德州塑料箱(「电子DIY」水锤地震仪)

Posted 2023-05-26

篇首语：不为外撼，不以物移，而后可以任天下之大事。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了德州塑料箱(「电子DIY」水锤地震仪)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

德州塑料箱(「电子DIY」水锤地震仪)

水锤式地震仪的主要部件是一根18英尺长的装满水的管子。如果那根管子沿着它的长度来回移动（比如说，由于地震），末端的压力就会上下跳动。如果你还没有遇到水锤效应，在一段很长的管子里注满水，并在一端用拇指密封。现在突然把管子从你身上移开。水会从你的拇指周围喷出。你的拇指必须加速整个长度的水，以“跟上”管道和水是沉重的东西，所以压力相当高。假设你的管内直径为18磅/平方英寸（假设这个直径为1/8磅/平方英寸）的竖直管会产生6磅/平方英寸的压力。

遥远的地震不会引起太大的移动，但一个非常灵敏的压力传感器可以在足够长的管道中检测到由此产生的压力变化。无需借助昂贵的压力传感器或极长的管道，一个简单的地震仪就可以制造出具有相当高灵敏度的仪器。其主要特点是结构简单，但相对较高的频率响应对检波器实验也很有趣。MPX10DP的价格足够便宜，可以考虑用10个这样的阵列为求和放大器供电。这可能看起来像是一个严肃的工具。这是一个加速度传感器，你可以添加一个积分器来获得速度，但是低频噪声看起来可能会压倒积分器-有足够的实验空间。

上图说明了这个简单的装置。把水管放在一个平坦且非常平坦的表面上，远离风和天气，可能是地下室地板或爬梯空间。它需要与地球紧密接触，否则结构物的运动会压倒整个系统。它也应该是合理的水平。管道的远端有一个弯头和一英尺的垂直管道。我把我的放在水泥墙上，让它保持垂直，但是用几个煤渣砖也可以。除了紧挨在MPX10DP压力传感器接头上的一小段挠性管外，管道的工作端是密封的。我只是在一个PVC端盖上钻了一个合适的孔，然后用“管道工粘胶”把管子粘在适当的位置上。把管子里的空气全部排出，用弹簧夹把管子夹紧，把管子的远端抬离地面一两英尺，然后把管子灌满水（包括垂直部分）。过一段时间，所有的空气都会从管子里排出。摇动它，轻敲它不会受伤的。软管将连接到MPX10DP端口，靠近销4（销1有一个槽口），但重要的是要将空气从该端口和挠性管中排出。

为了让空气从传感器的压力侧排出，我用玻璃吸管和电话（或网络）电缆的一段绝缘层制作了一个特殊工具：

我剥去了实心铜线上的绿色绝缘层，但这次我是在寻找绝缘层。我把得到的绿色小管子粘在化学吸管的末端。有很多方法可以做到这一点；你只需要一根细管就可以将水深入传感器的腔室。保持传感器垂直（不是照片中的水平）用水冲洗试验箱，确保绝缘管靠近腔室底部。在喷水的同时把管子取下来。当你做完的时候里面应该没有空气。最后一步，在连接挠性管之前。从挠性管的末端取下夹子，让一点水喷出以除去空气。现在，棘手的部分是：保持传感器垂直，从上面把管子放下，让水从上面喷出来，当你把两者配对时。你应该有信心，里面没有空气。其实没那么难，但有几次我不得不从头开始。另外，你可能是在黑暗的爬行空间里做的。还有一件事，一旦你用一种令人满意的方式把管子固定在传感器上，用粘粘胶或类似的快速凝固胶将它粘在适当的位置上，我们在锥管后面使用细的电缆扎带。我无法告诉你，当你试图离开的时候，却不小心用脚把它拉下来，这是多么令人沮丧。我把我的传感器安装在一个厚塑料箱里，只有两个乳头伸出，这就阻止了我使用细电缆扎带固定管子，因为我无法到达锥形管的背面。在我的安排中，电缆扎带只是把管子从接头上挤下来。所以你可以挖一个更大的洞让更多的传感器突出。你可以看到水会四处飞溅，所以最好把传感器安装在一个塑料盒子里，然后用水管工的胶粘物密封起来，以保持电子设备的干燥。另一个接头连接到管子上，管子与某种充气管相连；我用的是一根旧的花园软管。这根软管回到远端，几乎关闭了系统。从下一个垂直管段移除多余的水。我拿着一段透明的管子放在垂直部分的旁边，测量插入到肘部上方多远的地方，把它插入管子里，吸出多余的水。管子的清洁使我在一口之前就停止了吮吸。：）加上一点漂白剂，在垂直部分粘上几英寸长的花园软管。不要使它成为一个气密的密封件，这样空气压力就会慢慢平衡，在花园的软管周围流血。我的第二根花园软管不容易装进管子里，所以我用粗砂纸把它磨细了；那些白色带蓝色条纹的RVs软管很适合。

以上版本使用德州仪器公司的INA217放大器。有一个100欧姆的增益电阻和一个75欧姆的电阻串联在一起-就这样。我在-15VDC和5VDC之间放置了100个uF电容器。放大器由-15伏供电，传感器由5伏供电。我使用网络连接器和电缆来分配电源和信号，因此使用黑色RJ45插孔。我把它放在里面与索环密封电缆，因为我有一个腐蚀问题与以前的设计。回想起来，最好是在电缆上焊接，并将连接器放在电缆远端靠近第二个放大器（远离所有水）的地方。请注意，我没有把任何电感器或电阻串联在5伏电源中来清理它；V/F是比率测量的，它希望它“看到”与传感器相同的噪声。比率抵消超过40分贝，但只有当V/F和压力传感器的电压相同时。我的第一个版本使用了AMP04，这也是一个很好的选择。它在一个5伏电源上运行，并提供了添加滤波电容器的规定：

INA217的原理图与此类似，但不使用0.47 uF电容器，将增益电阻器更改为100欧姆，将针脚4连接到-15伏，将针脚7连接到15伏（将盖接地）。针脚5和传感器针脚1接地，传感器针脚3与旁通盖连接至5伏。传感器最好在与V/F相同的5伏电压下运行，以利用电源噪声的比率抑制。我添加了一个75欧姆的电阻串联INA217的输出只是为了稳定。

在AMP04版本中，如果需要，将2k更改为1k，以获得100的增益。无论如何，实验室里还需要更多的收获。

请注意：让第一个放大器增益为100会有放大器过载的风险，因此请确保直流输出电压在2或3伏左右，或至少在放大器的摆动范围内。如果你的水管偏移量过大，或者你的转换器偏移量过大。只需通过增加增益电阻来降低增益。实际收益并不特别重要。或者简单地用某种垫片来升高或降低装有传感器的小盒子。盒子相对于水管的高度不同。最好在第一个放大器处增加接地和输出的测试点，这样你就可以在爬行空间里看到它的工作情况。

有任何数量的放大器，你可以使用包括一个自制的差分放大器使用普通运算放大器。我发现传感器的噪声远高于电路噪声，精度也不需要。因此，昂贵的放大器可能是过度使用和一个简单的4电阻运算放大器差分放大器可能是好的。当使用AMP04时，您可能希望省略0.47 uF，因为传感器的带宽似乎惊人地高。它使用频谱实验室制作了一个非常好的检波器：

（显示0到50赫兹）我可以看到附近公路建设的各种低频信号（我假设是这样），使用频谱实验室从几赫兹到10赫兹不等。还有一个频率为13赫兹的共振带，可能就是附近的公路桥。它显示了各种各样的“精细结构”，也许是在汽车和卡车交叉的时候。

这是另一张深夜拍摄的13Hz“共振”特写图像，显示了有趣的结构，我敢打赌，这是穿过长桥的交通：

垂直虚线相隔5分钟。如果您对检波器实验感兴趣，只需将声卡连接到第一个放大器的输出。声卡应该有足够的灵敏度而没有额外的增益；新的声卡有各种各样的麦克风增益控制。我用了“次声转换器“所以我可以看到非常低频的活动，它也有一个增益阶段。

我已经做了两个这样的，在这里他们是在一个爬行空间直角放置。两个PVC管道的末端。一根花园水管是绿色的，另一根是带蓝色条纹的白色水管。照片上方的装置就是现在正在使用的装置。

现在你回到了舒适的实验室，是时候为地震工作增加另一个阶段的增益了。这是一个很低的频率限制。我用一个4uf薄膜电容器串联输入10兆欧到一个虚拟地作为偏置，给出一个只有4毫赫兹的低频3dB角或40秒的时间常数。这些值并不重要，您可以背靠背使用两个10uf的电解液来避免极性问题。我想在这个地方戴一顶胶卷帽。40秒足够慢，可以看到所有的地震活动。它的速度也很慢，以至于在第一次通电时启动速度非常慢，所以要有耐心；你可以在10兆欧上加一个按钮开关来快速启动。增益应该在100左右，可以通过改变引脚1和引脚6之间的10k来改变。我已经建立了这个交流放大器有一个0.5伏特的零点，这是0-1伏特输入的1/2刻度，0-30千赫V/F，它将驱动。这为零值提供了15 kHz。我用PicAXE计算大约133毫秒，中心值在2000左右。称之为2048，它可以被认为是4096的1/2，这是12位的分辨率。我已经建立了一个大约3赫兹的低频衰减。

这是我的交流放大器阶段：

注意：在我的手机上，我把1兆欧从引脚6降低到引脚7到470k，以获得接近48的增益。

比率12位A/D

为了收集数据，请随意使用任何方便的技术，包括便宜的dataqdi-145（注：在设备列表中选择“DATQ155”以使DI-145正常工作。），甚至是非常简单的用于Amaseis的廉价数据记录器“但下面的转换器非常棒，大多数热心的实验者手头上都有零件。内部有三个模块，包括PicAXE、时钟发生器和比例电压频率转换器。每个模块如下所述。

左边的黑色接口是PicAXE串行连接的立体声插头，底部的银色单声道插头是来自电源适配器的5伏直流电，香蕉插孔是模拟输入。PicAXE板在左上角，上面只有三个部分（电源旁路实际上在下面的时钟板上）。V/F在右边。

我正在使用一个名为Amaseis还有一个相关的新程序叫做jAmaseis它是用来绘制地震数据的，就像机械“螺旋钻”一样，它使用的是用绘图纸包裹的大圆桶。由于大多数日子里没有活动，但地震可以覆盖其他痕迹所占的空间，所以这些图被紧密地堆放在一起。这是一种显示相对罕见事件的有效方式，几乎是直线的小时线变成了水平网格线。如果你可以让Amaseis在windows7或10上运行（还没有尝试过），我推荐Amaseis，但是基于Java的jAmaseis肯定会运行，而且目前它是受支持的。我只是喜欢原来的界面和显示，我在XP上使用它。

上面启用PicAXE的V/F以每秒6个数据点的速率向计算机发送串行数据。Amaseis需要的是COM端口号，它将绘制这些数据点。我用PicAXE编辑器发现了COM端口，并将该值用于Amaseis。这真的就这么多了。这是一个Amaseis图，首先显示0.5伏到1伏的电压阶跃（阶梯式），然后是DDS合成器发出的0.002赫兹正弦波。这是使用30千赫V/F和6赫兹晶体时钟驱动更快（更新）毕加索08M2。数据以6赫兹的频率和12位的分辨率发送到Amaseis程序。V/F输入可以降低到0伏，并且轨迹从图的底部消失。随着时间的推移，这部分情节会慢慢显现出来。对于这样的情节来说，这真是一个很好的解决办法。

当使用Amaseis时，将它的增益设置为至少20（我现在使用的是35）。这将确保地震可以填满整个屏幕。增益太低，当“大一号”命中时，轨迹会被截断。如果记录道太嘈杂或太敏感，请降低交流放大器的增益。另外，尝试激活Amaseis中的滤波器，将高频限制设置为10赫兹，低频限制设置为0.05赫兹。记住单击单选按钮激活过滤器菜单和更高级别的Helicorder菜单中的过滤器。

PicAXE 08M2（8针）微处理器用于计数30 kHz V/F脉冲，并以每秒6次的速率将结果发送到Amaseis程序。PicAXE原理图非常简单，因为它使用与编程相同的串行连接来发送数据。（新计算机没有串行端口，因此需要串行到USB适配器。）我更改PicAXE时钟速度，将波特率设置为9600（当使用sertxd命令时），我告诉Amaseis数据采集器是一种叫做“SEPUK1”的东西

这不是一个非常复杂的电路！不要因为涉及“微处理器”而回避这个问题。这些东西简单易用。把它们想象成你通过把程序粘贴到编辑器中并点击“程序”来“创建”的自定义集成电路，你可以在程序区域上贴些纸，根本看不到代码。：）其实比你想象的要容易得多。串行输入、串行输出和接地连接到USB/串行加密狗进行编程和数据采集。

很多命令都假设时钟速度是4MHz，但是我在32MHz和8MHz之间切换时钟，所以一些功能会被加速（比如“暂停”和“计数”）。只需复制下面的程序并将其粘贴到PicAXE编辑器、comments和all中：

主管道：	这是“主”程序。名字后面加上冒号就像旧的Qbasic days中的行号，是“去”的地方
setfreq m32	；这将微处理器的内部时钟速度设置为32兆赫-这是“主”程序所做的全部
计数器：	我把这个部分称为“计数器”是有明显原因的
计数21200，w0	；对输入2（引脚5-go图）上的脉冲计数150毫秒，需要比133毫秒时钟脉冲宽度长一点
setint %00000010,%00000010	；这将中断设置为正极性的输入1（引脚6）——这个命令不明显，但有明确的记录
暂停1000	；这将等待125毫秒，但中断终止此暂停，将值设置为结束（完成）
转到计数器	；返回“计数器：”在中断后立即发生，因为中断将暂停值设置为结束
中断：	；这是检测到中断时运行的子程序。这个名字不是武断的。
setint off	；关闭中断-我们已经被打断了，请给我一点时间-可以说不是“必要”来做。
setfreq m8	；将时钟速度调低到8MHz，以便Amaseis满意波特率。告诉Amaseis你用的是“SEPUK1”
sertxd (#w0,13,10)	；使用sertxd命令发送count、回车和换行；您使用相同的串行端口进行编程。
w0=0	；将计数变量w0重置为零。
setfreq m32	；将时钟调回32兆赫
返回	；从中断返回

PicAXE试图计数150毫秒（1200毫秒*4兆赫/32兆赫）的脉冲，但在计数时，时钟电路在133毫秒时停止V/F。这使晶体控制时钟电路控制PicAXE计数的时间。（将PicAXE计数窗口设置为150毫秒，可确保计数继续超过V/F停止的点，从而不会错过任何脉冲。）V/F停止后约17 mS产生一个中断脉冲。当中断发生时，计数值被发送到计算机并复位。这发生得很快，在下一个时钟周期开始之前。程序中的“暂停”是一个“等待的地方”，在那里操作停止直到中断发生。我利用了这样一个事实：一个中断在中断之后将这种暂停设置为结束；暂停被强制执行，程序立即开始一个新的计数。

您可以在下图中看到操作。黄色的轨迹是6赫兹的时钟，你可以看到它是如何通过NPN晶体管（底部的红色轨迹）打开和关闭V/F的。二极管和电路产生大的蓝色脉冲，在V/F停止后很好地中断PicAXE，在时钟脉冲的一半，因为这很容易用和二极管产生。中断程序读取计数，并在中断后不久将数据发送到计算机（短脉冲的绿色污点是串行数据）。你可以看到串行通信在下一个计数窗口之前就完成了。这6毫秒的时间足够将count设置回零并重新激活count函数。V/F仍然选通关闭，因此在黄色脉冲再次下降之前不会发生计数。因此，晶体控制的黄色脉冲完全控制计数窗口，而不是不稳定的PicAXE内部振荡器。

这是一个简单的6赫兹时钟，它将在80%的周期内开启V/F，大约133ms（上面是活跃的低黄色轨迹）。这个6赫兹的信号与V/F的“停止”输入相关联，当该线变高时，停止转换器。大约17毫秒后，中断线变高，导致PicAXE将脉冲计数发送到串行端口，然后重置计数。这一切都发生在下一个计数周期之前，当6赫兹线再次下降时。我通过使用两个二极管来执行AND功能，避免了使用另一个IC。你会注意到我实际上用的是锗二极管。：）普通硅二极管应该可以正常工作，但肖特基二极管将提供一个低电压低逻辑电平，而不是它所需要的。

请注意，我叠放了4510，因为它们有很多共同的引脚连接。我还连接了未使用的编程引脚，但这些也可以被剪短。上面的“6赫兹”输出连接到下面的“停止”输入。

比率式V/F转换器

看慢一点的特殊数据记录器有关此类型V/F的详细信息。

这种新的电路输出0至30KHz为0至1V的输入，非线性度约为0.02%，无需调整150k线性电阻器（30千赫x.02%=6赫兹，偏离预期值）。它在“过电压”输入时表现良好，输出60 kHz，输入电压为2伏，同时仅显示0.07%的非线性（仍与典型的3位数仪表一样好）。调整150k将改善这一点。（我在原型机上调整了150k，增加了4.7k，在30kHz的范围内非线性度低于0.01%）。请记住，在12位分辨率下，0.02%小于1位。

它的独特之处在于它只需要一个5伏的电源，并且使用普通部件。运算放大器的输入和输出应为“轨对轨”，设计为在5伏电压下工作。MPSA18很重要，所以要避免替换；我从来没有遇到过一个合适的替代品来提供这种性能。但是，坦率地说，你需要知道0.02%地震的峰值吗？：）得到表演只是一种乐趣。对于PNP，选择与2N4403相同芯片的晶体管，因为该芯片的饱和电压温度系数几乎为零。2N4401一点也不重要。电容器需要是1000 pF COG（NPO）类型或其他非常稳定的类型，如云母；不要使用普通陶瓷类型。如果环境温度变化不大，聚酯薄膜（聚酯薄膜）就可以了。从MPSA18发射极到地面的15k设置了转换器的增益。

最终，这个电路将由一个平均输出频率接近15kHz的偏置到0.5V的放大器驱动。这将是一个“超慢”交流放大器，对慢地震作出反应，但在几分钟内平均输出0.5伏。PicAXE将对脉冲进行计数，并以每秒6次的速率将数据发送到Amaseis程序，分辨率为12位。6 Hz时钟将通过“停止”输入启用V/F，持续80%的6 Hz周期，约133 mS。因此，如果满标度频率为30.72 kHz，最大计数将为30720 x 0.1333=4096（12位）。简单地告诉Amaseis“偏移量”在2048年左右。

对于较慢的应用程序，我更喜欢使用V/F，因为它在整个测量间隔内平均输入；不需要平均数百个测量值来减少噪声。它有一个比例响应，是完美的压力传感器和其他设备的输出与励磁电压成比例。轻微的非线性是“平滑”的，在整个范围内平缓分布，没有突然的间断；V/F自然是单调的。这个特殊的电路是“开环”的，所以没有反馈引起的抖动；考虑到最高速度，低频稳定性令人惊讶。

坦白时间：我对进入第一个放大器的电源线有干扰，所以我添加了一个100欧姆的电阻与5和一个15000伏的接地电阻（黑色电容器）。这真的很好，但它确实消除了我吹嘘的音频“比例”消除。但是比率相消对地震产生的频率仍然有效。不管怎样，更高频率的信号都会消失。

这是我的第一个“抓捕”

你可以在Amaseis图上突出显示一个有趣的轨迹，然后点击“extract Seisma”就可以得到上面的一个图。光标可以四处移动以读取精确的值，并且可以将绘图时间拉长。我真的很喜欢这个程序非常长的图表记录，当发生什么事情时需要相当快的数据速率。

这是一个典型的Amaseis图，显示了一次小地震。注意整个情节中的“小故障”。这些都是由于爬行空间的温度变化导致水管移动造成的。在这个特殊的方位，我不得不举起管子清理一些木板，我只用了几块砖。显然我需要更好的支持技巧。试着把烟斗直接放在地上。

今天我在墨西哥捕捉到了一场地震，与预期的最大灵敏度方向成直角。这个传感器是“指向”加利福尼亚，但它并没有遇到任何困难，监测到这次地震。

这是2015年10月10日俄克拉荷马州一次4.4级小地震的另一次记录（与上面的多路径图像相同）。插图显示了它相对于其他痕迹的外观。右边的图来自德克萨斯大学的“真实”地震仪。水锤式地震仪虽然没有那么灵敏，但它可以看到相当小的地震。我认为U.T.地震仪是一个垂直传感器，而我的是水平的，可以“指向”东西方，这似乎并不重要。看到一个遥远的弱地震和一管水是相当令人兴奋的。: )

下面的图片让我吃惊。上图是水锤地震仪，下图是德克萨斯大学的“真实”地震仪。我的很明显是水平感应，而他们的是垂直的，所以他们不希望有同样的表现，但我从来没有期望能够更好地看到小地震与我！如果我把增益调大到和背景噪音相等，差别就更明显了。

上述第一次地震发生在2015年12月13日协调世界时1时57分。

就历史而言：

我用LTSpice计算了预期的灵敏度（参见文件). 如果速度足够快，大约0.5Hz或更高，我可能很容易看到0.33um/s的变化。这是一些地震仪的一个完整的小分区。（传感器似乎在250 nV p-p左右漂移）低于该频率时，来自传感器的噪声更高。在0.1赫兹时，我很难看到1微米/秒。充其量。

以下是使用AMP04的第一个版本：

这个项目的创意

V/F和PicAXE与Amaseis相结合构成了一个良好的长期数据采集系统，具有相当快的每秒6个样本的测量速度。PicAXE程序可以修改为以较慢的速度将数据发送到电子表格中，以用于其他实验，如SIDs监控。有许多便宜的方法来测量12位的电压，但是V/F在测量间隔内给出了一个完美的平均值，而近乎完美的单调响应使得高分辨率测量成为可能。将V/F连接到现代高分辨率计数器会产生令人惊讶的好结果，特别是当V/F工作在满量程的一小部分时。这个30kHz的版本只需将计数窗口延长到2秒，就可以获得16位的分辨率。