CN109709600A - 反馈式地震拾振器机械摆及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反馈式地震拾振器机械摆及其设计方法，机械摆包括：机械摆震动部件和机械摆约束部件，震动部件包括通过螺栓由上至下依次固定连接的配重、上重锤、下重锤、线圈支架和大磁线圈；约束部件包括依次固定连接的上压板，簧片，下压板，固定于下压板下方的垂直支架，以及与垂直支架下端固定连接的垂直向导磁碗；垂直支架通过两个小立柱与小磁钢座固定连接。所述方法包括：建立机械摆拓扑优化模型，创建簧片模拟结构，对簧片结构进行拓扑优化，通过迭代求解得到簧片最优拓扑结构，最后设计机械摆的摆震动部件和约束部件。本发明可有效提高地震计寄生共振频率降低固有频率，进而扩大地震计频带范围，使地震计的监测范围更加广泛。

Description

反馈式地震拾振器机械摆及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种拾振器机械摆，具体涉及一种反馈式地震拾振器机械摆及其设计方法。

背景技术

拾震器是现代测震仪器的重要组成部分，其工作原理是利用机械摆测量地面运动信号，当其受到外力时迫使内部的弹性元件产生机械形变，将机械形变量通过换能器转换为电信号，并传输到数据采集装置进行数据采集与处理。机械摆是拾振器的基本构成部分，其作用是感受被测地面运动，并将地面运动转换为机械形变量，目前反馈式地震计机械摆的固有频率约为6Hz，寄生共振频率约为105Hz，频响范围为0.5Hz-50Hz。由于它的固有频率一般只有6Hz，很多微弱的地震信号监测不到，严重影响地震信号监测的完整性。因此需要通过扩大地震计频带来拓宽监测的地震信号范围，使地震计的监测范围更加广泛。扩大频带最根本的办法就是提高寄生共振频率与固有频率之比，这就需要降低弹性元件的刚度或者增大惯性质量，若降低弹性元件刚度会导致测量信号的失真，同时考虑到地震计便捷使用等问题，地震计往往设计不宜过重。反馈式地震计的频带响应会随着固有频率的降低而降低，并且会在寄生共振频率附近发生信号失真。固有频率过高、寄生共振频率过低和测量范围过窄是现有反馈式地震计尚未解决的问题。为了扩大地震计频带及减少输出信号失真，有必要就提高反馈式地震计寄生共振频率降低固有频率的机械摆结构进行研究。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种反馈式地震拾振器机械摆，以扩大地震计频带及减小输出信号失真。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种反馈式地震拾振器机械摆，包括：机械摆震动部件和机械摆约束部件；所述机械摆震动部件包括通过螺栓3由上至下依次固定连接的配重1、上重锤5、下重锤13、线圈支架10和大磁线圈11；

所述机械摆约束部件包括依次固定连接的上压板7，簧片6，下压板8，固定于所述下压板8下方的垂直支架9，以及与所述垂直支架9下端固定连接的垂直向导磁碗12；所述垂直支架9通过对称设置的两个小立柱4与小磁钢座2固定连接。

进一步的，所述簧片6为中心对称的三叶扇形金属薄片，包括中心设有方形通孔的圆形边框，以及沿着所述圆形边框均匀排布的3个梯形旋转叶片。

进一步的，所述圆形边框的对边分别设有两个圆形通孔，通过螺栓3分别与上重锤5和下重锤13固定连接。

进一步的，所述梯形旋转叶片上设有1个圆形通孔，通过螺丝与上压板7和下压板8固定连接。

进一步的，所述簧片6由铍青铜制成。

进一步的，所述线圈支架10的内部固定有小磁线圈14，所述小磁线圈14镶嵌在小磁钢15的圆柱形凹槽内，通过螺丝与所述小磁钢座2固定连接。

进一步的，所述大磁线圈11和小磁线圈14上缠有铜线，通电后产生电磁力作用于重锤上，所述电磁力与重锤受到的惯性力大小相等，方向相反。

进一步的，所述簧片6通过震动部件与约束部件在震动过程中产生的相对位移发生弹性形变，通过换能器将簧片6产生的弹性形变信号转换为电信号传递到地震计的反馈电路中进行信号采集。

进一步的，所述上压板7和下压板8为圆环形金属薄片，其边缘设有一对对称的半圆形缺口，通过两个小立柱4固定于垂直支架9上。

一种反馈式地震拾振器机械摆的设计方法，包括：

采用有限元法建立机械摆拓扑优化数学模型；

根据上述拓扑优化数学模型，使用ANSYS Workbench软件的建模工具创建矩形簧片模拟结构；

采用SIMP变密度法对所述矩形簧片模拟结构进行拓扑优化；

通过迭代求解，在矩形簧片内搜索优化形状，得到簧片的最优拓扑结构；

根据得到的簧片最优拓扑结构设计机械摆的震动部件和约束部件。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明设计的地震拾振器机械摆，相比于传统机械摆，有效提高了地震计寄生共振频率同时降低固有频率，进而扩大了地震计频带范围，使地震计的监测范围更加广泛，此外，本发明设计的机械摆的提高了振动性能，不但减小了地震计输出信号失真度，还提高了信号响应速度，从而监测到更微弱的地震信号，提高了地震计测量信号的质量，为地震预警、预报和监测提供了更好的设备，更好地服务了地震科学研究、资源勘探和防灾减灾等领域。本发明提出的机械摆结构拓扑优化设计方法，是以地震计动态特性最优为目标，采用结构拓扑优化方法获得地震计有限元模型结构体内非实体数量和位置的最佳分布，以得到最优拓扑结构。该方法摆脱了对原有结构、设计经验和反复实验的依赖，缩短结构设计周期，降低开发成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是反馈式地震拾振器机械摆的结构示意图；

图2是簧片与上、下压板的连接关系示意图；

图3是线圈支架、下重锤与小磁钢的位置关系示意图；

图4是小磁线圈、小磁钢与小磁钢座的位置关系示意图；

图5是簧片结构示意图；

图6是螺栓结构示意图；

图7是配重结构示意图；

图8是上重锤与下重锤结构示意图；

图9是上压板与下压板结构示意图；

图10是小立柱结构示意图；

图11是线圈支架的结构示意图；

图12是小磁线圈结构示意图；

图13是大磁线圈结构示意图；

图14是小磁钢结构示意图；

图15是小磁钢座结构示意图；

图16是垂直支架结构示意图；

图17是垂直向导磁碗结构示意图；

图18是机械摆的设计方法流程图；

图19是应力频率响应曲线；

图20是最小二乘法进行线性拟合的结果；

图21是优化前后机械摆的振动测量结果；

附图说明：

1-配重；2-小磁钢座；3-螺栓；4-小立柱；5-上重锤；6-簧片；7-上压板；8-下压板；9-垂直支架；10-线圈支架；11-大磁线圈；12-垂直向导磁碗；13-下重锤；14-小磁线圈；15-小磁钢；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

附图1为反馈式地震拾振器机械摆的结构示意图，如图1所示，所述机械摆由机械摆震动部件和机械摆约束部件构成，所述机械摆震动部件包括通过螺栓3由上至下依次固定连接的配重1、上重锤5、下重锤13、线圈支架10和大磁线圈11；所述机械摆约束部件包括依次固定连接的上压板7，簧片6，下压板8，固定于所述下压板8下方的垂直支架9，以及与所述垂直支架9下端固定连接的垂直向导磁碗12，所述垂直支架9通过对称设置的两个小立柱4与小磁钢座2固定连接。所述簧片6通过震动部件与约束部件在震动过程中产生的相对位移发生弹性形变，通过换能器将簧片6产生的弹性形变信号转换为电信号传递到地震计的反馈电路中进行信号采集。其中簧片6与上压板7和下压板8的连接关系如图2所示，所述簧片6夹在上压板7和下压板8的中间，通过上压板7和下压板8压紧固定在垂直支架9上。线圈支架、下重锤与小磁钢的位置关系如图3所示，所述下重锤13通过4颗螺栓3固定在线圈支架10的凹槽内，所述下重锤13中间的方形通孔固定有小磁钢15，如图4所示的小磁线圈、小磁钢与小磁钢座的位置关系示意图，所述小磁线圈14镶嵌在小磁钢15的圆柱形凹槽内，通过螺丝与所述小磁钢座2固定连接。

具体的，如图5所示的簧片结构示意图，所述簧片6是由铍青铜制成的呈中心对称的三叶扇形的金属薄片，包括中心设有方形通孔的圆形边框，以及沿着所述圆形边框均匀排布的3个梯形旋转叶片，所述圆形边框的对边分别设有两个圆形通孔，通过4颗图6所示的螺栓3分别与上重锤5和下重锤13固定连接。每个梯形旋转叶片上均设有1个圆形通孔，通过螺丝与上压板7和下压板8固定连接。

具体的，如图7所示的配重结构示意图，所述配重1由两个对称的半圆柱体金属构成，每个半圆柱体的一侧设有长方体凹槽，凹槽的尺寸与小磁钢的尺寸相匹配，每个半圆柱体设有两个圆形通孔，利用螺栓3与上重锤5固定连接。

具体的，如图8所示的上重锤与下重锤结构示意图，所述上重锤5与下重锤13为尺寸相同的圆柱体结构，在圆柱体的中心设有矩形通孔，通孔的尺寸与小磁钢的尺寸相匹配，在圆柱体的上端设有2对左右对称的圆形通孔，通过4颗螺栓3将上重锤5，簧片6，下重锤13依次固定连接。

具体的，如图9所示的上压板与下压板结构示意图，所述上压板7和下压板8为尺寸相同的圆环形金属薄片，其边缘设有一对对称的半圆形缺口，通过两个图10所示的小立柱4固定于垂直支架14上。在圆环上设有3个均匀排布的圆形通孔，通过螺丝与簧片6的3个旋转叶片固定连接。

具体的，如图11所示的线圈支架的结构示意图，所述线圈支架10为带有圆柱形凹槽的圆柱体结构，在凹槽底部中心设有一个圆形通孔，围绕所述圆形通孔的四周设有4个圆形通孔，通过螺栓3与下重锤13固定连接。

具体的，如图12所示的小磁线圈结构示意图，所述小磁线圈15为圆柱体结构，中心设有圆形通孔，通过螺丝分别与小磁钢14与线圈支架10固定连接。

具体的，如图13所示的大磁线圈结构示意图，所述大磁线圈11为空心的圆柱体结构，在大磁线圈11的上端设有矩形金属板，所述矩形金属板的两端分别设有两个圆形通孔，通过螺栓3与上端的线圈支架10固定连接。所述大磁线圈11和小磁线圈15上均缠有铜线，通电后产生与重锤受到的惯性力大小相等，方向相反的电磁力作用于重锤上，使上下重锤的震动幅度变小，与地震计的反馈电路形成负反馈系统。

具体的，如图14所示的小磁钢结构示意图，所述小磁钢15为中间设有圆柱形凹槽的立方体结构，所述小磁钢15顶端中心位置设有圆形通孔，用于通过螺丝与图15所示的小磁钢座2固定连接。

具体的，如图16所示的垂直支架结构示意图，所述垂直支架9由圆环底盘和沿底盘设置的4个等高立柱构成，所述圆环底盘上对称设置两个圆形通孔，用于固定小立柱4。

具体的，如图17所示的垂直向导磁碗结构示意图，所述垂直向导磁碗12为带凹槽的圆柱体结构底座，凹槽尺寸与大磁线圈尺寸相匹配，用于放置大磁线圈。

实施例2

本发明采用SIMP变密度法对地震计机械摆进行结构拓扑优化设计，SIMP变密度法的基本思想是引入一种假想的密度值在[0，1]之间的密度可变材料，将连续结构体离散为有限元模型后，以每个单元的密度为设计变量，将结构的拓扑优化问题转化为单元材料的最优分布问题。在变密度法中，材料的相对密度可以在[0，1]之间连续取值，从而引入中间连续材料密度单元，但在实际工程应用中，中间密度单元是不存在或者无法制造的，因此，本发明引入了对设计变量中出现的中间密度值进行限制的惩罚项。ANSYS软件作为通用的有限元分析工具，具有较强的结构尺寸优化和拓扑优化性能，本发明借助于ANSYS仿真软件的结构场对地震计机械摆进行结构拓扑优化，以获得可以拓宽地震计频带范围的机械摆结构。图18为机械摆的结构优化方法流程图，如图18所示，所述方法包括：

采用有限元法建立机械摆拓扑优化数学模型；

根据上述拓扑优化数学模型，使用ANSYS Workbench软件的建模工具创建矩形簧片模拟结构；

采用SIMP变密度法对所述矩形簧片模拟结构进行拓扑优化；

通过迭代求解，在矩形簧片内搜索优化形状，得到簧片的最优拓扑结构；

根据得到的簧片最优拓扑结构设计机械摆的震动部件和约束部件。

具体的，所述方法首先建立弹簧-配重系统振动频率的数学模型，弹簧-配重系统的振动特征可以用无阻尼自由振动的运动方程描述:

式中:[M]为系统质量矩阵，[C]为系统阻尼矩阵，[K]为系统刚度矩阵，为节点加速度矢量，{y}为节点位移矢量。

根据公式(1)得到系统的频率方程为：

([K]-w²[M]){Φ}＝{0} (2)

求解公式(2)，得到特征值的平方根w为系统的振动频率，特性向量{Φ}为振型。

因此系统的任一阶频率w_j可以表示为：

式中，{Φ_j}是与第j阶特征值w_j相关的特征向量，[K]为刚度矩阵，[M]为质量矩阵。

对于SIMP模型系统刚度矩阵和质量矩阵分别为：

式中，P为中间密度材料惩罚因子，X_i(i＝1，2..,N)表示单元i的设计变量，[K_i]，[M_i]分别表示第i个单元材料的刚度矩阵和质量矩阵。

以机械摆模态二阶频率最大和质量最小为目标函数，以一阶频率上下限值为约束条件建立基于SIMP法结构拓扑优化的机械摆数学模型。

目标函数

find X＝{X₁,X₂,...,X_i}^T,i＝1,2,...,n (6)

约束条件

w_a≤w₁≤w_b (9)

([K_j]-w_j[M_j]{Φ₂})＝0,j＝1,2,...,n. (10)

0≤X_min≤X_i≤1 (11)

式中，[K_j]，[M_j]分别表示第j阶机械摆刚度矩阵和第j阶机械摆质量矩，j＝1,2,...,n为对应于机械摆自由度数所有模态，{Φ_j}是与第j阶特征值w_j相关的特征向量，w_a表示机械摆一阶固有频率下限值，w_b表示机械摆一阶固有频率上限值；X表示设计变量，X_min是用来限定可变密度X_i避免有限元分析过程中出现奇异值，通常取值为X_min＝10^-3，i＝1,2,...,N为单元数目。

根据上述建立的机械摆拓扑优化数学模型，本发明使用ANSYS Workbench软件默认的SpaceClaim直接建模工具创建160mm*160mm矩形簧片，并给出充足的优化空间。首先在创建的160mm*160mm矩形簧片中心画圆，系统自动将矩形做成圆印记，删除中心圆，中心圆用于挂质量点，矩形四周用于固定。进入ANSYS Workbench，链接模态和拓扑优化模块。双击Model进入Mechanical设置边界条件。质量点放在中心圆，使其第一阶为面外振型，与实际产品的低阶振型一致。四周设置固定约束，等效实物簧片根部的螺丝固定，优化空间选择矩形，让ANSYS自动在内部矩形范围内搜索优化形状。

优化目标设置为第二阶频率最大，同时质量最小，目标约束为4Hz-5Hz，经过49次迭代完成优化计算，从得到的结果可以看出簧片结构根部宽端部窄，略带旋转趋势。优化后的文件需要导出几何模型，通过对优化得到的簧片结构进一步处理，使簧片的几何形状更光滑，得到图5所示的簧片结构。最后根据得到的簧片最优拓扑结构设计出机械摆的震动部件和约束部件，使得簧片通过震动部件与约束部件在震动过程中产生的相对位移发生弹性形变，通过换能器将簧片产生的弹性形变信号转换为电信号传递到地震计的反馈电路中进行信号采集与分析。

实施例3

为了验证拓扑优化的机械摆的频率性能，振动性能，信号质量以及幅频特性，本发明分别对拓扑优化前后的机械摆进行频率测试，振动测试，信号失真测试和幅频特性测试。

1、频率测试

本发明利用ANSYS Workbench的模态分析对拓扑优化前后的机械摆进行频率测试，计算它们自由振动的前2阶频率和振型。优化前后机械摆的振动频率结果如表1所示，由表1可知机械摆的自振频率由优化前的6.24HZ变为4.75HZ，寄生共振频率由优化前的105.46HZ变为233.01HZ，由此可见经拓扑优化后的机械摆具有更宽的频带。

表1优化前后机械摆的振动频率结果

类型	优化前的机械摆	优化后的机械摆
			自振频率	6.24HZ	4.75HZ
寄生共振频率	105.46HZ	233.01HZ

2、振动测试

本发明利用ANSYS Workbench的谐响应分析对优化前后机械摆进行振动性能测试，在实验过程中，给拾振器施加一个大小为10N，相位为0的简谐载荷作用，在机械摆的最大变形区域即簧片区域拾取一个面进行激振，其作用方向与Y坐标轴正向相同。根据模态结果分析，在ANSYS Workbench中将频率范围设置为：0-10Hz，求解步长设置为0.2，通过50次扫频计算获得拓扑优化前后机械摆的谐振响应分析结果，将分析结果绘制成图19所示的应力频率响应曲线，图19中横坐标为激振频率，纵坐标为响应值，从图19中可以看出，拓扑优化前后机械摆分别在激振区域内Y轴的应力仅存在一个较大峰值，分别为1.3517MPa、1.4436MPa，对应频率分别为6.25Hz、4.77Hz，与拓扑优化前后机械摆的第1阶模态频率非常接近，由图19的分析结果可知，优化后机械摆的振动性能增强了6.80％。

3、信号失真测试

本发明利用ANSYS Workbench的静态分析对优化前后机械摆进行信号失真分析，由于机械摆的弹性特性曲线可以反映拾振器的信号质量，当机械摆弹性特性曲线为非线性时，就会出现信号失真。根据这一原理，本发明在ANSYS Workbench中将机械摆的配重设置为固定支撑，簧片设置为位移支撑，通过计算力与位移曲线，将得到的曲线利用最小二乘法进行线性拟合处理，得到结果如图20所示，图20中横坐标为位移(以mm为单位)，纵坐标为力(以N为单位)，圆点曲线表示优化前拾振器机械摆力随位移变化的弹性特性曲线，方块点曲线表示优化前拾振器机械摆力随位移变化的线性拟合直线，三角点曲线表示优化后拾振器机械摆力随位移变化的弹性特性曲线，五角点曲线表示优化后拾振器机械摆力随位移变化的线性拟合曲线。表2为优化前后机械摆的弹性特性曲线非线性误差结果，由表2可以看出优化后机械摆的弹性特性曲线非线性误差从7.67％降到5.32％，机械摆的信号失真度明显减弱。

表2优化前后机械摆的弹性特性曲线非线性误差结果

类型	优化前的机械摆	优化后的机械摆
			非线性误差	7.67％	5.32％

4、幅频特性测试

本发明利用振动台进行振动测量实验，用于测试机械摆的幅频特性，在实验过程中，将优化前后的拾振器分别固定在超低频标准振动台上，将其测量频率范围设置为(0.05，100)Hz。由功率放大器放大的正弦信号驱动标准振动台振动，优化前后的机械摆的振动测量结果如图21所示，图中横轴为输入频率(以Hz为单位)，纵轴为输出电压(以V为单位)，圆点曲线表示优化前拾振器机械摆的幅频特性曲线，三角点曲线表示优化后拾振器机械摆的幅频特性曲线，由图21可以看出，本发明设计的地震拾振器机械摆，相比于传统机械摆的地震计，寄生共振频率由原来的105.46HZ变为233.01HZ，优化后机械摆地震计频带范围拓展了31.20％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种反馈式地震拾振器机械摆，其特征在于，包括：机械摆震动部件和机械摆约束部件；所述机械摆震动部件包括通过螺栓(3)由上至下依次固定连接的配重(1)、上重锤(5)、下重锤(13)、线圈支架(10)和大磁线圈(11)；

所述机械摆约束部件包括依次固定连接的上压板(7)，簧片(6)，下压板(8)，固定于所述下压板(8)下方的垂直支架(9)，以及与所述垂直支架(9)下端固定连接的垂直向导磁碗(12)；所述垂直支架(9)通过对称设置的两个小立柱(4)与小磁钢座(2)固定连接。

2.根据权利要求1所述的地震拾振器机械摆，其特征在于，所述簧片(6)为中心对称的三叶扇形金属薄片，包括中心设有方形通孔的圆形边框，以及沿着所述圆形边框均匀排布的3个梯形旋转叶片。

3.根据权利要求2所述的地震拾振器机械摆，其特征在于，所述圆形边框的对边分别设有两个圆形通孔，通过螺栓(3)分别与上重锤(5)和下重锤(13)固定连接。

4.根据权利要求2所述的地震拾振器机械摆，其特征在于，所述梯形旋转叶片上设有1个圆形通孔，通过螺丝与上压板(7)和下压板(8)固定连接。

5.根据权利要求1所述的地震拾振器机械摆，其特征在于，所述簧片(6)由铍青铜制成。

6.根据权利要求1所述的地震拾振器机械摆，其特征在于，所述线圈支架(10)的内部固定有小磁线圈(14)，所述小磁线圈(14)镶嵌在小磁钢(15)的圆柱形凹槽内，通过螺丝与所述小磁钢座(2)固定连接。

7.根据权利要求1所述的地震拾振器机械摆，其特征在于，所述大磁线圈(11)和小磁线圈(14)上缠有铜线，通电后产生电磁力作用于重锤上，所述电磁力与重锤受到的惯性力大小相等，方向相反。

8.根据权利要求1所述的地震拾振器机械摆，其特征在于，所述簧片(6)通过震动部件与约束部件在震动过程中产生的相对位移发生弹性形变，通过换能器将簧片(6)产生的弹性形变信号转换为电信号传递到地震计的反馈电路中进行信号采集。

9.根据权利要求1所述的地震拾振器机械摆，其特征在于，所述上压板(7)和下压板(8)为圆环形金属薄片，其边缘设有一对对称的半圆形缺口，通过两个小立柱(4)固定于垂直支架(9)上。

10.一种反馈式地震拾振器机械摆的设计方法，其特征在于，包括：

采用有限元法建立机械摆拓扑优化数学模型；

根据上述拓扑优化数学模型，使用ANSYS Workbench软件的建模工具创建矩形簧片模拟结构；

采用SIMP变密度法对所述矩形簧片模拟结构进行拓扑优化；

通过迭代求解，在矩形簧片内搜索优化形状，得到簧片的最优拓扑结构；

根据得到的簧片最优拓扑结构设计机械摆的震动部件和约束部件。