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地震仪

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地震仪
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地 震 仪薛 兵2014年 12月地 震 仪• 地震仪是记录地面运动的仪器,由地震计(拾震器)和记录器构成。• 地震计:基于摆的惯性原理• 技术发展– 尽可能记录更小的地面振动信号– 尽可能记录真实的地面振动信号模拟地震仪伍德 本特点:• 机械杠杆放大• 光杠杆放大• 电流计放大• 电子放大• 记录地面运动位移放大倍数: 1500—2000(水平)150—200(垂直) 放大倍数: 2800数字地震仪数字地震仪 = 宽频带、大动态反馈地震计 + 高分辨数字化记录器330 笔绘记录(熏烟、墨水)• 照相记录• 模拟磁带记录数字记录:• 在台站进行模拟数字转换• 在线存储、离线存储• 硬盘、光盘、磁带等• 动态范围大、波形失真小• 按指定比例绘图• 数字滤波等后续处理技术地震仪的放大能力机械杠杆放大光杠杆放大电流计放大地震仪放大倍数的提高,经历了机械杠杆放大、光杠杆放大、电流计放大、电子放大几个阶段,直到电子放大技术的应用才很好地解决。机械摆对地面运动的响应自振频率观测地面运动位移观测地面运动加速度观测量与观测频带动圈换能地震计电流计电流计 +地震计地震计自振频率电流计自振频率积分特性阻尼 位移– 机械放大地震仪– 录器中有积分电路)• 速度– 采用动圈换能器的地震计– 各种宽频带反馈地震计• 加速度– 各种力平衡加速度计部分地震计、地震仪的幅频特性观测频带速度计的幅频特性加速度计地震波频谱剪切震源的地面位移(左)和速度(右)的震源谱自由振荡地震面波地核地幔非均匀性各向异性全球地震活动性地方地震活动性近地震波勘探体波现代地震学的频率范围,以及有关研究对象的带宽和动态范围。标准术语和定义• 地震仪 :记录地面运动(位移、速度、加速度)的仪器。• 模拟地震仪 :以模拟量记录地面运动的地震仪。• 数字地震仪 :以数字量(数字数)记录的地震仪。• 长周期地震仪 :固有周期大于 90以记录全球范围地震的各种长周期地震波。• 短周期地震仪 :工作频带的低频端在 1频端在 200 宽频带地震仪 :工作频带的低频端在 频端在 200 甚宽频带地震仪 :工作频带的低频端在 频端在 200 超 宽频带地震仪 :工作频带的低频端小于在 频端在 200准术语和定义• 强震动加速度仪 :记录地震产生强地面运动的加速度的仪器。• 微震仪 :用于记录微、小地震的仪器。• 井下地震仪 :将地震计或将地震计和数据采集器安装在地下钻井中进行地震观测的专用地震仪。• 流动地震仪 :用于地震现场考察等监测前震和 /或余震以及震群等活动,或为某个特定的、临时性的地震观测而使用的轻便型地震仪器设备。地震计 的技术指标• 地震计技术指标分类• 关于地震计测量能力的主要指标• 地震计技术指标分类– 技术性能类技术指标: 灵敏度 、线性度和失真度、 测量范围 、 动态范围 、 频率特性 、 传递函数 、 噪声 、三轴正交性、标定常数、灵敏度温度系数、传递函数温度系数、摆锤零漂及其温度系数。– 功能类技术指标:摆锤零位监测功能、开锁摆功能、零点调整功能、标定控制功能、内部温度监测功能、供电电压监测功能等。– 环境适应性指标:工作温度范围、储存温度范围、抗运输冲击能力、环境湿度适应能力等。– 其它指标:地震计的供电需求、防雷击能力、电连接器描述等。 描述地震计测量能力的主要指标测量范围 自噪声:决定了地震计的测量下限。• 由于地震计噪声与频率有关,采用噪声功率谱密度能够客观地描述地震计的噪声性能,通常采用加速度功率谱来描述。 限幅电平(满量程):决定了地震计的测量上限。• 很多地震计的限幅电平在 10mm/ 动态范围:用分贝表示的测量上限与下限之比,是一个无量纲的数值。• 对于短周期地震计,测量下限可采用 120时可用限幅电平(或最大不失真正弦波的有效值)与噪声有效值之比来计算动态范围,使用有效值之比更好,但数值上要小 3分贝。• 对于宽频带地震计,动态范围这个量有很大的局限性。往往只取某些频点的测量限来计算动态范围。 描述地震计测量能力的主要指标 测量范围的图形化表示 用加速度功率谱密度表示限幅电平、噪声、 制在一张图中,并用不同线型或颜色区分,采用双对数坐标,纵轴以分贝表示时, 0 用 1/3倍频程带宽的速度有效值表示限幅电平、噪声、 H z/2kk )2(A 22m a x 将限幅电平在频点 )2(a  算为分贝表示: 描述地震计测量能力的主要指标频率特性 幅频特性• 归一化频率特性:将频带中心某个频点的幅值规定为 1的相对表达 相频特性 传递函数:频率特性的解析表达• 归一化传递函数:将频带中心某个频点的传递函数幅值规定为 1的相对表达频率特性的图形化表示幅频特性相频特性 描述地震计测量能力的主要指标 灵敏度 地震计输出电压与地动速度之比。• 不同频点的灵敏度有差异 ——幅频特性。一般在 15别是 应于海洋噪声的峰值,有利于采用对比观测法检验两台或多台宽频带地震计灵敏度的差异 。线性动态系统和传递函数• 线性动态系统的概念• 傅立叶变换与拉普拉斯变换• 线性动态系统传递函数• 离散时间系统• 线性、时不变离散时间系统的传递函数线性动态系统的概念• 动态系统(即时系统,无记忆系统)• 线性系统– 叠加性– 放大性• 时不变特性• 时不变线性动态系统的特征– 微分特性– 因果性傅立叶变换如果 f(t)在区间( 0, ∞)上满足狄利克里条件(即 f(t)存在有限个间断点和极限值),并且积分 收敛(或称 f(t)绝对可积),则为 f(t)的傅立叶变换。并有式中 ω为角频率,傅立叶变换建立了时域和频域的对应关系。   )()( ( ),0()0(),()(21在连续点在间断点拉普拉斯变换 0)()( )(21)(正变换逆变换线性动态系统传递函数11101110)()()(对于一个稳定的线性动态系统,它的传递函数可以用一个有理分式形式的函数来表达:传递函数的分子多项式的根称为它的零点,分母多项式的根称为它的极点。传递函数零点、极点的分布表征了系统的动态特征。一个稳定系统的传递函数的非实极点和非实零点可能成对出现,互为共轭复数,极点位于 = 22 2  时间离散信号:模拟信号经过采样后的序列• 离散时间系统:将输入序列变换成输出序列的一种运算• 时不变系统:系统的变换关系不随时间变化• 线性性质:满足叠加原理• 因果性:系统 ()((序列 x(n)的 不变离散时间系统的传递函数)( )()()(用常系数线性差分方程来表示系统的输入输出关系:当系统初始状态为零时,取 统的传递函数为:()1()(传递函数的零极点表达:离散时间线性时不变系统的传递函数完全由它的零点、极点及常数 于一个稳定系统,其极点应全部位于 递函数示例)(图为线性相位系统;下图为最小相位系统。械摆传递函数的 激响应不变法– 摆的自振频率: 20摆的阻尼: 采样率: 200001111 22 1 6 0 06)(   9 7 7 54 2 4 7 7 7 9 6.9 j2 0 0 0 01   线性动态系统传递函数的表达方式• 根据线性动态系统传递函数计算频率特性• 线性时不变离散时间系统传递函数的表达方式• 根据线性时不变离散时间系统的传递函数计算频率特性线性动态系统传递函数的表达方式示例: ()()()(()( 52512424123231222212121122m 式中, K=1000Vs/m, m=1020, 21=42122, 32=52=119422。常数项 零 点 极 1023 0 点表达:根据线性动态系统传递函数计算频率特性已知系统的传递函数 H(s)可以直接令 s=(s)来计算频率特性:  )()(f 2)( )(a r g 频特性:线性时不变离散时间系统传递函数的表达方式z(10)()( ()()( )(a r g 频特性:传递函数校正• 传递函数校正– 将地震计的周期、阻尼校正到标称值• 仪器响应扣除– 将地震计周期、阻尼的影响转移到可用频带之外• 校正滤波器传递函数202002212112/4/4/4/4)(2020022212112210 /4/4/4/4)()()()(  2211221111)( 2 7 3 221  0 0 2 7 7 3 2 7 3 22 222  9 9 9 9 2 7 0 01 . 9 9 9 9 2 7 z 1 9 9 9 2 7 0 2 71 . 9 9 9 2 7 z 1)(  H1(s)H2(s)HS(z)仪器响应扣除滤波器传递函数:传递函数仿真• 用宽频带数字记录仿真   1 5 7 9 71 5 7 9 22 3    21121 121 1)(21()(        1 5 7 9 72 6 4 9 222   21121 121 1)(21()(     • 用宽频带数字记录仿真 9 7 2221  222  9 7 2 7 222
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