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地球物理学报 2018年第11期61卷 4486-4492页

作者：李际弘高尚华薛兵中国地震局地震预测重点实验室(中国地震局地震预测研究所) 北京100036

石英水平摆倾斜仪在前兆地震观测中得到了广泛的应用,取得了较好的观测数据,但是仍然存在一些不足,如灵敏度未知、频率特性不理想等.为解决这些问题,本文提出一种基于力平衡反馈技术的石英水平摆倾斜仪设计方法.该方法通过差动式电容换... 详细信息

石英水平摆倾斜仪在前兆地震观测中得到了广泛的应用,取得了较好的观测数据,但是仍然存在一些不足,如灵敏度未知、频率特性不理想等.为解决这些问题,本文提出一种基于力平衡反馈技术的石英水平摆倾斜仪设计方法.该方法通过差动式电容换能器检测摆锤的位置信息,将其转换成电信号输出;同时通过电子线路将输出电压信号处理后反馈给摆锤,该反馈电压在摆锤上产生一静电力.根据该设计方法,我们研制了原理样机并进行了测试,结果表明,样机的灵敏度为16801V/(m·s^(-2)),样机的幅度响应在从DC到5s都是平坦的.

关键词：倾斜仪力平衡反馈差动式电容换能器灵敏度

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基于力平衡反馈的压电地震检波器研究

基于力平衡反馈的压电地震检波器研究

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作者：李永超吉林大学

学位级别：硕士

中国经济长期保持高速发展,对矿产资源的需求量逐渐增加,导致供不应求,因此必须加大对矿产资源的勘探。地震勘探方法被广泛地应用于海洋及陆地油气资源勘探。地震数据采集是整个地震勘探的重要基础,地震检波器作为地震数据采集的关键仪... 详细信息

中国经济长期保持高速发展,对矿产资源的需求量逐渐增加,导致供不应求,因此必须加大对矿产资源的勘探。地震勘探方法被广泛地应用于海洋及陆地油气资源勘探。地震数据采集是整个地震勘探的重要基础,地震检波器作为地震数据采集的关键仪器,其性能的好坏直接影响地震勘探的效果。随着矿产资源需求量的增大,我国需要加大地震勘探的深度,在深层地震勘探过程中,地震检波器接收的反射波主要以低频信号为主。自然频率是地震检波器的一项重要性能指标,随着自然频率的减小,地震检波器能够检测微弱低频信号的能力越强,为实现深层地震勘探需要依靠更低自然频率的地震检波器。利用力平衡反馈技术能够使地震检波器的性能不完全依靠其内部机械结构,通过改变反馈网络参数,就可以在机械结构不变的条件下改变地震检波器的自然频率和频带范围,在地震检波器研究中引入力平衡反馈技术具有重要意义。目前在深层地震勘探中使用的力平衡反馈地震检波器主要有动圈式、差容式和电化学式三种。它们利用电磁致动器产生一个平衡力延长敏感单元结构的自振周期,反馈网络多为模拟PID电路,具有结构复杂、控制不精准等缺点。本文设计了一种基于力平衡反馈的压电地震检波器。以回字形悬臂梁结构作为基底,在其上下表面粘贴PVDF压电薄膜,分别用作压电传感器和压电致动器,悬臂梁和压电薄膜组成地震检波器的敏感单元结构。压电传感器用于检测振动信号,由于输出的电荷信号比较微弱,设计的信号调理电路有放大和滤波的作用,可以将其转换成单片机能够识别和处理的电压信号。STM32F407单片机内置的ADC将模拟电压信号转换成数字信号,一方面进行数据存储,另一方面按照预先设计好的PID控制算法进行计算输出数字控制量。单片机内置的DAC将数字控制量转换成模拟控制信号,模拟控制信号通过压电驱动电源输出高压驱动信号作用于压电致动器,压电致动器由于逆压电效应产生形变,平衡悬臂梁结构的振动,延长其自振周期,进而降低其自然频率。主要内容如下:首先,分析了压电材料的基本性质,选用PVDF压电薄膜作为传感器和致动器。分析了悬臂梁结构的振动特性,利用COMSOL Multiphysics 5.4软件进行有限元仿真分析,研究不同结构参数和材质以及有无粘贴致动器的悬臂梁的固有频率大小。仿真结果表明粘贴致动器可有效降低悬臂梁结构的自然频率,设计了力平衡反馈闭环控制系统。其次,针对PVDF压电薄膜内阻高的特点,设计了基于CA3140运算放大器的电荷放大电路和基于OP07运算放大器的电压放大电路以及滤波电路,设计了STM32F407单片机最小系统及其外围电路用于数据存储和PID控制。通过MATLAB Simulink模块对PID控制策略进行仿真分析,并完成软件设计。最后,采用绝对校准法对压电地震检波器进行了性能测试与标定。实验结果表明:本文所研究的压电地震检波器的输出灵敏度达到245m V/m/s左右,失真度为0.46%左右,动态范围约为102d B。与无力平衡反馈的压电地震检波器相比,自然频率降低,由5Hz降至3Hz,验证了该压电地震检波器的有效性。

关键词：力平衡反馈压电地震检波器 PVDF压电薄膜 PID控制

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用于深部探测的地震检波器低频拓展技术

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地球物理学进展 2012年第5期27卷 1904-1911页

作者：曹双兰林君杨泓渊陈祖斌张林行吉林大学仪器科学与电气工程学院/地球信息探测仪器教育部重点实验室长春130021

利用地震探测的方法获得地球深部精细构造,从而增强深部资源勘探和重大地质灾害预测能力,是目前地球物理学研究的热点之一.本文简要回顾了国内外深部地震探测研究的历史,分析和解释了在精确深部地震探测中保护低频地震信号的重要性和必... 详细信息

利用地震探测的方法获得地球深部精细构造,从而增强深部资源勘探和重大地质灾害预测能力,是目前地球物理学研究的热点之一.本文简要回顾了国内外深部地震探测研究的历史,分析和解释了在精确深部地震探测中保护低频地震信号的重要性和必要性.在此基础上进一步阐述了地震检波器的低频特性对获取高质量深部地震数据的意义,重点归纳总结了如何利用伺服技术、闭环极点补偿技术以及力平衡反馈技术实现地震检波器的低频拓展,并以典型深部地震探测项目为例介绍了低频检波器在深部探测中的应用及主要取得的成果.最后,结合新型材料和新型加工技术,指出了未来深部地震检波器发展的主要方向.

关键词：深部地震探测低频勘探低频检波器低频拓展技术力平衡反馈

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基于音圈电机的地震计反馈控制系统

基于音圈电机的地震计反馈控制系统

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作者：李念儒吉林大学

学位级别：硕士

地震预报的基础是准确有效的地震观测数据,与此同时,地震勘探方法是探测地下结构的最有效方法之一,具有深度大、精度高等特点,而这些都依赖于高性能的地震观测仪器。地震计是目前国内外比较广泛使用的地震观测仪器,它是一种能将大地机... 详细信息

地震预报的基础是准确有效的地震观测数据,与此同时,地震勘探方法是探测地下结构的最有效方法之一,具有深度大、精度高等特点,而这些都依赖于高性能的地震观测仪器。地震计是目前国内外比较广泛使用的地震观测仪器,它是一种能将大地机械振动信号转换为可检测物理量的传感器,其在地震预报、地下资源勘探等研究领域扮演着非常重要角色。地震观测的实际应用需求确定了地震计研究的发展方向以宽频带,大动态范围,高分辨率为特征。由于关键部件材料和机械加工技术的限制,单纯改变地震计自身机械结构不能有效的改善其技术指标,因此需要在原有机械框架的基础上合理增加反馈环节,一套可以快速响应,精确控制的地震计反馈控制系统变得尤为重要。音圈电机以其诸多优点,特别适合快速响应、高精度、高频往复运动场合,其自身的突出优势应用于地震计反馈控制系统中,有助于改进地震计传统机械结构中的缺点,如减小机械共振、消除机械冲击等,同时可以提高机械摆体大振幅承受能力,以达到拓展地震计频带宽度及动态范围,提高分辨率的目的。本论文以Guarlp System公司CMG-3T三分量地震计水平分量机械结构为研究对象,首先深入分析地震计结构及其在力平衡反馈状态下的工作原理,并在此基础上建立了基于音圈电机的地震计机电耦合数学模型,并确定了地震计反馈控制系统相关参数,推导了系统传递函数关系式。其次,在确定了系统传递函数的基础上,根据设计需求对地震计反馈控制系统控制策略进行了研究,在Matlab软件环境下建立了算法仿真模型,并进行了算法优化,由DSP28335实现了位置环PID反馈控制。在上述工作的基础上对地震计反馈控制系统进行了硬件系统搭建与控制程序编写。最后,完成系统整体搭建,并在低频标准震动平台进行实验,对地震计反馈控制系统性能进行了测试与标定。测试结果表明:地震计在0.05Hz6Hz频带范围内速度响应较平坦,灵敏度约为700m V/mm/s,失真度在1.5%左右,技术指标较好,完成了地震计力平衡反馈控制及反馈网络的数字化。

关键词：机械摆式地震计力平衡反馈音圈电机 DSP PID反馈控制

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