無源伺服大阻尼地震轉動加速度計的製作方法

2023-06-29 09:28:31

本實用新型涉及加速度計領域，尤其涉及一種無源伺服大阻尼地震轉動加速度計。

背景技術：

通常強震觀測使用的是三分向平動加速度計，實際上地震時剛體在一點的完整運動特性是六自由度震動，即包括三個平動和三個轉動，尤其是近場地震動，轉動分量更加明顯。

目前在多次大地震中均發現轉動破壞的現象。大量研究也發現在結構地震反應中，轉動分量在結構構件中可以產生很大的剪力和彎矩，然而由於缺乏轉動分量記錄等原因，許多國家在結構的抗震設計中都未考慮轉動作用。

為解決上述問題，申請在先申請了名稱為「一種地震轉動加速度計」，申請號為「CN201320066963.2」的實用新型專利，在該實用新型專利中，地震轉動加速度計包括密封外殼、底板，密封外殼內部設有輪輻式質量彈簧裝置、兩組對稱反向安裝的擺式差動電容換能器、兩組動圈式阻尼器和電路板；

輪輻式質量彈簧裝置包括中軸、質量分布均勻的質量環、內環，位於兩組擺式差動電容換能器中間，通過中軸下端與底板相連，通過質量環與兩個擺座連接，質量環與內環通過2-8個參數相同、對稱安裝的彈簧片連接,內環固定安裝在中軸上端；

兩組擺式差動電容換能器分別包括外動極板、內動極板和固定極板，外動極板、內動極板與擺架一端連接，擺架的另一端與擺座相連；

兩組動圈式阻尼器分別包括動圈、軛鐵、磁鋼、定位套和磁路後蓋，通過軛鐵下端按對稱反向安裝在磁路座上，磁路座固定在底板上，軛鐵的前端通過套管與擺式差動電容換能器的固定極板相連，動圈上端分別與外動極板、內動極板、擺架相連，下部伸入到由圓柱形極靴的外側和軛鐵上部內側形成的磁縫隙中，電路板包括兩個電容電壓變換電路、兩個調理電路、合成電路、兩個阻尼調節電路；

每組擺式差動電容換能器的外動極板、內動極板和固定極板分別與一個電容電壓變換電路輸入端連接，電容電壓變換電路的輸出端接調理電路的輸入端，兩個調理電路的輸出端連接合成電路，合成電路用於把平動分量消除，把轉動分量合成後輸出與地震轉動加速度成正比的電壓信號，每組動圈式阻尼器中的動圈對應一個阻尼調節電路，並相互連接，提供加速度計所需要的阻尼比。

在該技術方案中，利用電容電壓變換電路、調理電路、合成電路消除了地震平動加速度，實現了地震轉動加速度的測量，監測精度高，可靠性好；適用範圍廣，可廣泛用於地震轉動加速度的觀測和土木工程結構的轉動測量。

但是，上述地震轉動加速度計存在電路複雜，調整較困難等缺點，目前國內外尚無無源伺服大阻尼地震轉動加速度計的產品。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種結構緊湊、設計合理、電路簡單和可測量地震轉動加速度的地震轉動加速度計。

本實用新型提供一種無源伺服大阻尼地震轉動加速度計，包括：

底板，所述底板安裝固定在觀測點；

輪輻式質量彈簧裝置，所述輪輻式質量彈簧裝置包括中軸、質量分布均勻的質量環、多個彈簧片以及內環；所述中軸的底端與底板連接，所述內環安裝在中軸的頂端，所述質量環通過多個參數相同、對稱安裝的彈簧片與內環連接；

兩個擺式無源伺服大阻尼動圈換能器，所述擺式無源伺服大阻尼動圈換能器包括擺架、動圈組件以及磁路系統；兩擺架的一端對稱安裝在質量環的兩側，所述動圈組件安裝在擺架的另一端；所述磁路系統上設有磁縫隙，所述動圈組件包括工作線圈，所述工作線圈伸入磁縫隙中且可在磁縫隙中運動；

電路板，所述電路板包括兩個無源伺服大阻尼動圈換能電路、兩個角加速度調理電路以及合成電路；每個擺式無源伺服大阻尼動圈換能器分別與一個無源伺服大阻尼動圈換能電路輸入端連接，所述無源伺服大阻尼動圈換能電路的輸出端與所述角加速度調理電路的輸入端電連接，兩個角加速度調理電路的輸出端連接合成電路；所述合成電路用於消除非轉動分量，合成轉動分量，輸出與地震轉動加速度成正比的電壓信號；

所述無源伺服大阻尼動圈換能電路包括工作線圈的等效內阻以及大阻尼調節電阻；所述工作線圈的一端通過等效電阻後與大阻尼調節電阻的上端相連，所述工作線圈的另一端與大阻尼調節電阻的下端相連。

進一步地，所述磁路系統包括磁路座、軛鐵以及銜鐵；所述磁路座安裝在底板上，所述軛鐵下端按對稱反向安裝在磁路座上，所述軛鐵上端設有安裝腔；所述銜鐵安裝固定在安裝腔內，所述銜鐵的外側和安裝腔內側形成磁縫隙。

進一步地，所述磁路系統還包括磁鋼、定位套和磁路後蓋；所述的定位套套接在軛鐵內部，所述軛鐵後端設有磁路後蓋，定位套內部、極靴後端套接有磁鋼。

進一步地，所述動圈組件還包括線圈架，所述擺架上設有線圈架安裝位，所述線圈架固定在所述線圈架安裝位上，所述工作線圈纏繞固定在線圈架上。

進一步地，所述動圈組件還包括自校準線圈，所述自校準線圈纏繞固定在線圈架上；

所述電路板還包括與自校準線圈一一對應的用於地震現場的在線校準的自校準電路，所述自校準電路與自校準線圈電連接。

進一步地，該無源伺服大阻尼地震轉動加速度計還包括密封外殼，所述密封外殼與底板固定連接，所述輪輻式質量彈簧裝置、擺式無源伺服大阻尼動圈換能器以及電路板均安裝在密封外殼內部。

進一步地，所述密封外殼頂部設有把手。

進一步地，所述底板上設有輸出插座，所述輸出插座與電路板的合成電路以及自校準電路連接。

進一步地，所述擺式無源伺服大阻尼動圈換能器還包括擺座，兩擺座分別固定在質量環的兩側，且兩擺座的連線通過質量環的圓心；所述擺架的一端與擺座固定連接，且兩擺架位於同一平面內，兩磁路系統分別位於該平面的左右兩側。

進一步地，所述的內環通過固定螺絲與中軸的上端固定連接。

相較於現有技術，本實用新型提供的無源伺服大阻尼地震轉動加速度計，具有以下優點：

1、結構緊湊、設計合理，電路簡單,在一個密封腔內內實現了基於輪輻式質量彈簧式雙擺無源伺服大阻尼動圈換能；

2、利用無源伺服變換電路、角加速度調理電路、合成電路實現了地震轉動加速度的測量，低頻特性好；

3、適用範圍廣，可廣泛用於地震轉動加速度的觀測和土木工程結構的轉動加速度的測量。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實用新型的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型提供無源伺服大阻尼地震轉動加速度計的立體結構圖；

圖2為本實用新型提供無源伺服大阻尼地震轉動加速度計的主視圖；

圖3為本實用新型提供無源伺服大阻尼地震轉動加速度計的俯視圖；

圖4為本實用新型提供無源伺服大阻尼地震轉動加速度計的電器原理圖；

圖5為本實用新型提供無源伺服大阻尼地震轉動加速度計的數學模型圖。

附圖標記：

1-中軸； 2-質量環； 3-內環；

4-彈簧片； 5-固定螺絲； 6-擺座；

7-擺架； 8-磁路座； 9-磁路後蓋；

10-軛鐵； 11-支腳； 12-底板；

13-動圈組件； 14-銜鐵； 15-磁鋼；

16-定位套； 17-密封外殼； 18-把手；

19-電路板； 20-輸出插座；

21-無源伺服大阻尼動圈換能電路；

22-角速度角加速度調理電路； 23-合成電路；

24-自校準電路； 25-支撐套管；

26-擺式無源伺服大阻尼動圈換能器； 27-輪輻式質量彈簧裝置；

28-磁路系統； 29-自校準器。

具體實施方式

下面將結合附圖對本實用新型的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

圖1為本實用新型提供無源伺服大阻尼地震轉動加速度計的立體結構圖；圖2為本實用新型提供無源伺服大阻尼地震轉動加速度計的主視圖；圖3為本實用新型提供無源伺服大阻尼地震轉動加速度計的俯視圖；圖4為本實用新型提供無源伺服大阻尼地震轉動加速度計的電器原理圖；圖5為本實用新型提供無源伺服大阻尼地震轉動加速度計的數學模型圖。

如圖1-5所示，本實用新型提供一種無源伺服大阻尼地震轉動加速度計，包括底板12、輪輻式質量彈簧裝置27、兩個擺式無源伺服大阻尼動圈換能器26以及電路板19。

底板12安裝固定在觀測點；底板12是一長條形鋁板，底板上通過支撐套管25安裝有三個支腳11；底板12中部安裝中軸1、兩個對稱反向的磁路座8安裝在底板12的兩端，密封外殼17安裝在底板12上，密封外殼17與底板12構成密封腔，輪輻式質量彈簧裝置27、擺式無源伺服大阻尼動圈換能器26以及電路板19均安裝在密封腔，以減少外界幹擾。

密封外殼17頂部設有把手18，方便安裝操作；密封外殼17側面設有輸出插座20，輸出插座20與電路板19的合成電路23以及自校準電路24連接。

輪輻式質量彈簧裝置27懸掛於外殼17內，輪輻式質量彈簧裝置27包括中軸1、質量分布均勻的質量環2、多個彈簧片4以及內環3；中軸1的底端與底板12連接，內環3通過固定螺絲5安裝在中軸1的頂端，質量環2通過4個參數相同、對稱安裝的彈簧片4與內環3連接。

在本實施例中，彈簧片4的數量為4個，但是，這僅為本實用新型的一個具體實施例，本實用新型的彈簧片4的數量並不局限於此，也可以為2-8個，而且優選偶數個。

擺式無源伺服大阻尼動圈換能器26包括擺架7、動圈組件13以及磁路系統28；兩擺式無源伺服大阻尼動圈換能器26的擺架7的各個參數相同，兩擺架7的一端對稱安裝在質量環2的兩側，動圈組件13安裝在擺架7的另一端。

具體來說，質量環2的兩側分別固定一擺座6，兩擺座6的連線通過質量環2的圓心；兩擺架7的一端對稱安裝在質量環2兩側的擺座6上，兩擺架7位於同一平面內，兩磁路系統28分別位於該平面的左右兩側。

動圈組件13包括線圈架和繞在線圈架上參數相同的工作線圈G1和自校準線圈G2，兩個擺式無源伺服大阻尼動圈換能器26的線圈架的各項參數相同。

磁路系統28上設有磁縫隙，具體來說，磁路系統28包括磁路座8、軛鐵10以及銜鐵14；磁路座8安裝在底板12上，所述軛鐵10下端按對稱反向安裝在磁路座8上，所述軛鐵10上端設有安裝腔；所述銜鐵14安裝固定在安裝腔內，圓柱形的銜鐵14的外側和安裝腔內側形成磁縫隙。

進一步地，磁路系統28還包括磁鋼15、定位套16和磁路後蓋9；所述的定位套16套接在軛鐵10內部，所述軛鐵10後端設有磁路後蓋9，定位套16內部套接有磁鋼15。

動圈組件13的工作線圈G1和自校準線圈G2均伸入該磁縫隙中，當工作線圈G1和自校準線圈G2在磁縫隙中運動時，會產生一感應電動勢。

電路板19包括兩個無源伺服大阻尼動圈換能電路21、兩個角加速度調理電路22、合成電路23以及兩個自校準電路24。

具體來說，由兩組工作線圈G1分別依次與兩個參數相同的無源伺服大阻尼動圈換能電路21、角速度角加速度調理電路22相連，組成對稱、參數相同反向安裝的兩個擺式無源伺服大阻尼動圈換能式角加速度計。

每組擺式無源伺服大阻尼動圈換能器26分別與一個無源伺服大阻尼動圈換能電路21輸入端連接，無源伺服大阻尼動圈換能電路21的輸出端接角加速度調理電路22的輸入端，兩個角加速度調理電路22的輸出端連接到合成電路23的輸入端，合成電路23輸出與為轉動速度成正比的輸出電壓形成地震轉動加速度計，地震轉動加速度計通過輸出插座20可與任何記錄器(或數據採集器)連接，獲得地震轉動加速度時程曲線。

具體來說，無源伺服大阻尼動圈換能電路21包括工作線圈的等效內阻RS以及大阻尼調節電阻R；工作線圈G1的一端通過等效電阻RS後與大阻尼調節電阻R的上端相連，工作線圈G1的另一端與大阻尼調節電阻R的下端相連。

兩個角速度角加速度調理電路22分別對兩組無源伺服大阻尼動圈換能電路21的輸出電壓進行調理,並同時輸入給合成電路23。

自校準線圈G2與所述電路板24電連接，自校準線圈G2與所述電路板24的自校準電路構成自校準器29，自校準器29提供轉動加速度計技術參數的校準，地震時兩個參數相同的自校準線圈G2和兩個參數相同的工作線圈G1在磁縫隙中同步運動。

自校準電路24可發出正弦波電壓信號，自校準電路24輸出信號給自校準線圈G2，用於地震現場的在線校準，校準轉動加速度計幅頻特性等參數。

下面詳述其工作原理和過程：

地震轉動加速度計基本原理可用圖1、圖2和圖4來描述。在進行地震觀測時，地震轉動加速度計底板12固定在觀測點上，當地震震動時，地震轉動加速度同時作用在底板上，與底板12相連的磁路系統、中軸、外殼同時跟隨底板同步震動，由質量環2、擺架7和動圈組件13組成的運動部分相對於中軸1產生相對轉角，安裝在兩個擺架7上的兩個工作線圈G1相對於兩個磁路的磁縫隙都產生相同的相對運動，兩個工作線圈G1都在各自的磁縫隙中切割磁力線產生感應電動勢，各自產生的電動勢分別輸入給各自的無源伺服大阻尼動圈換能電路21和角加速度調理電路22，兩個角加速度調理電路22同時輸入給合成電路23，合成電路23輸出與地震轉動加速度成正比的電壓信號形成地震轉動加速度計。

對於輪輻式雙擺結構，見圖5，其運動微分方程為：

J0為擺的轉動慣量，K0彈簧系統的角剛度，B0為包括空氣阻尼在內的阻尼力係數，G＝Bl·LK為電動常數，LK為指示擺長,i為線圈中的電流，y為地基的平運動位移，為地基的轉動位移，θ為擺的角位移。

方程的解為：

式中：m1,m2分別為雙擺的等效質量，H1,H2分別為兩個質量重心到轉動軸的距離，l0為雙擺錘迴轉擺的折合擺長，s算子,n0為自振圓頻率,D1為阻尼比，

當m1H1＝m2H2時，l0＝∞，對平動不反應。

當ω<>1時，擺的角位移θ(s)與地基的轉動加速度成正比，ω為地基轉動頻率，

當構成兩組對稱反向安裝的擺式無源伺服大阻尼動圈換能器,結合圖4所示，其電路方程為

解方程(1)和(2),可得

式中

將式(6)代入式(5)得：

由式(4)可以看出,當ω＝n0,D1>>1,無源伺服大阻尼動圈換能電路的輸出電壓與地基轉動加速度成正比。

式(4)為帶通頻率特性,阻尼比越大，帶通頻率特性越寬。

由式(6)可知，R越小，阻尼比D1越大，帶通頻率特性越寬，從而達到拓展低頻和高頻特性的目的。

對稱反向安裝的擺式無源伺服大阻尼動圈換能器的輸出電壓分別通過角加速度調理電路和角加速度合成電路後為無源伺服式大阻尼地震轉動加速度計的輸出電壓如式(8)所示：

式中K1為角加速度調理電路的調理係數。

強震無源伺服大阻尼轉動加速度計的靈敏度為如式(9)所示：

相較於現有技術，本實用新型提供的無源伺服大阻尼地震轉動加速度計，具有以下優點：

1、結構緊湊、設計合理，電路簡單,在一個密封腔內內實現了基於輪輻式質量彈簧式雙擺無源伺服大阻尼動圈換能；

2、利用無源伺服變換電路、角加速度調理電路、合成電路實現了地震轉動加速度的測量，低頻特性好；

3、適用範圍廣，可廣泛用於地震轉動加速度的觀測和土木工程結構的轉動加速度的測量。

最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的範圍。