阵列式电化学反馈地震计制造技术

本发明专利技术涉及一种阵列式电化学反馈地震计，属于地震观测领域。包括电化学换能阵列、多流道腔体、敏感液体、弹性密封膜、电路系统及反馈电机，所述的电化学换能阵列由多个平面阵列的电化学换能单元组成；所述的多流道腔体内有与电化学换能阵列相对应的多个流道；所述的电路系统包含检测电路、运算电路及控制电路；所述的反馈电机与控制电路的输出相接，对地震计进行力反馈控制。基于本发明专利技术提出的一种阵列式电化学反馈地震计能够同时测量三个彼此正交的单分量平动及二分量转动地震信号，并对平动信号进行了转动倾角校正。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地震观测领域，特别涉及一种阵列式电化学反馈地震计，用于天然地震观测。
技术介绍
电化学地震计是最近十年发展起来的一种新型地震传感器，采用液体作为惯性质量体，并通过电化学电极检测液体在流道内的运动信息来表征外部的地震动。相比较于传统固态惯性体地震计，液态惯性体地震计不但具有增益倍数大、灵敏度高、低频特性好等优点，还具有工作倾角范围大、敏感器件几乎不受电磁干扰、抗冲击性强、没有机械噪声、搬运或使用过程中无需解/锁惯性摆等特性。电化学地震计分为平动分量及转动分量两种类型地震计，图1、图2为电化学地震计的原理示意图，其中，图1为平动分量，图2为转动分量。四支惰性金属电极B被放置在充满可逆氧化还原反应的敏感液体流道中，电极之间由多孔绝缘网A隔开，敏感液体可以在管道中自由运动。在小幅度直流电流作用下，阴阳电极之间会形成液体内的离子浓度梯度。当敏感液体在外界震动的作用下相对电极表面移动时，与敏感液体运动成比例的附加电流就会流向电极，检测该附加电流，可以得到外界的速度或加速度的大小。平动分量与转动分量地震计的结构区别主要体现在平动分量流道的两端采用弹性橡胶膜密封，而转动分量则采用封闭的环形流道。现有平动电化学反馈地震计测量单元的组装结构示意图，由惰性电极和多孔隔离网组成的电化学换能器是整个电化学地震计的核心器件，电化学换能器垂直置于敏感液体流道内部，流道两端用一定形状弹性橡胶膜密封，敏感液体可在流道内运动。电化学反馈地震计引入了力平衡反馈控制技术，可扩展电化学地震计的频带宽度及动态范围，图3为现有电化学反馈地震计的系统控制流程图。其中，H1为液体速度对地面速度的传递函数；H2为电化学换能放大电压对液体运动速度的传递函数，H6为平动输出反馈环节的传递函数。合理设计的反馈函数H6可使地震计的输出电压正比于地面的运动速度。大量震害调查及研究结果表明地震动是一种多维度的地面运动，不仅包含三个平动分量还包含三个转动分量，地震动的转动分量有时甚至会成为对某个建筑物破坏的主要因素，如1894年日本Shonai地震时钟楼的扭转破坏；1897年印度Assam地震中20m高的方尖碑的扭转破坏；1971年San-Fernando地震中，地震动水平和转动耦合作用导致了桥梁的垮塌；1994年的Northridge地震中的Pacoima大坝场地在地震过程中沿东北方向倾斜达到了3.1°。1999年的台湾集集地震震源附近的地面最终倾斜角为0.8°。随着地震动平动观测技术的不断成熟，地震动的转动分量观测逐渐受到重视。鉴于转动分量的重要性,欧洲已将地震动转动荷载纳入建筑物的设计规范《EC8.1.EN1998-1Eurocode8》和《EC8.6.EN1998-6Eurocode8》。目前，能同时记录地震平动及转动信息的方法主要有两种：一种是两点差法，通过在小的范围内布置多台地震计记录平动分量，用两点间的平动速度差除以两点间距离就是相应的转角速度；另一种是同时布设平动及转动地震计。两种地震信息记录方法的最大问题是需要同时使用多个或两种地震计，造成地震监测点的地震计采购及布设施工成本翻倍。更为重要的是，当前平动分量地震计产品在测量中会混合转动分量信息，图4示意了水平转动对垂直平动地震信号测量的影响。平动地震计发生角度偏转后，质量体的轴向重力分量发生变化，所受到的弹簧回弹力与重力分量不平衡，进而导致质量体产生一个与转动角度相关的额外加速度，该加速度与外界加速度混叠在一起，成为平动地震信号的噪声来源。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种阵列式电化学反馈地震计，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术采用电化学换能阵列代替单一电化学换能单元，换能阵列经电路系统输出三个彼此正交的单分量平动及二分量转动地震信号，反馈电机在电路系统的作用下对地震计进行反馈力输出，实现地震计平动信号的指标调整及倾角校正。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：阵列式电化学反馈地震计，包括电化学换能阵列1、多流道腔体2、敏感液体、弹性密封膜、电路系统及反馈电机，电化学换能阵列1、多流道腔体2及弹性密封膜构成封闭腔体，敏感液体置于所述封闭腔体内部，电化学换能阵列1经电路系统输出三个彼此正交的单分量平动及二分量转动地震信号，反馈电机在电路系统的作用下对地震计进行反馈力输出，实现地震计平动信号的指标调整及倾角校正。所述的电化学换能阵列1由一个以上平面阵列排列的电化学换能单元组成，多流道腔体2内设有与电化学换能单元相对应的流道。所述的多流道腔体2内设有与电化学换能阵列1相对应的多个流道，流道两端彼此连通，并通过弹性密封膜密封。所述的电路系统包含电化学换能阵列的检测电路、处理检测电路输出信号的运算电路、调整地震计输出的控制电路。所述的运算电路包括对检测电路输出的多个信号进行加求和平均运算以获得单分量平动地震信号输出，对检测电路输出信号进行的做差除以彼此距离运算以获得二分量转动地震信号输出；对二分量转动信号输出进行矢量求和、积分以获得地震计的倾角信号。所述的控制电路包括力平衡反馈控制电路及倾角校正电路，反馈电机经力平衡反馈控制电路对平动信号输出进行力反馈控制以扩展地震计的动态范围及频带宽度；反馈电机经倾角校正电路对地震计倾角信号进行力反馈控制以校正地震计的单分量平动信号。本专利技术的有益效果在于：、采用电化学换能阵列代替单一电化学单元，通过多个电化学换能单元检测电路输出信号的求和平均运算可提高单分量的平动信号的信噪比；、采用电化学换能阵列代替单一电化学单元，通过对相对位置的电化学换能单元检测电路输出信号的做差除以彼此距离运算可同时获得二个分量的转动地震信号输出；、通过对地震倾角信号的力反馈控制，可实现单分量平动地震信号的倾角校正；、集成平动地震计和转动地震计，大幅度降低全波形地震信息监测的成本及占用空间。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为电化学地震计的原理示意图（平动分量）；图2为电化学地震计的原理示意图（转动分量）；图3为电化学反馈地震计的系统控制流程图；图4为地震计的水平转动对垂直平动信号测量影响示意图；图5为本专利技术的阵列式电化学地震计测量单元的组装结构示意图；图6为本专利技术的阵列式电化学地震计的系统控制流程图；图7至图11为本专利技术的阵列式电化学反馈地震计电路原理示意图。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。参见图5所示，本专利技术的阵列式电化学反馈地震计，电化学换能阵列1由四个电化学换能单元组成，电化学换能单元呈正方形排列对称分布于多流道腔体2的轴线周围，多流道腔体2内的四个液体流道与四个电化学换能单元彼此对应，构成四个独立的电化学传感阵列，流道两端彼此连通，并由弹性密封膜密封，电化学换能阵列1的电极经引线引出后与电路系统相接。参见图6所示，本专利技术的阵列式电化学反馈地震计系统控制流程图，其中，H1、H2及H6与现有电化学反馈地震计的对应位置传递函数相同，H3、H4及H5函数如下：H3为单分量平动及二分量转动运算函数：；H4为转动速度矢量求和积分函数：H5为转动角度输出的反馈传递函数：；其中，r为相对位置的两个换能单元间距；t1、t2积分函本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阵列式电化学反馈地震计，包括电化学换能阵列（1）、多流道腔体（2）、敏感液体、弹性密封膜、电路系统及反馈电机，其特征在于：电化学换能阵列（1）、多流道腔体（2）及弹性密封膜构成封闭腔体，敏感液体置于所述封闭腔体内部，电化学换能阵列（1）经电路系统输出三个彼此正交的单分量平动及二分量转动地震信号，反馈电机在电路系统的作用下对地震计进行反馈力输出，实现地震计平动信号的指标调整及倾角校正。

【技术特征摘要】
1.一种阵列式电化学反馈地震计，包括电化学换能阵列（1）、多流道腔体（2）、敏感液体、弹性密封膜、电路系统及反馈电机，其特征在于：电化学换能阵列（1）、多流道腔体（2）及弹性密封膜构成封闭腔体，敏感液体置于所述封闭腔体内部，电化学换能阵列（1）经电路系统输出三个彼此正交的单分量平动及二分量转动地震信号，反馈电机在电路系统的作用下对地震计进行反馈力输出，实现地震计平动信号的指标调整及倾角校正。2.根据权利要求1所述的阵列式电化学反馈地震计，其特征在于：所述的电化学换能阵列（1）由一个以上平面阵列排列的电化学换能单元组成，多流道腔体（2）内设有与电化学换能单元相对应的流道。3.根据权利要求1所述的阵列式电化学反馈地震计，其特征在于：所述的多流道腔体（2）内设有与电化学换能阵列（1）相对应的多个流道，流道两端彼此连通，并通过弹性密封膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨大鹏，孙语浓，周晓华，冷云峰，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22