CN1109900C - 一种超宽频带地震计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽频带地震计，涉及用于地震观测的地震计(仪)技术。为了用一套仪器全频带复盖从高频至固体潮汐的宽广频带，本发明主要由摆体、反馈控制电路、放大及滤波电路组成，其弹性系统采用单簧片弹性系统，位移传感器采用电容位移传感器，环境保护装置采用密封和二层控温方式。由于本发明是一种“全频带”获取地动信息的新型数据源，而且易于安装、操作，性能价格比高，运行成本低，因此有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明公开了一种超宽频带地震计，涉及用于地震观测的地震计(仪)技术。
背景技术
地震计(仪)是观测地震所引起地面振动的仪器，装配在地震台上，能将地面运动自动记录下来。很长时期内，在地震台都是同时使用多套长、中、短周期的地震仪，以能满足较宽频带的覆盖。过去的十几年，观测领域发生了很大的变化，其主要特征是世界范围内许多高质量的数字地震台网相继建立起来。在高质量的宽带数字地震台网中，相应的对地震计本身也提出了高的要求，包括：①宽的频带。②大的动态范围。③低的仪器自身噪声。④良好的线性。⑤低的环境噪声灵敏度。⑥长期稳定性等等。
传统的电磁式地震计由于电磁换能器在低频端不敏感，因而频带扩展有限。位移传感器在地震计上的使用大大提高了系统在低频端的灵敏度，但环境因素的干扰使弹性系统不稳定。摆的机械周期越长，问题就越突出，这导致了反馈地震计的出现。负反馈改变了系统传递函数，使得地震计在理论上可以获得良好的低频响应。但这并不意味着仪器频带能有效地向低频端扩展。因为环境因素会使弹性系统和位移检测系统变化，导致地震计输出低频噪声。因此，许多与克服环境影响的有效措施在地震计上陆续被采用。例如高增益长周期台网(HGLP)就采用了密封容器并特别注意了仪器的环境温度条件。最有代表性的负反馈宽带地震计例如使用KS3600型的SRP井下地震计及Wiclandt的STD-1地震计，它们的共同特点是采用了力平衡负反馈技术，充分注意到环境对地震计低频特性的影响从而采取了相应的防止气压及温度波动的措施，获得了稳定的宽带输出。
数字记录技术和计算机数据处理技术与现代地震计的研制平行进展，地震学家位对地震波感兴趣的频带在扩展，人们希望获得几乎是全频带的信息。对于高速数据采集设备来说，宽频带的记录已不成问题，24位A/D转换器可以使记录动态范围接近140dB，这样反过来对地震计提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的就在于满足高质量的宽频带地震台网对地震计所提出的上述要求而设计的新型地震计，高频端要扩展到20Hz，低频端要克服环境因素影响，工作稳定。高、低频端具有相同的灵敏度。仪器具有小的自身噪声。获得140dB的动态范围。从而能够记录到地球自由振荡、固体潮汐。
本发明的目的是这样实现的：即分别由一个垂直向和两个水平向地震计组成，每个分向地震计的频带都是20Hz-DC，其中20Hz-360秒频段对等速度输入响应平坦，360秒-Dc对等加速度输入响应平坦，从而使仪器的频带覆盖了从短地震波至固体潮汐的宽广频带，在一台地震计上实现了常规的短周期、中长周期、长周期地震计及长周期地球物理仪器(垂直向为重力仪，水平向为倾斜仪)频带特性。仪器动态范围大于140dB，线性优于-70dB，具有高灵敏度、低噪声特点。
附图说明
图1为目前地壳运动的地球物理仪器的频带示意图。
图2为本发明每个地震计基本组成方框图。
图3为弹性悬挂系统结构原理图。
图4为垂直向摆体基本结构图。
图5为多层恒温控制系统结构图
图6为本发明实施例工作现场布局图。
其中：A-重力仪、倾斜仪频带，B-传统地震计频带，1-摆体，2-温度控制器，3-环境保护装置，4-反馈控制电路，5-放大及滤波电路，6-地震计输出，11-弹性系统，12-电容位移传感器，13-锁松摆装置、14-调零装置，m-质量块，1-簧片，p-摆杆，c-十字簧，21-内恒温控制器，22-杜瓦瓶，23-外恒温控制器，24-基脚，25-基座，26-绝缘材料，27-外壳，V-垂直向地震计，H-水平向地震计，FCU-反馈控制机箱，RCU-遥控单元，TCU-恒温控制器，61-高分辨率数字记录系统，62-模拟记录器，63-数据传输，64-钟。
具体实施方式
地震波是宽频谱的，近年来的研究表明，地震激发的地震波从短周期地震波直至接近零频。因而研制一种全频带覆盖的新型地震计十分必要。由于技术上的原因，观测地壳的地球物理仪器的频带传统上一直集中在地震波频带的两端，如图1所示。
右边是高频端，频带约从20Hz到数十秒，为目前使用的地震计观测频带。左边是低频端为超低频仪器如重力仪、倾斜仪观测的接近零频的频带。在这两类仪器之间形成一段观测空白。如STS-1地震计，高频端仅达5Hz低频端不考虑零频，因而在地震台网中使用时，为了观测高频地震波不得不同时安装一套短周期地震计。在传统地震计与超低频地球物理仪器观测频带之间的频带是非常丰富的地震信息源，越来越被地震学家所重视。所以说，本发明的目的就在于用一套仪器，全频带地覆盖从高频地震波至固体潮汐的宽广频带。
本发明的组成是，地震计摆体1与反馈控制电路4构成了对地运动敏感的传感器。从图2可知，本发明由摆体1、反馈控制电路4、放大及滤波电路5组成，并依次连接；摆体1置于环境保护装置3内并和温度控制器2连接；如图3所示，其中摆体1主要是弹性系统11，分别和电容位移传感器(12)、锁松摆装置(13)、调零装置(14)连接；
本发明工作原理是，垂直向弹性系统由簧片1及悬挂于簧片1一端的质量块m构成。摆杆围绕十字簧c构成的虚轴在垂直向内旋转。垂直向弹性系统则由质量块m和连接件通过十字簧c固定于支架上，可在水平面内旋转。高精度电容传感器12的一个极板固定在质量块m上，另一组极板固定于摆体1框架上。当地震计受到外力使摆体1框架运动时，摆体1质量块m因惯性而保持在原来位置，从而摆体1框架与质量块m形成相对位移，高精度电容位移传感器12检测到这个位移并经过放大器充分放大，形成与地震计所受外力成正比的电流，流过线圈-磁体结构，从而产生与地震计所受外力大小相等、方向相反的力，使质量块m回复到原来位置，反馈控制电路4产生这个电流并经过放大滤波电路5形成地震计的输出6。
传统的地震计，包括即使采用了负反馈技术的现代地震计均遵循以下规律：地震计响应周期越长，地震计体积越大，零件自身自振频率越低，使得长周期地震计向高频端扩展有困难；而短周期地震计虽然频带可向高频端扩展，但因机械自振周期过短，加速度灵敏度太低而无法向低频端(长周期)扩展。
为此本发明和现有技术相比，是采用了一系列关键技术来扩宽仪器频带，实现全频带观测的。它们是：
1、垂直向地震计采用特殊设计的片簧弹性系统，该系统具有小的几何尺寸(垂直向及水平向直径为114mm)，因而系统具有很高寄生共振频率，使仪器具备频带向高频端扩展的条件。
2、采用了高精度电容位移传感器检测位移，采用纵向安装方法提高了检测灵敏度，从而提高了仪器的信噪比。
3、采用了具有密封和控温功能的环境保护装置，恒温控制采用了多层控温方式，控温精度达万分之一度，从而免除了环境温度变化及大气压力变化对摆的扰动，使仪器的超低频端也能稳定工作。
垂直向摆体1的基本结构图4所示。
质量块m悬挂于簧片1的一端，通过摆杆p围绕十字簧c在垂直平面内旋转，沿十字簧c的径向，垂直于摆杆p的方向安装有高精度电容位移传感器12，该传感器为差动式，动片随摆体1一起运动，定片安装在地震计的框架上，构成差动式高精度位移检测系统。
前已述及，仪器频带要向高频端扩展，必须提高仪器零件的自身共振频率，否则在观测频带内会发生谐振。地震计最易发生低频谐振的零件是簧片。本发明采用小尺寸的弹性系统，直径仅114mm，因而弹性系统具有很高的谐振频率(300Hz以上)，远远高于地震计的观测频带。另外，一般地震计为了保证低频特性，克服环境温度变化，弹性系统采用了双簧片，其中一块簧片作温度补偿用，从而进一步降低了仪器的高频特性。本发明为了向高频端有效扩展，只采用了单簧片，并用具有密封功能的恒温控制器来克服环境温度变化的扰动，也克服了双簧片补偿技术带来的系统输出的非线性。即保证了仪器低频特性，也使仪器频带向高频有效扩展。
多层恒温控制系统如图5所示。
由于地震计必须通过刚性部件与地平面接触，易于漏热，因而采用多层控温技术。地震计置于内恒温控制器21中，内恒温控制器21与外恒温控制器23之间用高真空杜瓦瓶22隔热。外恒温控制器23与仪器外壳27之间填充绝热材料24。外恒温控制器23为内恒温控制器21提供了远比外界环境温度稳定的温度环境，外恒温控制器控温精度约为1/100℃，热时间常数极大的杜瓦瓶22使内恒温控制器21与外界环境隔离，保持极大的热惯性，内部控温精度优于万分之一度，使热噪声低于仪器观测的下限，从而保证了仪器低频端特性。
由于仪器直径减小，从而摆体1在受到同样外力时旋转角度变小，导致传感器灵敏度降低，为了提高传感器灵敏度和系统信噪比，如上所述，本发明采用的两项重要措施。
a、采用高精度电容位移传感器12，其分辨率优于10-11m，远远高于许多地震计采用的电感位移传感器或动圈电磁式传感器。
b、将电容位移传感器12置于仪器顶部，沿十字簧旋转轴径向，电容位移传感器12到旋转轴的有效距离远远大于通常位移传感器置于仪器前部的方式，从而对于同样的角度变化，获得更大的位移，将信噪比提高近3倍。
由此可见，本发明在一台具有高寄生共振频率的单簧片地震计上适用高精度电容位移传感器12及高精度多层控温技术，保证了系统的高、低频端特性，同时还运用了下列技术保证系统的稳定性和快速可调性能。
4、快速调零系统，在此系统控制调零快速、准确，调零时间参数小于1秒。
5、目前的精密地震计匀采用手动锁摆，本发明具有遥控锁、松摆功能，保证了密封条件，使运输方便。
6、具有机、电均独立的标定线圈，免除了标定中的变压器耦合效应和其它影响。
如图6所示的本发明实施例现场布局图，一台垂直向地震计(V)和两台水平向地震计(H)分别和反馈控制机箱(FCU)相连接。FCU包括反馈电路、标定电路、零位检测电路及信号传输驱动电路。FCU与遥控单元(RCU)相连，RCU包括锁摆、松摆控制、调零控制、标定启动、停止及接收从FCU来的信号的高共膜抑制比放大器。实际上RCU中包括一个用户可选的AFU响应形成滤波器，它的功能是为高速采样的A/D转换器作预处理滤波。它的输出供给数字记录器。数字记录器通过D/A数模转换器提供给模拟记录器信号，用以监测地震计工作状态及数字记录器的部分工作状态。控制台上的显示器可动态显示各道实际记录波形。TCU是恒温控制器。FCU与TCU工作在靠近地震计的地方，而RCU则可工作离地震计较远的观察室中。
从本发明记录结果看，可以获得准确、清晰的震相资料，完整的超宽带地震波信息，包括大地震激发的长周期地球自由振荡(周期函数y秒)和固体潮汐(周期为24小时)，本发明已经运用于国家数字地震台网。
本发明不仅是一种“全频带”获取地动信息的新型数据源，而且易于安装、操作，性能价格比高，运行成本低廉，因此有着广阔的应用前景。
Claims (1)
1、一种超宽频带地震计，包括：
一台垂直向地震计(V)和两台水平向地震计(H)，它们分别和反馈控制机箱(FCU)相连接；FCU包括反馈电路、标定电路、零位检测电路及信号传输驱动电路；FCU与遥控单元(RCU)相连，RCU包括锁摆、松摆控制、调零控制、标定启动、停止及接收从FCU来的信号的高共膜抑制比放大器；三个遥控单元(RCU)以及模拟记录器(62)、数据传输(63)、钟(64)分别与高分辨率数字记录系统(61)相连接；
每台地震计由摆体(1)、反馈控制电路(4)、放大及滤波电路(5)组成，并依次连接；摆体(1)置于环境保护装置(3)内并和温度控制器(2)连接；其中摆体(1)主要是弹性系统(11)，分别和位移传感器(12)、锁松摆装置(13)、调零装置(14)连接；
其特征在于：
①弹性系统(11)采用单簧片弹性系统，其单簧片垂直向水平向直径为114mm；
②位移传感器采用电容位移传感器(12)，为纵向安装，置于仪器的顶部；
③环境保护装置(3)采用密封和二层控温方式，即地震计置于内恒温控制器(21)中，内恒温控制器(21)与外恒温控制器(23)之间有隔热部件高真空杜瓦瓶(22)；外恒温控制器(23)与仪器外壳(27)之间填充绝热材料(24)。
④垂直向摆体(1)的弹性系统(11)的基本结构是质量块(m)悬挂于单簧片(1)的一端，通过摆杆(p)围绕十字簧(c)在垂直平面内旋转，沿十字簧(c)的径向，垂直于摆体(p)的方向安装有高精度电容位移传感器(12)，为差动式，其动片和质量块(m)相连接，其定片安装在摆体(1)的框架上；
⑤采用遥控锁、松摆；
⑥采用机电均独立的标定线圈。
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