具有低固有频率的稳定倒立摆都柱结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于地震动监测技术领域，具体设及一种用于地震仪、地动仪中感应地震 动的具有低固有频率的稳定倒立摆地动仪都柱结构。
【背景技术】
[0002] 地震仪、地动仪W弱地震动为主要的测量对象，通常采用位移测量方式W避免高 频干扰震动的影响。为使其尽可能准确的对低频弱地震动作出响应，要求地震动感应部件 具有尽可能低的固有频率。具有低固有频率的地震动感应部件一般都结构复杂或尺寸巨 大。我国张衡于公元132年采用"都柱"结构造出的"候风地动仪"，是最早有记录的地动仪， 但其结构已失传。1855年意大利科学家卢帕尔米里发明了第一台真正意义上的地震仪，运 台机器使用装满水银的圆管并装有电磁装置，具有复杂的机械系统。英国地震学家米尔恩 于1892年发明的悬摆地震仪是现代地震仪的典型结构，该地震仪高达6米、重25公斤，现代 大部分机械式地震仪仍然按照其原理进行设计，尺寸很难得到控制。
[0003] 本发明提出的具有低固有频率的稳定倒立摆都柱结构，是一种结构简单，W较小 尺寸实现低固有频率的地震动位移感应部件，远优于悬键摆等地震动位移感应部件的结 构。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种稳定倒立摆地震动位移感应部件结构，可用于制作地 震动监测仪器。
[000引本发明提出的具有低固有频率的稳定倒立摆都柱结构，由底座和柱状体组成，其 中：柱状体竖直放置于底座上方，柱状体底部与底座上表面的接触型式为：凸球面对平面、 凸球面对凹球面或凸球面对凸球面的接触中任一种： 凸球面对平面的接触型式为:柱状体底部接触处采用凸球面，底座上表面接触处采用 平面;或者:柱状体底部接触处采用平面，底座上表面接触处采用凸球面； 凸球面对凹球面的接触型式为:柱状体底部接触处采用凸球面，底座上表面接触处采 用凹球面;或者:柱状体底部接触处采用凹球面，底座上表面接触处采用凸球面； 凸球面对凸球面的接触型式为:柱状体底部与底座上表面接触处均采用凸球面。
[0006] 本发明中，当采用凸球面对平面的接触型式时，接触处凸球面半径化Q大于柱状体 的重屯、高度化； 当接触型式为凸球面对凹球面时，接触处凹球面半径Raq大于凸球面半径化Q，且凹球面 半径、凸球面半径与柱状体的重屯、高度化满足
当接触型式为凸球面对凸球面时，两凸球面半径与柱状体的重屯、高度Hg满足
〇
[0007] 本发明中，适当选择柱状体底部与底座上表面接触处的球面半径及柱状体的重屯、 高度的数值，使柱状体的微幅摆动具有很低的固有频率。
[0008] 本发明中，柱状体底部或底座上表面设置有限制柱状体底部与底座上表面之间有 效接触区大小的结构。
[0009] 本发明中，柱状体总高度化大于柱状体的重屯、高度化。
[0010] 本发明中，按接触型式要求设计的都柱结构柱状体在微幅摆动时其重屯、会有略微 提高，使其自动回复至平衡位置，从而形成稳定倒立摆结构。较小幅度的底座水平移动仅引 起结构中柱状体的摆动而不会使其倾倒。适当选择柱状体底部与底座上表面接触处的球面 半径及柱状体重屯、高度的数值，可W使柱状体的微幅摆动具有很低的固有频率。柱状体底 部或底座上表面设置有限制柱状体底部与底座上表面之间有效接触区大小的结构，有效接 触区的直径djc由结构中较小的接触面决定。有效接触区直径djc用于确定引起柱状体倾倒 所需的底座水平位移值，当底座水平位移达到由djc确定的倒柱位移值时柱状体将倾倒。因 柱状体总高度化大于重屯、高度化，在底座水平位移引起柱状体摆动时，柱状体顶端相对底座 的摆幅大于底座的水平位移，可实现对地震动位移的放大观测。
[0011] 本发明的有益效果在于:本发明结构简单，固有频率和都柱倾倒位移设定方便，且 可较小的尺寸实现极低的固有频率，同时由于柱状体总高度大于其重屯、高度，在底座 位移引起柱状体摆动时，柱状体顶端摆幅大于底座位移，可实现对底座位移的放大观测，优 于现有悬键摆等地震动监测仪结构。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明的结构示意图； 图2是本发明的结构中柱状体与底座间为凸球面对平面接触型式的示意图；其中：（a) 为柱状体凸球面底部与底座平面上表面的接触，（b)为柱状体平面底部与底座凸球面上表 面的接触； 图3是本发明的结构中柱状体与底座间为凸球面与凹球面接触型式示意图；其中：（a) 为柱状体凸球面底部与底座凹球面上表面的接触，（b)为柱状体凹球面底部与底座凸球面 上表面的接触； 图4是本发明的结构中柱状体与底座间为凸球面与凸球面接触型式示意图； 图5是本发明的结构中设定倒柱地震动位移值的有效接触区直径djc示意图；其中：（a) 为由柱状体底部结构设置的有效接触区，（b)为由底座上表面结构设置的有效接触区； 图6是本发明实施例1的结构图示； 图中标号：1-底座，2-都柱下端，3-重屯、调节块，4-都柱上端，5-柱状体。
【具体实施方式】
[0013] 下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
[0014] 实施例1:图1所示的是本发明的一种【具体实施方式】。本发明提供的具有低固有频 率的稳定倒立摆地动仪都柱结构，由底座和竖直放置于底座上方的柱状体组成。柱状体底 部与底座上表面的接触型式可为凸球面对平面、凸球面对凹球面或凸球面对凸球面的接 触，分别如图2-4所示。其中，凸球面对平面的接触型式又可分为:柱状体底部接触处采用凸 球面，底座上表面接触处采用平面;或者柱状体底部接触处采用平面，底座上表面接触处采 用凸球面。凸球面对凹球面的接触型式可分为:柱状体底部接触处采用凸球面，底座上表面 接触处采用凹球面;或者柱状体底部接触处采用凹球面，底座上表面接触处采用凸球面。柱 状体与底座接触处的结构型式可为上述型式的任意一种，而其结构参数按前述要求设计， 则该结构即成为稳定的倒立摆结构。适当选择结构参数，可使结构具有很低的固有频率。在 柱状体底部或底座上表面设置限制柱状体底部与底座上表面之间有效接触区大小的结构， 如图5所示，有效接触区的直径djc决定了引起柱状体倾倒所需的底座水平位移值。柱状体总 高度大于其重屯、高度，在底座水平位移引起柱状体摆动时，柱状体顶端相对底座的摆幅大 于底座的水平位移。该结构可用于作为地震仪、地动仪的地震动感应部件 如图6所示，底座1放置于水平面内，其上表面中屯、部分为凹球面。为便于加工，柱状体 由都柱下端2和都柱上端4组合而成，其都柱上端4部分套有可上下移动的重屯、调节块3。都 柱下端2底部为凸球面，放置在底座凹球面内。该设备的各参数按前述要求设计，在地面发 生水平震动时将引起都柱摆动。在都柱结构形状及参数存在制造误差时，可用试验的方法， 通过对重屯、调节块3位置的改变调整系统固有频率至很低。调节块3的设置有效降低了对接 触处球面半径加工精度的要求。因都柱杆长大于重屯、高度，都柱上端顶部相对于地面的摆 幅较地面震幅大而易于观测。当地震强度达到设备设定的监测级别，即地面震幅大于设备 设定的倾倒位移值时会引起都柱倾倒作为指示，而对于高频低幅震动则不会引起倒柱警 /J、- 〇
[0015] W上的描述和附图表示了本发明的优选实施例。可W理解，在不背离由所附权利 要求所定义的本发明的原理的精神和范围的条件下，各种增加、变形和替换都应被包含在 本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种具有低固有频率的稳定倒立摆都柱结构，由底座和柱状体组成，其特征在于柱 状体竖直放置于底座上方，柱状体底部与底座上表面的接触型式为：凸球面对平面、凸球面 对凹球面或凸球面对凸球面的接触中任一种： 凸球面对平面的接触型式为:柱状体底部接触处采用凸球面，底座上表面接触处采用 平面;或者:柱状体底部接触处采用平面，底座上表面接触处采用凸球面； 凸球面对凹球面的接触型式为:柱状体底部接触处采用凸球面，底座上表面接触处采 用凹球面;或者:柱状体底部接触处采用凹球面，底座上表面接触处采用凸球面； 凸球面对凸球面的接触型式为:柱状体底部与底座上表面接触处均采用凸球面。2. 根据权利要求1所述的具有低固有频率的稳定倒立摆都柱结构，其特征在于： 当采用凸球面对平面的接触型式时，接触处凸球面半径Rtq大于柱状体的重心高度Hg; 当接触型式为凸球面对凹球面时，接触处凹球面半径Raq大于凸球面半径Rtq，且凹球面 半径、凸球面半径与柱状体的重心高度出满足当接触型式为凸球面对凸球面时，两凸球面半径与柱状体的重心高度Hc满足3. 根据权利要求2所述的具有低固有频率的稳定倒立摆都柱结构，其特征在于适当选 择柱状体底部与底座上表面接触处的球面半径及柱状体的重心高度的数值，使柱状体的微 幅摆动具有很低的固有频率。4. 根据权利要求2所述的具有低固有频率的稳定倒立摆都柱结构，其特征在于柱状体 底部或底座上表面设置有限制柱状体底部与底座上表面之间有效接触区大小的结构。5. 根据权利要求1所述的具有低固有频率的倒立摆地动仪都柱结构，其特征在于柱状 体总高度Ho大于柱状体的重心高度HG。
【专利摘要】本发明涉及一种用于地震仪、地动仪中感应地震动位移的具有低固有频率的稳定倒立摆都柱结构，由底座和竖直放置于其上的柱状体组成。柱状体底部与底座上表面之间为球面对平面或球面对球面的接触。根据本发明方法确定球面半径和柱状体重心高度可使其成为具有低固有频率的稳定倒立摆。本发明提出的具有低固有频率的稳定倒立摆地动仪都柱结构具有结构简单，对弱地震动位移感应灵敏而抗高频干扰震动能力强的优点，并在地震动位移达到设置值时会引起倒柱警示，作为地震动监测仪器的感应部件优于悬锤摆等现有结构。
【IPC分类】G01V1/00
【公开号】CN105487108
【申请号】CN201610004569
【发明人】刘钊, 陈茂林, 朱玉田
【申请人】同济大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月7日