数字化力平衡加速度传感器设计与应用

在传统模拟式力平衡加速度传感器技术的基础上,通过改进传感器机械结构、内嵌高精度采集器等方法,设计了1款数字化力平衡加速度传感器。针对传感器中三通道模数转换要求完全同步、高分辨率、高采样率等技术难点,本文选用高精度ADS1294模数转换器,以同1个驱动信号完成三通道同步模数转换,实现低干扰、高分辨率的模数转换;采用高速ARM微处理器对模数转换数据进行大容量数据存储、高速数据通讯、数据处理、波形显示和电源管理;采用高精度线性电源芯片作为可开关控制的高精度电源,实现仪器整机低功耗管理。该数字化力平衡加速度传感器实现了大动态测量范围、三通道同步数据转换、高达1000Hz的采样率,且具有网络通讯接口等功能。     

强震观测用MEMS型加速度计研究

强震观测中记录的加速度时程是城市大型建筑抗震设计的重要依据,为城市抗震设防提供可靠的数据支持。因此,对加速度计在稳定性、线性度、动态范围和直流响应等性能方面有着很高的要求。提出利用静电力反馈控制技术与传感器技术相结合形成闭环力平衡式MEMS加速度计,使之具有良好的低频特性。并采用四阶ΣΔ调制器完成低噪声信号采样,确保其动态范围高于140 dB,完全满足现有强震观测规范对该项指标的要求。     

基于精确权函数的仪器响应失真校正方法与算例

当前,经仪器响应失真校正后,加速度计有效观测频带通常为0至1倍自振频率,这限制了强震仪应用领域的延拓。有鉴于此,本文提出一个基于精确权函数的仪器响应失真校正方法并给出一个验证算例。分析表明:较之现有方法,新方法兼有高精度和高效率的优点,并可以将力平衡式加速度计的有效观测频带至少延拓3倍,对于拓展强震仪的应用领域具有重要意义。     

GOCE引力梯度的频谱分析及滤波

GOCE卫星提供的梯度数据含有非常大的低频误差,如何处理这种误差是GOCE数据处理中最为关键的工作之一.本文根据GOCE卫星的运行情况,首先分析了梯度数据的频率特性,推导了频率与阶次的对应关系;并在此之上,介绍了针对低频误差的滤波方法,即移去恢复和向前向后滤波方法,前者可解决滤波中的低频信号损失问题,后者则主要解决了滤波中的相位漂移问题.最终结果表明:引力梯度的时间频谱与球谐展开中的阶次虽不是一一对应的,但各阶所对应的最大截止频率与阶次却有一定的显式表达.同时也表明,本文所采用的滤波方法是有效的,达到了消除低频误差但保留观测频段信号的目的.     

静电悬浮加速度计在轨质心位置的最小二乘估计

本文使用国内首次搭载飞行的静电悬浮加速度计在轨数据与卫星姿态数据,对加速度计与卫星质心的相对位置进行了估计测量.文中分析得到,在卫星姿态机动时,加速度计的输入加速度主要来自于离心加速度及角加速度引入的线加速度.结合卫星姿态机动时陀螺仪的测量数据,使用最小二乘法对加速度计质心位置的三个分量进行了联合估计.结果表明:质心位置的估计精度达到约6 mm水平,主要受限于卫星平台条件和加速度计测量精度限制.利用本文方法对未来重力卫星任务进行了分析,若使用精度为1×10~(-10)m·s~(-2)加速度计以及2角秒分辨率的星敏感器,可将质心位置估计精度提高至4.6×10~(-6)m水平.     

基于离散时间反馈的闭环MEMS加速度计研究

MEMS加速度计的噪声和线性指标是地震监测应用领域的关键问题,采用闭环力反馈是提高这些性能的有效途径。然而,由于对质量块不需要额外的电极来施加电静力,并且其残余位移会给闭环传递函数带来显著的非线性,从而影响该方法的有效性。因此,本文提出一种基于离散时间反馈的闭环MEMS加速度计,分时完成电容变化检测及静电力反馈,最大程度的减小了反馈信号对检测信号的馈通及耦合。利用开关电容电路中的相关双采样电路噪声消除技术,及电路参数噪声优化,可实现噪声谱密度小于0.5μg/Hz^1/2的微加速度计。     

力平衡加速度计传递函数和标定方法分析

介绍了MBA-30型力平衡加速度传感器的工作原理,通过分析它的机电结构,来推导其传递函数;对标准振动台和标定线圈分别测得的加速度计幅频特性数据进行对比分析.定性的给出了采用标定线圈来标定加速度计幅频特性时的相对误差.     

宽频带超导重力仪的研制进展

本文报道一种构建宽频带高分辨率超导重力仪（SG）的方法.与已商业化的GWR超导重力仪类似,新型超导重力仪同样使用磁悬浮超导检验质量来构建弹簧振子结构,不同的是弹簧振子的固有频率更高,可以有效覆盖地脉动频带.同时,利用基于超导量子干涉器件（SQUID）的位移传感技术,大幅提高了位移传感灵敏度,以保证仪器在测量带宽扩展之后仍具有与GWR仪器相当的测量分辨率,从而实现对时变重力信号与地球背景噪声信号的同时高分辨观测.宽频带超导重力仪核心部件垂向超导加速度计（VSA）的设计、组装和初步测试已经完成.结果表明,加速度计的噪声本底为8 μGal/Hz^1/2@0.1 Hz,实现了对地脉动信号的高分辨率测量.而为了将仪器噪声本底降低到GWR仪器水平,加速度计的固有频率需要进一步减小,该部分参数优化工作正在进行.本文将对垂向超导加速度计的工作原理、结构和测试结果进行详细介绍.     

基于功能试验的加速度传感器性能评价

以二阶系统的动力方程为基础,计算不同固有频率和阻尼比下的传感器功能试验响应,讨论功能试验响应随频率和阻尼比的变化,给出了依据功能试验响应确定传感器固有频率和过冲响应比的计算方法,继而统计回归得到过冲响应比随阻尼比的变化关系式.基于传感器的频率响应分析,讨论阻尼比对传感器的幅频特性和相频特性的影响,认为阻尼比在0.68-0.70范围内传感器具有最佳的幅频与相频特性.最后,以传感器自振特性确定方法及性能评价分析为基础,提出基于功能试验的力平衡式加速度传感器性能评价方法,并通过实例对典型传感器的性能进行评价.     

基于GRACE星载加速度计数据的热层密度反演

本文主要研究了利用GRACE星载加速度计数据反演热层密度.首先联合采用GRACE卫星2007—2009年星载加速度计数据和星载GPS数据进行动力学定轨并同时估计加速度计校正参数,依此对加速度计数据进行了校正.根据Sentman稀薄空气动力学方程计算卫星空气动力系数,对校正后的加速度计数据进行处理,反演得到了该时期沿轨热层大气密度.为分析反演密度的精度,将本文反演得到的GRACE-A卫星沿轨密度与Doornbos的解算结果,以及经验密度模型NRLMSISE00,HASDM模型进行比较分析.统计结果表明,本文反演结果比Doornbos系统性偏大约5%~8%,二者间的标准差(STD,standard deviation)在10%以内,具有较好的符合性.其差异主要是由于采用了不同的加速度标校以及空气动力系数计算策略.本文反演得到的热层密度较HASDM模型表现为正的系统性偏差且幅度在4%以内,而Doornbos的结果较HASDM模型约系统性偏小4%~7%,二者与HASDM模型的标准差均为30%左右.另外,本文反演密度与NRLMSISE00模型之间存在约30%~40%的系统性bias,其STD也在30%左右.     

MEMS型加速度传感器在超高层建筑振动监测中的性能对比测试

为开展MEMS型加速度传感器在超高层建筑振动监测应用中的性能对比测试,选取4种不同类型MEMS型加速度传感器与G1B型力平衡式加速度传感器,将其安装在地王大厦相同测点,对MEMS型、G1B型加速度传感器记录的结构环境振动数据进行时程、频谱和模态频率对比分析,并对其记录的结构地震响应进行时域及频域对比。研究结果表明,不同类型MEMS型加速度传感器仪器噪声均大于G1B型加速度传感器,其中MEMS-I型加速度传感器噪声水平相对较小,与G1B型加速度传感器模态频率识别结果及地震响应监测数据吻合较好,验证了MEMS-I型加速度传感器可较准确地记录到结构强振动响应,适用于超高层建筑日常结构振动监测。     

GRACE卫星关键载荷实测数据的有效处理和地球重力场的精确解算

首先对美国喷气推进实验室（JPL）公布的2007-06-01～2007-12-31时间段内的GRACE Level 1B卫星GPS轨道位置和速度、K波段系统星间速度、加速度计非保守力以及恒星敏感器姿态实测数据对应进行了轨道拼接、粗差探测、线性内插、重新标定、坐标转换、误差分析等有效处理;其次,基于改进的能量守恒法恢复了120阶GRACE地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为25.313 cm;最后,检验了本文地球重力场模型IGG-GRACE的可靠性,同时分析了IGG-GRACE解算精度在低频部分略优于德国波兹坦地学研究中心（GFZ）公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型,而在中高频部分略低的原因.     

Analytical solution for frequency response of equipment in laterally loaded multistorey buildings

An analytical and closed-form frequency response of equipment mounted on multistorey buildings subjected to horizontal ground motion is proposed. In this study, the dynamics of the equipment and the building is expressed as a state-flow graph model, in which the interaction effect between the equipment and the building is considered. Based on the graph model, the analytical results for the frequency response of the acceleration of the equipment and the internal force in the support are derived. One of the advantages of this method is that the closed-form solutions of the frequency response expressed by polynomial form will be easily examined by analytical and numerical computations without complex operation. Moreover, the dynamic of the primary and secondary systems and their dynamic interaction are expressed separately in the derived formula. Thus most of the items in the formula need not be computed repeatedly for different supports of the equipment in design. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

LOCAL SCOUR DEPTH AROUND SPURS IN THE LOWER YELLOW RIVER

1 INTRODUCTION The Lower Yellow River is a suspended river channel bed much higher than the adjacent ground behind the dikes, well known all over the world. The floods flow east into the sea under the constraints of dikes. The safety of the dikes or embankments mainly relies on the protection provided by the river training works that have been constructed and maintained for several thousand years. There are three types of river training works and they are spurs, guide banks, and reve…     

恢复力模型中求突变折点的一种新方法

在结构弹塑性动力计算中,恢复力曲线是一个重要问题。简化的折线型恢复力模型虽然应用简单,计算工作量小,但是有个突出缺点,即存在很多刚度突变点,即折点,这给计算带来麻烦。本文针对这一问题,提出了一种折点处理新方法。利用结构动力学方程和线性加速度法等推导出求解折线型恢复力模型中加载点和卸载点两类折点的计算公式。该公式基于结构动力学方程推导而来,逻辑严密,结果可信,精度有保证。此外,计算突变折点出现时刻,仅涉及结构动力特性等几个已知量,计算简单,不需迭代,计算工作量小。而且加载点与卸载点两类折点的计算公式形式简单又统一,方便编程。     

瞬变电磁测深早期数据的修正

通过时间-频率转换关系,TEM数据可以转换成平面波场测深数据,从而可以对TEM资料进行拟平面波场处理解释.在对瞬变电磁视电阻率数据向平面波场测深视电阻率数据转换时,发现由于瞬变电磁使用晚期计算公式及装置问题,使测深曲线早期数据发生畸变.文中建立了视电阻率曲线进入晚期所满足的关系式,从理论上给出不同情况下瞬变电磁测深视电阻率曲线进入晚期的临界点.以瞬变电磁、大地电磁、CSAMT为例,对大量的模型进行正演计算,对计算结果进行对比分析,建立不同地表电性结构、不同时间延迟情况下,瞬变电磁早期数据误差的校正量板.     

Stability and identification for rational approximation of frequency response function of unbounded soil

Exact representation of unbounded soil contains the single output–single input relationship between force and displacement in the physical or transformed space. This relationship is a global convolution integral in the time domain. Rational approximation to its frequency response function (frequency‐domain convolution kernel) in the frequency domain, which is then realized into the time domain as a lumped‐parameter model or recursive formula, is an effective method to obtain the temporally local representation of unbounded soil. Stability and identification for the rational approximation are studied in this paper. A necessary and sufficient stability condition is presented based on the stability theory of linear system. A parameter identification method is further developed by directly solving a nonlinear least‐squares fitting problem using the hybrid genetic‐simplex optimization algorithm, in which the proposed stability condition as constraint is enforced by the penalty function method. The stability is thus guaranteed a priori. The infrequent and undesirable resonance phenomenon in stable system is also discussed. The proposed stability condition and identification method are verified by several dynamic soil–structure‐interaction examples. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

多维地震输入下首都机场航站楼T3反应谱分析

首都机场航站楼(T3)下部为混凝土和钢混合框架,上部为复杂的双曲面形双层扁网壳,长960 m,宽780 m,为超大体量大跨度复杂空间钢结构体系。本文采用SAP2000有限元软件,对其进行了单维和多维地震输入下的反应谱分析,研究了单维和多维地震输入对构件内力、节点位移和地震总剪力的影响;研究了多维地震输入下地震响应值与按规范地震组合公式计算所得地震响应值的关系;研究了模态提取数目和质量参与系数的关系,CQC法中参与组合的模态数目与结构地震响应的关系。研究表明,采用振型分解反应谱法时,模态频率越高,对结构内力的影响越小,对于对结构影响较小的高频模态,可以忽略其对结构的影响;根据单维和多维地震反应的对比分析,对超大跨度复杂钢结构宜进行三维地震输入的反应谱分析。另外,本文提出了一种新的地震效应组合方法,可替代多维地震反应分析,并弥补现行规范的不足。     

基于“加速度台阵”的近震震相识别方法

本文提出了一种在近震条件下,确定台阵三分向记录图中Pg波震相的初至识别方法,并对美国UPSAR台阵记录到的2003年发生在圣西门(San Simeon)地区6.5级的地震数据进行了Pg波震相分析和识别.分析结果表明,本文提出的震相识别方法是有效的.     

基于经验模式给定热层温度对热层大气密度反演影响的评估

利用加速度计数据反演热层大气密度算法一般需由经验模式给定热层大气温度,进而计算大气阻尼系数C_D.本文基于CHAMP卫星加速度计数据反演得到大气密度,以2008年为例,利用反演得到的热层大气密度循环迭代修正大气阻尼系数C_D,通过对比修正前后密度偏差,评估经验模式给定热层温度对热层大气密度反演造成的影响.结果表明,经验模式热层温度计算偏差对大气密度反演造成的影响小于5%,而且考虑大气成分的改变则进一步降低了这种影响.