地震計機械擺結構分析與優化設計

邱忠超 李立新 陳遜 于江 張瑞蕾

摘 要：機械擺的固有頻率是影響差容式地震計低頻響應的關鍵因素。為了降低差容式地震計機械擺的固有頻率，提出一種新型十字簧片的機械擺結構，采用ANSYS對新型機械擺結構進行靜態結構分析與模態分析，研制地震計實物并進行性能測試。結果表明，優化后的機械擺固有頻率由5.3 Hz降低為4.4 Hz，降低了17%，實現了降低固有頻率的目的。

關鍵詞：地震計;差容式;機械擺;十字簧片;有限元分析

0 引言

地震是一種嚴重危害人們生命安全和國民經濟發展的突發性自然災害，當地震發生時，強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，并造成設備和設施損壞。為減少地震災害所造成的損失，需要對地震信息進行采集與分析研究。地震計可以實時采集大量的地震信息，在地震預報和地震災后監測中發揮了重要作用[1]。不同類型的地震計能記錄距離不同、強度不同的地震。差容式地震計是一種高分辨率、寬頻帶的地震計，其發展方向是具有更寬的頻帶范圍。對于差容式地震計而言，機械擺的固有頻率越低，地震計低頻響應越好。然而，傳統的參數優化方法無法有效降低機械擺的固有頻率，因此通過拓撲優化機械擺結構降低固有頻率，從而獲得更好的低頻響應，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

對于現代地震測量廣泛使用的地震計而言，力反饋環節是其電路中必不可少的一部分。差容式地震計由機械擺、換能器及其反饋環節三部分構成，其工作原理如圖1所示。

機械擺根據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，將通過反饋環節產生反饋電流，在電磁場的作用下，反饋電流通過反饋線圈會產生反饋力，它在機械擺上起作用，以阻止機械擺的運動，然后完成地面運動的放大和記錄[4]。地震信號在此過程中進行轉換，通過擺轉換成為相對運動的信號，再經過換能器轉換成為模擬電信號。而反饋環節則是將得到的模擬電信號通過電磁力的形式，再轉換成與地震信號同類型的反饋信號進行疊加，形成閉環控制。

2 差容式地震計結構

差容式地震計機械擺的結構如圖2所示。機械擺關鍵結構由尼龍柱、磁鋼、電容板、線圈、質量塊、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，調節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境，線圈運動時切割磁感線，產生反饋力。電容板主要作用是將位移信號轉換為電信號[5]。線圈分布有兩組，一組為反饋電路組成部分的反饋線圈，另一組是起到標定作用的標定線圈。質量塊的作用是增加擺動支架的慣性，提高機械擺對微弱信號的拾取能力。磁鋼座起到固定整個機械擺的作用，同時內部還安裝著磁鋼。支撐簧片對整個機械擺結構起到穩定作用，震動發生時可使整體的穩定性提高。十字簧片作為關鍵結構，起到連接固定部件與運動部件的作用。

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，當震動發生時，質量塊由于慣性帶動擺動支架上的中間電容板產生運動，將震動信號轉換為電信號，同時線圈在磁鋼中發生運動為電路提供反饋。

在SolidWorks中繪制差容式地震計機械擺各部分零部件的加工圖紙，然后機械加工廠按照圖紙完成零部件制作。對差容式地震計機械擺線圈框用0.06 mm的銅制漆包線進行纏繞，反饋線圈纏繞2 000圈阻值為964 Ω、標定線圈繞制200圈阻值為95.8 Ω，線圈繞制后分別與導線焊接。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，使機械擺結構震動發生時穩定性提高。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 地震計機械擺性能測試

測試系統如圖4所示，固定安裝好地震計機械擺測試樣機，函數信號發生器向校準線圈輸入正弦信號，使擺產生受迫震動，電容板之間的距離發生變化，解調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，會使擺產生強烈的震動，進而導致樣機損壞，因此，必須控制輸入信號電壓值。

采用正弦標定法對優化前后的機械擺進行固有頻率測試。由于地震計系統是一個線性時不變系統，信號經過系統之后，頻率保持不變，但幅值會出現線性的變化，因此，正弦標定過程如下：標定電路向標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定線圈驅動地震計的擺錘，進而在地震計的輸出端產生相應的正弦相應波形。相應波形的頻率和輸入電流信號的頻率對應相同，但幅度和相位產生了變化。

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

由圖5可知，機械擺固有頻率由優化前的5.3 Hz降低為4.4 Hz，降低了17%，實現了降低固有頻率的目的。

4 結語

綜上所述，對地震計機械擺各部分零部件進行實物加工，然后按照結構設計進行裝配，采用正弦標定法對優化前后的機械擺進行幅頻響應測試，優化后的機械擺固有頻率由5.3 Hz降低為4.4 Hz，降低了17%，實現了降低固有頻率的目的。

[參考文獻]

[1] 臧賓，朱小毅，高尚華，等.寬頻帶地震計數字反饋技術[J].地震地磁觀測與研究，2015，36（6）：92-101.

[2] 馬潔美，滕云田，周鶴鳴，等.斜對稱軸結構的差分電容式地震計研制[J].傳感技術學報，2010，23（5）：651-655.

[3] 李念儒.基于音圈電機的地震計反饋控制系統[D].長春：吉林大學，2016.

[4] 崔慶谷.位移換能型加速度計中電子力與機械力的比例設計[J].地震地磁觀測與研究，2003，24（1）：7-13.

[5] 蔡亞先，呂永清，周云耀，等.CTS-1甚寬頻帶地震計[J].大地測量與地球動力學，2004，24（3）：109-114.

收稿日期：2021-05-19

作者簡介：邱忠超（1987—），男，山東濟寧人，博士，副教授，研究方向：災害監測技術與儀器、電磁無損檢測。