專利名稱：短周期數(shù)字地震計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地震的震動測量裝置，尤其是一種采用了 RGH精密光柵尺作為地震的 震動測量傳感器的地震測量裝置，該裝置還采用了最新的嵌入式技術(shù)，以及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù) 傳輸、PC機數(shù)據(jù)展示技術(shù)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的短周期地震計，如專利號為200520000299. 7的文獻公開的一種短周期反 饋式地震計，如圖l到圖6所示，包括三分向拾震器、線路系統(tǒng)、儀器外罩，所述線路系統(tǒng)為 反饋線路系統(tǒng)，放置在三分向拾震器的上方，所述三分向拾震器分別安裝在各自的小底板 上，三個小底板均勻分布固定在圓形底座上，其中安裝在小底板上的為東西分向水平拾震 器，安裝在小底板上的為垂直向拾震器，安裝在小底板上的為南北向水平拾震器，兩個水平 向拾震器對應(yīng)的小底板上均設(shè)有定位方向微調(diào)機構(gòu)。所述定位方向微調(diào)機構(gòu)包括位于小底 板側(cè)面的調(diào)節(jié)孔、將小底板一端與底座固定連接的固定螺釘，固定在小底板上的小軸和安 裝在小軸上的調(diào)節(jié)螺釘。所述水平向拾震器包括慣性擺和動圈換能器，所述動圈換能器包 括標定磁鋼，工作磁鋼，標定線圈和工作線圈，形成獨立的工作系統(tǒng)和標定系統(tǒng)，兩者在水 平方向相向放置，工作磁鋼和標定磁鋼分別位于圓柱形大導(dǎo)磁碗和小導(dǎo)磁碗的圓心位置， 其上各蓋有工作極鐵、標定極鐵，工作線圈和標定線圈用螺釘固定在線圈架的左右兩側(cè)，且 兩線圈水平方向圓心同軸。所述動圈換能器包括標定磁鋼，工作磁鋼，標定線圈和工作線 圈，形成獨立的工作系統(tǒng)和標定系統(tǒng)，兩者在水平方向相向放置，標定極鐵，標定線圈和工 作線圈在工作磁場和標定磁場內(nèi)運動，即磁鋼和導(dǎo)磁碗之間形成的圓環(huán)空隙處，工作線圈 和標定線圈用螺釘固定在線圈架的左右兩側(cè)，且兩線圈水平方向圓心同軸。所述垂直向拾 震器包括慣性擺及動圈換能器，其動圈換能器與水平拾震器的動圈換能器組成形式相同， 但工作磁鋼(51)和標定磁鋼(45)在垂直方向相向而置，兩磁場相斥，工作線圈(50)和標 定線圈(47)分別用螺釘(48、46)固定在線圈架(49) 一端的上下兩面，且兩線圈垂直方向 圓心同軸；所述慣性擺包括旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)臂、重錘、彈性懸臂，所述旋轉(zhuǎn)臂是線圈架(49)。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，上述短周期地震計的拾震器上的電磁換能器件隨拾震器震動位移 的變化輸出的模擬電信號。此信號抗干擾能力差，噪聲大。地震數(shù)據(jù)的采集、處理與網(wǎng)絡(luò)傳 輸都比較麻煩。如果地震計上拾震器(也稱為共振擺)震動位移發(fā)生了 0. 1微米變化，電 磁換能只能夠產(chǎn)生O. 1微伏電壓，靈敏度也不太高。 眾所周知，位移是和物體的位置在運動過程中的移動有關(guān)的量，位移的測量方式 所涉及的范圍是相當廣泛的。小位移通常用應(yīng)變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、霍爾傳 感器來檢測，大的位移常用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來測量。其中光柵傳感 器因具有易實現(xiàn)數(shù)字化、精度高(目前分辨率最高的可達到納米級)、抗干擾能力強、沒有 人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點。 計量光柵是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來測量位移的。"莫爾"原出于法文Moire， 意思是水波紋。幾百年前法國絲綢工人發(fā)現(xiàn)，當兩層薄絲綢疊在一起時，將產(chǎn)生水波紋狀花樣；如果薄綢子相對運動，則花樣也跟著移動，這種奇怪的花紋就是莫爾條紋。 一般來說，只 要是有一定周期的曲線重疊起來，便會產(chǎn)生莫爾條紋。計量光柵在實際應(yīng)用上有透射光柵 和反射光柵兩種；按其作用原理又可分為輻射光柵和相位光柵；按其用途可分為直線光柵 和圓光柵。下面以透射光柵為例加以討論。透射光柵尺上均勻地刻有平行的刻線即柵線， a為刻線寬，b為兩刻線之間縫寬，W = a+b稱為光柵柵距。目前國內(nèi)常用的光柵每毫米刻 成10、25、50、100、250條等線條。光柵的橫向莫爾條紋測位移，需要兩塊光柵。 一塊光柵稱 為主光柵，它的大小與測量范圍相一致；另一塊是很小的一塊，稱為指示光柵。為了測量位 移，必須在主光柵側(cè)加光源，在指示光柵側(cè)加光電接收元件。當主光柵和指示光柵相對移動 時，由于光柵的遮光作用而使莫爾條紋移動，固定在指示光柵側(cè)的光電元件，將光強變化轉(zhuǎn) 換成電信號。由于光源的大小有限及光柵的衍射作用，使得信號為脈動信號。如圖7所示，， 此信號是一直流信號和近視正弦的周期信號的疊加，周期信號是位移x的函數(shù)。每當x變 化一個光柵柵距W，信號就變化一個周期，信號由b點變化到b'點。由于bb' 二W，故b'點 的狀態(tài)與b點狀態(tài)完全一樣，只是在相位上增加了 2 Ji 。
由圖l可得光電信號為
u0 = U平均+Um (Ji /2+2 Ji X/W)
式中u0 —光電元件輸出的電壓信號；
U平均 一輸出信號的直流分量；
Um —輸出信號中正弦交流分量的幅值。 從公式中可見，當光柵位移一個節(jié)距W，波形變化一周。這時相應(yīng)條紋移動一個條 紋寬度B。因此，只要記錄波形變化周期數(shù)即條紋移動數(shù)N，就可知道光柵的位移X即X = 麗 在實際應(yīng)用中，位移具有兩個方向，即選定一個方向后，位移有正負之分，因此用 一個光電元件測定莫爾條紋信號確定不了位移方向。為了辨向，需要有n/2相位差的兩個 莫爾條紋信號。如圖8，在相距1/4條紋間距的位置上安放兩個光電元件，得到兩個相位差
h/2的電信號u01和u02，經(jīng)過整形后得到兩個方波信號u01'和u02'。光柵正向移動時 u01超前u02 90度，反向移動時u02超前u01 90度，故通過電路辨相可確定光柵運動方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是將光柵尺測量技術(shù)應(yīng)用于地震計擺體共振檢測，提供一種創(chuàng)新的 換能裝置的地震檢測系統(tǒng)，該地震檢測系統(tǒng)同時具備機電耦合轉(zhuǎn)換裝置和光柵諧振子檢測 地震波裝置，能夠同時提供檢測到的振動的模擬信號和數(shù)字信號。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種短周期數(shù)字地震計，包括三分向拾振器，所述三分向 拾振器包括東西向水平拾振器、南北向水平拾振器和垂直向拾振器，所述拾振器包括慣性 擺，其特征在于所述拾振器的換能裝置包括至少一條光柵尺，所述光柵尺固定于所述拾振 器的慣性擺擺尖上，且，所述每條光柵尺都相應(yīng)設(shè)有一讀數(shù)頭與之配合，所述讀數(shù)頭固定于 所述光柵尺的對面，且與所述光柵尺相隔一段距離。 所述地震計還設(shè)有一光柵數(shù)據(jù)采集器，所述光柵數(shù)據(jù)采集器與所述讀數(shù)頭電連 接，所述讀數(shù)頭與所述光柵尺電連接，所述光柵尺的振動由所述讀數(shù)頭轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)后通過 所述光柵數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集，最后將采集到的數(shù)據(jù)采用USB通訊方式傳入電腦。
所述拾振器的換能裝置還包括至少一個位于慣性擺擺尖的動圈換能器。 所述東西向水平拾振器和南北向水平拾振器的結(jié)構(gòu)相同，均包括慣性擺和動圈換
能器，其中，所述慣性擺包括重錘、重錘支架和鎖錘螺釘，所述動圈換能器包括標定磁鋼，工
作磁鋼，標定線圈和工作線圈，形成獨立的工作系統(tǒng)和標定系統(tǒng)，兩者在水平方向相向放
置，標定線圈和工作線圈在工作磁場和標定磁場內(nèi)運動，工作線圈和標定線圈用螺釘固定
在線圈架的左右兩側(cè)，且兩線圈水平方向圓心同軸，而，所述光柵尺固定于通過兩線圈圓心
的軸上。 所述垂直向拾振器包括慣性擺和動圈換能器，其中，所述慣性擺包括重錘、重錘支 架和鎖錘螺釘，所述動圈換能器與水平拾振器的動圈換能器組成形式相同，但工作磁鋼和 標定磁鋼在垂直方向相向而置，兩磁場相斥，工作線圈和標定線圈分別用螺釘固定在線圈 架一端的上下兩面，且兩線圈垂直方向圓心同軸，而，所述光柵尺固定于通過兩線圈圓心的 軸上。 所述讀數(shù)頭與光柵尺之間的距離為0. 8毫米。 所述讀數(shù)頭與一萬向調(diào)整裝置相連，通過該萬向調(diào)整裝置調(diào)整所述讀數(shù)頭與光柵 尺之間的距離。 本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明通過巧妙的在拾振器的擺尖上增設(shè)光柵尺的設(shè) 計，在傳統(tǒng)的地震監(jiān)測裝置中創(chuàng)新的采用了高速直線光柵系統(tǒng)。這種光電系統(tǒng)有非常高分 辨率(精度為50納米)，能夠檢測地震計拾震器極小的震動位移。這種光電系統(tǒng)中的讀數(shù) 頭具有穩(wěn)定的高速度，能檢測地震計拾震器較大的震動速度。高速直線光柵系統(tǒng)的獨特的 光學濾波組件保證了信號的純度。另外該高速直線光柵系統(tǒng)的讀數(shù)頭是個有源電子器件， 故可以直接輸出工業(yè)標準的數(shù)字方波信號(5伏TTL信號)。 而且，本發(fā)明不僅分辨率高，靈敏度高，信號的抗干擾能力強，又是直接實現(xiàn)了地 震計本身的數(shù)字化，因此非常適合地震數(shù)據(jù)的高速無線與有線網(wǎng)絡(luò)傳輸。


圖1是背景技術(shù)短周期反饋地震計的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是背景技術(shù)短周期反饋地震計內(nèi)部結(jié)構(gòu)的俯視圖，即圖1中去掉了外罩的俯 視圖； 圖3是本發(fā)明背景技術(shù)水平拾震器的主視圖； 圖4是圖3的俯視圖； 圖5是是短周期反饋地震計的垂直拾震器的主視圖 圖6是圖5的俯視圖； 圖7是本發(fā)明背景技術(shù)光柵輸出信號波形圖； 圖8是本發(fā)明背景技術(shù)相位差Ji /2輸出信號波形圖； 圖9是由本發(fā)明的信號連接示意圖； 圖;^是本發(fā)明的光柵尺安裝于地震計的水平向拾振器上的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖1D是本發(fā)明的光柵尺安裝于地震計的垂直向拾振器上的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1、儀器立柱；2、組合十字簧；3、擺支架；4、重錘；5、工作線圈；6、工作磁鋼；
7、標定磁鋼；8、周期地腳；9、重錘支架；10、零點地腳；11、鎖錘螺釘；21、光柵尺；22、讀數(shù)頭；31、拉簧絲桿；32、零點螺母；33、周期螺桿；34、鋼絲；35、彈簧；36、重錘；37、鎖錘螺釘; 38、工作線圈；39、工作磁鋼；310、水平泡；311、周期地腳；312、標定磁鋼；313、重錘支架； 314、儀器立柱；315、地腳螺釘；316、組合十字簧；317、擺架；318、備緊螺母。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。 如圖l命所示，一種短周期數(shù)字地震計，包括儀器立柱(1)、組合十字簧(2);周期地 腳(8)、零點地腳(10)和三分向拾振器；所述三分向拾振器包括東西向水平拾振器、南北向
水平拾振器和垂直向拾振器，且，所述拾振器的換能裝置包括光柵尺和動圈換能器，所述光
柵尺安裝于地震計的水平向拾振器上；所述東西向水平拾振器和南北向水平拾振器的結(jié)構(gòu) 相同，均包括慣性擺和動圈換能器，其中，所述慣性擺包括擺支架(3)、重錘(4)、重錘支架 (9)和鎖錘螺釘(ll)，所述動圈換能器包括標定磁鋼(7)，工作磁鋼(6)，標定線圈和工作線 圈(5)，形成獨立的工作系統(tǒng)和標定系統(tǒng)，兩者在水平方向相向放置，標定線圈和工作線圈 (5)在工作磁場和標定磁場內(nèi)運動，工作線圈和標定線圈用螺釘固定在線圈架的左右兩側(cè)， 且兩線圈水平方向圓心同軸，而，所述光柵尺固定于通過兩線圈圓心的軸上。所述地震計還 設(shè)有一讀數(shù)頭固定于所述光柵尺的對面，所述讀數(shù)頭與光柵尺之間的距離為0. 8毫米。
如圖ia所示的另一實施例，一種短周期數(shù)字地震計，包括拉簧絲桿(31)、零點螺 母(32)、周期螺桿(33)、鋼絲(34)、彈簧(35)、水平泡(310)、儀器立柱(314)、地腳螺釘 (315)、組合十字簧(316)、備緊螺母(318)、周期地腳(311)和三分向拾振器；所述三分向拾 振器包括東西向水平拾振器、南北向水平拾振器和垂直向拾振器，且，所述拾振器的換能裝 置包括光柵尺和動圈換能器，所述光柵尺安裝于地震計的垂直向拾振器上；所述垂直向拾 振器包括慣性擺和動圈換能器，其中，所述慣性擺包括重錘(36)、重錘支架(313)、鎖錘螺 釘(37)，所述動圈換能器與水平拾振器的動圈換能器組成形式相同，但工作磁鋼(39)和標 定磁鋼(312)在垂直方向相向而置，兩磁場相斥，工作線圈(38)和標定線圈分別用螺釘固 定在線圈架一端的上下兩面，且兩線圈垂直方向圓心同軸，而，所述光柵尺固定于通過兩線 圈圓心的軸上。所述地震計還設(shè)有一讀數(shù)頭固定于所述光柵尺的對面，所述讀數(shù)頭與光柵 尺之間的距離為0.8毫米。 如圖9所示，所述地震計還設(shè)有一光柵數(shù)據(jù)采集器，所述光柵數(shù)據(jù)采集器與所述 讀數(shù)頭電連接，所述讀數(shù)頭與所述光柵尺電連接，所述光柵尺的振動由所述讀數(shù)頭轉(zhuǎn)化為 數(shù)據(jù)后通過所述光柵數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集，最后將采集到的數(shù)據(jù)采用USB通訊方式傳 入電腦。 所述讀數(shù)頭與一萬向調(diào)整裝置相連，通過該萬向調(diào)整裝置調(diào)整所述讀數(shù)頭與光柵 尺之間的距離。 雖然本發(fā)明的優(yōu)選實例被以作為例證的目的進行披露，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以 理解各種修改、添加和替換是可能的，只要其不脫離所附權(quán)利要求中詳述的本發(fā)明的精神 和范圍。
權(quán)利要求
一種短周期數(shù)字地震計，包括三分向拾振器，所述三分向拾振器包括東西向水平拾振器、南北向水平拾振器和垂直向拾振器，所述拾振器包括慣性擺，其特征在于所述拾振器的換能裝置包括至少一條光柵尺，所述光柵尺固定于所述拾振器的慣性擺擺尖上，且，所述每條光柵尺都相應(yīng)設(shè)有一讀數(shù)頭與之配合，所述讀數(shù)頭固定于所述光柵尺的對面，且與所述光柵尺相隔一段距離。
2. 據(jù)權(quán)利要求1所述的短周期數(shù)字地震計，其特征在于所述地震計還設(shè)有一光柵數(shù) 據(jù)采集器，所述光柵數(shù)據(jù)采集器與所述讀數(shù)頭電連接，所述讀數(shù)頭與所述光柵尺電連接，所 述光柵尺的振動由所述讀數(shù)頭轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)后通過所述光柵數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集，最后 將采集到的數(shù)據(jù)采用USB通訊方式傳入電腦。
3 . 據(jù)權(quán)利要求1或2所述的短周期數(shù)字地震計，其特征在于所述拾振器的換能裝置 還包括至少一個位于慣性擺擺尖的動圈換能器。
4. 據(jù)權(quán)利要求3所述的短周期數(shù)字地震計，其特征在于所述東西向水平拾振器和南 北向水平拾振器的結(jié)構(gòu)相同，均包括慣性擺和動圈換能器，其中，所述慣性擺包括重錘、重 錘支架和鎖錘螺釘，所述動圈換能器包括標定磁鋼，工作磁鋼，標定線圈和工作線圈，形成 獨立的工作系統(tǒng)和標定系統(tǒng)，兩者在水平方向相向放置，標定線圈和工作線圈在工作磁場 和標定磁場內(nèi)運動，工作線圈和標定線圈用螺釘固定在線圈架的左右兩側(cè)，且兩線圈水平 方向圓心同軸，而，所述光柵尺固定于通過兩線圈圓心的軸上。
5. 據(jù)權(quán)利要求3所述的短周期數(shù)字地震計，其特征在于所述垂直向拾振器包括慣性 擺和動圈換能器，其中，所述慣性擺包括重錘、重錘支架和鎖錘螺釘，所述動圈換能器與水 平拾振器的動圈換能器組成形式相同，但工作磁鋼和標定磁鋼在垂直方向相向而置，兩磁 場相斥，工作線圈和標定線圈分別用螺釘固定在線圈架一端的上下兩面，且兩線圈垂直方 向圓心同軸，而，所述光柵尺固定于通過兩線圈圓心的軸上。
6. 據(jù)權(quán)利要求1或2所述的短周期數(shù)字地震計，其特征在于所述讀數(shù)頭與光柵尺之間的距離為0.8毫米。
7. 據(jù)權(quán)利要求1或2所述的短周期數(shù)字地震計，其特征在于所述讀數(shù)頭與一萬向調(diào)整裝置相連，通過該萬向調(diào)整裝置調(diào)整所述讀數(shù)頭與光柵尺之間的距離。
全文摘要
一種短周期數(shù)字地震計，包括三分向拾振器，所述三分向拾振器包括東西向水平拾振器、南北向水平拾振器和垂直向拾振器，所述拾振器包括慣性擺，所述拾振器的換能裝置包括至少一條光柵尺，所述光柵尺固定于所述拾振器的慣性擺擺尖上，且，所述每條光柵尺都相應(yīng)設(shè)有一讀數(shù)頭與之配合，所述讀數(shù)頭固定于所述光柵尺的對面，且與所述光柵尺相隔一段距離。本發(fā)明通過巧妙的在拾振器的擺尖上增設(shè)光柵尺的設(shè)計，在傳統(tǒng)的地震監(jiān)測裝置中創(chuàng)新的采用了高速直線光柵系統(tǒng)。這種光電系統(tǒng)有非常高分辨率(精度為50納米)，能夠檢測地震計拾震器極小的震動位移。
文檔編號G01H9/00GK101710185SQ200910138008
公開日2010年5月19日 申請日期2009年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者李子恩, 王倫樂, 邱鍵庭 申請人:李子恩;邱鍵庭;王倫樂