专利名称：短周期数字地震计的制作方法
技术领域：
本发明涉及地震的震动测量装置，尤其是一种采用了 RGH精密光栅尺作为地震的 震动测量传感器的地震测量装置，该装置还采用了最新的嵌入式技术，以及数据采集、数据 传输、PC机数据展示技术。
背景技术：
传统的短周期地震计，如专利号为200520000299. 7的文献公开的一种短周期反 馈式地震计，如图l到图6所示，包括三分向拾震器、线路系统、仪器外罩，所述线路系统为 反馈线路系统，放置在三分向拾震器的上方，所述三分向拾震器分别安装在各自的小底板 上，三个小底板均匀分布固定在圆形底座上，其中安装在小底板上的为东西分向水平拾震 器，安装在小底板上的为垂直向拾震器，安装在小底板上的为南北向水平拾震器，两个水平 向拾震器对应的小底板上均设有定位方向微调机构。所述定位方向微调机构包括位于小底 板侧面的调节孔、将小底板一端与底座固定连接的固定螺钉，固定在小底板上的小轴和安 装在小轴上的调节螺钉。所述水平向拾震器包括惯性摆和动圈换能器，所述动圈换能器包 括标定磁钢，工作磁钢，标定线圈和工作线圈，形成独立的工作系统和标定系统，两者在水 平方向相向放置，工作磁钢和标定磁钢分别位于圆柱形大导磁碗和小导磁碗的圆心位置， 其上各盖有工作极铁、标定极铁，工作线圈和标定线圈用螺钉固定在线圈架的左右两侧，且 两线圈水平方向圆心同轴。所述动圈换能器包括标定磁钢，工作磁钢，标定线圈和工作线 圈，形成独立的工作系统和标定系统，两者在水平方向相向放置，标定极铁，标定线圈和工 作线圈在工作磁场和标定磁场内运动，即磁钢和导磁碗之间形成的圆环空隙处，工作线圈 和标定线圈用螺钉固定在线圈架的左右两侧，且两线圈水平方向圆心同轴。所述垂直向拾 震器包括惯性摆及动圈换能器，其动圈换能器与水平拾震器的动圈换能器组成形式相同， 但工作磁钢(51)和标定磁钢(45)在垂直方向相向而置，两磁场相斥，工作线圈(50)和标 定线圈(47)分别用螺钉(48、46)固定在线圈架(49) 一端的上下两面，且两线圈垂直方向 圆心同轴；所述惯性摆包括旋转轴、旋转臂、重锤、弹性悬臂，所述旋转臂是线圈架(49)。
本发明人发现，上述短周期地震计的拾震器上的电磁换能器件随拾震器震动位移 的变化输出的模拟电信号。此信号抗干扰能力差，噪声大。地震数据的采集、处理与网络传 输都比较麻烦。如果地震计上拾震器(也称为共振摆)震动位移发生了 0. 1微米变化，电 磁换能只能够产生O. 1微伏电压，灵敏度也不太高。 众所周知，位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式 所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传 感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感 器因具有易实现数字化、精度高(目前分辨率最高的可达到纳米级)、抗干扰能力强、没有 人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点。 计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。"莫尔"原出于法文Moire， 意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。 一般来说，只 要是有一定周期的曲线重叠起来，便会产生莫尔条纹。计量光栅在实际应用上有透射光栅 和反射光栅两种；按其作用原理又可分为辐射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅 和圆光栅。下面以透射光栅为例加以讨论。透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线， a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W = a+b称为光栅栅距。目前国内常用的光栅每毫米刻 成10、25、50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。 一块光栅称 为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。为了测量位 移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动 时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转 换成电信号。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。如图7所示，， 此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加，周期信号是位移x的函数。每当x变 化一个光栅栅距W，信号就变化一个周期，信号由b点变化到b'点。由于bb' 二W，故b'点 的状态与b点状态完全一样，只是在相位上增加了 2 Ji 。
由图l可得光电信号为
u0 = U平均+Um (Ji /2+2 Ji X/W)
式中u0 —光电元件输出的电压信号；
U平均 一输出信号的直流分量；
Um —输出信号中正弦交流分量的幅值。 从公式中可见，当光栅位移一个节距W，波形变化一周。这时相应条纹移动一个条 纹宽度B。因此，只要记录波形变化周期数即条纹移动数N，就可知道光栅的位移X即X = 丽 在实际应用中，位移具有两个方向，即选定一个方向后，位移有正负之分，因此用 一个光电元件测定莫尔条纹信号确定不了位移方向。为了辨向，需要有n/2相位差的两个 莫尔条纹信号。如图8，在相距1/4条纹间距的位置上安放两个光电元件，得到两个相位差
h/2的电信号u01和u02，经过整形后得到两个方波信号u01'和u02'。光栅正向移动时 u01超前u02 90度，反向移动时u02超前u01 90度，故通过电路辨相可确定光栅运动方向。
发明内容
本发明的目的是将光栅尺测量技术应用于地震计摆体共振检测，提供一种创新的 换能装置的地震检测系统，该地震检测系统同时具备机电耦合转换装置和光栅谐振子检测 地震波装置，能够同时提供检测到的振动的模拟信号和数字信号。 本发明的技术方案如下一种短周期数字地震计，包括三分向拾振器，所述三分向 拾振器包括东西向水平拾振器、南北向水平拾振器和垂直向拾振器，所述拾振器包括惯性 摆，其特征在于所述拾振器的换能装置包括至少一条光栅尺，所述光栅尺固定于所述拾振 器的惯性摆摆尖上，且，所述每条光栅尺都相应设有一读数头与之配合，所述读数头固定于 所述光栅尺的对面，且与所述光栅尺相隔一段距离。 所述地震计还设有一光栅数据采集器，所述光栅数据采集器与所述读数头电连 接，所述读数头与所述光栅尺电连接，所述光栅尺的振动由所述读数头转化为数据后通过 所述光栅数据采集器进行数据采集，最后将采集到的数据采用USB通讯方式传入电脑。
所述拾振器的换能装置还包括至少一个位于惯性摆摆尖的动圈换能器。 所述东西向水平拾振器和南北向水平拾振器的结构相同，均包括惯性摆和动圈换
能器，其中，所述惯性摆包括重锤、重锤支架和锁锤螺钉，所述动圈换能器包括标定磁钢，工
作磁钢，标定线圈和工作线圈，形成独立的工作系统和标定系统，两者在水平方向相向放
置，标定线圈和工作线圈在工作磁场和标定磁场内运动，工作线圈和标定线圈用螺钉固定
在线圈架的左右两侧，且两线圈水平方向圆心同轴，而，所述光栅尺固定于通过两线圈圆心
的轴上。 所述垂直向拾振器包括惯性摆和动圈换能器，其中，所述惯性摆包括重锤、重锤支 架和锁锤螺钉，所述动圈换能器与水平拾振器的动圈换能器组成形式相同，但工作磁钢和 标定磁钢在垂直方向相向而置，两磁场相斥，工作线圈和标定线圈分别用螺钉固定在线圈 架一端的上下两面，且两线圈垂直方向圆心同轴，而，所述光栅尺固定于通过两线圈圆心的 轴上。 所述读数头与光栅尺之间的距离为0. 8毫米。 所述读数头与一万向调整装置相连，通过该万向调整装置调整所述读数头与光栅 尺之间的距离。 本发明的有益效果在于本发明通过巧妙的在拾振器的摆尖上增设光栅尺的设 计，在传统的地震监测装置中创新的采用了高速直线光栅系统。这种光电系统有非常高分 辨率(精度为50纳米)，能够检测地震计拾震器极小的震动位移。这种光电系统中的读数 头具有稳定的高速度，能检测地震计拾震器较大的震动速度。高速直线光栅系统的独特的 光学滤波组件保证了信号的纯度。另外该高速直线光栅系统的读数头是个有源电子器件， 故可以直接输出工业标准的数字方波信号(5伏TTL信号)。 而且，本发明不仅分辨率高，灵敏度高，信号的抗干扰能力强，又是直接实现了地 震计本身的数字化，因此非常适合地震数据的高速无线与有线网络传输。
图1是背景技术短周期反馈地震计的结构示意图 图2是背景技术短周期反馈地震计内部结构的俯视图，即图1中去掉了外罩的俯 视图； 图3是本发明背景技术水平拾震器的主视图； 图4是图3的俯视图； 图5是是短周期反馈地震计的垂直拾震器的主视图 图6是图5的俯视图； 图7是本发明背景技术光栅输出信号波形图； 图8是本发明背景技术相位差Ji /2输出信号波形图； 图9是由本发明的信号连接示意图； 图;^是本发明的光栅尺安装于地震计的水平向拾振器上的结构示意图； 图1D是本发明的光栅尺安装于地震计的垂直向拾振器上的结构示意图。
图中，1、仪器立柱；2、组合十字簧；3、摆支架；4、重锤；5、工作线圈；6、工作磁钢；
7、标定磁钢；8、周期地脚；9、重锤支架；10、零点地脚；11、锁锤螺钉；21、光栅尺；22、读数头；31、拉簧丝杆；32、零点螺母；33、周期螺杆；34、钢丝；35、弹簧；36、重锤；37、锁锤螺钉; 38、工作线圈；39、工作磁钢；310、水平泡；311、周期地脚；312、标定磁钢；313、重锤支架； 314、仪器立柱；315、地脚螺钉；316、组合十字簧；317、摆架；318、备紧螺母。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。 如图l命所示，一种短周期数字地震计，包括仪器立柱(1)、组合十字簧(2);周期地 脚(8)、零点地脚(10)和三分向拾振器；所述三分向拾振器包括东西向水平拾振器、南北向
水平拾振器和垂直向拾振器，且，所述拾振器的换能装置包括光栅尺和动圈换能器，所述光
栅尺安装于地震计的水平向拾振器上；所述东西向水平拾振器和南北向水平拾振器的结构 相同，均包括惯性摆和动圈换能器，其中，所述惯性摆包括摆支架(3)、重锤(4)、重锤支架 (9)和锁锤螺钉(ll)，所述动圈换能器包括标定磁钢(7)，工作磁钢(6)，标定线圈和工作线 圈(5)，形成独立的工作系统和标定系统，两者在水平方向相向放置，标定线圈和工作线圈 (5)在工作磁场和标定磁场内运动，工作线圈和标定线圈用螺钉固定在线圈架的左右两侧， 且两线圈水平方向圆心同轴，而，所述光栅尺固定于通过两线圈圆心的轴上。所述地震计还 设有一读数头固定于所述光栅尺的对面，所述读数头与光栅尺之间的距离为0. 8毫米。
如图ia所示的另一实施例，一种短周期数字地震计，包括拉簧丝杆(31)、零点螺 母(32)、周期螺杆(33)、钢丝(34)、弹簧(35)、水平泡(310)、仪器立柱(314)、地脚螺钉 (315)、组合十字簧(316)、备紧螺母(318)、周期地脚(311)和三分向拾振器；所述三分向拾 振器包括东西向水平拾振器、南北向水平拾振器和垂直向拾振器，且，所述拾振器的换能装 置包括光栅尺和动圈换能器，所述光栅尺安装于地震计的垂直向拾振器上；所述垂直向拾 振器包括惯性摆和动圈换能器，其中，所述惯性摆包括重锤(36)、重锤支架(313)、锁锤螺 钉(37)，所述动圈换能器与水平拾振器的动圈换能器组成形式相同，但工作磁钢(39)和标 定磁钢(312)在垂直方向相向而置，两磁场相斥，工作线圈(38)和标定线圈分别用螺钉固 定在线圈架一端的上下两面，且两线圈垂直方向圆心同轴，而，所述光栅尺固定于通过两线 圈圆心的轴上。所述地震计还设有一读数头固定于所述光栅尺的对面，所述读数头与光栅 尺之间的距离为0.8毫米。 如图9所示，所述地震计还设有一光栅数据采集器，所述光栅数据采集器与所述 读数头电连接，所述读数头与所述光栅尺电连接，所述光栅尺的振动由所述读数头转化为 数据后通过所述光栅数据采集器进行数据采集，最后将采集到的数据采用USB通讯方式传 入电脑。 所述读数头与一万向调整装置相连，通过该万向调整装置调整所述读数头与光栅 尺之间的距离。 虽然本发明的优选实例被以作为例证的目的进行披露，但本领域的技术人员可以 理解各种修改、添加和替换是可能的，只要其不脱离所附权利要求中详述的本发明的精神 和范围。
权利要求
一种短周期数字地震计，包括三分向拾振器，所述三分向拾振器包括东西向水平拾振器、南北向水平拾振器和垂直向拾振器，所述拾振器包括惯性摆，其特征在于所述拾振器的换能装置包括至少一条光栅尺，所述光栅尺固定于所述拾振器的惯性摆摆尖上，且，所述每条光栅尺都相应设有一读数头与之配合，所述读数头固定于所述光栅尺的对面，且与所述光栅尺相隔一段距离。
2. 据权利要求1所述的短周期数字地震计，其特征在于所述地震计还设有一光栅数 据采集器，所述光栅数据采集器与所述读数头电连接，所述读数头与所述光栅尺电连接，所 述光栅尺的振动由所述读数头转化为数据后通过所述光栅数据采集器进行数据采集，最后 将采集到的数据采用USB通讯方式传入电脑。
3 . 据权利要求1或2所述的短周期数字地震计，其特征在于所述拾振器的换能装置 还包括至少一个位于惯性摆摆尖的动圈换能器。
4. 据权利要求3所述的短周期数字地震计，其特征在于所述东西向水平拾振器和南 北向水平拾振器的结构相同，均包括惯性摆和动圈换能器，其中，所述惯性摆包括重锤、重 锤支架和锁锤螺钉，所述动圈换能器包括标定磁钢，工作磁钢，标定线圈和工作线圈，形成 独立的工作系统和标定系统，两者在水平方向相向放置，标定线圈和工作线圈在工作磁场 和标定磁场内运动，工作线圈和标定线圈用螺钉固定在线圈架的左右两侧，且两线圈水平 方向圆心同轴，而，所述光栅尺固定于通过两线圈圆心的轴上。
5. 据权利要求3所述的短周期数字地震计，其特征在于所述垂直向拾振器包括惯性 摆和动圈换能器，其中，所述惯性摆包括重锤、重锤支架和锁锤螺钉，所述动圈换能器与水 平拾振器的动圈换能器组成形式相同，但工作磁钢和标定磁钢在垂直方向相向而置，两磁 场相斥，工作线圈和标定线圈分别用螺钉固定在线圈架一端的上下两面，且两线圈垂直方 向圆心同轴，而，所述光栅尺固定于通过两线圈圆心的轴上。
6. 据权利要求1或2所述的短周期数字地震计，其特征在于所述读数头与光栅尺之间的距离为0.8毫米。
7. 据权利要求1或2所述的短周期数字地震计，其特征在于所述读数头与一万向调整装置相连，通过该万向调整装置调整所述读数头与光栅尺之间的距离。
全文摘要
一种短周期数字地震计，包括三分向拾振器，所述三分向拾振器包括东西向水平拾振器、南北向水平拾振器和垂直向拾振器，所述拾振器包括惯性摆，所述拾振器的换能装置包括至少一条光栅尺，所述光栅尺固定于所述拾振器的惯性摆摆尖上，且，所述每条光栅尺都相应设有一读数头与之配合，所述读数头固定于所述光栅尺的对面，且与所述光栅尺相隔一段距离。本发明通过巧妙的在拾振器的摆尖上增设光栅尺的设计，在传统的地震监测装置中创新的采用了高速直线光栅系统。这种光电系统有非常高分辨率(精度为50纳米)，能够检测地震计拾震器极小的震动位移。
文档编号G01H9/00GK101710185SQ200910138008
公开日2010年5月19日 申请日期2009年4月23日 优先权日2009年4月23日
发明者李子恩, 王伦乐, 邱键庭 申请人:李子恩;邱键庭;王伦乐