述调零螺杆、导向杆动作，带动所述两组簧片、摆锤、第一电容动板、第二电容动板动作，而将摆体调整至正常的工作状态。

10.根据权利要求9所述的由四个测量单元组成的高可靠地震仪，其特征在于，所述摆体簧片上设有加强板。