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FAULHABER Drive System Technology (Taicang) Co., Ltd.

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FAULHABER Benelux B.V.

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5656 AE Eindhoven

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步进电机 在宽带地震仪中 检测纳米分子

人类可以飞到月球上,并将探测器发送到太阳系的边缘和以外的地方。但是,人类只能深入地球深处数千米。为了探索行星的内部,我们就要依赖间接的方法。地震学–出自希腊语seismós,意思是大地的震颤–该学科主要研究由大陆板块的运动所引起的震动。对于地球内部所发生的一切可以从它们的传播中找到答案,就像使用超声波来观察胎儿一样。不用仪器就能感觉到的“适度的”地震相对较容易测量。它们的震动强烈,而且信号较为清晰,用灵敏度较低的传感器就能记录下来。

步进电机 在宽带地震仪中 检测纳米分子
步进电机 在宽带地震仪中 检测纳米分子
摆锤保持在平衡位置

当运动强度很小时,记录难度就会加大,例如全世界各个地方所发生的弱地震,都能在海上产生波涛。 对于这种情况,构造简单的传统地震仪毫无办法。它的组成通常包含一个重物–摆锤,它通过一根弹簧悬垂下来。重物上带有一根针,在发生震动时,可以在一卷连续的纸带上绘制曲线。偏移的幅度代表震动的强度–但以纸卷的边界为限。从另一方面看,灵敏度还受到针尖厚度的限制:小于绘制线条宽度的小幅偏移就无法清晰识别。这相当于60dB的动态响应。

一张有18千米宽的纸

为了克服这种限制,大约35年前,在苏黎世的ETH准备论文期间,有志成为地球物理学家的Gunar Streckeisen在Erhard Wielandt的指导之下,发明了一种被称为STS-1的宽频带地震仪。之后,他在Winterthur 创立了Streckeisen AG,以生产这些装置,并将它们销售到全世界。这标志着传统地震仪的时代结束了。Erhard Wielandt是当今现代地震测量技术的奠基人。

步进电机 在宽带地震仪中 检测纳米分子
对心过程结束后,调整砝码的齿就保持在螺钉的夹片之间,而且与之不产生接触。
步进电机 在宽带地震仪中 检测纳米分子

摆锤保持在平衡位置

宽频带地震仪与传统地震仪唯一相同的地方就是摆锤,它用于反映外界的作用力。针已不再需要,尤其是因为它总在画直线。Streckeisen的地震仪能够达到极高动态响应的奥妙在于,它的电磁反馈系统能够保证摆锤始终保持在一个既定的平衡位置。Streckeisen 公司的常务总监Robert Freudenmann介绍说:“它的工作原理类似一台电子天平,跟踪轨迹所需要的纠 正信号同时也是输出信号。运动作用在仪器上的力越大,信号就越强,因而摆锤就始终处在中间位置。” 运用这种测量原理可以达到145dB的动态响应,相当于纸带有18 km宽。

为了记录地球在全部三个维度方向的运动,每台地震仪都有3个摆锤。它们位于同一个圆周上,略有偏斜,彼此之间呈120°分布。它们会根据作用力的方向作出不同反应,从这些差别中,就能计算出空间偏差的三维图像。

十年校衡一次

一旦安装完成后,高精度的机电装置就能自动工作,并且很长时间都不需要人去干预。开始运行之前,地震仪的精确调整和摆锤的平衡极其重要。Robert Freudenmann介绍说:“传统上,地震仪总要朝向东面。为了调整摆锤的平衡,就要调整摆 锤上的移动砝码,直至达到精确的平衡。这个移动砝码是一个带齿的环,可以通过旋转,在轴线方向前后移动。它通过一个与之成直角的螺钉来运动。带齿环和螺钉之间有一个细微的游隙。达到精确平衡后,调整砝码的齿便保持在螺钉的夹片之间,即摆锤可以自由移动。”

步进电机 在宽带地震仪中 检测纳米分子
[Translate to Chinese:] GSN seismic station QSPA at South Pole, Antarctica. The construction of this station required the drilling of boreholes in the ice to the depth of nearly 1000 feet. Photo shows the NSF contracted drillers operating the ice core drill at the QSPA site (~5 miles from the South Pole).

长期可靠

这一过程被专业人员称为“对中”,它是通过由FAULHABER提供的一台配备了16:1行星齿轮传动装置的AM0820。它必须满足这种精密用途的一系列要求:体积和电流消耗要小;运动精确;耐低温,因为在阿拉斯加北部和南极附近都会用到Streckeisen的设备。但最重要的是,它要能够长期保持稳定。Robert Freudenmann说道:“为了进行长期测量,测量位置 就要选在环境条件非常稳定的地方。在极端情况下,摆锤的第一次校衡是在设备投入使用之前,而第二次校衡可能在十年后才会进行。这样的话,电机就必须在长时间没有动作的情况下,能够马上重新启动并精确地完成任务。我们知道,这对FAULHABER的电机来说不在话下。”

充气混凝土舱

并非所有设备都被用来进行长期测量。在所谓的阵列测量中,大量的地震仪就会呈网状分布在特定地区,以记录该地点地下的特殊活动情况。数月或者若干年后,这种测量工作一旦完成,将会将这个测量网移除,并将这些设备转移到下一个测量地点。比如,美国的各个州就是按照这种方式来逐个测量的。不过,在运输过程中无法避免的运动对灵敏的传感器来说不是什么好事。为防止受损,就要用运输锁止装置将运动部件固定。这项任务由Streckeisen地震仪中的第四台电机- 0816P006S直流微电机来完成。Robert Freudenmann强调说:“FAULHABER既能为我们提供步进电机,也能提供微电机,实践证明,它们的品质都极其出色。”

与第一代产品相比,Streckeisen现在所生产的地震仪体积更小,安装也更方便。一种带有管状外壳的新型号可以被放入钻孔中。它的安装仍要靠精细的人工操作来完成。在安装到位之前,部件之间相互配合的精度是无法校核的。因此,每一个传感器都要在防空洞中进行大量的测试,以确保其不会受气压波动的影响,这是最关键的一点。风扇将空气吹入四壁都是混凝土舱内,对其进行“充气”。Robert Freudenmann介绍说:“说来很难相信,但气压的升高确实会改变了舱内的测量条件,哪怕只升高几个纳米。我们的设备能够检测出这个变化。如果设备没有完全密闭,我们就能收到偏移信号。通过这类检测手段,我们就能保证所交付的地震仪的功能完美无缺,并能精确记录地球内部所发生的变化。”

步进电机
AM0820
两相,20 步旋转一圈
数据表
主要参数
直径:
6 ... 66 mm
长度:
9.5 ... 42 mm
步进角(整步):
18 °
保持转矩:
0.25 ... 307 mNm
产品详情

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