CN202383300U - 力平衡反馈宽频带地震计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种力平衡反馈宽频带地震计，包含信号拾取电路、反馈电路及电机调零电路；所述信号拾取电路中的换能电路为差分电容换能电路，其包括：高频信号发生器、高频变压器、三极板电容器、前置放大器及同步检波器；三极板电容器的上下两极板固定，中间极板可动并与地震计的摆系相连；高频信号发生器产生的稳幅振荡信号经高频变压器成为两个幅度相同、方向相反的正弦波信号分别施加到电容器的上下极板；前置放大器输入端接中间极板输出端接同步检波器；同步检波器对放大后的信号进行解调，得到中间极板运动时的实际波形。本实用新型具有频带宽、低噪声、大动态范围、高灵敏度的特点，且使用方便，维护简单，长期运行可靠。
Description
技术领域
本实用新型涉及地震监测领域，尤其涉及到用于宽频带地震观测的地震计。
背景技术
地震计是用于观测地面振动的设备，地震波的宽频谱其频率可以从几十赫兹直到固体潮汐频段。早期的纯机械式地震仪由于受到尺寸和自振周期的限制，频带没办法做宽，而且由于是开环系统，只能做到较小的动态范围。
随着地震观测技术的发展，特别是电子反馈技术被引入到地震仪的设计中，地震仪的发展获得了质的飞跃。现代的地震仪大多数都是机电一体化系统，实现了对地震波的宽频带、大动态范围、高灵敏度、以及数字化的观测。
现有的宽频带反馈式地震计的机械结构如下：三个分向的摆系UD、EW、NS安装在仪器底座上，上电路主板和下电路主板由三个支撑杆固定在仪器底座上，下电路主板上包含有信号拾取电路、反馈电路等，上电路主板上设置有电机调零电路等，三个分向各有一个精密马达供电子调零时使用。
现有的宽频带反馈式地震计的缺陷在于：所述信号拾取电路采用动圈换能技术，因为动圈换能越往低频段灵敏度越低，其频带向低频扩展比较困难；而把摆体部分的自振周期做长又会出现地震计尺寸过大和系统不稳定等问题。此外，可动线圈对电磁噪声非常敏感，造成此类地震计的动态范围也无法做到很高。所以，动圈换能反馈式地震计在低频端的频带扩展能力有限。
实用新型内容
本实用新型旨在提供一种宽频带、低噪声、大动态范围、高灵敏度的通用型地震计，使用方便，维护简单，长期运行可靠，适合于数字化地震观测台网所用。实现上述目的的技术方案如下：
一种力平衡反馈宽频带地震计，包含信号拾取电路、反馈电路及电机调零电路；其特征在于：所述信号拾取电路中的换能电路为差分电容换能电路，其包括：高频信号发生器、高频变压器、三极板电容器、前置放大器及同步检波器；三极板电容器的上下两极板固定，中间极板可动并与地震计的摆系相连；高频信号发生器产生的稳幅振荡信号经高频变压器成为两个幅度相同、方向相反的正弦波信号分别施加到电容器的上下极板；前置放大器输入端接中间极板输出端接同步检波器；同步检波器对放大后的信号进行解调，得到中间极板运动时的实际波形。
所述反馈电路包括反馈网络及电磁换能器，反馈网络有三条支路构成，分别是比例、微分和积分反馈，反馈信号经过这三条反馈支路后形成反馈电流流入电磁换能器；电磁换能器将反馈电流转变为电磁力，作用于地震计的相应摆系。
所述电机调零电路包括数据采集器、电阻网络、微处理器、马达驱动电路、马达、串口输出模块及切换电路，切换电路接收微处理器的控制信号，对所述反馈网络中的积分反馈支路进行启闭控制。
本实用新型采用精密差分电容位移换能技术，并结合传统响应反馈电路，实现信号拾取，其有益效果在于：(1)实现了地震计的宽频带观测；(2)实现了地震计的大动态范围观测；(3)高输出灵敏度；(4)电子调零：无需开盖手动调零，内置精密马达，程控自动调零；(5)低功耗。
附图说明
图1为实施例提供的反馈地震计的信号拾取电路及反馈电路的原理框图。
图2为实施例提供的差分电容换能电路的原理框图。
图3为实施例提供的电机调零电路的原理框图。
具体实施方式
本实施例提供的力平衡反馈宽频带地震计，其电路部分主要包括信号拾取电路、反馈电路及电机调零电路，下面结合附图进行详细说明。
如图1所示，信号拾取电路包括：电容换能电路、相位调整电路、滤波器及差分输出电路。其工作原理是：地动信号发生时，摆系在惯性力的作用下偏离平衡位置，经电容换能电路转换为电压信号；电压信号经过相位调整(防止自激)后，进入反馈电路和滤波器；滤波器进而连接差分输出电路。
如图2所示，上述信号拾取电路中的电容换能电路具体包括：高频信号发生器、高频变压器、三极板电容器、前置放大器及同步检波器。三极板电容器的上下两极板固定，中间极板可动并与地震计的摆系相连；高频信号发生器产生数十KHz的稳幅振荡信号经，高频变压器成为两个幅度相同、方向相反的正弦波信号分别施加到电容器的上下极板。根据电容分压原理，中间极板在处于中心位置时，上下电容容量相等，中间极板不会产生电压；中间极板偏离中心位置时，造成上下电容容量差，中间极板将感应出和激励同频的正弦信号。前置放大器输入端接中间极板输出端接同步检波器，负责将中间极板产生的感应信号检出并放大，要检测出地动时电容片感应到得微弱信号，要求前置放大器有极高的输入阻抗和较小的输入电容。同步检波器对放大后的信号进行解调，得到的低频信号即中间极板运动时的实际波形。
实际应用中，电容换能电路有一个关键点，就是要求高频振荡信号的幅度要稳，不然会直接干扰到信号的输出，所以在高频信号发生器电路中设计有AGC自动增益控制以及温度补偿等措施。
继续参见图1，反馈电路包括反馈网络及电磁换能器，反馈网络有三条支路构成，分别是比例、微分和积分反馈，反馈信号经过这三条反馈支路后形成反馈电流流入电磁换能器；电磁换能器是一机电结构，将电流转变为一个电磁力，来平衡摆系受到的惯性力，使得摆系实际上的运动幅度很小。在该闭环反馈系统的作用下，摆系原始的力学参数得到了改变：拓展了系统的频带、提高了系统的动态范围、改变了系统的自振周期以及阻尼。实际应用时，通过调节反馈电路可以确定地震计系统的参数，例如高频端扩展到50Hz，低频端延长至60s，频带内1dB速度平坦，阻尼系数为0.7。
如图3所示，本实施例中，电机调零电路包括数据采集器、电阻网络、微处理器、马达驱动电路、马达、串口输出模块及切换电路。具体地，数据采集器用于实时监测宽频带地震计的零位信号并提供给工作人员，工作人员根据检测到的零位信号决定是否需要给地震计调零。若有需要，数据采集器发送一个自动调零命令给微处理器，微处理器接收到调零命令后，启动调零电路的其他模块开始工作，并且微处理器一边及时监视零位信号，一边控制马达驱动电路驱动马达实施调零，同时还从串口输出模块输出当时的调零信息。
值得注意的是，本实用新型的调零电路较现有技术多了一个切换电路，该切换电路接收微处理器的控制信号，对上文所述的反馈网络中的积分反馈支路进行启闭控制。即当微处理器接收到调零命令时，控制该切换电路将反馈电路中的积分反馈支路去掉(断开)。这时的地震计为加速度输出，频带可以达到DC，大大方便了调零，同时也增加了调零的可靠性。当微处理器检测到所有三个分向的零点均在设定的阈值内时，调零结束，切换电路将反馈电路切换回原始的模式。然后，为节约功耗，整个调零电路的其他器件自动断电，等待下一次调零时被数据采集器唤醒。
本实用新型的有益效果在于：
(1)实现了地震计的宽频带观测：本实用新型采用力平衡电子负反馈技术，观测频带达到60s-50Hz(可选120s-50Hz)；
(2)实现了地震计的大动态范围观测：本实用新型采用精密差分位移换能技术，观测动态范围达到了140dB以上；
(3)高输出灵敏度：相对于动圈换能，电容位移换能器灵敏度较高，可以达到2000V*s/m(差分输出)；也不存在对低频信号不敏感的问题。
(4)电子调零：程控自动调零，大大节约了调零时间，增加了调零的可靠性，而且整个调零过程直观、明了；
(5)低功耗：＜80mA12VDC。
以上实施例仅为充分公开而非限制本实用新型，基于本实用新型创作主旨的未经创造性劳动的等同替换、相同特征点数目的扩充，都应当属于本实用新型揭露的范围。
Claims (3)
1.一种力平衡反馈宽频带地震计，包含信号拾取电路、反馈电路及电机调零电路；其特征在于：所述信号拾取电路中的换能电路为差分电容换能电路，其包括：高频信号发生器、高频变压器、三极板电容器、前置放大器及同步检波器；三极板电容器的上下两极板固定，中间极板可动并与地震计的摆系相连；高频信号发生器产生的稳幅振荡信号经高频变压器成为两个幅度相同、方向相反的正弦波信号分别施加到电容器的上下极板；前置放大器输入端接中间极板输出端接同步检波器；同步检波器对放大后的信号进行解调，得到中间极板运动时的实际波形。
2.根据权利要求1所述的力平衡反馈宽频带地震计，其特征在于：所述反馈电路包括反馈网络及电磁换能器，反馈网络有三条支路构成，分别是比例、微分和积分反馈，反馈信号经过这三条反馈支路后形成反馈电流流入电磁换能器；电磁换能器将反馈电流转变为电磁力，作用于地震计的相应摆系。
3.根据权利要求2所述的力平衡反馈宽频带地震计，其特征在于：所述电机调零电路包括数据采集器、电阻网络、微处理器、马达驱动电路、马达、串口输出模块及切换电路，切换电路接收微处理器的控制信号，对所述反馈网络中的积分反馈支路进行启闭控制。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117233863A (zh) * | 2023-09-08 | 2023-12-15 | 同济大学 | 一种三分量地震仪的传递函数标定方法及装置 |
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2011
- 2011-12-05 CN CN2011205006218U patent/CN202383300U/zh not_active Expired - Lifetime
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