近代地震仪DS-3K拆解鉴赏
虎哥2024/06/17地理与地质拆机鉴赏 IP:四川

上一篇介绍了古代地震仪(XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/85978),它的特点是无需电源,但响应频带窄,量程小。现代地震仪还是以摆式结构为主,但通过引入负反馈,使频带和量程都取得根本性的扩展。引入有源负反馈,是地震仪迈入现代的标志。目前较新的仪器已经小型化,并将数字电路集成到一起,插上网线就能用。在地震监测用地震仪领域(也就是除外工程地震仪),较著名的国外供应商有英国GURALP systems公司、瑞士Metrozet LLC、加拿大Nanometrics、美国Reftek systems等。

DS-3K是国产三分向地震计,大约2000年左右投产,是一款刚刚踏入现代地震仪门槛的产品。搜遍全网,除了个别论文提及之外,几乎没有任何资料,唯一已知的参数是带宽20s~30Hz。不过它结构和电路都十分简单,把它开动起来应该问题不大。这里先看看长啥样。

开盖以后可以看到原理十分清晰的电路。

20240617_141137.jpg 20240617_102626.jpg

电源经过一个DC-DC稳压,得到±12V,驱动三块小电路板。

20240617_102438.jpg

三个小电路板各管一个方向。

20240617_102931.jpg

小板套小板,看起来是直插器件断货了。不知是不是这些运放爱坏,

20240617_102640.jpg 20240617_102706.jpg 20240617_102743.jpg 20240617_102731.jpg 20240617_102720.jpg

以下是机械部分,可以看出和经典的浪木摆或者弹簧挂重锤没有什么区别。

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不同之处在于,每个摆上有两部分线圈,其中一个是反馈线圈。长周期地震仪使用线圈是很困难的,因为速度太慢发不出多少电,需要很高增益的放大。

20240617_102622.jpg

该摆存在明显的阻尼,可能存在第三组阻尼线圈。

20240617_102506.jpg

摆动部分和固定部分之间依然采用螺旋线做无应力连接。

20240617_103222.jpg 20240617_103303.jpg

摆通过十字挠性轴(CAFP)与支架联系。

20240617_103257.jpg 20240617_103240.jpg

喜提铝锅一口。

20240617_101535.jpg 20240617_141157.jpg

上集完。

[修改于 3个月3天前 - 2024/07/07 06:16:21]

来自:地球科学 / 地理与地质仪器与装备 / 拆机鉴赏
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~~空空如也
虎哥 作者
3个月22天前 修改于 3个月22天前 IP:四川
933088

以最快的速度照着PCB画了个图,故而电源部分省了,值也懒得抄,元件符号是随便拖出来哪个像就用哪个。

并且可能有很多错。

但大约可以看出,一个线圈的输出经过放大,馈入了另一个线圈。馈入的部分又经放大和差分作为最终输出。

那么其实反馈的多少是不能调的,由元件定死的。那些电位器主要是调零,不能调反馈增益。大板子上还有一个电位器,可能与阻尼有关。摘除该PCB后,摆的阻尼消失。摆上有6根引出线,有一半接地了,剩下三根里面,有两根进这个板子,有一根直接接到外壳连接器上,可能是校准用的。

实测通10V电源后,摆瞬间被磁场固定,用力可以拨动并停留,并在随后的几秒缓慢归位。摇动地震仪,摆几乎不动。

image.png

这的确比英国货宣称的功能简单多了,主打一个过程清晰。

好处是,只要通上电,应该就有三对差分输出表示震动速度,啥都不用管。并且如果坏了什么零件都能几元钱修复。

买了航插还没到,到了以后给通上电,接上示波器,就可以用了。

中集完


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西葫芦
3个月20天前 IP:山东
933129

线圈直接由运放推动的吗?确实有点令人诧异,尤其是这么大的线圈,在不通电的情况下EMF损坏运放的可能性还是有的

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虎哥作者
3个月20天前 IP:四川
933143

的确是OPA234直接推线圈。线圈的电动势与运动速度有关,大幅高频振动就会有比较高的输出,运输中必须锁紧摆锤。天然地震的频率似乎不足以搞坏。

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warmonkey
3个月20天前 IP:广东
933145

挠性加速度计的典型设计

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qiuzheru1
3个月20天前 IP:德国
933151

更新型号的地震计应该有趋势改用电容读出,理论上可能有更高的动态范围。

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苦丁茶
3个月19天前 IP:吉林
933192

我也有一个同款,壳子密封不良漏水电路板腐蚀了

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虎哥作者
3个月11天前 修改于 3个月11天前 IP:四川
933604

时隔两周,终于抽出半个钟头来查找线路对应关系。由于电路十分简单,很快就量清楚了。

与想象一致,线路就是电源,地,三分向差分输出。唯一没想到的是,三个方向校准线圈是串联的,只有一个针脚。毕竟线圈磁场只与电流有关,同时激励没什么问题,只需一个一个测就行了。

20240629_045639.jpg 20240629_045701.jpg

改天有空,把线做出来试试。

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量子隧道
3个月10天前 IP:广东
933605

不明白这种长周期地震仪的反馈线圈为啥用线圈(速度检测)。长周期做速度检测应该灵敏度较低。其实有很多非接触式的直接位置检测手段,电容式,电感式,激光干涉法,超声干涉法,等等等。

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虎哥作者
3个月10天前 修改于 3个月3天前 IP:四川
933609
引用量子隧道发表于8楼的内容
不明白这种长周期地震仪的反馈线圈为啥用线圈(速度检测)。长周期做速度检测应该灵敏度较低。其实有很多非...

正常来说应该用差动电容换能器,这种换能器线性更好,能测绝对位置从而便于自动调零,在外国或者最新的地震仪中较为流行。但电容的读出电路复杂得多,于是可靠性和稳定性也存在一些问题。我国DK1长周期地震仪(固有周期1分钟)也是用的线圈,圈数很多,输出很小,当年也装备了很多台站,说明在1分钟这个级别线圈是可以接受的。顶楼这种就近放大反馈的仪器,线路短,干扰小,应该更长的周期(比如2分钟)也可以使用线圈,并且由于摆几乎不动,不受磁场分布影响,线性问题也就不是问题了。

爱好者玩的话这种地震仪最直观方便。网上有很多便宜的二手短周期反馈地震仪,或许可以提高增益使他的周期变长,只是不知道噪音会变大多少。传统三分向也不需要麻烦的数据处理。外国许多地震仪是120度排列的54度斜摆,如果它自己没有处理成三分向的话,还不太容易玩起来。

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虎哥作者
3个月10天前 修改于 3个月10天前 IP:美国
933610

终于找到这个轴承的资料了。这家就靠这个轴承活着。

他们自己的介绍:

“C-Flex Bearing Co., Inc. 是一家位于纽约州北部的私营小型企业,成立于1988年,但名称不同。1997 年,三家公司合并为 C-Flex Bearing Co., Inc.,专注于一条产品线,即无摩擦轴承。”

他们小到什么程度呢:

“6000 平方英尺(大约相当于600平方米)的制造空间,并有可用的扩建空间。”

attachment icon C-Flex十字无摩擦轴承选型手册.pdf 4.47MB PDF 66次下载 预览

attachment icon C-Flex十字无摩擦轴承设计指南.pdf 1.11MB PDF 39次下载 预览

另一家生产膜片联轴器的厂也有货架化产品:

attachment icon Free-Flex十字无摩擦轴承应用指南.pdf 474.76KB PDF 30次下载 预览

attachment icon Free-Flex十字无摩擦轴承概览.pdf 883.52KB PDF 30次下载 预览

attachment icon Free-Flex十字无摩擦轴承典型数据.pdf 661.06KB PDF 30次下载 预览

问了下国内的代理商,大概相当于每只500元人民币起步吧,图中8mm这种要一千一个。如果买进口货的话,造这玩意儿光轴承就花去五千,不知道批发价能不能降到百元级别。😂

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铅球脑袋
3个月10天前 修改于 3个月10天前 IP:辽宁
933619

用电磁系统,也可能是因为电磁阻尼容易控制。  

被动阻尼的小众材料,国内可能比较落后, 所以只能选电磁阻尼。

既然用了电磁阻尼,那么搭配和他信号范围差不多的电磁读取,也很合乎逻辑。电磁设计一体化成本低,省略了电磁系统之外再附加电容,光电等技术,也降低成本。 

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量子隧道
3个月10天前 IP:广东
933621
引用虎哥发表于10楼的内容
终于找到这个轴承的资料了。这家就靠这个轴承活着。他们自己的介绍:“C-Flex Bearing Co...

这种膜片轴承的膜片是不是不能受压只能受拉?我的意思是,是不是只能单方向受力,不能反过来(膜片会弯折?)?


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虎哥作者
3个月8天前 修改于 3个月7天前 IP:美国
933718

成倒是成了,不过这东西是速度计不是位移计,灵敏度比DD-1还低,不积分的话,在8位示波器上很难兼顾低频和高频。

装连接器

20240702_040855.jpg

另一头接示波器和电源,只接了一个通道

20240702_053230.jpg

轻轻推动桌子

20240702_053238.jpg

感觉不太妙,不过动态似乎比非反馈式发电机大很多,一般中等距离的强震是能测了。

20240702_053224.jpg

然后…居然自激了,这电路设计得…

20240702_053553.jpg

哎哟喂,装这点东西花了一个半钟头…主要时间都花在找原材料了

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永恒之桔
3个月1天前 IP:四川
933984

        最近也玩了下这些东西,其实最简单的可以使用地震检波器加仪放然后再找个24bit的ADC采一下,最终效果还行。4.5Hz的检波器还算便宜。预算充足还可以上2Hz的检波器。不过想观测“远”一些的地震,还是要周期长一点。搜到过一篇论文,通过运放负电阻增加阻尼拓展带宽,不过我还没试过,不知道噪声水平怎么样。


attachment icon 20140572.pdf 5.99MB PDF 46次下载 预览


        其实最有意思的还是有多个观测点,再搞下seedlink协议,这样可以用专业点的地震数据处理软件看波形,可以观察发震传播过程或者出走时图等等。国外有个raspberryshake的产品,国外有很多爱好者买了,可以上官网看实时采到的波。今年国内好像也有爱好者搞了些站台,在B站上面直播。不过在5月份因为某些不可抗力,全部挂了。现在这些地震观测直播的又退化到观察水面晃不晃的原始人状态了,好一点的用日本的数据源直播。所以以上的这些有意思的玩法也统统烟消云散了。

另外推荐一个非常优秀的地质科普视频,可以看到地震成像有什么有意思的用途:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/video/BV1TS4y1X7Yt/


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虎哥作者
3个月1天前 修改于 3个月1天前 IP:四川
933987
引用永恒之桔发表于14楼的内容
        最近也玩了下这些东西,其实最简单的可以使用地震检波器加仪放然后再找个24bit的AD...

我这儿有个2s周期的DS-4A估计永远也不会用了,全新的,你要不要搬去玩下。引脚定义啥的我都有搞出来,±10V差分对可以直接进7606采样卡。

地方性中小震只要传个百来公里,主要能量就有1s左右周期了,远震貌似只有面波频率高点。论文我看了,的确是巧妙的办法,成本比起正经地震计有数量级的降低。

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