DE112017002145B4

DE112017002145B4 - Seismometer mit Paralleldipolleitungs-Falle und Vibrationssensor

Info

Publication number: DE112017002145B4
Application number: DE112017002145.6T
Authority: DE
Inventors: Oki Gunawan; Yudistira Virgus
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2037-07-25
Also published as: US10983230B2; GB2567384B; JP2019522205A; CN109416407B; GB201902052D0; US10564303B2; WO2018020393A1; US20200150298A1; GB2567384A; CN109416407A; DE112017002145T5; US20180031716A1; JP6862039B2

Abstract

Seismometer, das aufweist:mindestens eine parallele Dipollinienfalle (PDL-Falle) mit einem Paar von Dipollinienmagneten und einem diamagnetischen Objekt, das über den Dipollinienmagneten schwebt;ein Erfassungssystem zum Ermitteln einer Position des zylindrischen diamagnetischen Objekts relativ zu den Dipollinienmagneten;wobei das Erfassungssystem aufweist:eine Lichtquelle auf einer Seite der PDL-Falle; undFotodetektoren auf einer anderen Seite der PDL-Falle gegenüber der Lichtquelle, wobei ein Lichtweg von der Lichtquelle und zu den Fotodetektoren zwischen den Dipollinienmagneten liegt und das zylindrische diamagnetische Objekt sich in dem Lichtweg befindet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetische Systeme mit Paralleldipollinien- (Parallel-Dipole-Line-, PDL-) Falle und insbesondere auf ein Seismometer mit PDL-Falle und einen Vibrationssensor.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei einem Seismometer handelt es sich um ein Instrument, das die Bewegung des Erdbodens aufgrund seismischer Aktivität misst, die durch Erdbeben, vulkanische Aktivitäten oder andere Quellen erzeugt wird. Ein Seismometer kann verwendet werden, um das Innere der Erde zu kartieren und die Größe und Orte dieser seismischen Quellen zu messen. Grundsätzlich ist ein Seismometer außerdem ein Vibrationssensor. Kostengünstige und hochempfindliche Seismometer sind für das verteilte Erfassen seismischer Aktivität sehr gefragt.
Verschiedene Arten von Seismometern sind verfügbar wie Seismometer auf der Grundlage eines Pendels und Beschleunigungsmesser, die piezoelektrische oder mikroelektromechanische (MEMS) Sensoren verwenden. Viele dieser Seismometer sind geeignet für ein Erkennen starker Bewegungen. Allerdings fehlen noch kostengünstige Sensoren für ein Erkennen schwacher Bewegungen. Siehe zum Beispiel Merchant, „MEMS Applications in Seismology“, Seismic Instrumentation Technology Symposium, November 2009 (31 Seiten).
Daher wären verbesserte Gestaltungen von Sensoren zur Bewegungserkennung wünschenswert.
Die Druckschrift US 7 143 648 B2 betrifft einen Beschleunigungsmesser. Der Beschleunigungsmesser umfasst einen Trägheitskörper; eine magnetisierte Flüssigkeit, die den Trägheitskörper in der Schwebe hält; und eine Vielzahl von kapazitiven Elementen, die jeweils einen Kondensator mit dem Trägheitskörper bilden. Eine Verschiebung des Trägheitskörpers erzeugt eine Kapazitätsänderung der kapazitiven Elemente, die auf eine Beschleunigung hinweist. Die kapazitiven Elemente umfassen mindestens zwei kapazitive Elemente pro Seite des Beschleunigungsmessers. Ein Gehäuse umschließt den Trägheitskörper und die magnetisierte Flüssigkeit, und die mehreren kapazitiven Elemente sind an dem Gehäuse befestigt. Das Gehäuse kann zylindrisch, rechteckig oder tetraedrisch geformt sein. Der Trägheitskörper kann einen scheibenförmigen Magneten, einen ringförmigen Magneten, einen nichtmagnetischen oder einen schwach magnetischen Magneten enthalten. Die Beschleunigung kann eine lineare Beschleunigung, eine Winkelbeschleunigung oder drei Komponenten der Winkelbeschleunigung und drei Komponenten der linearen Beschleunigung sein. Eine Vielzahl von Magneten magnetisiert die magnetische Flüssigkeit.
Die Druckschrift US 7 277 267 B1 betrifft einen kapazitiven Wandler mit mehrschichtigem Aufbau. Der Wandler umfasst zwei Rotorplatten, die von flexiblen Federn getragen werden, wobei die Platten voneinander beabstandet und durch einen Schaft starr verbunden sind. Eine Rotorplatte kann entweder als Aufnehmerelektrode oder als geerdete Zielelektrode zur Bestimmung der Position, der Verschiebung oder der Lastkraft verwendet werden. Die zweite Rotorplatte kann zur elektrostatischen Betätigung verwendet werden, ohne die mit der ersten Rotorplatte verbundene Schaltung zu stören oder zu zerstören.
Die Druckschrift WO 2011 / 161 298 A1 betrifft einen Durchflusssensor zum Überwachen einer Geschwindigkeit und/oder einer Durchflussmenge einer Flüssigkeitsströmung. Der Durchflusssensor umfasst: einen Körper, mindestens ein Verbindungselement, das den Körper trägt, so dass der Körper in einer Richtung, die quer zur Fluidströmung verläuft, frei schwingen kann; einen Vibrationssensor, der so angeordnet ist, dass er ein Sensorsignal liefert, das von der Frequenz der Vibration des Körpers abhängt, und eine Berechnungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Geschwindigkeit und/oder eine Durchflussmenge der Flüssigkeitsströmung auf der Grundlage des Sensorsignals bestimmt, wobei die Masse des Körpers kleiner ist als das 0,54-fache des Außenvolumens des Körpers multipliziert mit einer Dichte von 1 g/cm³.
Die Druckschrift DE 693 11 831 T2 betrifft Pendel-Mikrosensoren mit elektrostatischer Servoregelung bzw. -rückkopplung, welche ein Pendelelement in solcher Anordnung aufweisen, dass es einer Kraft, die repräsentativ für eine zu messende physikalische Größe ist, ausgesetzt ist, des Weiteren wenigstens ein Elektrodenpaar mit einer fest mit dem Pendelelement verbundenen beweglichen Elektrode und einer der beweglichen Elektrode gegenüber angeordneten festen Elektrode, sowie ein System zum Nachweis bzw. zur Detektion von Verschiebungen des Pendelelements, das ein elektrostatisches Servoregelungs- bzw. - rückkopplungssystem steuert. Das Servoregel- bzw. -rückkopplungssystem legt an das Elektrodenpaar elektrische Spannungen zur Erzeugung von elektrostatischen Rückstell- bzw. Rückholkräften für das Pendelelement an.
Die Druckschrift DE 44 23 469 A1 betrifft kapazitives, berührungsfreies Messsystem für Rotoren, welche ohne mechanische Berührung und daher auch ohne galvanische Verbindung zum Erdpotential gelagert sind. Das Messsystem eignet sich für Messbereiche von Nanometer bis zu einigen Millimetern und erreicht Messauflösungen im Submikrometerbereich.
Die Druckschrift US 5 638 340 A einen Herstellungsgegenstand, der eine Pendeluhr umfasst, wobei das Pendel ein physikalisch losgelöstes, magnetisch aufgehängtes, oszillierendes Pendel ist, das ein ferromagnetisches Material umfasst. Die Pendeluhr verwendet ein rückkopplungsgesteuertes Magnetfeld-Antriebsmittel zur Steuerung der Schwebebewegung des Pendels.
Die Druckschrift SU 1486771 A1 betrifft ein Gerät zur Messung von Bewegungen. Das Gerät umfasst ein Gehäuse, eine Lichtquelle mit einer Stromversorgung, einen in Reihe mit der Lichtquelle angeordneten Fotodetektor sowie einem elektrisch angeschlossenen Aufzeichnungsgerät und einem Verstärker, die an den Ausgang des Fotodetektors und an die Stromversorgung angeschlossen sind. Um den Messbereich zu erweitern, ist das Gerät mit einem Schlitten mit rohrförmiger Führung versehen, der im Gehäuse installiert ist und sich entlang der optischen Achse des Geräts bewegen kann, sowie mit einer Blende, deren Blendendurchmesser dem halben Durchmesser der lichtempfindlichen Fläche des Fotodetektors entspricht, der zwischen der Lichtquelle und dem Fotodetektor in Abständen installiert ist, die jeweils durch das Verhältnis L1/L2=2,0 ... 2,5 bestimmt werden, wobei L1 der Abstand zwischen der Blende und der Lichtquelle ist und L2 der Abstand zwischen der Blende und dem Fotodetektor ist. Die Blende ist so ausgerichtet, dass die optische Achse des Geräts durch den Mittelpunkt der Blende verläuft.
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Seismometer und deren Verwendung, deren Merkmale in den entsprechenden unabhängigen Ansprüchen angegeben sind. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ausführungsformen stellen Seismometer mit Paralleldipollinien- (PDL-) Falle und Vibrationssensoren und Techniken zur deren Verwendung bereit. Das Seismometer enthält: wenigstens eine Paralleldipollinien- (PDL-) Falle mit einem Paar von Dipollinienmagneten und ein diamagnetisches Objekt, das über den Dipollinienmagneten schwebt; und ein Erfassungssystem zum Ermitteln einer Position des diamagnetischen Objekts relativ zu den Dipollinienmagneten.
Ein Verfahren zum Erfassen von Vibrationen beinhaltet: Bereitstellen eines Seismometers, das mindestens eine PDL-Falle mit einem Paar Dipollinienmagneten und ein über den Dipollinienmagneten schwebendes diamagnetisches Objekt enthält; und Ermitteln einer Position des diamagnetischen Objekts relativ zu den Dipollinienmagneten, wobei eine Verschiebung des diamagnetischen Objekts in der PDL-Falle einer Größe der Vibrationen entspricht.
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende genaue Beschreibung und die Zeichnungen erhalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine Darstellung ist, die ein magnetisches System mit Paralleldipollinien-(PDL-) Falle mit einem diamagnetischen zylindrischen Objekt veranschaulicht, das unter Verwendung von transversal magnetisierten (auch bezeichnet als diametral magnetisierten) Magneten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingeschlossen ist;
2 eine Darstellung ist, die ein seismisches Signal auf der Grundlage der relativen Bewegung zwischen dem eingeschlossenen Stab und einer PDL-Magnetbasis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 eine Vorderansicht eines optischen passiven Erfassungsschemas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine Seitenansicht des optischen passiven Erfassungsschemas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine Vorderansicht eines passiven Video-Erfassungsschemas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine Seitenansicht des passiven Video-Erfassungsschemas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine Vorderansicht eines passiven Kapazitätserfassungsschemas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8 eine Seitenansicht des passiven Video-Erfassungsschemas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
9 eine Vorderansicht eines aktiven (Kraftrückkopplungs-Erfassungs-) Schemas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
10 eine Seitenansicht des aktiven (Kraftrückkopplungs-Erfassungs-) Schemas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
11 eine Darstellung ist, die eine beispielhafte Verfahrensweise zur Vibrationserfassung unter Verwendung des vorliegenden Seismometers auf der Grundlage einer PDL-Falle und eines optischen Erfassungsschemas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
12 eine Darstellung ist, die eine beispielhafte Methodik zur Vibrationserfassung unter Verwendung des vorliegenden Seismometers auf der Grundlage einer PDL-Falle und eines Video-Erfassungsschemas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
13 eine Darstellung ist, die eine beispielhafte Methodik zur Vibrationserfassung unter Verwendung des vorliegenden Seismometers auf der Grundlage einer PDL-Falle und eines kapazitiven Erfassungsschemas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
14 eine Darstellung ist, die eine beispielhafte Methodik zur Vibrationserfassung unter Verwendung des vorliegenden Seismometers auf der Grundlage einer PDL-Falle und eines aktiven Erfassungsschemas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
15 eine Draufsicht ist, die ein beispielhaftes Zwei-Achsen-System zum Erkennen eines seismischen Signals in mehreren Richtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
16A eine Draufsicht ist, die ein beispielhaftes Drei-Achsen-System zum Erkennen eines seismischen Signals in mehreren Richtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
16B eine Seitenansicht des Drei-Achsen-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
17 eine Darstellung ist, die eine beispielhafte Vorrichtung zum Durchführen einer oder mehrerer der hierin dargestellten Verfahrensweisen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden hier Techniken zum seismischen Erfassen unter Verwendung von magnetischen Systemen mit Paralleldipollinien- (PDL-) Falle bereitgestellt. Vorteilhafterweise wird durch die Verwendung einer Gestaltung auf der Grundlage einer PDL-Falle eine kostengünstige und hochempfindliche Seismometersensorlösung bereitgestellt (d.h. mit der Fähigkeit, eine schwache seismische Aktivität zu detektieren). Die vorliegenden Seismometer-/Bewegungssensoren können insbesondere ein Rauschen von weniger als 1 ng/Hz^0,5 detektieren, haben eine Bandbreite von etwa 0,1 Hertz (Hz) bis etwa 10 Hz, eine Spitzenbeschleunigung von weniger als etwa 0,25 g (wobei g die Gravitationsbeschleunigung an der Erdoberfläche ist) und einen dynamischen Bereich von mehr als etwa 120 Dezibel (dB), sie erfordern jedoch weniger komplizierte und somit kostengünstigere Komponenten.
Eine PDL-Falle ermöglicht ein Einschließen eines diamagnetischen zylindrischen Objekts (d.h. ein „eingeschlossener Stab“) unter Verwendung von transversal magnetisierten (auch bezeichnet als diametral magnetisierten) Magneten, die als PDL-System dienen. Siehe 1. Das Hauptmerkmal der Falle ist das „magnetische Camelback-Potenzial“ entlang der longitudinalen Achse (d.h. der Hauptachse), das für ein stabiles Einschließen sorgt. Siehe zum Beispiel Gunawan et al., „A parallel dipole line system“, Applied Physics Letters 106, S. 062407-1-5 (Februar 2015) (im folgenden „Gunawan“); und US-Patent US 8 895 355 B2 , US-Patentschrift US 9 093 377 B2 , US-Patentschrift US 9 236 293 B2 und US-Patentschrift US 9 263 669 B2 , alle erteilt an Cao et al., mit dem Titel „Magnetic Trap for Cylindrical Diamagnetic Materials“, deren Inhalt jeweils durch Bezugnahme eingeschlossen ist, wenn hierin vollständig dargelegt. Das „magnetische Camelback-Potenzial“ existiert entlang der longitudinalen Achse (z-Achse), d.h. Magnetfeldverstärkung nahe dem Rand der Dipollinie, die bei einem diametral magnetisierten Magneten mit einer Länge auftritt, die die kritische Länge L_C überschreitet, wobei L_C ~ 2,5 a ist für ein Paar eines Systems mit zylindrischen diametral magnetisierten Magneten, wobei a der Radius des Magneten ist.
Die Magnete in der PDL-Falle haben eine längliche Form, wie etwa ein Zylinder, ein Stab oder ein Streifen, deren Magnetisierung in der Querrichtung (senkrecht zu der langen Achse) verläuft. Diese Magnete werden hier als „Dipol-Linien- oder „diametral magnetisierte“ Magnete bezeichnet. Das eingeschlossene Objekt, beispielsweise ein Graphitstab, kann in der Mitte eingeschlossen werden. Das eingeschlossene Objekt schwebt über dem Paar diametral magnetisierter Magnete. Das eingeschlossene Objekt schwebt, ist im Raum aufgehängt und somit vor einem Kontakt mit den umgebenden Objekten isoliert, was eine sehr empfindliche Krafterfassung ermöglicht.
Während des Betriebs sollte die PDL-Falle in einer horizontalen Position gehalten werden, so dass der Stab in der Mitte eingeschlossen ist. Beim Auftreten von Bodenvibrationen neigt der eingeschlossene Stab aufgrund seiner Trägheit dazu, an einer festen Position zu bleiben (während die Vibrationen die Magnetbasis bewegen). Die relative Bewegung zwischen dem eingeschlossenen Stab und der PDL-Magnetbasis kann als seismisches Signal erfasst und gemessen werden, wie in 2 gezeigt. 2 ist eine Darstellung, die die Verschiebung z des eingeschlossenen Stabs relativ zu der PDL-Magnetbasis (gemessen in Millimetern (mm)) als eine Funktion der Zeit t (gemessen in Sekunden (s)) veranschaulicht.
Die Bodenbeschleunigung a_G kann abgeleitet werden durch: $a_{G} = d^{2} z / d t^{2} + b / m \times d z / d t + k / m \times z$
wobei z die Stabverschiebung, b der Widerstandsbeiwert des Stabs aufgrund der umgebenden Luft, k die Camelback-Federkonstante in der Mitte der PDL-Falle und m die Masse des Stabs ist.
Ein bemerkenswerter Vorteil des vorliegenden Seismometersystems auf der Grundlage einer PDL-Falle besteht darin, dass es dabei normalerweise um einen ein 1 D-Oszillator handelt, wodurch die Ausgestaltung vereinfacht wird und Interferenzen mit dem Oszillationsmodus von anderen Dimensionen geringgehalten werden. Wie nachstehend genau beschrieben wird, kann eine seismische Erfassung mit mehreren Achsen leicht implementiert werden, um Vibrationen in mehreren Richtungen zu erfassen.
Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil des vorliegenden Seismometersystems auf der Grundlage einer PDL-Falle besteht darin, dass es eine hohe Empfindlichkeit bereitstellt, die durch Variieren des Seitenverhältnisses (d.h. Länge zu Radius oder L/a, wobei L die Länge des Magneten ist) der PDL-Magnete eingestellt werden kann. Diese hohe Empfindlichkeit ergibt sich aus der langen Schwingungsperiode (T) des eingeschlossenen Stabs. Beispielsweise kann eine (lange) Periode von T = 3 Sekunden leicht für PDL-Fallen mit einem Seitenverhältnis L/a = 16 und einer Magnetisierung des Magneten M = 10⁶ A/m erhalten werden. Eine Erhöhung der Empfindlichkeit kann durch Vergrößern des Seitenverhältnisses (L/a) erreicht werden. Das ist so, weil ein größerer Wert L/a das „Camelback-Potenzial“ weiter ausdehnt, was zu einem „schwächeren“ Begrenzungspotenzial führt (d.h., dies erhöht die Federkonstante k_z' der PDL-Falle). Siehe beispielsweise 2 von Gunawan. Die Empfindlichkeit wird insbesondere besser (geringere Auflösung) bei längeren Magneten oder breiterem Camelback-Potenzial bei größerem Seitenverhältnis (Länge/Radius). Somit kann die Empfindlichkeit des vorliegenden Seismometers mit PDL-Falle erhöht werden, indem die Länge (L) der Magneten relativ zu ihrem Radius (a) vergrößert wird.
Ein nochmals weiterer Vorteil des vorliegenden Seismometers auf der Grundlage einer PDL-Falle besteht darin, dass der Dämpfungsfaktor durch Wählen des Durchmessers des Graphitstabs problemlos eingestellt werden kann. Wenn nämlich der eingeschlossene Stab verschoben wird, neigt er dazu, in der Mitte der Falle zu oszillieren. Siehe zum Beispiel Gunawan (3a, die die Staboszillation bei dem 1 D-Camelback-Potenzial zeigt, die aus dem Video extrahiert wurde). Die Schwingung wird jedoch durch Luftreibung gedämpft. Siehe beispielsweise die US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2017 / 0 045 433 A1 von Gunawan et al. mit dem Titel „Parallel Dipol Line Trap Viscometer and Pressure Gauge“ (im Folgenden "US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2017 / 0 045 433 A1 "), deren Inhalt durch Bezugnahme eingeschlossen ist, wenn hierin vollständig dargelegt. Wie in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2017 / 0 045 433 A1 beschrieben, ist die Dämpfung stärker (die Dämpfung wird größer), wenn der Durchmesser des Stabs kleiner wird, d.h., die Dämpfungszeitkonstante τ nimmt mit einem kleineren Stabdurchmesser ab.
Umgekehrt erhöht sich τ (Dämpfung wird schwächer) mit einem größeren Stabdurchmesser. Die Dämpfungszeitkonstante τ wird außerdem bei einem längeren Stab größer.
Mit anderen Worten, der Durchmesser und die Länge des Stabs steuern den Q-Faktor dieses Oszillators, wobei gilt: $Q = π τ ƒ_{0},$
wobei τ die Dämpfungszeitkonstante und f₀ die Schwingungsfrequenz sind. Die Dämpfungszeitkonstante und damit der Wert Q können vergrößert werden, indem die Falle in ein Unterdruck-Gehäuse eingeschlossen wird. Dies wird den viskosen Luftwiderstand an dem Stab beseitigen und die Dämpfung eliminieren.
Wie oben beschrieben, beinhalten die Messungen ein Messen der Bewegung der PDL-Magnetbasis relativ zu dem schwebenden, eingeschlossenen Stab. Wenn das vorliegende Seismometer auf einer Oberfläche (z.B. dem Erdboden) platziert wird, neigt der eingeschlossene Stab aufgrund seiner Trägheit dazu, in einer festen Position zu bleiben. Wenn es also eine Erdbodenbewegung gibt, bewegt sich die PDL-Magnetbasis relativ zu dem (feststehenden) eingeschlossenen Objekt (da sie mit dem Erdboden in Kontakt ist). In den meisten Fällen ist es zum Erreichen einer höheren Empfindlichkeit und zum Verringern des Grundrauschens des seismischen Signals wünschenswert, einen größeren Q-Faktor zu erhalten, indem man einen größeren Durchmesser und einen längeren diamagnetischen Stab verwendet und/oder ein Unterdruck-Gehäuse einsetzt (siehe beispielsweise 15).
Zwei verschiedene Typen von seismischen Erfassungsschemen, bei denen das vorliegende PDL-Seismometer verwendet wird, werden hier dargestellt. Bei dem ersten Typ handelt es sich um ein passives Erfassungsschema, bei dem die Bewegung der PDL-Magnetbasis relativ zu dem eingeschlossenen Stab einfach unter Verwendung von z.B. optischer Erfassung, Videoerfassung, kapazitiver Erfassung usw. gemessen wird. Die beobachteten Stabverschiebungswerte können dann zum Ermitteln der Stärke der seismischen Aktivität verwendet werden. Bei dem anderen Typ handelt es sich um ein aktives Erfassungsschema, das den eingeschlossenen Stab (passiv) überwacht, und wenn eine Bewegung des Stabs (relativ zu der PDL-Magnetbasis) z.B. aufgrund einer Bodenbewegung detektiert wird, wird eine Gegenkraft auf den Stab (aktiv) ausgeübt, um den Stab stationär zu halten (d.h., um eine Bewegung des Stabs relativ zu der PDL-Magnetbasis zu verhindern). Die Größe der Gegenkraft oder Beschleunigung wird zum ausgegebenen seismischen Signal. Diese verschiedenen Arten von Sensorschemen werden nun im Detail beschrieben.
Passives Erfassen: In einer ersten beispielhaften Ausführungsform wird ein optisches passives Erfassungsschema verwendet, wie es in 3 (Vorderansicht) und 4 (Seitenansicht) gezeigt ist. Wie in den 3 und 4 gezeigt beinhaltet ein optisches Erfassungsschema eine Lichtquelle an einer Seite (z.B. der Oberseite) der PDL-Falle und differenzielle Fotodetektoren an der Unterseite der PDL-Falle unterhalb/gegenüber der Lichtquelle, so dass der eingeschlossene Stab zwischen der Lichtquelle und den Fotodetektoren hindurchtreten und die zuletzt genannten beschatten kann. In dem Beispiel, das in den 3 und 4 gezeigt ist, befindet sich beispielsweise die Lichtquelle oberhalb der PDL-Falle und die Fotodetektoren unterhalb der PDL-Falle, jedoch können die vorliegenden Techniken in der gleichen beschriebenen Weise implementiert werden, wenn die Lichtquelle unterhalb der Falle und die Fotodetektoren oberhalb der Falle liegen. Zu geeigneten Lichtquellen gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Glühlampe, eine Leuchtdiode und/oder ein Laser, und zu geeigneten Fotodetektoren gehören Halbleiter-Fotodetektoren und/oder lichtabhängige Widerstände (LDRs).
Wie z.B. in 3 gezeigt kann es wünschenswert sein, einen Spalt zwischen den PDL-Magneten zu öffnen (d.h., die PDL-Magnete verbinden sich natürlich miteinander, jedoch kann ein kleiner Spalt zwischen den Magneten geöffnet werden, ohne das eingeschlossene Objekt fallen zu lassen), um eine Sichtlinie zwischen der Lichtquelle und der Fotodetektoranordnung zu schaffen. Dieser Spalt kann z.B. unter Verwendung von festen Abstandshaltern oder festen/variablen Befestigungsvorrichtungen erzeugt werden, wie beispielsweise in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/131.566 mit dem Titel „Parallel Dipole Line Trap with Variable Gap and Tunable Trap Potential“ beschrieben, eine Kopie davon wird in der Datei bereitgestellt.
Wenn sich das Objekt wie in 4 gezeigt relativ zur PDL-Magnetbasis bewegt, tritt es zwischen der Lichtquelle und den Fotodetektoren hindurch. Wenn sich das Objekt zur linken Seite der Falle bewegt, hindert es Licht von der Quelle daran, den Fotodetektor (die Fotodetektoren) auf der linken Seite der Falle zu erreichen, während Licht von der Quelle die Fotodetektoren auf der rechten Seite der Falle erreicht. Wenn sich das Objekt zur rechten Seite der Falle bewegt, hindert es Licht von der Quelledaran, die Fotodetektoren auf der rechten Seite der Falle zu erreichen, während Licht von der Quelle die Fotodetektoren auf der linken Seite der Falle erreicht.
Diese Unterbrechung der ansonsten konstanten Beleuchtung durch die Bewegung des eingeschlossenen Stabes führt zu einem differenziellen Fotostromsignal von den Fotodetektoren. Wie in 4 gezeigt kann eine Positionsdetektorschaltung verwendet werden, um dieses Signal von den Fotodetektoren zu empfangen und die Signaldaten einem Mikrocomputer zuzuführen, der die Verschiebung des Stabs in der PDL-Falle berechnet. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Positionsdetektorschaltung einen differenziellen Operations- oder Instrumentierungsverstärker.
Dieses passive optische Erfassungsschema ist vorteilhaft, da es sowohl kostengünstig ist als auch eine schnelle Antwortzeit (z.B. bis zu einer Bandbreite von 1 Megahertz) bereitstellt. Zwar kann dieses passive optische Erfassungsschema die horizontale Bewegung des Stabs genau erkennen, die seismische Aktivität kann jedoch außerdem eine vertikale Bewegungskomponente enthalten. Techniken zum Erfassen der vertikalen Bewegung werden nachstehend beschrieben.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein passives VideoErfassungsschema verwendet, wie es in 5 (Vorderansicht) und 6 (Seitenansicht) gezeigt ist. Wie in 5 und 6 gezeigt ist mindestens eine digitale Videokamera positioniert (z.B. über und/oder benachbart zu der Falle), um digitale Videobilder der Bewegung des Stabs relativ zu der PDL-Magnetbasis zu erfassen. Es ist bemerkenswert, dass die Videokamera(s) auf dem gleichen Chassis wie die PDL-Fallenmagneten angebracht ist (sind), so dass die Position der Videokamera(s) und der PDL-Fallenmagneten relativ zueinander fixiert sind. In dem in 6 gezeigten Beispiel überträgt die digitale Videokamera die Bilder der PDL-Falle/des Stabs zu einem Mikrocomputer, wo die Bilddaten analysiert werden, um die Position des Stabs in der Falle als zeitliche Funktion unter Verwendung eines Computer-Bildprogramms zu erkennen. Wie beispielsweise in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2017 / 0 045 433 A1 beschrieben sammeln die Pixel in einer Digitalkamera Photonen, die in eine elektrische Ladung umgesetzt werden, die die Intensität darstellt. Während der Bildanalyse kann die Intensität der Bildpixel aus jedem Videorahmen oder jeder Zeilenabtastung gemessen werden, beispielsweise eine Zeilenabtastung entlang der Längsachse des Stabs. Lediglich beispielhaft kann die Position des Stabs in der Falle durch Wählen eines bestimmten Intensitätswerts ermittelt werden, der die Kante des Stabs markiert, der als „Kantenschwelle“ bezeichnet wird. Siehe zum Beispiel Gunawan (Ergänzungsmaterial A.2).
Wie in 6 gezeigt können wahlweise mehrere Videokameras verwendet werden, die das Erkennen der Bewegung des Stabs in mehr als einer Dimension ermöglichen. Wenn insbesondere eine Bodenbewegung vorliegt, kann sich der eingeschlossene Stab (relativ zu der PDL-Magnetbasis) sowohl entlang der y-Richtung (vertikal) als auch der z-Richtung (horizontal) bewegen (siehe 6), d.h., die seismische Aktivität kann möglicherweise sowohl eine laterale Bodenverschiebung als auch eine Auf- und Abwärtsbewegung beinhalten. Eine Videokamera, die über der Falle positioniert ist (Videokamera Nr. 1), nimmt die Stabbewegung entlang der horizontalen (z-) Richtung auf. Um jedoch die Bewegung des Stabs entlang der vertikalen (y-) Richtung zu erfassen, kann eine zweite Videokamera verwendet werden, die benachbart zu einer Seite der Falle positioniert ist (Videokamera Nr. 2). Diese Videokamera Nr. 2 nimmt die Auf- und Abwärtsbewegung des Stabs relativ zu der PDL-Magnetbasis auf. Somit können die vorliegenden Techniken gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform angewendet werden, um die Bewegung in zwei Dimensionen (d.h. entlang der y- und z-Richtungen) zu erkennen.
In einer nochmals weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein passives kapazitives Erfassungsschema verwendet wie in 7 (Vorderansicht) und 8 (Seitenansicht) gezeigt. Wie in 7 und 8 gezeigt handelt es sich bei den Elektroden (Elektroden Nr. 1 und Elektroden Nr. 2) um Elektroden mit zylindrischem Gehäuse, die ein Paar halbzylindrischer Schalen enthalten, die so angeordnet sind, dass sie den Stab umschließen, ohne den Stab zu berühren. Die Gehäuseschalen der Elektroden sind an Halterungen an beiden Enden der Falle angebracht (siehe z.B. 8). Der Stab bleibt freischwebend und kann sich ungehindert entlang der Längsachse z bewegen, ohne die Elektrodenschalen zu berühren. Siehe beispielsweise die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/131.443 von Oki Gunawan mit dem Titel „Voltage-Tunable 1D Electro-Magnet Potential and Probe System with Parallel Dipole Line Trap“ (wird nachfolgend als "US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/131.443 '' bezeichnet), von der eine Kopie in der Datei abgelegt wurde. Die Elektroden sind mit zwei Widerständen (R) verbunden. Die Widerstände bilden mit den Elektroden eine Widerstand-Kondensator- (RC-) Brücke. Wie in der Technik bekannt enthält eine Brückenschaltung zwei Schaltungszweige, die durch einen dritten Zweig ‚überbrückt‘ sind, der ein Voltmeter V_B enthält. Wie in 8 gezeigt ist eine Wechselstrom- (AC-) Spannungsquelle (Vs) mit der RC-Brücke und mit den PDL-Magneten verbunden. Das RC-Netzwerk in jedem Zweig dient als ein Spannungsteiler. Somit kann durch Messen der Differenzspannung zwischen den Elektroden unter Verwendung von V_B das Spannungsungleichgewicht in der Brücke gemessen und daraus die Stabverschiebung abgeleitet werden. Wie in 8 gezeigt werden diese Daten von einem Mikrocomputer gesammelt/analysiert. Weitere Einzelheiten bezüglich des Erkennens der Stabpositionierung unter Verwendung von kapazitiver Erfassung sind in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/131.443 angegeben.
Im Allgemeinen wird bei einem kapazitiven Erfassen der Stabposition in der PDL-Falle auf der Grundlage einer Änderung der Kapazität ermittelt, ob der Stab zwischen der Elektrode und den Magneten hindurchläuft. Wenn sich der Stab bei einer beispielhaften Verwendung des in den 7 und 8 gezeigten Systems in der Falle bewegt, ändert er die Kapazität des Systems (d.h. die Kapazität des Systems ändert sich (steigt z.B. an), wenn der Stab (ein Leiter) zwischen die Elektroden und die Magnete eintritt). Dementsprechend kann die Position des Stabs (z) aus der Spannung V_B ermittelt werden, die aus dem System ausgelesen wird.
Aktives Erfassen: Wie in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/131.443 beschrieben, kann die Position des Stabs in der Falle manipuliert werden, indem eine Elektrode (mehrere Elektroden) verwendet wird (werden), die über der PDL-Falle positioniert ist/sind. Wenn insbesondere eine Gleichstrom- (DC) - Vorspannung Vs an die Magnete und die Elektrode angelegt wird, wird der Stab (bei der angelegten Spannung) zur Elektrode gezogen. Dieses Konzept kann in Übereinstimmung mit den vorliegenden Techniken genutzt werden, um ein aktives Erfassungsschema bereitzustellen, bei dem, anstatt die Position des Stabs lediglich (passiv) zu überwachen, eine Gegenkraft auf den Stab ausgeübt wird, um diesen stationär zu halten. Die Größe der Gegenkraft, die benötigt wird, um den Stab stationär zu halten, kann dann verwendet werden, um die Stärke der Bodenbewegung zu bewerten (d.h., eine größere Gegenkraft wird bei zunehmender Bodenbewegung benötigt). Anstatt eine Vorspannung Vs anzulegen, um den Stab in Bewegung zu versetzen, wird somit die angelegte Vorspannung verwendet, um der Bewegung des Stabs entgegenzuwirken und den Stab bezüglich der Falle oder des Magneten stationär zu halten.
Ein aktives (Kraftrückkopplungs-Erfassungs-) Schema ist in 9 (Vorderansicht) und 10 (Seitenansicht) gezeigt. In den 9 und 10 sind zwei Sätze Elektroden mit zylindrischem Gehäuse gezeigt (Elektroden Nr. 1 und Elektroden Nr. 2), wobei jeder Satz Mantelelektroden enthält, die so positioniert sind, dass sie den Stab einschließen, jedoch nicht berühren. Die Elektroden Nr. 1 und die Elektroden Nr. 2 sind jeweils mit einer unabhängigen Gleichspannungsquelle (d.h. V_S1 bzw. V_S2) verbunden, die von einem Mikrocomputer gesteuert wird. Die Elektroden (Elektroden Nr. 1 und Elektroden Nr. 2) können durch eine Gleichspannung vorgespannt werden, die eine Kraft auf den eingeschlossenen Stab ausübt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird das optische Erfassungsschema verwendet (wie oben in Verbindung mit der Beschreibung der 3 und 4 beschrieben), um die Position oder die Bewegung des Stabs zu erkennen. Wie in 9 gezeigt haben die Elektrodenschalen einen Öffnungsspalt in der Mitte, der ermöglicht, dass das Licht zu den differenziellen Fotodetektoren hindurchgeht, wodurch die Stabbewegung erkannt werden kann.
Wenn Bodenvibrationen auftreten, erkennt das System die Bewegung, und ein elektronisches Rückkopplungssystem erregt die beiden Elektroden, die eine entgegenwirkende Kraft ausüben, so dass der Stab stationär wird. Ein Mikrocomputer sammelt die Videodaten und reguliert V_S1 und V_S2, um den Stab relativ zur Magnetbasis stationär zu halten. Ein bekanntes Proportional-Integral-Differenzial- (PID-) Steuerschema kann verwendet werden, wobei durch Einstellen der P-, I- und D-Verstärkungsparameter die Leistung oder Reaktionszeit des Systems optimiert werden kann.
Ein Verwenden der vorliegenden passiven und aktiven Erfassungsschemen für die Vibrationserkennung wird nun unter Bezugnahme auf die 11 bis 14 beschrieben. Zum Beispiel stellt 11 stellt eine beispielhafte Verfahrensweise 1100 zur Vibrationserfassung unter Verwendung eines optischen Erfassungsschemas bereit (wie oben gemäß der Beschreibung der 3 und 4 oben beschrieben). Wie oben ausgeführt beinhaltet ein optisches Erfassungsschema eine Lichtquelle und Fotodetektoren, die auf gegenüberliegenden Seiten der PDL-Falle angeordnet sind, so dass der eingeschlossene Stab dazwischen hindurchtreten kann.
Im Schritt 1102 beleuchtet die Lichtquelle den eingeschlossenen Stab. Wenn der eingeschlossene Stab stationär ist, erhalten die Fotodetektoren eine konstante Beleuchtung. Bei einer Bewegung des eingeschlossenen Stabs relativ zu der PDL-Magnetbasis ergibt sich jedoch ein differenzielles Fotostromsignal von den Fotodetektoren, das im Schritt 1104 gelesen wird. Wenn insbesondere der bewegliche Stab zwischen der Lichtquelle und den Fotodetektoren hindurchtritt, ändert sich das Fotostromsignal, d.h. von voller Beleuchtung zu teilweiser oder vollständiger Bedeckung (durch den beweglichen Stab). Das Fotostromsignal wird im Schritt 1106 verwendet, um die Verschiebung des Stabs relativ zu der PDL-Magnetbasis zu berechnen, die mit einer Stärke der Vibrationen gleichgesetzt wird (d.h. Vibrationen größerer Stärke führen zu einer größeren Verschiebung des Stabs). Da die Fotodetektoren an festen Punkten entlang der horizontalen Achse der PDL-Magnetbasis angeordnet sind, können grundsätzlich diejenigen Fotodetektoren verwendet werden, die ein differenzielles Fotostromsignal registrieren, um die genaue Bewegung des Stabs relativ zur Basis zu beurteilen.
12 stellt eine beispielhafte Verfahrensweise 1200 für die Vibrationserfassung unter Verwendung eines Videoerfassungsschemas bereit (wie oben gemäß der Beschreibung der 5 und 6 beschrieben). Wie oben ausgeführt beinhaltet ein Videoerfassungsschema ein Aufnehmen digitaler Videobilder des Stabs in der Falle unter Verwendung von mindestens einer Videokamera. Optional können mehrere Videokameras verwendet werden, um die Bewegung des Stabs in mehreren (z.B. vertikalen und horizontalen) Richtungen zu analysieren.
Im Schritt 1202 werden digitale Videobilder des eingeschlossenen Stabs durch die Videokamera(s) aufgenommen. Im Schritt 1204 werden die digitalen Videobilder unter Verwendung eines Computer-Bildprogramms (siehe oben) analysiert, um eine Position des Stabs (relativ zu der Magnetbasis) als eine Funktion der Zeit zu erkennen. Wie oben angegeben, kann die Position des eingeschlossenen Stabs sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Richtung unter Verwendung digitaler Videobilder von den (mehreren) Kameras erfasst werden.
13 stellt eine beispielhafte Verfahrensweise 1300 zur Vibrationserfassung unter Verwendung eines kapazitiven Erfassungsschemas bereit (wie oben gemäß der Beschreibung der 7 und 8 beschrieben). Wie oben ausgeführt werden bei einem kapazitiven Erfassungsschema Elektroden über der Falle verwendet, die mit zwei Widerständen, einer Wechselspannungsquelle und einem Wechselspannungsmesser verbunden sind.
Im Schritt 1302 wird eine Vorspannung (über die Spannungsquelle Vs und die RC-Brücke) an die Elektroden und an die PDL-Magnete angelegt. Im Schritt 1304 wird ein differenzielle (oder Brücken-) Spannung V_B (über dem Wechselspannungsmesser) zwischen den Elektroden gemessen. Im Schritt 1306 wird dieses Brückenspannungssignal V_B verwendet, um die Position des Stabs relativ zu der PDL-Magnetbasis zu ermitteln. Siehe beispielsweise Gleichung 8 der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/131.443 .
14 stellt eine beispielhafte Verfahrensweise 1400 zur Vibrationserfassung unter Verwendung eines aktiven Erfassungsschemas bereit (wie oben gemäß der Beschreibung der 9 und 10 beschrieben). Wie oben ausgeführt nutzt ein aktives Erfassungsschema die Fähigkeit, die Position des eingeschlossenen Stabs zu manipulieren, indem eine vorgespannte Gleichspannung an Elektroden angelegt wird, die über der Falle angeordnet sind. Insbesondere werden die Elektroden verwendet, um auf den Stab eine entgegenwirkende Kraft auszuüben, um den Stab stationär zu halten, wenn Vibrationen (z.B. aufgrund seismischer Aktivität) auftreten. Die Stärke der entgegenwirkenden Kraft, die erforderlich ist, um den Stab stationär zu halten, ist proportional zu der Stärke der Bodenbewegung.
Im Schritt 1402 wird die PDL-Falle überwacht, um eine Bewegung des Stabs zu erkennen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird im Schritt 1402 ein passives optisches Erfassungsschema verwendet. Insbesondere ist eine Lichtquelle über der Falle positioniert, um den Stab zu beleuchten. Der Schatten des Stabes wird auf die darunterliegenden differenziellen Fotodetektoren geworfen, und das Fotostromsignal kann analysiert werden, um die Position des Stabs als eine Funktion der Zeit zu ermitteln. Im Schritt 1404 wird ermittelt, ob sich der Stab relativ zu der Falle bewegt. Grundsätzlich führt jede Vibration (z.B. seismische Aktivität) dazu, dass sich die PDL-Magnetbasis relativ zum Stab bewegt (der aufgrund seiner Trägheit stationär ist). Die Fotodetektoren nehmen diese Bewegung auf.
Wenn im Schritt 1404 (NEIN) festgestellt wird, dass sich der eingeschlossene Stab nicht bewegt, wird der Prozess fortgesetzt, um den Stab weiterhin in Echtzeit zu überwachen. Wenn andererseits im Schritt 1404 (JA) festgestellt wird, dass sich der eingeschlossene Stab bewegt, d.h. sich die Position des Stabs in der PDL-Falle ändert, werden die Elektroden erregt (d.h., an die Elektroden 1 und 2 wird über die unabhängigen Spannungsquellen V_S1 bzw. V_S2 eine Vorspannung angelegt) als eine Gegenkraft gegen die Bewegung.
Diese entgegenwirkende Kraft wird als eine Rückkopplungsschleife auf der Grundlage der Position des Stabs in der PDL-Falle angewendet und geregelt (wie beispielsweise unter Verwendung des passiven optischen Erfassungsschemas festgelegt). Im Schritt 1406 wird insbesondere die Geschwindigkeit des Stabs aus dem differenziellen Fotodetektorsignal berechnet (d.h., das differenzielle Fotodetektorsignal ergibt hauptsächlich die Stabposition, und die Geschwindigkeitsinformation kann durch differenzielle Berechnung erhalten werden), und im Schritt 1408 wird eine Vorspannung auf die jeweilige Elektrode als Gegenkraft ausgeübt, um die Bewegung des Stabs zu stoppen. Wenn sich zum Beispiel der Stab zur rechten Seite der Falle bewegt, wirkt das Anlegen einer Vorspannung an die Elektrode auf der linken Seite (Elektrode Nr. 1 in dem obigen Beispiel) dieser Bewegung entgegen, indem eine Kraft ausgeübt wird, die den Stab zurück zur linken Elektrode ziehen möchte. Auf die gleiche Weise kann den Schwingungen, die den Stab zur linken Seite der Falle bewegen, entgegengewirkt werden, indem eine Vorspannung an die Elektrode auf der rechten Seite angelegt wird (Elektrode Nr. 2 im obigen Beispiel), die den Stab zur rechten Elektrode ziehen möchte. Eine seismische Aktivität kann die Stabbewegung in mehrere Richtungen beeinflussen. Zum Beispiel kann eine Bodenerschütterung den Stab relativ zur Magnetbasis hin und her bewegen. Somit wird das vorliegende Rückkopplungssystem zum Messen der Position des Stabs und zum Anwenden der Gegenkraft iterativ durchgeführt, wie in 3 gezeigt. Im Schritt 1410 wird die Kraft, die in diesem Prozess angewendet wird, als das seismische Signal berechnet. Die Kraft F hängt mit der angewendeten Vorspannung zusammen und ist gegeben als: $F = - \frac{1}{2} V^{2} \partial C (z) / \partial z,$
wobei V die angelegte Spannung ist, und C(z) ist die Kapazität der Elektroden unter der Vorspannung als Funktion der Stabposition
Bei den oben bereitgestellten Seismometer-Gestaltungen kann die Bewegungserfassung entlang der horizontalen (und in einigen Fällen vertikalen Richtung) erfolgen. Für eine umfassende Beurteilung kann es wünschenswert sein, die Bewegung in mehreren Richtungen zu erkennen. Um dies zu tun, kann jede der obigen Seismometer-Gestaltungen in einem einzigen (mehrachsigen) System kombiniert werden. Siehe z.B. die 15 und 16. Wie in den 15 und 16 gezeigt können die Systeme außerdem in einem Gehäuse untergebracht werden. Das Gehäuse kann evakuiert werden, um einen Unterdruck zu erzeugen - was ist nützlich, um die Dämpfung auf einen möglichst geringen Wert zu bringen und den Gütefaktor (Q) des Oszillators mit PDL-Falle zu verbessern (siehe oben).
Wie beispielsweise in 15 (Draufsicht) gezeigt sind bei einem Zwei-Achsen-System zwei der vorliegenden Seismometer mit PDL-Falle orthogonal zueinander in einer horizontalen Ebene angeordnet. In dem gezeigten Beispiel verläuft bei der oberen Falle die Längsachse parallel zur y-Richtung, bei der unteren PDL-Falle verläuft die Längsachse parallel zu der x-Richtung. Pfeile werden verwendet, um die Bewegungsrichtung des Stabs in der Falle in der oben beschriebenen Weise anzuzeigen. Somit kann dieses System verwendet werden, um eine horizontale Bewegung entlang der x- und y- Achsen zu erkennen.
Ein beispielhaftes Drei-Achsen-System ist in 16A (Draufsicht) und in 16B (Seitenansicht) gezeigt. Hier werden drei Seismometer mit PDL-Falle (A, B und C) eingesetzt. Siehe 16A. Wie in 16B gezeigt wird eine Dreifach-Gestaltung mit geneigter Ebene verwendet, wobei die Seismometer an drei geneigten Ebenen der gleichen Neigung angeordnet werden, beispielsweise mit einem Neigungswinkel θ_INCLINATION von etwa 0,5 Grad bis etwa 5 Grad und in dazwischen liegenden Bereichen. Die Hauptachsen der PDL-Falle sind um 120 Grad zueinander ausgerichtet. Das endgültige dreiachsige seismische Signal S_x, S_y und S_z kann unter Verwendung von Linearkombinationen der an den PDL-Fallen A, B und C gemessenen Signale berechnet werden.
In 17 ist eine Blockdarstellung einer Vorrichtung 1700 zum Implementieren einer oder mehrerer der hier vorgestellten Verfahrensweisen gezeigt. Beispielsweise kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Mikrocomputer in den oben beschriebenen Erfassungsschemen in der Vorrichtung 1700 verkörpert sein.
Die Vorrichtung 1700 enthält ein Computersystem 1710 und ein Wechselmedium 1750. Das Computersystem 1710 enthält eine Prozessoreinheit 1720, eine Netzwerkschnittstelle 1725, einen Speicher 1730, eine Medienschnittstelle 1735 und eine optionale Anzeige 1740. Die Netzwerkschnittstelle 1725 ermöglicht, das Computersystem 1710 mit einem Netzwerk zu verbinden, während es die Medienschnittstelle 1735 dem Computersystem 1710 ermöglicht, mit Medien wie etwa einer Festplatte oder einem Wechselmedium 1750 zu interagieren.
Die Prozessoreinheit 1720 kann so konfiguriert werden, dass die hierin offenbarten Verfahren, Schritte und Funktionen implementiert werden können. Der Speicher 1730 könnte verteilt oder lokal sein, und die Prozessoreinheit 1720 könnte verteilt oder singulär sein. Der Speicher 1730 könnte als ein elektrischer, magnetischer oder optischer Speicher oder als eine Kombination dieser oder anderer Arten von Speichereinheiten implementiert sein. Darüber hinaus sollte der Ausdruck „Speicher“ ausreichend weit ausgelegt werden, so dass er alle Informationen einschließt, die von einer Adresse in dem adressierbaren Raum, auf den durch die Prozessoreinheit 1720 zugegriffen wird, gelesen oder geschrieben werden können. Mit dieser Definition befinden sich Informationen auf einem Netzwerk, das über die NetzwerkSchnittstelle 1725 zugänglich ist, trotzdem in dem Speicher 1730, da die Prozessoreinheit 1720 die Informationen aus dem Netzwerk abrufen kann. Es sollte angemerkt werden, dass jeder verteilte Prozessor, der die Prozessoreinheit 1720 bildet, im Allgemeinen seinen eigenen adressierbaren Speicherraum enthält. Es sollte außerdem angemerkt werden, dass ein Teil oder das gesamte Computersystem 1710 in eine anwendungsspezifische oder integrierte Mehrzweck-Schaltung integriert sein kann.
Die optionale Anzeige 1740 ist eine beliebige Art von Anzeige, die zum Interagieren mit einem menschlichen Benutzer der Vorrichtung 1700 geeignet ist. Im Allgemeinen handelt es sich bei der Anzeige 1740 um ein Computermonitor oder eine andere ähnliche Anzeige.
Zwar wurden veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier beschrieben, ist es jedoch selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese genauen Ausführungsformen beschränkt ist und dass verschiedene andere Änderungen und Modifikationen von einem Fachmann vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Seismometer, das aufweist: mindestens eine parallele Dipollinienfalle (PDL-Falle) mit einem Paar von Dipollinienmagneten und einem diamagnetischen Objekt, das über den Dipollinienmagneten schwebt; ein Erfassungssystem zum Ermitteln einer Position des zylindrischen diamagnetischen Objekts relativ zu den Dipollinienmagneten; wobei das Erfassungssystem aufweist: eine Lichtquelle auf einer Seite der PDL-Falle; und Fotodetektoren auf einer anderen Seite der PDL-Falle gegenüber der Lichtquelle, wobei ein Lichtweg von der Lichtquelle und zu den Fotodetektoren zwischen den Dipollinienmagneten liegt und das zylindrische diamagnetische Objekt sich in dem Lichtweg befindet.
Seismometer nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle aus der Gruppe ausgewählt ist, die enthält: eine Glühlampe, eine Leuchtdiode, einen Laser und Kombinationen davon.
Seismometer nach Anspruch 1, wobei die Fotodetektoren aus der Gruppe ausgewählt sind, die enthält: Halbleiter-Fotodetektoren, lichtabhängige Widerstände und Kombinationen davon.
Seismometer, das aufweist: mindestens eine parallele Dipollinienfalle (PDL-Falle) mit einem Paar von Dipollinienmagneten und einem diamagnetischen Objekt, das über den Dipollinienmagneten schwebt; ein Erfassungssystem zum Ermitteln einer Position des zylindrischen diamagnetischen Objekts relativ zu den Dipollinienmagneten; wobei das Erfassungssystem aufweist: mindestens ein Paar von Elektroden, die das zylindrische diamagnetische Objekt umhüllen, aber nicht berühren.
Seismometer nach Anspruch 4, wobei das Erfassungssystem aufweist: mindestens ein erstes Paar von Elektroden; mindestens ein zweites Paar von Elektroden, wobei sich das erste Paar von Elektroden und das zweite Paar von Elektroden über gegenüberliegenden Enden der Dipollinienmagneten befinden; und Widerstände, die das erste Paar von Elektroden und das zweite Paar von Elektroden verbinden, wobei die Widerstände eine Widerstand-Kondensator-Brücke mit dem ersten Paar von Elektroden und dem zweiten Paar von Elektroden bilden.
Seismometer nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Erfassungssystem aufweist: eine Lichtquelle auf einer Seite der PDL-Falle; und Fotodetektoren auf einer anderen Seite der PDL-Falle gegenüber der Lichtquelle, wobei ein Lichtweg von der Lichtquelle und zu den Fotodetektoren zwischen den Dipollinienmagneten und zwischen Elektroden des mindestens einen Paars von Elektroden liegt und das zylindrische diamagnetische Objekt sich in dem Lichtweg befindet.
Seismometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, das mehrere PDL-Fallen aufweist.
Seismometer nach Anspruch 7, das mindestens eine erste PDL-Falle und mindestens eine zweite PDL-Falle aufweist, wobei die erste PDL-Falle und die zweite PDL-Falle derart ausgerichtet sind, dass in denen schwebende zylindrische diamagnetische Objekte orthogonal zueinander in einer horizontalen Ebene ausgerichtet sind.
Seismometer nach Anspruch 8, das mindestens eine erste PDL-Falle, mindestens eine zweite PDL-Falle und mindestens eine dritte PDL-Falle aufweist, wobei die erste PDL-Falle, die zweite PDL-Falle und die dritte PDL-Falle derart ausgerichtet sind, dass in denen schwebende zylindrische diamagnetische Objekte auf drei relativ zur horizontalen Ebene geneigten Ebenen mit einem gleichen Neigungswinkel θ_INKLlNATION ausgerichtet sind und Hauptachsen haben, deren Projektionen auf die horizontale Ebene um 120 Grad zueinander ausgerichtet sind.
Seismometer nach Anspruch 9, wobei der Neigungswinkel θ_INKLINATION von 0,5 Grad bis 5 Grad reicht und dazwischen liegt.
Verwendung eines Seismometers nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Erfassen von Vibrationen.