本發(fā)明涉及地震觀測領(lǐng)域，特別涉及一種陣列式電化學(xué)反饋地震計，用于天然地震觀測。

背景技術(shù)：

電化學(xué)地震計是最近十年發(fā)展起來的一種新型地震傳感器，采用液體作為慣性質(zhì)量體，并通過電化學(xué)電極檢測液體在流道內(nèi)的運動信息來表征外部的地震動。相比較于傳統(tǒng)固態(tài)慣性體地震計，液態(tài)慣性體地震計不但具有增益倍數(shù)大、靈敏度高、低頻特性好等優(yōu)點，還具有工作傾角范圍大、敏感器件幾乎不受電磁干擾、抗沖擊性強、沒有機械噪聲、搬運或使用過程中無需解/鎖慣性擺等特性。

電化學(xué)地震計分為平動分量及轉(zhuǎn)動分量兩種類型地震計，圖1、圖2為電化學(xué)地震計的原理示意圖，其中，圖1為平動分量，圖2為轉(zhuǎn)動分量。四支惰性金屬電極B被放置在充滿可逆氧化還原反應(yīng)的敏感液體流道中，電極之間由多孔絕緣網(wǎng)A隔開，敏感液體可以在管道中自由運動。在小幅度直流電流作用下，陰陽電極之間會形成液體內(nèi)的離子濃度梯度。當(dāng)敏感液體在外界震動的作用下相對電極表面移動時，與敏感液體運動成比例的附加電流就會流向電極，檢測該附加電流，可以得到外界的速度或加速度的大小。平動分量與轉(zhuǎn)動分量地震計的結(jié)構(gòu)區(qū)別主要體現(xiàn)在平動分量流道的兩端采用彈性橡膠膜密封，而轉(zhuǎn)動分量則采用封閉的環(huán)形流道。現(xiàn)有平動電化學(xué)反饋地震計測量單元的組裝結(jié)構(gòu)示意圖，由惰性電極和多孔隔離網(wǎng)組成的電化學(xué)換能器是整個電化學(xué)地震計的核心器件，電化學(xué)換能器垂直置于敏感液體流道內(nèi)部，流道兩端用一定形狀彈性橡膠膜密封，敏感液體可在流道內(nèi)運動。電化學(xué)反饋地震計引入了力平衡反饋控制技術(shù)，可擴展電化學(xué)地震計的頻帶寬度及動態(tài)范圍，圖3為現(xiàn)有電化學(xué)反饋地震計的系統(tǒng)控制流程圖。其中，H₁為液體速度對地面速度的傳遞函數(shù)；H₂為電化學(xué)換能放大電壓對液體運動速度的傳遞函數(shù)，H₆為平動輸出反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。合理設(shè)計的反饋函數(shù)H₆可使地震計的輸出電壓正比于地面的運動速度。

大量震害調(diào)查及研究結(jié)果表明地震動是一種多維度的地面運動，不僅包含三個平動分量還包含三個轉(zhuǎn)動分量，地震動的轉(zhuǎn)動分量有時甚至?xí)蔀閷δ硞€建筑物破壞的主要因素，如1894年日本Shonai地震時鐘樓的扭轉(zhuǎn)破壞；1897年印度Assam地震中20m高的方尖碑的扭轉(zhuǎn)破壞；1971年San-Fernando地震中，地震動水平和轉(zhuǎn)動耦合作用導(dǎo)致了橋梁的垮塌；1994 年的Northridge地震中的Pacoima大壩場地在地震過程中沿東北方向傾斜達到了3.1°。1999年的臺灣集集地震震源附近的地面最終傾斜角為0.8°。隨著地震動平動觀測技術(shù)的不斷成熟，地震動的轉(zhuǎn)動分量觀測逐漸受到重視。鑒于轉(zhuǎn)動分量的重要性, 歐洲已將地震動轉(zhuǎn)動荷載納入建筑物的設(shè)計規(guī)范《EC8.1.EN 1998-1 Eurocode8》和《EC8.6.EN 1998-6 Eurocode8》。

目前，能同時記錄地震平動及轉(zhuǎn)動信息的方法主要有兩種：一種是兩點差法，通過在小的范圍內(nèi)布置多臺地震計記錄平動分量，用兩點間的平動速度差除以兩點間距離就是相應(yīng)的轉(zhuǎn)角速度；另一種是同時布設(shè)平動及轉(zhuǎn)動地震計。兩種地震信息記錄方法的最大問題是需要同時使用多個或兩種地震計，造成地震監(jiān)測點的地震計采購及布設(shè)施工成本翻倍。

更為重要的是，當(dāng)前平動分量地震計產(chǎn)品在測量中會混合轉(zhuǎn)動分量信息，圖4示意了水平轉(zhuǎn)動對垂直平動地震信號測量的影響。平動地震計發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)后，質(zhì)量體的軸向重力分量發(fā)生變化，所受到的彈簧回彈力與重力分量不平衡，進而導(dǎo)致質(zhì)量體產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)動角度相關(guān)的額外加速度，該加速度與外界加速度混疊在一起，成為平動地震信號的噪聲來源。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種陣列式電化學(xué)反饋地震計，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。本發(fā)明采用電化學(xué)換能陣列代替單一電化學(xué)換能單元，換能陣列經(jīng)電路系統(tǒng)輸出三個彼此正交的單分量平動及二分量轉(zhuǎn)動地震信號，反饋電機在電路系統(tǒng)的作用下對地震計進行反饋力輸出，實現(xiàn)地震計平動信號的指標(biāo)調(diào)整及傾角校正。

本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

陣列式電化學(xué)反饋地震計，包括電化學(xué)換能陣列1、多流道腔體2、敏感液體、彈性密封膜、電路系統(tǒng)及反饋電機，電化學(xué)換能陣列1、多流道腔體2及彈性密封膜構(gòu)成封閉腔體，敏感液體置于所述封閉腔體內(nèi)部，電化學(xué)換能陣列1經(jīng)電路系統(tǒng)輸出三個彼此正交的單分量平動及二分量轉(zhuǎn)動地震信號，反饋電機在電路系統(tǒng)的作用下對地震計進行反饋力輸出，實現(xiàn)地震計平動信號的指標(biāo)調(diào)整及傾角校正。

所述的電化學(xué)換能陣列1由一個以上平面陣列排列的電化學(xué)換能單元組成，多流道腔體2內(nèi)設(shè)有與電化學(xué)換能單元相對應(yīng)的流道。

所述的多流道腔體2內(nèi)設(shè)有與電化學(xué)換能陣列1相對應(yīng)的多個流道，流道兩端彼此連通，并通過彈性密封膜密封。

所述的電路系統(tǒng)包含電化學(xué)換能陣列的檢測電路、處理檢測電路輸出信號的運算電路、調(diào)整地震計輸出的控制電路。

所述的運算電路包括對檢測電路輸出的多個信號進行加求和平均運算以獲得單分量平動地震信號輸出，對檢測電路輸出信號進行的做差除以彼此距離運算以獲得二分量轉(zhuǎn)動地震信號輸出；對二分量轉(zhuǎn)動信號輸出進行矢量求和、積分以獲得地震計的傾角信號。

所述的控制電路包括力平衡反饋控制電路及傾角校正電路，反饋電機經(jīng)力平衡反饋控制電路對平動信號輸出進行力反饋控制以擴展地震計的動態(tài)范圍及頻帶寬度；反饋電機經(jīng)傾角校正電路對地震計傾角信號進行力反饋控制以校正地震計的單分量平動信號。

本發(fā)明的有益效果在于：、采用電化學(xué)換能陣列代替單一電化學(xué)單元，通過多個電化學(xué)換能單元檢測電路輸出信號的求和平均運算可提高單分量的平動信號的信噪比；、采用電化學(xué)換能陣列代替單一電化學(xué)單元，通過對相對位置的電化學(xué)換能單元檢測電路輸出信號的做差除以彼此距離運算可同時獲得二個分量的轉(zhuǎn)動地震信號輸出；、通過對地震傾角信號的力反饋控制，可實現(xiàn)單分量平動地震信號的傾角校正；、集成平動地震計和轉(zhuǎn)動地震計，大幅度降低全波形地震信息監(jiān)測的成本及占用空間。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。

圖1為電化學(xué)地震計的原理示意圖（平動分量）；

圖2為電化學(xué)地震計的原理示意圖（轉(zhuǎn)動分量）；

圖3為電化學(xué)反饋地震計的系統(tǒng)控制流程圖；

圖4為地震計的水平轉(zhuǎn)動對垂直平動信號測量影響示意圖；

圖5為本發(fā)明的陣列式電化學(xué)地震計測量單元的組裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的陣列式電化學(xué)地震計的系統(tǒng)控制流程圖；

圖7至圖11為本發(fā)明的陣列式電化學(xué)反饋地震計電路原理示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實施方式。

參見圖5所示，本發(fā)明的陣列式電化學(xué)反饋地震計，電化學(xué)換能陣列1由四個電化學(xué)換能單元組成，電化學(xué)換能單元呈正方形排列對稱分布于多流道腔體2的軸線周圍，多流道腔體2內(nèi)的四個液體流道與四個電化學(xué)換能單元彼此對應(yīng)，構(gòu)成四個獨立的電化學(xué)傳感陣列，流道兩端彼此連通，并由彈性密封膜密封，電化學(xué)換能陣列1的電極經(jīng)引線引出后與電路系統(tǒng)相接。

參見圖6所示，本發(fā)明的陣列式電化學(xué)反饋地震計系統(tǒng)控制流程圖，其中，H₁、H₂及H₆與現(xiàn)有電化學(xué)反饋地震計的對應(yīng)位置傳遞函數(shù)相同，H₃、H₄及H₅函數(shù)如下：

H₃為單分量平動及二分量轉(zhuǎn)動運算函數(shù)：

；

H₄為轉(zhuǎn)動速度矢量求和積分函數(shù)：

H₅為轉(zhuǎn)動角度輸出的反饋傳遞函數(shù)：

；

其中，r為相對位置的兩個換能單元間距；t₁、t₂積分函數(shù)的開始及結(jié)束時間；為m為質(zhì)量體的質(zhì)量；K為反饋電機的力常數(shù)。

圖7至圖11示出了本發(fā)明所述的陣列式電化學(xué)反饋地震計電路原理示意圖。其中，

圖7為電化學(xué)換能單元的檢測電路原理圖，兩個跨阻放大器將電極電流信號轉(zhuǎn)為電壓放大信號，經(jīng)差分放大器放大后作為地震計檢測的地震動信號輸出；

圖8為單分量平動信號實現(xiàn)電路原理圖，采用四個換能單元輸出信號作為求和平均運算電路的四路輸入信號，通過反相加法器和變相器對各換能單元信號進行求和平均運算以獲得陣列式電化學(xué)反饋地震計的單分量平動信號；

圖9為單分量轉(zhuǎn)動信號實現(xiàn)電路原理圖，采用兩級差分放大電路對相對位置的電化學(xué)換能單元信號進行減法運算以獲得轉(zhuǎn)動信號，其中相對位置的兩個換能單元信號作為差分放大電路的兩路輸入信號，依據(jù)兩個換能單元間的距離確定各電阻值；

圖10為轉(zhuǎn)動矢量求和積分電路原理圖，采用兩個分量轉(zhuǎn)動信號作為求和積分電路的兩路輸入信號，各電阻值賦予相應(yīng)的比例系數(shù)，乘法器和積分器對轉(zhuǎn)動信號進行矢量求和積分運算以獲得地震計的轉(zhuǎn)動角度；

圖11為力平衡反饋控制電路原理圖， 將轉(zhuǎn)動角度信號作為計算余弦函數(shù)電路的輸入信號，經(jīng)過比例運算電路獲得轉(zhuǎn)動信號輸出的反饋信號，平動信號經(jīng)過PID控制電路的輸出與轉(zhuǎn)動信號獲得的反饋信號作為校正后的平動信號，電壓輸出與反饋電機相連，電機輸出力即為反饋平衡力。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。