ES2464126T3

ES2464126T3 - Péndulo plegado de baja frecuencia con alto factor de calidad mecánica y sensor sísmico que utiliza un péndulo plegado de este tipo

Info

Publication number: ES2464126T3
Application number: ES10747313.4T
Authority: ES
Inventors: Gerardo Giordano; Fabrizio Barone
Original assignee: Universita degli Studi di Salerno
Current assignee: Universita degli Studi di Salerno
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2010-07-01
Publication date: 2014-05-30
Anticipated expiration: 2030-07-01
Also published as: ITRM20090348A1; EP2452169B1; WO2011004413A2; CA2763204A1; RU2012104015A; JP2012533062A; IT1394612B1; RU2518587C2; AU2010269796A8; EP2452169A2; CA2763204C; AU2010269796B2; SMT201400074B; AU2010269796A1; US8950263B2; US20120167686A1; JP5409912B2; WO2011004413A3

Abstract

Péndulo plegado que comprende: - un soporte (F); - una masa de ensayo (PM); - un péndulo simple (SP); - un péndulo invertido (IP); estando conectados el péndulo simple y el péndulo invertido en uno de sus extremos a la masa de ensayo (PM) y en el otro extremo al soporte (F) por medio de 4 sistemas de juntas correspondientes (G), no estando conectada la masa de ensayo al soporte (F) y, por tanto, siendo libre de oscilar, comprendiendo cada sistema de junta (G) relevante para el péndulo simple (PS) una o más juntas a tensión, cada uno de los sistemas de junta (G) relevantes para el péndulo invertido (IP) comprende una o más juntas a compresión, caracterizado por que dichas una o más juntas son juntas elípticas no circulares.

Description

Péndulo plegado de baja frecuencia con alto factor de calidad mecánica y sensor sísmico que utiliza un péndulo plegado de este tipo

La invención concierne a un péndulo plegado de baja frecuencia con un alto factor de calidad mecánica y a un sensor sísmico que utiliza un péndulo plegado de este tipo.

Más precisamente, la invención concierne a un péndulo plegado, en particular un péndulo monobloque, que, gracias a su conformación particular, es capaz de garantizar un altísimo factor de calidad mecánica. La invención concierne también a un sensor sísmico que utiliza un péndulo de este tipo al medir el desplazamiento mutuo de la masa de ensayo del péndulo y el soporte del mismo.

El principio en el cual se basan la mayoría de los sistemas mecánicos, que están actualmente en uso para la medición del desplazamiento horizontal absoluto, es el de la medición del desplazamiento relativo con respecto a una masa idealmente inercial y por medio de técnicas de lectura de diferente naturaleza (por ejemplo, óptica o electromagnética).

En la hipótesis de que se tuviera a disposición una masa realmente inercial, tal método conduciría a mediciones limitadas tanto por el ruido térmico de la masa como el ruido del sensor de lectura y los ruidos del ambiente que estén presentes. De hecho, el límite real de tales sistemas está constituido exactamente por la calidad de realización de la masa inercial de referencia.

En el caso de mediciones de desplazamiento horizontal, tales sistemas hacen uso generalmente de un sistema oscilante, por ejemplo un péndulo, cuya masa oscilante es en realidad la masa inercial. La realización de una medición de buena sensibilidad a baja frecuencia implica, por tanto, que el sistema oscilante mecánico tenga frecuencia de resonancia muy baja junto con un buen factor de calidad mecánica. Esto último ciertamente es necesario a fin de que el movimiento aparente de la masa inercial no se vea influenciado por el movimiento de la parte fija del sistema mecánico que soporta tal masa.

Por ejemplo, en el caso de la medición de ondas sísmicas, teóricamente un factor de calidad mecánica infinitivamente grande indicaría la ausencia de fuerzas viscosas adecuadas para interrumpir el movimiento de la masa oscilante, permitiendo así una medición perfecta del desplazamiento relativo entre la masa inercial y la tierra.

Sin embargo, los sistemas mecánicos con frecuencia de resonancia muy baja tienen en general dimensiones muy grandes y serían muy complejos de materializar.

Sin embargo, existe una configuración particular de principio, el péndulo de Watt (péndulo plegado), que es muy bien conocido en la literatura, una combinación del péndulo clásico y el péndulo invertido, que permite, en cambio, alcanzar frecuencias muy bajas manteniendo al mismo tiempo dimensiones relativamente reducidas con respecto a los sistemas tradicionales, permitiendo además que se lleve a cabo la sintonización de la frecuencia de resonancia del sistema mecánico [1].

Una configuración de este tipo se ha utilizado muchas veces para tal tipo de medición, con realizaciones que son incluso muy compactas. El problema de todas las realizaciones de este tipo, que se describen ampliamente en la literatura, viene dado por el hecho de que no es posible reducir la frecuencia por debajo de aproximadamente 100 mHz, tanto al vacío como en el aire, debido a las disimetrías del sistema conectadas con la manera en la que se ha materializado hasta ahora el péndulo de Watt y con el bajo factor de calidad mecánica que se puede obtener experimentalmente.

A modo de ejemplo, imaginando un sensor mecánico horizontal que se materializa con un péndulo simple cuya frecuencia de resonancia es de 0,5 Hz, se tiene que la frecuencia de resonancia de tal sistema es

1 g

fr ∀ 2! l

De donde se ve que las dimensiones del brazo oscilante de un péndulo de este tipo son de alrededor de 1 m; por tanto, si se quieren tener frecuencias más bajas, tienen que extenderse las dimensiones del brazo oscilante, alcanzando dimensiones de alrededor de 100 metros para una frecuencia de 0,05 Hz.

La solución del péndulo plegado [1] es tal que proporciona una frecuencia de resonancia teóricamente igual a 0 con cualesquiera dimensiones pequeñas; sin embargo, en la realización práctica hay factores mecánicos que ponen un límite inferior a la frecuencia de resonancia, limitándola de hecho a aproximadamente 70 mHz con una realización mecánica cuyas dimensiones son iguales a 140 x 134 x 40 mm3, tal como se conoce ampliamente en la literatura con respecto a sensores de dimensiones pequeñas [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]; además, en condiciones de presión ambiente,

a la frecuencia de resonancia mínima de 70 mHz, el factor de calidad mecánica resulta tener un valor igual a alrededor de Q = 10, llegando a alrededor de Q = 140 para un valor de la frecuencia igual a 700 mHz.

Dadas sus características, un sensor de este tipo puede utilizarse en todas las aplicaciones en las que se necesitan mediciones del movimiento del suelo a baja frecuencia, tales como, por ejemplo, la fabricación de sismómetros o acelerómetros para el análisis del riesgo sísmico, aviso sísmico temprano, etc., el ajuste del mismo como sensor adicional para la cobertura de la banda de baja frecuencia, la habilitación de una herramienta adicional para la investigación y la extensión, en realidad, del rango de frecuencia; dadas sus dimensiones particularmente compactas, un sensor de este tipo disfruta de una transportabilidad e instalación más fáciles, permitiendo una mejor integración en campo con respecto a los sensores tradicionales. Además, su peso muy limitado, inferior a un kilogramo, permite su uso como sensor para la estabilización de estructuras oscilantes, incluso estructuras particularmente complejas, tales como, por ejemplo, los péndulos invertidos utilizados para la estabilización de los espejos que constituyen los interferómetros para la detección de las ondas gravitacionales.

El esquema básico de un péndulo plegado se construye por medio del uso de un péndulo simple y el péndulo invertido, y una barra que conecta los extremos oscilantes de tales péndulos [1].

En la figura 1 se muestra el esquema general del péndulo plegado y en la figura 2 se muestra el esquema de realización presente actualmente en la literatura (se hace referencia a [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8] para un estudio en profundidad).

La referencia F se refiere al soporte o “bastidor”, la referencia PM a la masa de ensayo, la referencia IP al péndulo invertido y la referencia SP al péndulo simple; en cambio, G se refiere a una junta genérica. A la masa de ensayo PM se puede añadir también una masa adicional CM, que no se produce partiendo del mismo bloque monolítico, denominado masa de calibración, para que se utilice en la calibración del sistema en frecuencia (variación de la frecuencia de resonancia natural) [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8].

Estas referencias se utilizan igualmente en las figuras 3 y 4.

El sistema así compuesto necesita cuatro juntas flexibles. Cada junta tiene que materializarse en pareja (para un número total de ocho juntas), con el fin de limitar los efectos torsionales de las mismas juntas y, por tanto, minimizar el acoplamiento entre los grados de libertad longitudinal y transversal; en las figuras 1 y 2 se proporcionan vistas laterales en las que es posible ver las disposiciones de 4 juntas (una para cada pareja). Tales juntas conectan, respectivamente:

-: un extremo del péndulo simple y la estructura que lo soporta;

-: el extremo oscilante del péndulo simple y un extremo de la barra que conecta los péndulos;

-: el otro extremo de la barra de conexión y el extremo oscilante del péndulo invertido;

-: el extremo del péndulo invertido y la estructura que soporta el péndulo plegado.

Con el fin de reducir el ruido térmico, en particular a baja frecuencia [9], la realización de un sensor de este tipo es del tipo monolítico. Por tanto, las juntas están constituidas por el mismo material del que están constituidas las otras partes, y el conjunto (juntas y partes oscilantes) se hace mediante un trabajo de corte por electroerosión de un único bloque de material.

Puesto que se tiene que garantizar la rotación de los brazos de los péndulos, tales juntas deben ser necesariamente flexibles: por esta razón, tienen un espesor muy pequeño e introducen pequeñas fuerzas de recuperación del tipo elástico, debido a la deformación de la misma junta provocada por oscilaciones [10, 11].

Por tanto, dado que la frecuencia de resonancia disminuye por la reducción de la fuerza de recuperación de las juntas, que depende a su vez del espesor de la junta [11], parecería apropiado materializar las juntas con un espesor que sea tan pequeño como sea posible.

Por tanto, según la literatura actual, tales juntas trabajan tanto como elementos entre las partes que constituyen el péndulo plegado como elementos de suspensión del sistema; por tanto, vemos que las partes de conexión (juntas flexibles) están diseñadas de tal manera que las juntas trabajan exclusivamente a tracción. Realizaciones de tales sistemas pueden ser las propuestas por Liu-Blair [1], Bertolini et al. [2] y Barone et al. [3, 4, 5, 6, 7, 8].

En particular, los mejores resultados, en términos de baja frecuencia de resonancia y respectivo valor alto del factor de calidad mecánica, junto con el tamaño limitado de los sistemas, se han obtenido por Barone et al. [3, 4, 5, 6, 7, 8], con la introducción de juntas del tipo elíptico: tales juntas se realizan por medio de una técnica de trabajo por electroerosión, realizando un corte en el bloque que constituirá el sistema, definida por dos elipses que tienen una excentricidad ε = 3,2 y espaciadas una con respecto a otra en 0,1 mm; de esta manera, permanece una junta cuyo espesor se hace gradualmente más delgado a lo largo de la dirección vertical siguiendo al perfil de una elipse, alcanzando el mínimo espesor de 0,1 mm. Otros tipos de juntas, del tipo circular (es decir, como las obtenidas realizando un corte a lo largo de circunferencias) han mostrado una robustez claramente inferior, evidentemente debido al hecho de que sobre el punto de flexión de la junta el esfuerzo es mucho mayor que el del caso elíptico: en cualquier caso, aunque la tensión caiga dentro de los límites de elasticidad (en materiales tales como el aluminio), un uso prolongado ha llevado a la rotura de tales juntas circulares, probablemente debido a una aceleración particularmente alta a la que se ha sometido el sistema; en cambio, en el caso de la junta elíptica no se ha observado nunca una rotura de la junta, incluso en casos en los que la junta se ha sometido a deformaciones de tipo anelástico.

Es un objeto de la presente invención proporcionar un péndulo plegado que resuelva los problemas y supere los inconvenientes de la técnica anterior.

Es un objeto específico adicional de la presente invención proporcionar un sensor sísmico basado en el péndulo plegado objeto de la invención, que resuelva los problemas y supere los inconvenientes de la técnica anterior.

Es materia de la presente invención, como se expone en la reivindicación 1, un péndulo plegado que comprende:

-: un soporte;

-: una masa de ensayo;

-: un péndulo simple;

-: un péndulo invertido;

estando conectados el péndulo simple y el péndulo invertido en uno de sus extremos a la masa de ensayo y, en el otro extremo, al soporte por medio de 4 sistemas de junta correspondientes, no estando conectada la masa de ensayo al soporte y, por tanto, siendo libre de oscilar, comprendiendo cada sistema de junta relevante para el péndulo simple una o más juntas a tensión,

estando caracterizado el péndulo plegado por que:

-: cada uno de los sistemas de junta relevante para el péndulo invertido comprende una o más juntas a compresión; y

dichas una o más juntas son juntas elípticas. Preferiblemente, según la invención, el péndulo plegado está formado por un bloque monolítico de un material mecanizado adecuado.

Preferiblemente, según la invención, el bloque monolítico se mecaniza por corte mediante electroerosión. Preferiblemente, según la invención, cada uno de dichos sistemas de junta comprende dos juntas. Preferiblemente, según la invención, dichos sistemas de junta comprenden dos juntas trazadas por la retirada de dos

elipses con excentricidad ε > 3,2 y que tienen una distancia mutua d > 10 micrones.

Preferiblemente, según la invención, la masa de ensayo tiene una forma que es sustancialmente paralelepipédica con una abertura central realizada a fin de reducir su masa. Preferiblemente, según la invención, la distancia entre los lados enfrentados de la masa de ensayo o el soporte y, en

cada caso, del péndulo simple o el péndulo invertido es de al menos 250 μm. Es materia específica adicional de la presente invención un sensor sísmico, como se expone en la reivindicación 8, que comprende:

-: un péndulo plegado que comprende al menos una masa de ensayo y un soporte,

-: un sistema para la detección del desplazamiento aparente de la masa de ensayo con respecto al soporte, y caracterizado por que el péndulo plegado es el péndulo plegado que es materia de la invención. Preferiblemente, según la invención, dicho sistema para la detección del desplazamiento aparente de la masa de

ensayo es un sistema óptico y comprende:

-: una fuente de luz que envía un haz de luz sobre dicha masa de ensayo y, precisamente, sobre

-: un espejo que es enterizo con dicha masa de ensayo (PM),

-: un dispositivo para la detección de la luz reflejada por dicho espejo;

-: un dispositivo de elaboración electrónico para el cálculo de dicho desplazamiento aparente.

La invención no se describirá a modo de ilustración, sino a modo de limitación, con particular referencia a los dibujos de las figuras adjuntas, en donde:

-: la figura 1 muestra en (a) un esquema de principio de un péndulo plegado según el conocimiento ya sabido y en (b) un esquema en una vista lateral de un péndulo plegado monolítico tradicional con juntas a tracción (en donde son visibles cuatro de las ocho juntas totales);

-: la figura 2 muestra una vista lateral de una realización particular del péndulo plegado monolítico tradicional;

-: la figura 3 muestra el esquema en vista lateral de un péndulo plegado según la invención (son visibles cuatro de las 8 juntas totales);

-: la figura 4 muestra una realización particular del péndulo plegado según la invención;

-: la figura 5 muestra la comparación entre un factor de calidad mecánica Q del sensor según la invención (08G-100-AL02, trazo negro, con valores Q más altos) con respecto al sensor descrito en la literatura (08F-100-AL01, líneas con trazo de color) en función de la frecuencia de resonancia del sistema; y

-: la figura 6 muestra la comparación entre el factor de calidad mecánica Q del sensor según la invención (08G-100-AL02 con líneas de trazo continuo) con respecto al sensor descrito en la literatura en función de la presión del aire circundante (08F-100-AL01 con líneas de trazo discontinuo).

La elección de utilizar la configuración del péndulo plegado reside en el hecho de que un sistema de este tipo presenta una frecuencia de resonancia que es teóricamente igual a 0.

Ciertamente, haciendo referencia a la figura 1 (a) y realizando los cálculos apropiados, y suponiendo que la fuerza de recuperación elástica de las juntas es igual a 0, de tal manera que se tenga una fuerza de recuperación exclusivamente del tipo gravitacional, la frecuencia de resonancia del sistema, expresada en términos de los impulsos ωr = 2πfr, viene a ser igual a:

(ma1 ∃ ma2) 1 # (mp1 ∃ mp2) 22lp g

%r ∀ 2 (1)

l lpl

(ma1 # ma2) 2 # (mp1 # mp2) p 3lp

De donde se ve que la frecuencia de resonancia depende tanto de la geometría del sistema (longitud de los brazos de los péndulos) y la distribución de las masas (masa de los brazos y la barra oscilante). En particular, se hace notar aquí que, eligiendo las masas y las longitudes de ambos péndulos con el mismo valor, se desvanece el numerador de la expresión anterior, teniendo por tanto una frecuencia de resonancia igual a fr = 0 Hz [8].

Debe hacerse notar que un sistema de este tipo garantiza la estabilidad con una elección adecuada de las masas que constituyen los péndulos, así como de la barra central que conecta estos últimos.

Sin embargo, en la realización práctica, deben tenerse en cuenta tanto el hecho de que se interrumpe la simetría del sistema como, sobre todo, la contribución elástica adicional a la fuerza de recuperación que se añade por la deformación de las juntas.

En relación con el primer punto, a fin de hacer que las juntas trabajen a tracción, se tiene un esquema simple en lo que concierne al diseño de la suspensión del péndulo gracias al hecho de que la masa de tal péndulo viene a quedar suspendida, así como en lo que respecta a la junta que conecta tal péndulo a la barra que conecta el péndulo y el péndulo invertido. En cambio, con respecto a la suspensión del péndulo invertido, se tiene que la configuración resulta ser bastante compleja en el caso en el que se desee garantizar una estructura tal que la junta trabaje a tracción: la innovación introducida se basa precisamente en la elección de utilizar, sobre el péndulo invertido, unas juntas que trabajen a compresión, despreciando las restricciones del proyecto referentes al hecho de tener juntas sometidas únicamente a esfuerzo de tracción. El esquema general presentado en la figura 3 y la realización particular de la figura 4 muestran el nuevo diseño que se está proponiendo.

Una elección de este tipo tiene su base en el hecho de que la junta de tipo elíptico resulta ser particularmente resistente con respecto a la solución previamente adoptada con juntas circulares: la realización experimental muestra, de una manera bastante evidente, que incluso en presencia de cargas particularmente altas a compresión (hasta aproximadamente 1 kg en total, que es una carga a compresión de alrededor de 250 g para cada junta

relevante para el péndulo invertido) la junta no parece experimentar un esfuerzo tal como para llevar a la rotura de la misma, demostrando la validez de un diseño de este tipo.

Además, siguiendo tal esquema, la estructura resulta ser evidentemente más simple con mejoras que son evidentes tanto desde el punto de vista de la estabilidad de baja frecuencia (aproximadamente 100 mHz) como en términos del factor de calidad mecánica, Q. En particular para esto último, se han realizado diferentes mediciones que se dirigían a establecer el nuevo valor, incluso en relación con sus valores obtenidos utilizando versiones precedentes. Para la medición del valor de Q se ha hecho uso de un sistema de lectura del tipo óptico capaz de medir con una calibración adecuada, el desplazamiento relativo de la masa oscilante con respecto a la estructura que lo soporta [8]. El procedimiento de medición del valor del factor de calidad mecánica Q consiste en desplazar, después de haber nivelado adecuadamente el péndulo plegado de tal manera que su posición de equilibrio corresponda al mínimo del potencial mecánico, la masa oscilante en un extremo de su posición y dejándola entonces libre; de esta manera, la masa tiende a regresar a su posición de equilibrio generando oscilaciones. Tales oscilaciones pueden describirse analíticamente por medio de una sinusoide cuya amplitud disminuye exponencialmente durante el tiempo (siendo ésta un sistema del tipo oscilante que tiene un factor de amortiguación inferior a la amortiguación crítica). Una vez que los valores se adquieren digitalmente durante el tiempo, realizando un ajuste para la búsqueda del valor de la constante característica exponencial, se deriva el valor del factor de calidad mecánica Q. Debe hacerse notar que el valor de Q depende de la frecuencia de resonancia del sistema mecánico; se recuerda aquí en particular que la progresión de Q en función de la frecuencia resulta ser del tipo lineal (monótona creciente) para valores altos de frecuencia (caso de la disipación externa, es decir, para todos los valores de frecuencia medidos) y del tipo cuadrático para valores de baja frecuencia (caso de la disipación interna).

Por el análisis de la expresión analítica de la frecuencia de resonancia del péndulo plegado se ve que la frecuencia depende de la distribución de las masas; por tanto, es posible realizar una sintonización de la frecuencia de resonancia variando la posición del centro de masa de la masa oscilante por medio de una masa de calibración; en la serie de las mediciones propuestas se ha variado el centro de masa por medio de la adición de las masas de calibración de diferente valor (el valor de una masa de este tipo oscila desde alrededor de 100 g a alrededor de 1 kg), obteniendo diferentes mediciones de su factor de calidad mecánica Q en el rango [180, 680] mHz.

Del análisis de los datos se deriva la mejora clara del factor de calidad mecánica a diferentes frecuencias de resonancia del sistema, como se reporta en la figura 5: en esta figura, se reporta en negro la progresión del factor de calidad mecánica medido con respecto al nuevo sistema con juntas a compresión (indicado con la referencia 08G-100-AL02) cargadas con una masa de calibración de 1 kg y, en los otros colores las mediciones realizadas con el sistema tradicional con juntas a tracción (referencia 08F-100-AL01): se puede observar la manera en que el sistema propuesto resulta tener una mejora de Q de casi un orden de magnitud a todas las frecuencias medidas. Tales mediciones se han realizado a presión ambiente: en el nuevo sistema con juntas a compresión, que tienen intersticios laterales más anchos, es decir, un interespacio más ancho entre la parte oscilante y la estructura fija, se ha supuesto en un primer momento que la mejora podría depender del mejor flujo hacia abajo del aire desde los intersticios durante la oscilación. Tal flujo hacia abajo es debido a las variaciones de volumen de los interespacios durante las oscilaciones, pero, como se demuestra, con una serie adicional de mediciones en vacío que se muestran en la figura 6, la mejora del factor de calidad resulta ser notable también en vacío (hasta valores de presión de alrededor de 10-4 bares), derivando que la mejora debe atribuirse al diseño innovador particular y no sólo al mejor flujo descendente del aire.

Además, se han realizado ensayos en juntas elípticas con el fin de evaluar sus cualidades mecánicas y elegir las características dependiendo de la aplicación. En la literatura [4] se reporta un ejemplo de la progresión de las características mecánicas de la junta en función de la elipticidad para un espesor de la junta igual a 0,1 mm.

Sobre la base de las observaciones anteriores, la calibración en frecuencia puede realizarse tanto actuando sobre el espesor de las juntas (en el paso de realización del sistema) como sobre la masa de calibración (paso de ajuste). En particular, la variación del espesor de las juntas a fin de calibrar el sistema en frecuencia permite reducir su frecuencia de resonancia sin modificar el diseño básico. La importancia de tal enfoque es eficiente si se tiene en cuenta el hecho de que a bajas frecuencias de resonancia la simetría mecánica del sistema llega a ser una de las especificaciones del proyecto que son fundamentales para la estabilidad mecánica del mismo sistema. Por tanto, la reducción de la frecuencia de resonancia del sistema por medio de la reducción del espesor mecánico de las juntas, sin modificar la simetría del sistema, hace que la estabilidad mecánica del sistema a bajas frecuencias sea menos crítica. En cambio, la variación de la frecuencia de resonancia del sistema por medio del desplazamiento de la masa de calibración es notablemente más crítica, exactamente en virtud de la pérdida de simetría del sistema (y, por tanto, de la variación de distribución de las cargas en las diversas juntas), sobre todo cerca de las frecuencias más bajas.

El límite inferior del espesor de la junta viene dado por la carga máxima que ésta puede soportar sin deformarse plásticamente. La realización de tales juntas puede efectuarse materializando de antemano la junta por electroerosión y actuando después por medio de técnicas de electropulido. De esta manera, es posible obtener espesores de las juntas incluso del orden de 30 micrones que son adecuados aún para la realización mecánica de un tamaño igual a 140 x 134 x 40 mm3 [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]. Unos valores inferiores, aunque son posibles, no garantizarían una robustez adecuada del sistema en los usos más comunes. En realidad, un espesor demasiado pequeño puede provocar la rotura de la junta, tanto debido a los esfuerzos de flexión introducidos por la rotación de los brazos de los péndulos como al esfuerzo de tracción debido al peso de la masa oscilante de la estructura, que reposa completamente sobre las juntas, siendo esto la razón por la que, en realidad, existe un límite mínimo para el espesor.

Obviamente, lo que se ha dicho anteriormente tiene una validez ampliamente general debido a que el sistema de la invención es ampliamente escalable y adaptable en términos de dimensiones y frecuencia de resonancia en cualquier aplicación. Por tanto, el espesor de la junta es función tanto de las dimensiones físicas del sistema como de la frecuencia de resonancia del proyecto. Esto implica la necesidad de definir cada vez tal espesor durante la realización del sistema y el paso de diseño, sobre la base de las especificaciones de la aplicación.

Para resumir, el sistema mecánico oscilante de baja frecuencia según la invención se basa en un nuevo diseño y en la realización del péndulo de Watt, puesto que se han utilizado juntas elípticas, la mitad de las cuales trabajan de una nueva forma (a compresión en lugar de a tracción como en todas las realizaciones descritas en la literatura).

Tal solución técnica innovadora es el elemento clave que, garantizando una simetría perfecta del sistema, permite mejorar tanto el funcionamiento del péndulo a baja frecuencia como el factor de calidad mecánica en un factor de al menos 10 con respecto a los sistemas realizados actualmente (obtenidos por las primeras realizaciones experimentales), manteniendo características de robustez y fiabilidad idénticas).

Se hacen notar aquí de nuevo las juntas que trabajan a compresión en los extremos del péndulo invertido, a diferencia de las juntas en los extremos del péndulo simple que trabajan a tracción, y la simetría del sistema.

El sensor según la invención encuentra uso en todos los campos en los que se requiera la utilización de una masa inercial a lo largo de la dirección horizontal, tal como, por ejemplo, los sensores sísmicos horizontales.

Bibliografía

[1] J. Liu, L. Ju y Blair D.G. (1997), Vibration isolation performance of an ultra-low frequency folded pendulum resonator, Physics Letters A, Elsevier, 228, (14 de abril de 1997), págs. 243-349.

[2] A. Bertolini et al. (2006), Mechanical design of a single-axis monolithic accelerometer for advanced seismic attenuation systems, Nuclear Instrument and Method, nº 556, pág. 616.

[3] F. Acernese, R. De Rosa, G. Giordano, R. Romano y F. Barone (2009), Tunable mechanical monolithic horizontal accelerometer for low frequency seismic noise measurement, Proc. SPIE Vol. 7292, págs. 72922J-1-72922J-12, doi:10.1117/12.814106.

[4] F. Acernese, R. De Rosa, G. Giordano, R. Romano y F. Barone (2008), Mechanical monolithic horizontal sensor for low frequency seismic noise measurement, Review of Scientific Instruments, Vol. 79, págs. 074501-1-074501-8, ISSN: 0034-6748, doi:10.1063/1.2943415.

[5] F. Acernese, G. Giordano, R. Romano, R. De Rosa y F. Barone (2008), Mechanical monolithic accelerometer for suspension inertial damping and low frequency seismic noise measurement, Journal of Physics, Conference Series (on line), Vol. 122, págs. 012012-1-012012-6, ISSN: 1742-6596, doi:10.1088/1742-6596/122/012012.

[6] F. Acernese, R. De Rosa, G. Giordano, R. Romano y F. Barone (2008), Tunable mechanical monolithic accelerometer for low frequency seismic noise measurement, Proc. SPIE Vol. 7110, págs. 711011-1-711011-12, doi:10.1117/12.800429.

[7] F. Acernese, R. De Rosa, G. Giordano, R. Romano y F. Barone (2008), Tunable mechanical monolithic sensor with interferometric readout for low frequency seismic noise measurement, Proc. SPIE Vol. 6932, págs. 69320K-169320K-12, doi:10.1117/12.772196.

[8] G. Giordano (2008), Development and test of tunable mechanical monolithic horizontal accelerometer for low frequency seismic noise measurement, Tesis Doctoral en “Riesgo sísmico”, Università degli Studi di Napoli “Federico II”.

[9] P.R. Saulson (1990) Thermal noise in mechanical experiments, Physical Review D – Particles and Fields, 3ª serie, Vol. 42, No. 8, 15 de octubre de 1990, págs. 2437-2445.

[10] T. Stuart et al. (1997) Elliptical flexure hinges, Review of Scientific Instruments, 68 (3).

[11] Y.M. Tseytlin (2002) Notch flexure hinges: an effective theory, Rev. Sci. Instrum., Vol. 73, nº 9, septiembre de 2002, págs. 3363-3368.

Se han descrito anteriormente las realizaciones preferidas y se han sugerido algunas modificaciones de esta invención, pero deberá entenderse que los expertos en la materia pueden hacer variaciones y cambios sin apartarse del alcance de protección relacionado, tal como se define por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Péndulo plegado que comprende:

-

un soporte (F);

-

una masa de ensayo (PM);

-

un péndulo simple (SP);

-

un péndulo invertido (IP);

estando conectados el péndulo simple y el péndulo invertido en uno de sus extremos a la masa de ensayo (PM) y en el otro extremo al soporte (F) por medio de 4 sistemas de juntas correspondientes (G), no estando conectada la masa de ensayo al soporte (F) y, por tanto, siendo libre de oscilar, comprendiendo cada sistema de junta (G) relevante para el péndulo simple (PS) una o más juntas a tensión,

cada uno de los sistemas de junta (G) relevantes para el péndulo invertido (IP) comprende una o más juntas a compresión,

caracterizado por que dichas una o más juntas son juntas elípticas no circulares.
2.

Péndulo plegado según la reivindicación 1, caracterizado por que está formado por un bloque monolítico de un material mecanizado adecuado.
3.

Péndulo plegado según la reivindicación 2, caracterizado por que el bloque monolítico se ha mecanizado por corte mediante electroerosión.
4.

Péndulo plegado según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que cada uno de dichos sistemas de junta (G) comprende dos juntas.
5.

Péndulo plegado según la reivindicación 4, caracterizado por que dichos sistemas de junta (G) comprenden dos juntas trazadas por la retirada de dos elipses con una excentricidad ε > 3,2 y que tienen una distancia mutua d > 10 micrones.
6.

Péndulo plegado según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la masa de ensayo (PM) tiene una forma que es sustancialmente paralelepipédica con una abertura central realizada a fin de reducir su masa.
7.

Péndulo plegado según cualquier reivindicación 2 a 6, caracterizado por que la distancia entre los lados enfrentados de la masa de ensayo (PM) o el soporte (F) y, en cada caso, del péndulo simple (SP) o del péndulo invertido (IP) es de al menos 250 μm.
8.

Sensor sísmico que comprende:

-

un péndulo plegado que comprende una masa de ensayo (PM) y un soporte (F),

-

un sistema para la detección del desplazamiento aparente de la masa de ensayo (PM) con respecto al soporte (F), y caracterizado por que el péndulo plegado es el péndulo plegado según cualquier reivindicación 1 a 7.
9. Sensor sísmico según la reivindicación 8, caracterizado por que dicho sistema para la detección del desplazamiento aparente de la masa de ensayo (PM) es un sistema óptica y comprende:

-

una fuente de luz que envía un haz de luz sobre dicha basa de ensayo (PM) y, precisamente, sobre

-

un espejo que es enterizo con dicha masa de ensayo (PM),

-

un dispositivo para la detección de la luz reflejada por dicho espejo;

-

un dispositivo de elaboración electrónico para el cálculo de dicho desplazamiento aparente.

Frecuencia de resonancia -mHz