DLD_100型短周期三分向力平衡地震计设计.docx

1999年 2月OB SERV A T ION A N D R E SEA R CHF eb1999DLD - 100型短周期三分向力平衡地震计设计王家行胡振荣(中国哈尔滨 150080 中国地震局工程力学研究所)当今微电子技术和电子计算机为信息的转换与处理提供了极其完善的手段, 用于地震观测数据的采集、通信和数据处理技术的硬件设备技术性能也发生了质的飞跃。作为地震观 测中最关键的基础设备地震计发展的方向是用小型化、 宽频带、 大动态, 机电一体化、 电 容位移换能和性能长期稳定的闭环力平衡式地震计替代台网目前使用的开环地震计。我们研制的DL D 2100型短周期三分向力平衡地震计是中国地震局承担“八五”国家重 点科技攻关项目“地震和前兆数字化观测试验系统”研制中的一个课题。通过此项目的技术攻关, 为“九五”我国地震观测技术系统更新换代提供完整的数字化仪器设备, 该仪器是 采用机电一体化现代高性能传感技术, 是一种以差容作为传感元件闭环反馈式力平衡三轴向便携式仪器。具有高精度、动态范围100 dB , 灵敏度高达2 000 V’s/m , 频带从0102～ 2 s速度平坦输出, 整机性能稳定可靠, 体积小, 重量轻, 噪声低。DL D 2100型短周期三分向力平衡地震计参加国际科技交流合作项目, 并已应用于地震 观测、 工程选址、 水坝、 桥梁、 结构监测和环境工程等国民经济建设中。结构与工作原理短周期力平衡式地震计的构造原理如图1所示。主要结构由三部分组成, 即: ①与弹簧R 和仪器框架 F 相连的, 与带有差容式位移 检测器 C 的摆体质量块M ; ②一组放大器, 即与差容式位移检测器 C 相连的伺服放大 器 S 和产生反馈驱动电流 I 的比例反馈放 大器 N 、 微分放大器 D 和积分放大器 H ;③永久磁钢和放在该磁场中与摆体质量M 固定连接的驱动线圈L 。当地震计受到地震 作用时, 摆体质量M 便偏离原来的平衡位1图1 短周期力平衡式地震计的构造原理置产生微小的相对位移, 此位移便由灵本文收到日期: 1998206229地 震 地 磁 观 测 与 研 究20卷60敏度很高的差容位移检测器 C 检出, 输出与相对位移成正比的电压变化经伺服放大器 S 放大后,经比例反馈放大器N , 微分放大器D 和积分放大器 H , 以驱动电流 I 直接输入与摆体相连的驱动线圈中产生强大电磁反馈回零力矩, 地动时摆总是保持在零位, 用保持零位所需的反馈电流来检测地震的大小并提供输出, 称为力平衡原理。为此只需调节系统综合反 馈电路的电参数, 便可以改变地震计的固有周期和阻尼的数值, 使其达到设计技术要求。地 震计内部设置有标定线圈供用户检测其技术参数和标定使用。2 主要技术指标和理论计算211技术指标记录地动形式: 速度; 灵敏度: 2 000 V’s/m ; 频带: 2～ 0102 s (3 dB ) ; 线性: 1% ; 阻尼0165～ 017; 横向灵敏度:1% ; 动态范围:标定线圈内阻:100 dB ; 结构要求: 三轴向; 输出方式: 双端50 8 ; 电源电压: ±12 V D C; 体积: 12×12(或单端) ; 输出阻抗:×7 cm 3; 重量: 3 k g;212理论计算1 8 ;使用温度: - 20℃～ + 50℃。按照达朗贝尔原理, 可以列出一般地震计在外部加速度 d2X /d t2 作用下其摆体质量块的运动方程式d2X Cd2XdX C2+ 2Ε1 +(1)n 1X C = -d t2d t2d t式中 X C 为摆振动中心的位移; Ε为摆的阻尼系数; n 1 为摆的角频率。B 12Ε1 =J12 C 1n 1 =J 1(2)J 1l0 = =M L CX C = l0 Η式中 J 1 为摆体质量对转动轴 o 的转动惯量; B 1 为旋转轴 o 的阻尼力矩系数;C 1 为回复力矩系数;l0 为折合摆长; M 为摆体的质量; L C 为摆的质点到转动轴的距离; Η为摆体质量绕轴偏离其平衡的角位移。一般的开环地震计由于受到机械系统原理的限制, 技术指标难以满足数字化台网的技 术要求。我们设计了三路电子反馈电路, 产生反馈电流 I 来改变原有的开环地震计频率特性 和扩大动态范围, 来达到数字台网中要求的短周期地震计的技术指标。由于在地震计中我们 施加了综合电子反馈电路, 方程 (1) 式改写成dX 2d2XdX CC2(3)代表当单位电流输入+ 2Ε1 +n 1X C + G I = -d t2d t2d t式中 I 为由综合反馈电路输入驱动线圈的反馈电流;