CN114200515B - 一种宽频带地震计拾震系统的固有周期调节装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽频带地震计拾震系统的固有周期调节装置及方法，宽频带地震计拾震系统包括三分量摆体，每个摆体包括质量摆和基座，质量摆通过柔性十字铰链与基座相连接，质量摆还通过一个大的变截面片簧与基座相连接，固有周期调节装置包括：调节片簧、滑动机构、支撑机构；调节片簧的一端与质量摆相连接，另一端通过支撑机构与基座相连接；滑动机构底部固定在基座上，可以夹紧调节片簧中部并在调节片簧长度方向上滑动；质量摆绕柔性十字铰链中心转动时，调整滑块机构沿调节片簧方向滑动，通过改变调节片簧的作用长度而改变其系统刚度，从而达到调节周期的目的。本发明系统及方法可靠性高，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及地震观测领域，特别是涉及一种宽频带地震计拾震系统的固有周期调节装置及方法。
背景技术
宽频带地震计被广泛应用于地震观测领域，具有频带范围宽、噪声低、动态范围大等特点,在获取地球深部结构信息、研究地震发震机理等方面拥有非常重要的作用。宽频带地震计的拾震系统一般都要求有较长的固有周期，以此获得更高的灵敏度和更好的低频信号检测能力。
目前，主流的宽频带地震计包括瑞士Streckeisen公司的STS-2.5甚宽频带地震计，加拿大Nanometrics公司的Trillium系列地震计，英国Güralp公司的3T地震计等，都采用了均匀斜三轴布置的拾震结构，每个单分量摆等效与地面夹角为54.7°，能够将质点运动转变成摆转动，可以方便地与电容式位移变换器相结合，将机械运动状态变成电压信号输出。一般在拾振系统中，柔性十字铰链和片簧构成了弹性转动支承组合，片簧弯曲产生弹性力矩用以平衡质量摆的重力矩，使质量摆维持在平衡位置，支承组合与质量摆连接形成一个倒摆系统。这种悬挂方式具有较低的布朗噪声，是理想的准零刚度系统，理论上可以获得无限长的固有周期。
系统的固有周期由系统刚度决定。当质量摆的质量确定后，地震计拾震系统的固有周期主要受柔性十字铰链刚度和片簧刚度影响。在现有设计中，柔性十字铰链由于结构限制所以刚度较难调节，地震计厂家一般用改变平衡片簧末端的固定位置改变片簧的刚度，从而调节周期。这种方法存在的问题是，调节大片簧的固定位置会改变片簧产生弹性力矩，弹性力矩与重力矩不平衡，质量摆就会偏离平衡位置。带有力反馈的地震计会通过电磁力将摆拉回平衡位置。而对于不带力反馈的地震计，这种调节方式无法满足在调节固有周期的同时保证摆的受力平衡。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种宽频带地震计拾震系统的固有周期调节装置及方法，能够实现宽频带地震计拾震系统的周期调节功能，同时不影响摆在平衡位置的受力。
本发明所采用的技术方案是：
一种宽频带地震计拾震系统的固有周期调节装置，所述宽频带地震计拾震系统包括三分量摆体，每个摆体包括质量摆、基座、变截面片簧，质量摆通过柔性十字铰链、变截面片簧与基座相连接，所述固有周期调节装置包括对称分布于所述质量摆两侧的粗调装置和细调装置；
所述粗调装置包括粗调片簧、粗调滑动机构和粗调支撑机构；所述细调装置包括细调片簧、细调滑动机构和细调支撑机构；
所述粗调片簧的一端与所述质量摆的一个水平面固连，另一端通过所述粗调支撑装置固连在所述基座的一个水平面上；所述粗调滑动机构连接在所述基座上，所述粗调片簧穿过所述粗调滑动机构，由所述粗调滑动机构调节所述粗调片簧的作用长度对固有周期进行粗调；
所述细调片簧的一端与所述质量摆的一个水平面固连，另一端通过所述细调支撑装置固连在所述基座的一个水平面上；所述细调滑动机构连接在所述基座上，所述细调片簧穿过所述细调滑动机构，由所述细调滑动机构微调所述细调片簧的作用长度对固有周期进行细调；
所述粗调片簧和细调片簧的长度相等，所述粗调片簧的旋转刚度大于所述细调片簧的旋转刚度。
进一步地，所述粗调滑动机构包括T型滑轨、滑块主体、滑块压块、锁紧螺丝、弹簧、压紧螺丝、铁氟龙上压块、铁氟龙下压块；所述T型滑轨固定在基座上，所述滑块主体沿所述T型滑轨上滑动；所述粗调片簧位于所述铁氟龙上压块和所述铁氟龙下压块之间，且所述铁氟龙上压块和所述铁氟龙下压块位于所述滑块压块和滑块主体之间，所述弹簧嵌套在所述锁紧螺丝上，所述锁紧螺丝和弹簧将所述滑块压块压紧在所述滑块主体上，进而压紧所述铁氟龙上压块和所述铁氟龙下压块，使得所述粗调片簧与所述铁氟龙上压块和所述铁氟龙下压块接触。
进一步地，所述粗调支撑机构包括末端支撑下压块、末端支撑上压块、螺栓，所述末端支撑下压块和末端支撑上压块固定在所述基座上，所述粗调片簧的末端被夹紧在所述末端支撑下压块和末端支撑上压块之间的凹槽内，防止粗调片簧末端悬空或损坏。
进一步地，所述细调滑动机构与所述粗调滑动机构结构相同，所述细调支撑机构与所述粗调支撑机构结构相同。
进一步地，所述固有周期调节装置还包括位移检测单元，所述位移检测单元包括与质量摆固连的电容动极板，以及与基座固连的电容静极板。
一种宽频带地震计拾震系统的固有周期调节方法，该方法基于上述的固有周期调节装置来实现，该方法包括如下步骤：
步骤一：调节变截面片簧，使所述质量摆处于零位；
步骤二：给予质量摆瞬态外部激励，质量摆开始做往复摆动，位移检测单元输出振动信号，由此获取当前质量摆的固有周期T0；
步骤三：若目标周期T′与固有周期T0差距大时，先通过调节粗调滑动机构，改变所述粗调片簧的作用长度，使得目标周期T′与固有周期T0的差距达到预设范围后，再通过调节细调滑动机构，改变所述细调片簧的作用长度，实现目标周期T′与固有周期T0相等。
进一步地，质量摆的周期通过如下公式计算得到：
其中，定义两对柔性十字铰链的交点的连线为质量摆的转动轴，J为质量摆绕转动轴转动的转动惯量，k1为变截面片簧在该状态下的转动刚度，k2为两对柔性十字铰链组合的转动刚度，k3为粗调片簧的转动刚度，k4为细调片簧的转动刚度，m为质量摆的质量，g是重力加速度，l为质量摆的质心距柔性十字铰链转动轴中心的距离，θ为质量摆的质心与质量摆的转动轴中心的连线与水平方向的夹角。
进一步地，在步骤二之前，先将所述粗调滑动机构和细调滑动机构滑动分别滑动到所述粗调片簧和细调片簧的中部进行初始设置。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明在目前宽频带地震计拾震结构的基础上提出了一种拾震结构的固有周期调节装置，利用改变系统刚度来改变系统固有周期的思想，该装置引入除变截面片簧、柔性十字铰链以外的调节片簧作为附加刚度，以此实现固有周期的调节。
(2)调节片簧的引入不影响原有拾震系统的平衡状态，不会对本身的拾震系统造成不利影响；固有周期的调节范围可以通过改变调节片簧的初始刚度灵活调节，提高了地震计工作时的工况适应性，适于广泛推广应用；
(3)滑动机构与调节片簧的接触位置采用铁氟龙压块，摩擦系数小，在滑动过程中可以保护调节片簧不被摩擦力破坏，方便操作。
(4)本发明提供的装置体积小，可靠性高，实用性强，能够满足宽频带地震计拾震系统固有周期调节的需求。
附图说明
图1为本发明的已装配固有周期调节装置的地震计拾震系统的结构示意图；
图2为粗调片簧7和细调片簧24在质量摆1上的连接位置示意图；
图3为粗调片簧7和细调片簧24在质量摆1和基座8上的接触位置示意图；
图4为柔性横向铰链4、柔性竖向铰链3、粗调片簧7和细调片簧24在质量摆1上的连接位置示意图；
图5为柔性横向铰链4、柔性竖向铰链3、粗调片簧7和细调片簧24在基座8上的连接位置示意图；
图6为固有周期调节装置的粗调滑动机构的结构示意图；
图7为图6所示的粗调滑动机构的竖直剖面图。
图中，质量摆1，变截面片簧2，柔性竖直铰链3，柔性横向铰链4，电容动极板5，阻尼器6，粗调片簧7，基座8，T型滑轨9，滑块主体10，滑块压块11，末端支撑下压块12，末端支撑上压块13，螺栓14，锁紧螺丝15，定位螺栓16，螺母17，下垫片18，弹簧19，上垫片20，压紧螺丝21，铁氟龙上压块22，铁氟龙下压块23，细调片簧24，基座第一竖直面25，基座第一水平面26，基座第二水平面27，质量摆第一水平面28，质量摆第二水平面29，质量摆第一竖直面30。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
作为其中一个实施例，如图1～5所示，本发明的宽频带地震计拾震系统的固有周期调节装置，其中宽频带地震计拾震系统包括三分量摆体，每个摆体包括质量摆1、基座8、柔性十字铰链、变截面片簧2，质量摆1通过柔性十字铰链、变截面片簧2与基座8相连接。如图2所示，柔性十字铰链为两对，每对柔性十字铰链包括柔性竖直铰链3和柔性横向铰链4，其中柔性竖直铰链3的两端分别与质量摆1的底部的质量摆第一竖直面30和基座8的基座第一竖直面25连接，柔性横向铰链4的两端分别与基座8的基座第一水平面26和质量摆1的质量摆第一水平面28连接。质量摆1又通过一个大的变截面片簧2与基座8相连接。变截面片簧2弯曲产生弹性力矩用以平衡质量摆1的重力矩，使质量摆1维持在平衡位置。平衡位置处，柔性横向铰链4与柔性竖直铰链3组成了一组柔性十字铰链，两组十字铰链分布于质量摆1的两侧。每组柔性十字铰链的柔性横向铰链4与柔性竖直铰链3在空间上有一交点，两组柔性十字铰链的交点相连即为质量摆1的转动轴。质量摆1的质心与转动轴的中点的连线和水平面的夹角为54.7°。柔性横向铰链4与柔性竖直铰链3此时不受任何弯曲力矩。地震计通过质量摆1绕柔性十字铰链的自由运动感知地面振动。
如图1所示，单个摆体上包括对称分布于质量摆1两侧的粗调装置和细调装置；粗调装置包括粗调片簧7、粗调滑动机构和粗调支撑机构；所述细调装置包括细调片簧24、细调滑动机构和细调支撑机构。
所述粗调片簧7的一端与所述质量摆1的一个水平面固连，另一端通过所述粗调支撑装置固连在所述基座8的一个水平面上；所述粗调滑动机构连接在所述基座8上，所述粗调片簧7穿过所述粗调滑动机构，由所述粗调滑动机构调节所述粗调片簧7的作用长度对固有周期进行粗调；
所述细调片簧24的一端与所述质量摆1的一个水平面固连，另一端通过所述细调支撑装置固连在所述基座8的一个水平面上；所述细调滑动机构连接在所述基座8上，所述细调片簧24穿过所述细调滑动机构，由所述细调滑动机构微调所述细调片簧24的作用长度对固有周期进行细调；
所述粗调片簧7和细调片簧24的长度相等，厚度和宽度均可调节，所述粗调片簧7的旋转刚度大于所述细调片簧24的旋转刚度。所述质量摆1绕转动轴转动时，滑块机构沿所述调节片簧方向滑动，通过改变所述调节片簧的作用长度而改变其系统刚度，从而达到调节周期的目的。
所述细调滑动机构与所述粗调滑动机构结构相同，所述细调支撑机构与所述粗调支撑机构结构相同。
下面以粗调滑动机构、粗调支撑机构为例进行结构详细介绍。如图6和7所示，粗调滑动机构包括T型滑轨9、滑块主体10、滑块压块11、锁紧螺丝15、上垫片20、下垫片18、弹簧19、压紧螺丝21、定位螺栓16、螺母17、铁氟龙上压块22、铁氟龙下压块23。所述所述T型滑轨9通过定位螺栓16固定在基座8上，定位螺栓16上的螺母17起到紧固作用，滑块主体10与T型滑轨9通过T型槽结构配合，可以实现在滑轨长度方向上的滑动；滑块压块11通过两个压紧螺丝21与滑块主体10连接，滑块主体10和滑块压块11之间装配有铁氟龙上下压块，调节片簧在铁氟龙上压块22和铁氟龙下压块23之间构成接触，铁氟龙摩擦系数小，在伴随滑块主体10滑动时摩擦力小，压紧螺丝21与滑块压块11之间还包括下垫片18、弹簧19、上垫片20，在压紧螺丝21拧紧的过程中，弹簧19起到一定支撑的作用，可以保证滑块压块11和主体之间的压紧力为弹性力。锁紧螺丝15通过螺纹连接置于滑块主体10的侧面，锁紧螺丝15底部与T型滑轨9可接触，拧松螺丝，滑块主体10可以沿T型滑轨9滑动，拧紧螺丝，可以固定滑块主体10在当前位置。
所述支撑机构包括末端支撑下压块12、末端支撑上压块13、螺栓14，所述末端支撑下压块12固定在所述基座8上，所述调节片簧的另一端被所述末端支撑下压块12和所述末端支撑上压块13夹紧，以防止所述调节片簧末端悬空或损坏。
本实施例中，装置还包括位移检测单元，用于检测所述质量摆1的位置信号。位移检测单元包括但不限于电容位移检测，一般电容动极板5与质量摆1固连，电容静极板与基座8固连，配合检测电路可以输出位移信号。
本实施例中，一种宽频带地震计拾震系统的固有周期调节方法，包括以下步骤：
步骤1：调节片簧2使质量摆1处于零位；
步骤2：给予质量块瞬态外部激励，质量摆1开始做自由往复摆动，位移检测单元输出振动信号，通过信号处理获取当前质量摆1的固有周期T0；
质量摆1的周期的计算公式如下：
其中，J为质量摆1绕十字铰链中心的转动惯量，k1为片簧2在该状态下的转动刚度，k2为两对柔性十字铰链34组合的转动刚度，k3为粗调片簧7的转动刚度，k4为粗调片簧24的转动刚度，m为质量摆1的质量，g是重力加速度，l为质量摆1的质心距柔性十字铰链转动轴中心的距离，θ为质量摆1质心与柔性十字铰链的转动轴的中心的连线与水平方向的夹角。
因此，可以通过改变粗调片簧7作用在系统中的刚度k3和细调片簧24作用在系统内的转动刚度k4来调节周期。
步骤3：若目标周期T′>T0，在T′与T0差距较大时，可以先通过减小k3，即调节粗调滑块机构朝远离质量摆1的方向滑动；调至T′与T0近似时，可以通过减小k4，即调节细调滑块机构朝远离质量摆1的方向滑动，可以实现固有周期增加至T0；
若目标周期T′<T0，在T′与T0差距较大时，先通过增加k3，即调节粗调滑块机构朝接近质量摆1的方向滑动，调至T′与T0近似时，可以通过增加k4，即调节细调滑块机构朝接近质量摆1的方向滑动，可以实现固有周期减小至T0。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种宽频带地震计拾震系统的固有周期调节装置，所述宽频带地震计拾震系统包括三分量摆体，每个摆体包括质量摆(1)、基座(8)、变截面片簧(2)，质量摆(1)通过柔性十字铰链、变截面片簧(2)与基座(8)相连接，其特征在于，所述固有周期调节装置包括对称分布于所述质量摆(1)两侧的粗调装置和细调装置；
所述粗调装置包括粗调片簧(7)、粗调滑动机构和粗调支撑机构；所述细调装置包括细调片簧(24)、细调滑动机构和细调支撑机构；
所述粗调片簧(7)的一端与所述质量摆(1)的一个水平面固连，另一端通过所述粗调支撑机构固连在所述基座(8)的一个水平面上；所述粗调滑动机构连接在所述基座(8)上，所述粗调片簧(7)穿过所述粗调滑动机构，由所述粗调滑动机构调节所述粗调片簧(7)的作用长度对固有周期进行粗调；
所述细调片簧(24)的一端与所述质量摆(1)的一个水平面固连，另一端通过所述细调支撑机构固连在所述基座(8)的一个水平面上；所述细调滑动机构连接在所述基座(8)上，所述细调片簧(24)穿过所述细调滑动机构，由所述细调滑动机构微调所述细调片簧(24)的作用长度对固有周期进行细调；
所述粗调片簧(7)和细调片簧(24)的长度相等，所述粗调片簧(7)的旋转刚度大于所述细调片簧(24)的旋转刚度。
2.根据权利要求1所述的宽频带地震计拾震系统的固有周期调节装置，其特征在于，所述粗调滑动机构包括T型滑轨(9)、滑块主体(10)、滑块压块(11)、锁紧螺丝(15)、弹簧(19)、压紧螺丝(21)、铁氟龙上压块(22)、铁氟龙下压块(23)；所述T型滑轨(9)固定在基座(8)上，所述滑块主体(10)沿所述T型滑轨(9)上滑动；所述粗调片簧(7)位于所述铁氟龙上压块(22)和所述铁氟龙下压块(23)之间，且所述铁氟龙上压块(22)和所述铁氟龙下压块(23)位于所述滑块压块(11)和滑块主体(10)之间，所述弹簧(19)嵌套在所述锁紧螺丝(15)上，所述锁紧螺丝(15)和弹簧(19)将所述滑块压块(11)压紧在所述滑块主体(10)上，进而压紧所述铁氟龙上压块(22)和所述铁氟龙下压块(23)，使得所述粗调片簧(7)与所述铁氟龙上压块(22)和所述铁氟龙下压块(23)接触。
3.根据权利要求1或2所述的宽频带地震计拾震系统的固有周期调节装置，其特征在于，所述粗调支撑机构包括末端支撑下压块(12)、末端支撑上压块(13)、螺栓(14)，所述末端支撑下压块(12)和末端支撑上压块(13)固定在所述基座(8)上，所述粗调片簧(7)的末端被夹紧在所述末端支撑下压块(12)和末端支撑上压块(13)之间的凹槽内，防止粗调片簧(7)末端悬空或损坏。
4.根据权利要求3所述的宽频带地震计拾震系统的固有周期调节装置，其特征在于，所述细调滑动机构与所述粗调滑动机构结构相同，所述细调支撑机构与所述粗调支撑机构结构相同。
5.根据权利要求1所述的宽频带地震计拾震系统的固有周期调节装置，其特征在于，所述固有周期调节装置还包括位移检测单元，所述位移检测单元包括与质量摆(1)固连的电容动极板(5)，以及与基座(8)固连的电容静极板。
6.一种宽频带地震计拾震系统的固有周期调节方法，其特征在于，该方法基于上述任意一项的固有周期调节装置来实现，该方法包括如下步骤：
步骤一：调节变截面片簧(2)，使所述质量摆(1)处于零位；
步骤二：给予质量摆(1)瞬态外部激励，质量摆(1)开始做往复摆动，位移检测单元输出振动信号，由此获取当前质量摆(1)的固有周期T0；
步骤三：若目标周期T′与固有周期T0差距大时，先通过调节粗调滑动机构，改变所述粗调片簧(7)的作用长度，使得目标周期T′与固有周期T0的差距达到预设范围后，再通过调节细调滑动机构，改变所述细调片簧(24)的作用长度，实现目标周期T′与固有周期T0相等。
7.根据权利要求6所述的宽频带地震计拾震系统的固有周期调节方法，其特征在于，质量摆(1)的周期通过如下公式计算得到：
其中，定义两对柔性十字铰链的交点的连线为质量摆(1)的转动轴，J为质量摆(1)绕转动轴转动的转动惯量，k1为变截面片簧(2)在该状态下的转动刚度，k2为两对柔性十字铰链组合的转动刚度，k3为粗调片簧(7)的转动刚度，k4为细调片簧(24)的转动刚度，m为质量摆(1)的质量，g是重力加速度，l为质量摆(1)的质心距柔性十字铰链转动轴中心的距离，θ为质量摆(1)的质心与质量摆(1)的转动轴中心的连线与水平方向的夹角。
8.根据权利要求6所述的宽频带地震计拾震系统的固有周期调节方法，其特征在于，在步骤二之前，先将所述粗调滑动机构和细调滑动机构滑动分别滑动到所述粗调片簧(7)和细调片簧(24)的中部进行初始设置。
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