CN112016234A - 差容式地震计机械摆、测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了差容式地震计机械摆、测试系统及测试方法，包括：底座，底座与摆动支架的第一端连接，所述摆动支架的第一侧面安装有质量块，所述摆动支架的第二端安装有电容板和线圈，其中电容板安装在摆动支架的第一侧面，所述线圈安装在摆动支架的第二侧面；所述电容板还通过尼龙柱与磁钢连接，所述磁钢安装在磁钢座上，所述线圈可在磁钢内运动，所述磁钢座底部与十字簧片连接；所述十字簧片安装在底座上，所述底座与磁钢座之间还通过支撑簧片连接。采用有限元分析软件ANSYS及其拓扑优化模块，在保证结构稳定性、刚度的条件下，对机械摆十字簧片结构优化；通过实验测试系统对优化前后机械摆固有频率测量，验证优化后机械摆固有频率降低。
Description
技术领域
本申请涉及地震计机械摆技术领域，特别是涉及差容式地震计机械摆、测试系统及测试方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本申请相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
严重的地震灾害使我们深刻反思，防震减灾成为影响国计民生的重大战略任务。地震计在防震减灾的过程中起到了重要作用，其性能的好坏会影响监测结果的可靠性。差容式地震计发展方向是具有更宽的频带范围。机械摆固有频率降低，能够使有效频带范围低频段降低，地震计可以获取更多的微弱振动信号。因此，如何优化机械摆使整体固有频率降低就显得尤为重要。
王余伟等通过调整悬挂簧片的宽度和厚度降低固有频率，扩大地震计的频带范围。马洁美等基于斜对称轴的设计原理,提出了一种采用差分电容式位移换能器的地震计结构。Dapeng Y等在地震计中通过减小簧片厚度和增大簧片数量增大了结构的二阶固有频率，扩展了频带。Chen J等提出一种基于迈克尔逊干涉测量的三分量检波器可以有效拓宽频带。有限元法被广泛应用于优化设计中以分析部件受力和固有频率变化。Chen Dingyue等提出用有限元优化设计方法，通过同时考虑来自各个学科的各种相互依赖的设计元素来得出最佳设计解决方案。王平等采用基于变密度法的拓扑优化理论,对光电平台内框架进行了拓扑优化设计,使得静、动态特性均得到了提升,最后通过振动试验验证了拓扑优化结果的正确性。王兴东等提出了基于湿模态的结构优化方法获得各阶湿模态固有频率，均避开了实验得到的主振频率。
发明人发现，虽然研究人员对地震计结构优化做了大量的研究，但现有技术机械摆的固有频率依旧很高，地震计的频带范围很小，机械摆的稳定性较差。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本申请提供了差容式地震计机械摆、测试系统及测试方法；
第一方面，本申请提供了差容式地震计机械摆；
差容式地震计机械摆，包括：
底座，所述底座与摆动支架的第一端连接，所述摆动支架的第一侧面安装有质量块，所述摆动支架的第二端安装有电容板和线圈，其中电容板安装在摆动支架的第一侧面，所述线圈安装在摆动支架的第二侧面；所述电容板还通过尼龙柱与磁钢连接，所述磁钢安装在磁钢座上，所述线圈可在磁钢内运动，所述磁钢座底部与十字簧片连接；所述十字簧片安装在底座上，所述底座与磁钢座之间还通过支撑簧片连接。
第二方面，本申请提供了差容式地震计机械摆的仿真分析方法；
差容式地震计机械摆的仿真分析方法，包括：
S201：在solidworks上进行实体模型的建立，将建立的差容式地震计机械摆模型导入到workbench中；
S202：根据自定义网格划分方式，对差容式地震计机械摆模型质量块、支撑簧片、摆动支架、十字簧片进行网格划分；对差容式地震计机械摆模型质量块、支撑簧片、摆动支架、十字簧片进行材料设置；
S203：对差容式地震计机械摆模型进行简化；
S204：对差容式地震计机械摆模型施加惯性载荷；
S205：对支撑簧片与十字簧片的一端施加固定约束；
S206：对差容式地震计机械摆模型所受的应力进行分析，得到要保证十字簧片最大受力点应力值小于材料屈服强度；
S207：对差容式地震计机械摆模型的簧片的长度、宽度进行改变，得到对应的机械摆固有频率值；进而获得簧片尺寸对机械摆频率的影响规律，为地震计机械摆的结构优化提供依据；
S208：对差容式地震计机械摆模型进行优化设计：采用ANSYS对机械摆进行有限元分析，根据拓扑分析结果对十字簧片结构优化；
S209：对优化设计后的差容式地震计机械摆模型进行受力分析和模态分析。
第三方面，本申请提供了差容式地震计机械摆的测试系统；
差容式地震计机械摆的测试系统，包括：
信号发生器，所述信号发生器与功率放大器连接，所述功率放大器将放大后的信号发送给线圈，线圈在磁钢中发生运动，线圈引起摆动支架运动，摆动支架引起质量块振动，质量块引起电容板运动，电容板将产生的震动信号转换为电信号，将电信号通过解调电路解调处理后，再通过示波器进行展示。
第四方面，本申请提供了差容式地震计机械摆的测试方法；
差容式地震计机械摆的测试方法，包括：
功率放大器将放大后的信号发送给线圈，线圈在磁钢中发生运动，线圈引起摆动支架运动，摆动支架引起质量块振动，质量块引起电容板运动，电容板将产生的震动信号转换为电信号，将电信号通过解调电路解调处理后，再通过示波器进行展示。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：
针对差容式地震计机械摆固有频率高的问题，本发明提出一种采用拓扑优化簧片的机械摆结构。以地震计机械摆作为研究对象，对机械摆原理与结构进行了理论分析；采用有限元分析软件ANSYS及其拓扑优化模块，在保证结构稳定性、刚度的条件下，对机械摆十字簧片结构优化；通过实验测试系统对优化前后机械摆固有频率测量，验证优化后机械摆固有频率降低。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为现有技术中的地震计机械摆原理图；
图2为现有技术中的差容位移换能器示意图；
图3(a)-图3(e)为本申请第一个实施例的机械摆三维图；
图4为本申请第一个实施例的机械摆分析模型；
图5(a)为本申请第一个实施例的机械摆应力分布；
图5(b)为本申请第一个实施例的机械摆固有频率；
图6(a)为本申请第一个实施例的固有频率随宽度变化曲线；
图6(b)为本申请第一个实施例的固有频率随长度变化曲线；
图7(a)为本申请第一个实施例的簧片拓扑优化分析结果；
图7(b)为本申请第一个实施例的机械摆优化后应力分布；
图8(a)为本申请第一个实施例的机械摆优化后应力分布；
图8(b)为本申请第一个实施例的机械摆优化后固有频率；
图9为本申请第一个实施例的机械摆固有频率测试系统；
图10为本申请第一个实施例的机械摆固有频率测试曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，机械摆的工作原理是当震动发生时重锤m由于惯性带动换能器运动，换能器将位移信号转换为易于检测的电信号。偏移方向的弹簧给摆一个拉力，O点十字簧片铰也给摆一个恢复力矩，当恢复的力矩大于mgR0sinθ时，摆将恢复初始位置，形成一个稳定的振动系统。
当小偏角振动时，摆的振动微分方程为：
其固有振动角频率ω0为：
有弹性连接的倒立摆固有频率f为：
其中摆的折合摆长
十字簧片的转动刚度
K1是摆绕十字簧片铰O的转动惯量；Kc为十字簧片总的转动刚度；m是摆的质量；a是弹簧连接处到O点的距离；k为弹簧弹性系数；R0是摆的重心到O点的距离；E为簧片材料的杨氏模量，w为簧片的宽，t为簧片的厚度，l为簧片的长度，m为质量块的质量。由公式(3)(5)可知在质量一定的情况下，系统固有频率与十字簧片厚度与宽度成正比，与长度成反比。
差容位移传感器的结构，如图2所示。差容位移传感器的优点是结构简单，易于加工，测量精度高。当震动发生时，摆由于惯性带动电容板产生运动，间距由初始的d0变为d，三块平行金属板组成电容器把被测的震动信号转换为电容器的电容量变化，通过解调电路转换为易于测量的电压信号。
实施例一
本实施例提供了差容式地震计机械摆；
如图3(a)-图3(e)所示，差容式地震计机械摆，包括：
底座，所述底座与摆动支架的第一端连接，所述摆动支架的第一侧面安装有质量块，所述摆动支架的第二端安装有电容板和线圈，其中电容板安装在摆动支架的第一侧面，所述线圈安装在摆动支架的第二侧面；所述电容板还通过尼龙柱与磁钢连接，所述磁钢安装在磁钢座上，所述线圈可在磁钢内运动，所述磁钢座底部与十字簧片连接；所述十字簧片安装在底座上，所述底座与磁钢座之间还通过支撑簧片连接。
所述支撑簧片为圆弧状。
作为一个或多个实施例，差容式地震计机械摆的工作原理，包括：
磁钢座固定安装，当震动发生时，质量块由于惯性带动摆动支架上的中间电容板产生运动，三块平行电容板组成电容器把被测的震动信号转换为电容器的电容变化，通过解调电路转换为易于测量的电压信号，同时线圈在磁钢中发生运动为电路提供了反馈。
实施例二
本实施例提供了差容式地震计机械摆的仿真分析方法；
差容式地震计机械摆的仿真分析方法，包括：
S201：在solidworks上进行实体模型的建立，将建立的差容式地震计机械摆模型导入到workbench中；
S202：根据自定义网格划分方式，对差容式地震计机械摆模型质量块、支撑簧片、摆动支架、十字簧片进行网格划分；对差容式地震计机械摆模型质量块、支撑簧片、摆动支架、十字簧片进行材料设置；
S203：对差容式地震计机械摆模型进行简化：对质量块、十字簧片、摆动支架和支撑簧片予以保留，其余部件予以删除；
S204：对差容式地震计机械摆模型施加惯性载荷：ANSYS中提供了惯性载荷，载荷大小为9806mm/s2；
S205：对支撑簧片与十字簧片的一端施加固定约束；
S206：对差容式地震计机械摆模型所受的应力进行分析，得到要保证十字簧片最大受力点应力值小于材料屈服强度；
S207：对差容式地震计机械摆模型的簧片的长度、宽度进行改变，得到对应的机械摆固有频率值；进而获得簧片尺寸对机械摆频率的影响规律，为地震计机械摆的结构优化提供依据。
S208：对差容式地震计机械摆模型进行优化设计：采用ANSYS对机械摆进行有限元分析，根据拓扑分析结果对十字簧片结构优化。
S209：对优化设计后的差容式地震计机械摆模型进行受力分析和模态分析。
采用ANSYS对机械摆进行受力分析与模态分析，受力分析计算出簧片最大应力，模态分析计算出机械摆固有频率，得到的数据为机械摆机构优化提供参考。
应理解的，S203中，质量块和十字簧片是影响固有频率的关键结构，摆动支架与支撑簧片是保持结构稳定性的重要部件，上述四个部件均需予以保留。
进一步地，所述对差容式地震计机械摆模型的簧片的长度、宽度进行改变，是簧片宽度从4.0mm递增到6.2mm，每次递增0.2mm，簧片长度从16mm递增到25mm，每次递增1mm。
地震计机械摆根据惯性原理设计而成，对机械摆结构分析需要考虑的一个关键载荷就是惯性载荷。ANSYS中提供了Stand Earth Gravity的惯性载荷，载荷大小为9806mm/s2，方向沿X轴负向，同时需要对支撑簧片与十字簧片的一端施加固定约束。由公式(3)和(5)可知，影响固有频率的关键结构为质量块和十字簧片，摆动支架与支撑簧片作为保持结构稳定性的重要部件也予以保留。对机械摆有限元模型简化并施加载荷与约束，如图4所示。
网格划分是将几何模型分解成简单的几部分，选择合适的单元属性和网格控制生成映像网格，网格的划分对计算的速度和精度影响很大。ANSYS中对于形状规则的部分，均采用六面体网格划分。由于使用的模型零件结构不同，默认的网格划分方式不能满足要求，所以需要自定义网格划分方式和单元尺寸，网格划分设置如表1所示。
表1机械摆网格划分表
材料设置是有限元分析中至关重要的一步，本模型中所涉及到的材料均比较常见。涉及到的材料及参数，如表2所示。
表2各模型选用的材料及其物理参数
对机械摆所受的应力进行分析，应力分析的结果，如图5(a)所示。应力分析中十字簧片最大值为436.57MPa，小于簧片材料铍青铜的屈服强度1000MPa,满足要求。模态分析结果为5.1Hz,如图5(b)所示。十字簧片受力集中，因此优化设计后要保证最大受力点应力值小于材料屈服强度。
通过理论分析由公式(3)和(5)可知，机械摆摆中十字簧片尺寸是影响其频率的关键因素。为了获得簧片尺寸对机械摆频率的影响规律，在ANSYS中通过改变簧片的长度、宽度，得到对应的机械摆固有频率值，由于加工精度的限制簧片的厚度统一为0.15mm,仿真结果曲线如图6(a)和图6(b)所示。
在机械摆有限元分析模型中簧片宽度从4.0mm递增到6.2mm，每次递增0.2mm，由仿真结果图6(a)所示，随着簧片宽度增加，机械摆固有频率从1.7Hz增加到5Hz。模型中簧片长度从16mm递增到25mm，每次递增1mm，机械摆固有频率变化图6(b)所示随着簧片长度增加，机械摆固有频率从3.49Hz减小到1.7Hz。系统固有频率与十字簧片宽度成正比，与长度成反比，仿真结果与理论分析结果一致。
对机械摆簧片进行优化设计，但是要满足其相应的刚度要求，并满足约束条件。调用ANSYS的形状优模块Shape Optimization，设置减重比例为20％，对簧片进行优化。经过计算后结果如图7(a)所示，图中的Remove区域是可以去除的材料，Marginal区域为自处理区域，根据实际情况进行去除或者保留，而Keep区域为要保留材料的区域。拓扑优化后改进的簧片模型如图7(b)所示。
优化后的受力分析和模态分析，如图8(a)和图8(b)所示。对优化簧片后的机械摆做静力分析结果分析，优化后簧片最大应力增加到515.56MPa，小于铍青铜屈服极限1000MPa。模态分析优化后机械摆固有频率为由5.1Hz降低为4Hz，降低了22％。
实施例三
本实施例提供了差容式地震计机械摆的测试系统；
差容式地震计机械摆的测试系统，包括：
信号发生器，所述信号发生器与功率放大器连接，所述功率放大器将放大后的信号发送给线圈，线圈在磁钢中发生运动，线圈引起摆动支架运动，摆动支架引起质量块振动，质量块引起电容板运动，电容板将产生的震动信号转换为电信号，将电信号通过解调电路解调处理后，再通过示波器进行展示。
线圈有两个作用，实验过程中提供激励信号模拟振动，实地应用时可以提供反馈信号。
将地震计机械摆测试样机固定安装，函数信号发生器输入正弦信号到标定线圈，当输入信号电压设置很大时，会引起摆的振动较强导致样机损坏，因此需要控制输入信号电压大小，标定线圈迫使摆做受迫振动，电容极板间距离发生改变，解调电路输出电压值通过示波器显示，测试系统如图9所示。
采用正弦标定法对优化前后的机械摆进行幅频响应测试。测试设备采用Agilent公司33500B函数信号发生器、电容板解调电路、Agilent公司DSO-X2012A示波器。测试频率范围设置为1Hz到10Hz，分别记录机械摆优化前后不同输出电压下的频率值，绘制机械摆固有频率测试曲线，如图10所示。
由固有频率测试曲线可知，优化后的机械摆固有频率由5.3Hz降低为4.4Hz，降低了20％，与有限元仿真结果存在一定误差。
实验测得的机械摆固有频率与仿真分析的结果存在一定误差，主要由以下原因:
1)机械摆的零件在加工过程会产生一定的尺寸误差，装配过程中各零部件之间的位置精度与配合精度也会对结果产生影响。
2)在原理分析中，影响十字簧片转动惯量与转动刚度的关键参数为簧片材料属性与外观尺寸，这些参数受到螺钉预紧力、材料应力、零件加工误差等因素的影响而使实验结果产生误差。
3)实验数据采集与分析设备的精度会造成一定的误差。
针对差容式地震计机械摆固有频率高的问题，本发明提出一种采用拓扑优化簧片的机械摆结构。通过理论分析得出影响机械摆固有频率的关键参数，采用有限元分析软件ANSYS及其拓扑优化模块对机械摆进行优化，得到优化后实际机械摆固有频率降低了20％，由5.3Hz降为4.4Hz，实验与仿真结果共同验证了优化后的机械摆固有频率降低，使结构优化过程更加具有参考价值。
实施例四
本实施例提供了差容式地震计机械摆的测试方法；
差容式地震计机械摆的测试方法，包括：
功率放大器将放大后的信号发送给线圈，线圈在磁钢中发生运动，线圈引起摆动支架运动，摆动支架引起质量块振动，质量块引起电容板运动，电容板将产生的震动信号转换为电信号，将电信号通过解调电路解调处理后，再通过示波器进行展示。
地震计能客观而及时地对地震信息进行采集和记录，在地震预报和灾后监测中都起到了重要作用。针对差容式地震计机械摆固有频率高的问题，提出一种采用拓扑优化簧片的机械摆结构。通过对机械摆原理与结构理论分析，得出十字簧片是影响机械摆固有频率的关键结构；采用ANSYS对机械摆进行有限元分析，根据拓扑分析结果对十字簧片结构优化；通过实验测试系统对优化前后机械摆固有频率测量，得到优化后实际机械摆固有频率降低了20％，由5.3Hz降为4.4Hz，证明了优化的合理性。为后续地震计的优化设计提供了参考。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.差容式地震计机械摆，其特征是，包括：
底座，所述底座与摆动支架的第一端连接，所述摆动支架的第一侧面安装有质量块，所述摆动支架的第二端安装有电容板和线圈，其中电容板安装在摆动支架的第一侧面，所述线圈安装在摆动支架的第二侧面；所述电容板还通过尼龙柱与磁钢连接，所述磁钢安装在磁钢座上，所述线圈可在磁钢内运动，所述磁钢座底部与十字簧片连接；所述十字簧片安装在底座上，所述底座与磁钢座之间还通过支撑簧片连接。
2.如权利要求1所述的差容式地震计机械摆，其特征是，差容式地震计机械摆的工作原理，包括：磁钢座固定安装，当震动发生时，质量块由于惯性带动摆动支架上的中间电容板产生运动，三块平行电容板组成电容器把被测的震动信号转换为电容器的电容变化，通过解调电路转换为易于测量的电压信号，同时线圈在磁钢中发生运动为电路提供了反馈。
3.如权利要求1所述的差容式地震计机械摆的仿真分析方法，其特征是，包括：
在solidworks上进行实体模型的建立，将建立的差容式地震计机械摆模型导入到workbench中；
根据自定义网格划分方式，对差容式地震计机械摆模型质量块、支撑簧片、摆动支架、十字簧片进行网格划分；对差容式地震计机械摆模型质量块、支撑簧片、摆动支架、十字簧片进行材料设置；
对差容式地震计机械摆模型进行简化；
对差容式地震计机械摆模型施加惯性载荷；
对支撑簧片与十字簧片的一端施加固定约束；
对差容式地震计机械摆模型所受的应力进行分析，得到要保证十字簧片最大受力点应力值小于材料屈服强度；
对差容式地震计机械摆模型的簧片的长度、宽度进行改变，得到对应的机械摆固有频率值；进而获得簧片尺寸对机械摆频率的影响规律，为地震计机械摆的结构优化提供依据；
对差容式地震计机械摆模型进行优化设计：采用ANSYS对机械摆进行有限元分析，根据拓扑分析结果对十字簧片结构优化；
对优化设计后的差容式地震计机械摆模型进行受力分析和模态分析。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是，对差容式地震计机械摆模型进行简化；具体步骤包括：对质量块、十字簧片、摆动支架和支撑簧片予以保留，其余部件予以删除。
5.如权利要求3所述的方法，其特征是，对差容式地震计机械摆模型施加惯性载荷；具体步骤包括：ANSYS中提供了惯性载荷，载荷大小为9806mm/s2。
6.如权利要求3所述的方法，其特征是，采用ANSYS对机械摆进行受力分析与模态分析，受力分析计算出簧片最大应力，模态分析计算出机械摆固有频率，得到的数据为机械摆机构优化提供参考。
7.如权利要求3所述的方法，其特征是，所述对差容式地震计机械摆模型的簧片的长度、宽度进行改变，是簧片宽度从4.0mm递增到6.2mm，每次递增0.2mm，簧片长度从16mm递增到25mm，每次递增1mm。
8.如权利要求3所述的方法，其特征是，所述质量块的材料为黄铜，所述十字簧片的材料为铍青铜，所述摆动支架的材料为铝。
9.如权利要求1所述的差容式地震计机械摆的测试系统，其特征是，包括：
信号发生器，所述信号发生器与功率放大器连接，所述功率放大器将放大后的信号发送给线圈，线圈在磁钢中发生运动，线圈引起摆动支架运动，摆动支架引起质量块振动，质量块引起电容板运动，电容板将产生的震动信号转换为电信号，将电信号通过解调电路解调处理后，再通过示波器进行展示。
10.如权利要求1所述的差容式地震计机械摆的测试方法，其特征是，包括：
功率放大器将放大后的信号发送给线圈，线圈在磁钢中发生运动，线圈引起摆动支架运动，摆动支架引起质量块振动，质量块引起电容板运动，电容板将产生的震动信号转换为电信号，将电信号通过解调电路解调处理后，再通过示波器进行展示。
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| CN202010895553.3A CN112016234B (zh) | 2020-08-31 | 2020-08-31 | 差容式地震计机械摆、测试系统及测试方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN113391347A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-09-14 | 杭州电子科技大学 | 一种家用地震检测仪器 |
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| CN2733380Y (zh) * | 2004-08-06 | 2005-10-12 | 北京市地震局 | 宽频带反馈式地震计 |
| CN203054236U (zh) * | 2013-02-05 | 2013-07-10 | 中国地震局工程力学研究所 | 一种地震转动加速度计 |
| CN109709600A (zh) * | 2019-03-06 | 2019-05-03 | 防灾科技学院 | 反馈式地震拾振器机械摆及其设计方法 |
-
2020
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Patent Citations (3)
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| Title |
|---|
| 马洁美等: "斜对称轴结构的差分电容式地震计研制", 传感技术学报, pages 1 - 3 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113391347A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-09-14 | 杭州电子科技大学 | 一种家用地震检测仪器 |
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| CN112016234B (zh) | 2023-08-08 |
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