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摘 要：机械摆的固有频率是影响差容式地震计低频响应的关键因素。为了降低差容式地震计机械摆的固有频率，提出一种新型十字簧片的机械摆结构，采用ANSYS对新型机械摆结构进行静态结构分析与模态分析，研制地震计实物并进行性能测试。结果表明，优化后的机械摆固有频率由5.3 Hz降低为4.4 Hz，降低了17%，实现了降低固有频率的目的。
关键词：地震计;差容式;机械摆;十字簧片;有限元分析
0 引言
地震是一种严重危害人们生命安全和国民经济发展的突发性自然灾害，当地震发生时，强烈的地面震动及伴生的地面裂缝会使各类建筑物倒塌和损坏，并造成设备和设施损坏。为减少地震灾害所造成的损失，需要对地震信息进行采集与分析研究。地震计可以实时采集大量的地震信息，在地震预报和地震灾后监测中发挥了重要作用[1]。不同类型的地震计能记录距离不同、强度不同的地震。差容式地震计是一种高分辨率、宽频带的地震计，其发展方向是具有更宽的频带范围。对于差容式地震计而言，机械摆的固有频率越低，地震计低频响应越好。然而，传统的参数优化方法无法有效降低机械摆的固有频率，因此通过拓扑优化机械摆结构降低固有频率，从而获得更好的低频响应，是获得高性能差容式地震计的一种有效途径[2-3]。
1 差容式地震计工作原理
对于现代地震测量广泛使用的地震计而言，力反馈环节是其电路中必不可少的一部分。差容式地震计由机械摆、换能器及其反馈环节三部分构成，其工作原理如图1所示。
机械摆根据惯性原理采集地面速度、偏移量和加速度。换能器工作中的电磁线圈或电容器极板，将通过反馈环节产生反馈电流，在电磁场的作用下，反馈电流通过反馈线圈会产生反馈力，它在机械摆上起作用，以阻止机械摆的运动，然后完成地面运动的放大和记录[4]。地震信号在此过程中进行转换，通过摆转换成为相对运动的信号，再经过换能器转换成为模拟电信号。而反馈环节则是将得到的模拟电信号通过电磁力的形式，再转换成与地震信号同类型的反馈信号进行叠加，形成闭环控制。
2 差容式地震计结构
差容式地震计机械摆的结构如图2所示。机械摆关键结构由尼龙柱、磁钢、电容板、线圈、质量块、磁钢座、支撑簧片、摆动支架、十字簧片9个部件组成。尼龙柱主要作用是固定中间电容板，调节中间电容板与上下电容板的位置，使3个电容板只有一个合理的初始位置。磁钢的作用是提供一个磁场环境，线圈运动时切割磁感线，产生反馈力。电容板主要作用是将位移信号转换为电信号[5]。线圈分布有两组，一组为反馈电路组成部分的反馈线圈，另一组是起到标定作用的标定线圈。质量块的作用是增加摆动支架的惯性，提高机械摆对微弱信号的拾取能力。磁钢座起到固定整个机械摆的作用，同时内部还安装着磁钢。支撑簧片对整个机械摆结构起到稳定作用，震动发生时可使整体的稳定性提高。十字簧片作为关键结构，起到连接固定部件与运动部件的作用。
支撑簧片与十字簧片通过螺钉固定连接磁钢座与摆动支架，质量块与摆动支架通过螺钉固定，线圈与摆动支架固定连接，电容板中层通过尼龙柱与磁钢座连接，电容板上下两层与摆动支架连接，磁钢座固定安装，当震动发生时，质量块由于惯性带动摆动支架上的中间电容板产生运动，将震动信号转换为电信号，同时线圈在磁钢中发生运动为电路提供反馈。
在SolidWorks中绘制差容式地震计机械摆各部分零部件的加工图纸，然后机械加工厂按照图纸完成零部件制作。对差容式地震计机械摆线圈框用0.06 mm的铜制漆包线进行缠绕，反馈线圈缠绕2 000圈阻值为964 Ω、标定线圈绕制200圈阻值为95.8 Ω，线圈绕制后分别与导线焊接。使用M2铜制平圆头螺钉装配固定十字簧片两端，连接摆动支架与磁钢座部分，同时使用M3铜制平圆头螺钉连接支撑簧片两端，使机械摆结构震动发生时稳定性提高。电容板中层通过尼龙柱与磁钢座连接，电容板上下两层与摆动支架连接，磁钢安装磁钢座由顶丝固定，机械摆整体固定在底座上，装配后整体图如图3所示。
3 地震计机械摆性能测试
测试系统如图4所示，固定安装好地震计机械摆测试样机，函数信号发生器向校准线圈输入正弦信号，使摆产生受迫震动，电容板之间的距离发生变化，解调电路的输出电压值通过示波器显示。实验中输入信号电压过高，会使摆产生强烈的震动，进而导致样机损坏，因此，必须控制输入信号电压值。
采用正弦标定法对优化前后的机械摆进行固有频率测试。由于地震计系统是一个线性时不变系统，信号经过系统之后，频率保持不变，但幅值会出现线性的变化，因此，正弦标定过程如下：标定电路向标定线圈输入一组不同频率的正弦电流信号，这组电流信号通过标定线圈驱动地震计的摆锤，进而在地震计的输出端产生相应的正弦相应波形。相应波形的频率和输入电流信号的频率对应相同，但幅度和相位产生了变化。
测试设备采用Agilent公司的33500B函数信号发生器、DSO-X2012A示波器以及电容板解调电路，测试频率范围设置为1～10 Hz，分别记录机械摆优化前后不同输出电压下的频率值。机械摆固有频率测试曲线如图5所示。
由图5可知，机械摆固有频率由优化前的5.3 Hz降低为4.4 Hz，降低了17%，实现了降低固有频率的目的。
4 结语
综上所述，对地震计机械摆各部分零部件进行实物加工，然后按照结构设计进行装配，采用正弦标定法对优化前后的机械摆进行幅频响应测试，优化后的机械摆固有频率由5.3 Hz降低为4.4 Hz，降低了17%，实现了降低固有频率的目的。
[参考文献]
[1] 臧宾，朱小毅，高尚华，等.宽频带地震计数字反馈技术[J].地震地磁观测与研究，2015，36（6）：92-101.
[2] 马洁美，滕云田，周鹤鸣，等.斜对称轴结构的差分电容式地震计研制[J].传感技术学报，2010，23（5）：651-655.
[3] 李念儒.基于音圈电机的地震计反馈控制系统[D].长春：吉林大学，2016.
[4] 崔庆谷.位移换能型加速度计中电子力与机械力的比例设计[J].地震地磁观测与研究，2003，24（1）：7-13.
[5] 蔡亞先，吕永清，周云耀，等.CTS-1甚宽频带地震计[J].大地测量与地球动力学，2004，24（3）：109-114.
收稿日期：2021-05-19
作者简介：邱忠超（1987—），男，山东济宁人，博士，副教授，研究方向：灾害监测技术与仪器、电磁无损检测。
关键词：地震计;差容式;机械摆;十字簧片;有限元分析
0 引言
地震是一种严重危害人们生命安全和国民经济发展的突发性自然灾害，当地震发生时，强烈的地面震动及伴生的地面裂缝会使各类建筑物倒塌和损坏，并造成设备和设施损坏。为减少地震灾害所造成的损失，需要对地震信息进行采集与分析研究。地震计可以实时采集大量的地震信息，在地震预报和地震灾后监测中发挥了重要作用[1]。不同类型的地震计能记录距离不同、强度不同的地震。差容式地震计是一种高分辨率、宽频带的地震计，其发展方向是具有更宽的频带范围。对于差容式地震计而言，机械摆的固有频率越低，地震计低频响应越好。然而，传统的参数优化方法无法有效降低机械摆的固有频率，因此通过拓扑优化机械摆结构降低固有频率，从而获得更好的低频响应，是获得高性能差容式地震计的一种有效途径[2-3]。
1 差容式地震计工作原理
对于现代地震测量广泛使用的地震计而言，力反馈环节是其电路中必不可少的一部分。差容式地震计由机械摆、换能器及其反馈环节三部分构成，其工作原理如图1所示。
机械摆根据惯性原理采集地面速度、偏移量和加速度。换能器工作中的电磁线圈或电容器极板，将通过反馈环节产生反馈电流，在电磁场的作用下，反馈电流通过反馈线圈会产生反馈力，它在机械摆上起作用，以阻止机械摆的运动，然后完成地面运动的放大和记录[4]。地震信号在此过程中进行转换，通过摆转换成为相对运动的信号，再经过换能器转换成为模拟电信号。而反馈环节则是将得到的模拟电信号通过电磁力的形式，再转换成与地震信号同类型的反馈信号进行叠加，形成闭环控制。
2 差容式地震计结构
差容式地震计机械摆的结构如图2所示。机械摆关键结构由尼龙柱、磁钢、电容板、线圈、质量块、磁钢座、支撑簧片、摆动支架、十字簧片9个部件组成。尼龙柱主要作用是固定中间电容板，调节中间电容板与上下电容板的位置，使3个电容板只有一个合理的初始位置。磁钢的作用是提供一个磁场环境，线圈运动时切割磁感线，产生反馈力。电容板主要作用是将位移信号转换为电信号[5]。线圈分布有两组，一组为反馈电路组成部分的反馈线圈，另一组是起到标定作用的标定线圈。质量块的作用是增加摆动支架的惯性，提高机械摆对微弱信号的拾取能力。磁钢座起到固定整个机械摆的作用，同时内部还安装着磁钢。支撑簧片对整个机械摆结构起到稳定作用，震动发生时可使整体的稳定性提高。十字簧片作为关键结构，起到连接固定部件与运动部件的作用。
支撑簧片与十字簧片通过螺钉固定连接磁钢座与摆动支架，质量块与摆动支架通过螺钉固定，线圈与摆动支架固定连接，电容板中层通过尼龙柱与磁钢座连接，电容板上下两层与摆动支架连接，磁钢座固定安装，当震动发生时，质量块由于惯性带动摆动支架上的中间电容板产生运动，将震动信号转换为电信号，同时线圈在磁钢中发生运动为电路提供反馈。
在SolidWorks中绘制差容式地震计机械摆各部分零部件的加工图纸，然后机械加工厂按照图纸完成零部件制作。对差容式地震计机械摆线圈框用0.06 mm的铜制漆包线进行缠绕，反馈线圈缠绕2 000圈阻值为964 Ω、标定线圈绕制200圈阻值为95.8 Ω，线圈绕制后分别与导线焊接。使用M2铜制平圆头螺钉装配固定十字簧片两端，连接摆动支架与磁钢座部分，同时使用M3铜制平圆头螺钉连接支撑簧片两端，使机械摆结构震动发生时稳定性提高。电容板中层通过尼龙柱与磁钢座连接，电容板上下两层与摆动支架连接，磁钢安装磁钢座由顶丝固定，机械摆整体固定在底座上，装配后整体图如图3所示。
3 地震计机械摆性能测试
测试系统如图4所示，固定安装好地震计机械摆测试样机，函数信号发生器向校准线圈输入正弦信号，使摆产生受迫震动，电容板之间的距离发生变化，解调电路的输出电压值通过示波器显示。实验中输入信号电压过高，会使摆产生强烈的震动，进而导致样机损坏，因此，必须控制输入信号电压值。
采用正弦标定法对优化前后的机械摆进行固有频率测试。由于地震计系统是一个线性时不变系统，信号经过系统之后，频率保持不变，但幅值会出现线性的变化，因此，正弦标定过程如下：标定电路向标定线圈输入一组不同频率的正弦电流信号，这组电流信号通过标定线圈驱动地震计的摆锤，进而在地震计的输出端产生相应的正弦相应波形。相应波形的频率和输入电流信号的频率对应相同，但幅度和相位产生了变化。
测试设备采用Agilent公司的33500B函数信号发生器、DSO-X2012A示波器以及电容板解调电路，测试频率范围设置为1～10 Hz，分别记录机械摆优化前后不同输出电压下的频率值。机械摆固有频率测试曲线如图5所示。
由图5可知，机械摆固有频率由优化前的5.3 Hz降低为4.4 Hz，降低了17%，实现了降低固有频率的目的。
4 结语
综上所述，对地震计机械摆各部分零部件进行实物加工，然后按照结构设计进行装配，采用正弦标定法对优化前后的机械摆进行幅频响应测试，优化后的机械摆固有频率由5.3 Hz降低为4.4 Hz，降低了17%，实现了降低固有频率的目的。
[参考文献]
[1] 臧宾，朱小毅，高尚华，等.宽频带地震计数字反馈技术[J].地震地磁观测与研究，2015，36（6）：92-101.
[2] 马洁美，滕云田，周鹤鸣，等.斜对称轴结构的差分电容式地震计研制[J].传感技术学报，2010，23（5）：651-655.
[3] 李念儒.基于音圈电机的地震计反馈控制系统[D].长春：吉林大学，2016.
[4] 崔庆谷.位移换能型加速度计中电子力与机械力的比例设计[J].地震地磁观测与研究，2003，24（1）：7-13.
[5] 蔡亞先，吕永清，周云耀，等.CTS-1甚宽频带地震计[J].大地测量与地球动力学，2004，24（3）：109-114.
收稿日期：2021-05-19
作者简介：邱忠超（1987—），男，山东济宁人，博士，副教授，研究方向：灾害监测技术与仪器、电磁无损检测。