地震計機(jī)械擺結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計

邱忠超 李立新 陳遜 于江 張瑞蕾

摘 要：機(jī)械擺的固有頻率是影響差容式地震計低頻響應(yīng)的關(guān)鍵因素。為了降低差容式地震計機(jī)械擺的固有頻率，提出一種新型十字簧片的機(jī)械擺結(jié)構(gòu)，采用ANSYS對新型機(jī)械擺結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析與模態(tài)分析，研制地震計實物并進(jìn)行性能測試。結(jié)果表明，優(yōu)化后的機(jī)械擺固有頻率由5.3 Hz降低為4.4 Hz，降低了17%，實現(xiàn)了降低固有頻率的目的。

關(guān)鍵詞：地震計;差容式;機(jī)械擺;十字簧片;有限元分析

0 引言

地震是一種嚴(yán)重危害人們生命安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的突發(fā)性自然災(zāi)害，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，強(qiáng)烈的地面震動及伴生的地面裂縫會使各類建筑物倒塌和損壞，并造成設(shè)備和設(shè)施損壞。為減少地震災(zāi)害所造成的損失，需要對地震信息進(jìn)行采集與分析研究。地震計可以實時采集大量的地震信息，在地震預(yù)報和地震災(zāi)后監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用[1]。不同類型的地震計能記錄距離不同、強(qiáng)度不同的地震。差容式地震計是一種高分辨率、寬頻帶的地震計，其發(fā)展方向是具有更寬的頻帶范圍。對于差容式地震計而言，機(jī)械擺的固有頻率越低，地震計低頻響應(yīng)越好。然而，傳統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化方法無法有效降低機(jī)械擺的固有頻率，因此通過拓?fù)鋬?yōu)化機(jī)械擺結(jié)構(gòu)降低固有頻率，從而獲得更好的低頻響應(yīng)，是獲得高性能差容式地震計的一種有效途徑[2-3]。

1 差容式地震計工作原理

對于現(xiàn)代地震測量廣泛使用的地震計而言，力反饋環(huán)節(jié)是其電路中必不可少的一部分。差容式地震計由機(jī)械擺、換能器及其反饋環(huán)節(jié)三部分構(gòu)成，其工作原理如圖1所示。

機(jī)械擺根據(jù)慣性原理采集地面速度、偏移量和加速度。換能器工作中的電磁線圈或電容器極板，將通過反饋環(huán)節(jié)產(chǎn)生反饋電流，在電磁場的作用下，反饋電流通過反饋線圈會產(chǎn)生反饋力，它在機(jī)械擺上起作用，以阻止機(jī)械擺的運(yùn)動，然后完成地面運(yùn)動的放大和記錄[4]。地震信號在此過程中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過擺轉(zhuǎn)換成為相對運(yùn)動的信號，再經(jīng)過換能器轉(zhuǎn)換成為模擬電信號。而反饋環(huán)節(jié)則是將得到的模擬電信號通過電磁力的形式，再轉(zhuǎn)換成與地震信號同類型的反饋信號進(jìn)行疊加，形成閉環(huán)控制。

2 差容式地震計結(jié)構(gòu)

差容式地震計機(jī)械擺的結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)械擺關(guān)鍵結(jié)構(gòu)由尼龍柱、磁鋼、電容板、線圈、質(zhì)量塊、磁鋼座、支撐簧片、擺動支架、十字簧片9個部件組成。尼龍柱主要作用是固定中間電容板，調(diào)節(jié)中間電容板與上下電容板的位置，使3個電容板只有一個合理的初始位置。磁鋼的作用是提供一個磁場環(huán)境，線圈運(yùn)動時切割磁感線，產(chǎn)生反饋力。電容板主要作用是將位移信號轉(zhuǎn)換為電信號[5]。線圈分布有兩組，一組為反饋電路組成部分的反饋線圈，另一組是起到標(biāo)定作用的標(biāo)定線圈。質(zhì)量塊的作用是增加擺動支架的慣性，提高機(jī)械擺對微弱信號的拾取能力。磁鋼座起到固定整個機(jī)械擺的作用，同時內(nèi)部還安裝著磁鋼。支撐簧片對整個機(jī)械擺結(jié)構(gòu)起到穩(wěn)定作用，震動發(fā)生時可使整體的穩(wěn)定性提高。十字簧片作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，起到連接固定部件與運(yùn)動部件的作用。

支撐簧片與十字簧片通過螺釘固定連接磁鋼座與擺動支架，質(zhì)量塊與擺動支架通過螺釘固定，線圈與擺動支架固定連接，電容板中層通過尼龍柱與磁鋼座連接，電容板上下兩層與擺動支架連接，磁鋼座固定安裝，當(dāng)震動發(fā)生時，質(zhì)量塊由于慣性帶動擺動支架上的中間電容板產(chǎn)生運(yùn)動，將震動信號轉(zhuǎn)換為電信號，同時線圈在磁鋼中發(fā)生運(yùn)動為電路提供反饋。

在SolidWorks中繪制差容式地震計機(jī)械擺各部分零部件的加工圖紙，然后機(jī)械加工廠按照圖紙完成零部件制作。對差容式地震計機(jī)械擺線圈框用0.06 mm的銅制漆包線進(jìn)行纏繞，反饋線圈纏繞2 000圈阻值為964 Ω、標(biāo)定線圈繞制200圈阻值為95.8 Ω，線圈繞制后分別與導(dǎo)線焊接。使用M2銅制平圓頭螺釘裝配固定十字簧片兩端，連接擺動支架與磁鋼座部分，同時使用M3銅制平圓頭螺釘連接支撐簧片兩端，使機(jī)械擺結(jié)構(gòu)震動發(fā)生時穩(wěn)定性提高。電容板中層通過尼龍柱與磁鋼座連接，電容板上下兩層與擺動支架連接，磁鋼安裝磁鋼座由頂絲固定，機(jī)械擺整體固定在底座上，裝配后整體圖如圖3所示。

3 地震計機(jī)械擺性能測試

測試系統(tǒng)如圖4所示，固定安裝好地震計機(jī)械擺測試樣機(jī)，函數(shù)信號發(fā)生器向校準(zhǔn)線圈輸入正弦信號，使擺產(chǎn)生受迫震動，電容板之間的距離發(fā)生變化，解調(diào)電路的輸出電壓值通過示波器顯示。實驗中輸入信號電壓過高，會使擺產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動，進(jìn)而導(dǎo)致樣機(jī)損壞，因此，必須控制輸入信號電壓值。

采用正弦標(biāo)定法對優(yōu)化前后的機(jī)械擺進(jìn)行固有頻率測試。由于地震計系統(tǒng)是一個線性時不變系統(tǒng)，信號經(jīng)過系統(tǒng)之后，頻率保持不變，但幅值會出現(xiàn)線性的變化，因此，正弦標(biāo)定過程如下：標(biāo)定電路向標(biāo)定線圈輸入一組不同頻率的正弦電流信號，這組電流信號通過標(biāo)定線圈驅(qū)動地震計的擺錘，進(jìn)而在地震計的輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的正弦相應(yīng)波形。相應(yīng)波形的頻率和輸入電流信號的頻率對應(yīng)相同，但幅度和相位產(chǎn)生了變化。

測試設(shè)備采用Agilent公司的33500B函數(shù)信號發(fā)生器、DSO-X2012A示波器以及電容板解調(diào)電路，測試頻率范圍設(shè)置為1～10 Hz，分別記錄機(jī)械擺優(yōu)化前后不同輸出電壓下的頻率值。機(jī)械擺固有頻率測試曲線如圖5所示。

由圖5可知，機(jī)械擺固有頻率由優(yōu)化前的5.3 Hz降低為4.4 Hz，降低了17%，實現(xiàn)了降低固有頻率的目的。

4 結(jié)語

綜上所述，對地震計機(jī)械擺各部分零部件進(jìn)行實物加工，然后按照結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行裝配，采用正弦標(biāo)定法對優(yōu)化前后的機(jī)械擺進(jìn)行幅頻響應(yīng)測試，優(yōu)化后的機(jī)械擺固有頻率由5.3 Hz降低為4.4 Hz，降低了17%，實現(xiàn)了降低固有頻率的目的。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 馬潔美，滕云田，周鶴鳴，等.斜對稱軸結(jié)構(gòu)的差分電容式地震計研制[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23（5）：651-655.

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收稿日期：2021-05-19

作者簡介：邱忠超（1987—），男，山東濟(jì)寧人，博士，副教授，研究方向：災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)與儀器、電磁無損檢測。