[發明專利]陣列式電化學反饋地震計

有效

• 申請號: 201610882711.5
• 申請日: 2016-10-10
• 公開（公告）號: CN106526659B
• 公開（公告）日: 2018-08-14
• 發明（設計）人: 楊大鵬;孫語濃;周曉華;冷云峰
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01V1/18
• 分類號: G01V1/18
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

本發明涉及一種陣列式電化學反饋地震計，屬于地震觀測領域。包括電化學換能陣列、多流道腔體、敏感液體、彈性密封膜、電路系統及反饋電機，所述的電化學換能陣列由多個平面陣列的電化學換能單元組成；所述的多流道腔體內有與電化學換能陣列相對應的多個流道；所述的電路系統包含檢測電路、運算電路及控制電路；所述的反饋電機與控制電路的輸出相接，對地震計進行力反饋控制。基于本發明提出的一種陣列式電化學反饋地震計能夠同時測量三個彼此正交的單分量平動及二分量轉動地震信號，并對平動信號進行了轉動傾角校正。

技術領域

本發明涉及地震觀測領域，特別涉及一種陣列式電化學反饋地震計，用于天然地震觀測。

背景技術

電化學地震計是最近十年發展起來的一種新型地震傳感器，采用液體作為慣性質量體，并通過電化學電極檢測液體在流道內的運動信息來表征外部的地震動。相比較于傳統固態慣性體地震計，液態慣性體地震計不但具有增益倍數大、靈敏度高、低頻特性好等優點，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。

電化學地震計分為平動分量及轉動分量兩種類型地震計，圖1、圖2為電化學地震計的原理示意圖，其中，圖1為平動分量，圖2為轉動分量。四支惰性金屬電極B被放置在充滿可逆氧化還原反應的敏感液體流道中，電極之間由多孔絕緣網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的離子濃度梯度。當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。平動分量與轉動分量地震計的結構區別主要體現在平動分量流道的兩端采用彈性橡膠膜密封，而轉動分量則采用封閉的環形流道。現有平動電化學反饋地震計測量單元的組裝結構示意圖，由惰性電極和多孔隔離網組成的電化學換能器是整個電化學地震計的核心器件，電化學換能器垂直置于敏感液體流道內部，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運動。電化學反饋地震計引入了力平衡反饋控制技術，可擴展電化學地震計的頻帶寬度及動態范圍，圖3為現有電化學反饋地震計的系統控制流程圖。其中，H₁為液體速度對地面速度的傳遞函數；H₂為電化學換能放大電壓對液體運動速度的傳遞函數，H₆為平動輸出反饋環節的傳遞函數。合理設計的反饋函數H₆可使地震計的輸出電壓正比于地面的運動速度。

大量震害調查及研究結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動分量，地震動的轉動分量有時甚至會成為對某個建筑物破壞的主要因素，如1894年日本Shonai地震時鐘樓的扭轉破壞；1897年印度Assam地震中20m高的方尖碑的扭轉破壞；1971年San-Fernando地震中，地震動水平和轉動耦合作用導致了橋梁的垮塌；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的不斷成熟，地震動的轉動分量觀測逐漸受到重視。鑒于轉動分量的重要性, 歐洲已將地震動轉動荷載納入建筑物的設計規范《EC8.1.EN 1998-1 Eurocode8》和《EC8.6.EN1998-6 Eurocode8》。

目前，能同時記錄地震平動及轉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的轉角速度；另一種是同時布設平動及轉動地震計。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，造成地震監測點的地震計采購及布設施工成本翻倍。