CN101201411A - 井下全方位潮汐观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下全方位潮汐观测系统，涉及一种潮汐观测系统。本发明是在地面(A)上的系统主机箱(B)通过传输电缆线(C)与设置在钻孔井护套管(D)内的仪器本体(E)连接；所述的仪器本体(E)的结构是：在本体外壳(10)内，从上到下，包括依次连接的吊装孔(1)、压力弹簧(3)、支撑柱(4)、定向装置(5)、球头关节(6)、电路单元(7)、重力仪(9)、倾斜仪(11)、初置平装置(12)和精密置平装置(13)。本发明将重力仪和倾斜仪一体化，放入井下，在同一位置、同时对垂直向重力固体潮和两方向的水平固体潮进行同步观测，提供可靠、精密和连续的观测数据，也可配上三角底座在一般的山硐中使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种潮汐观测系统，尤其涉及一种井下重力和倾斜固体潮综合观测系统。
背景技术
在行星固体潮研究中，为测量起潮力在某一给定点的分量，必须沿地方参考系的三个轴安置三种仪器，指向天顶的垂线方向安置重力仪，测量起潮力的垂直分量，即重力固体潮；在水平面内的两个水平方向安置倾斜仪，测量起潮力的南北和东西分量，即倾斜固体潮。
目前国内外大都分别以重力仪和倾斜仪观测固体潮的三个分量，这样或多或少地出现在某一给定点上观测了起潮力的垂直分量却忽略了观测起潮力的水平分量，或者情况相反。
重力与倾斜资料在地球科学两个主要领域——大地测量和地球物理中有很多种用途。利用全球分布的精密场固体潮和非潮汐变化资料研究地球动力学问题，是地学重要组成部分，也为地震监测提供依据。
地震前兆观测手段基本上是以硐体观测仪为主，全国已建成数百个硐体台站，为地震监测发挥了积极作用。但由于山洞分布不均，相当多需监测地区没有山，或者有山但开凿山洞费用昂贵，没有条件开凿山洞。形成地震前兆监测空白区，造成布局不够合理。随着科学技术发展，对观测数据的精度要求也越来越高，因此发展井下综合观测技术是地震前兆监测必由之路。众所周知，地震是发生在地球的深部，将仪器放在地下深处，才能更容易收集到地球内部信息。仪器安装在地下几十米以至数千米井下，能有效地克服地表环境因素的干扰，温度稳定，没有山洞中的气流和进人干扰影响，背景噪声小，易提高观测精度，是理想观测环境。仪器占地面积小，对地质条件限制小，不需开凿山洞，对山区没有依赖，可在绝大多数需要监测地方，甚至在海底安装，能在监测海底地震及其引起的海啸中发挥重要作用，可最大限度满足选点的合理性。开凿一个山洞比钻一口钻孔井的费用高出近百倍，而山洞的管理维护费用远远高于钻孔仪器，其经济性好。井下仪器还有布设周期短和易管理等特点。
本发明的技术要点和难点有：
①如何实现弹性系统小型化、高精度及高稳定度。
②如何为仪器提供面板格值常数及在线标定方法。
③解决置平系统分辨力与宽的调整范围问题。
④系统下井的定位和偶合技术
发明内容
本发明的目的就在于解决现有技术存在的上述要点和难点，提供一种井下全方位潮汐观测系统(简称本系统)，不仅经济实用、易于安装布设、信噪比高，又能在同一给定点观测重力和倾斜固体潮，获得可靠、精密和连续的观测数据，满足了地球深部固体潮汐基础研究和地震监测需要。
要求：
①小型化、精密和稳定的弹性系统，实现井下重力固体潮观测；
②分辨力优于0.0002″的二维倾斜传感器，实现井下水平倾斜固体潮观测；
③高辨力(优于0.0001μm)小型差动电容微位移传感器，高稳定信号源以及相关的低噪声、高精度、格值稳定锁相放大器及静电反馈闭环测量系统；
④精密弹性系统控温，耐压、密封、恒温、防电磁屏蔽的仪器主体筒结构，适应井下环境，外部要设计定位调节和偶合锁定机构，满足井下安装与维修要求；
⑤数字化自动和远程控制置平、调摆、标定及数据记录和处理系统，开发总线控制技术及相应软件。
本发明的目的是这样实现的：
1、技术路线
(1)设计采用直径小(150mm左右)的线性平移结构弹性系统重力测项；
(2)采用两个独立的垂直摆结构，传感器为差动电容位移传感器；
(3)重力测量电路采用格值稳定的静电反馈闭环测量系统；
(4)倾斜测量也可采用锁相放大测量技术；
(5)采用隔热密封结构和高精度恒温系统；
(6)面板格值常数采用比测方法提供，在线标定采用静电方法；
(7)系统的置平、调摆采用机电反馈控制系统；
(8)通信采用无线(CDMA、GPRS等)或有线(Internet网络等)方式。
2、具体技术方案
如图1，本发明的结构是：在地面(A)上的系统主机箱(B)通过传输电缆线(C)与设置在钻孔井护套管(D)内的仪器本体(E)连接；
系统主机箱(B)包括电源、数据采集控制器、微型机算计机和通信部分；
如图2，所述的仪器本体(E)的结构是：在本体外壳(10)内，从上到下，包括依次连接的吊装孔(1)、压力弹簧(3)、支撑柱(4)、定向装置(5)、球头关节(6)、电路单元(7)、重力仪(9)、倾斜仪(11)、初置平装置(12)和精密置平装置(13)；
本体外壳(10)的底部设置有锥形定位孔(14)，锥形定位孔(14)和固定在钻孔井护套管(D)底部中央的固连球头(15)连接。
本发明的工作原理是：
仪器本体(E)中的重力仪(9)和倾斜仪(11)分别将垂直向的重力变化量和水平两个方向的倾斜变化量转换成位移变化量；经电路单元(7)，将模拟电压信号变换为数字信号，进行实时数据采集，又经微型计算机接收处理，分别送至显示器进行显示和电子盘存储；也可实时远程通信，将数据经由无线(如CDMA)或有线(如以太网RJ45接口)方式传送至远方的数据中心分析和处理。
本发明具有下列优点和积极效果：
①为地球深部固体潮汐研究和地震监测提供一种新的观测方法；
②小型化重力弹性系统；
③互不干扰的独立垂直摆结构；
④高分辨力电容传感器；
⑤格值稳定的锁相放大及静电反馈闭环测量系统；
⑥系统信噪比和观测精度高；
⑦综合观测经济性好、易安装布设，也适合地震应急监测；
⑧本发明将重力仪和倾斜仪一体化，放入井下，在同一位置、同时对垂直向重力固体潮和两方向的水平固体潮进行同步观测，提供可靠、精密和连续的观测数据。系统也可配上三角底座在一般的山硐中使用。
附图说明
图1是本系统结构示意图，其中：
A-地面； B-系统主机箱； C-传输电缆线；
D-钻孔井护套管； E-仪器本体。
图2是仪器本体结构示意图，外形为圆柱形；其中：
1-吊装孔； B-传输电缆线；3-压力弹簧； 4-支撑柱；
5-定向装置；6-球头关节； 7-电路单元； D-钻孔井护套管；
9-重力仪； 10-本体外壳； 11-倾斜仪； 12-初置平装置
13-精密置平装置； 14-锥形定位孔； 15-固连球头。
图3是重力仪结构示意图；其中：
9.1-变速器； 9.2-调摆电机； 9.3-测量弹簧；
9.4-磁屏蔽罩； 9.5-密封恒温桶； 9.6-上定极片；
9.7-下定极片； 9.8-质量摆； 9.9-调摆螺旋；
9.10-锁摆电机； 9.11-锁摆连接杆； 9.12-管形支架；
9.13-动极片； 9.14-锁摆机构； 9.15-底座。
图4.1是倾斜仪结构图示意图(主视)，图4.2是倾斜仪摆系结构示意图(左视)；
其中：
11.1-绝缘垫块； 11.2-吊丝； 11.3-左定极片；
11.4-摆垂(动极板)； 11.5-上固定板； 11.6-管形支架；
11.7-右定极片； 11.8-锁摆机构； 11.9-底座；
11.10-固定顶板。
图5是精密微位移测量系统原理框图，其中：
7.1-数字振荡器； 7.2-前置放大器； 7.3-选频放大器；
7.4-相敏检波器； 7.5-移相器； 7.6-方波发生器；
7.7-静电反馈器； 9.8-滤波器； 7.9-电容传感器。
图6是精密控温系统原理框图，其中：
7.10-精密稳压器； 7.11-温度测量电桥； 7.12-信号放大器；
7.13-功率放大器； 7.14-加热线圈。
具体实施方式
一、总体布置
如图1、2，由钢缆绳与吊装孔(1)连接，将仪器本体(E)吊起，此时支撑柱(4)处于收缩状态，可以把仪器本体(E)缓慢向钻孔井护套管(D)内放置，传输电缆线(C)也同时往下放，当仪器本体(E)放到钻孔井底部时，这时仪器本体(E)的锥形定位孔(14)与固连球头(15)相连接，并将仪器本体(E)支撑起来，钢缆绳处于了松弛状态，支撑柱(4)也自然张开，将仪器本体(E)紧密地与钻孔井护套管(D)的管壁偶合。
打开系统电源，启动锁摆机构，将两垂直摆倾斜仪的摆垂(动极板)松开，使其处于自由运动状态。等一段时间使机械应力释放后，同时对系统进行加温，当温度经过约24小时加温后，温度基本处于稳定。再对系统进行置平，启动精密置平装置，置平装置会自动的将系统向水平位置调整，即使两个垂直摆的摆位移至零位(两动极板间中心)，此时精密置平装置会自动停止调整。系统置平后便可打开重力仪的锁摆装置，将弹性系统松开，然后打开调摆装置使质量摆上的动片处于零位，调摆装置会自动识别方向和位置，到了零位自动停止调整。上述操作步骤完成后，系统可进入正常工作状态，实时对重力和倾斜的全方位潮汐进行观测。
二.系统主要技术指标：
a、重力分量
分辩力：≤0.1×10-8ms-2
准确度：优于10×10-8ms-2
零点漂移：≤1000×10-8ms-2/月
可调测程范围：≥7,000mgal
b、倾斜分量
分辩力：≤0.0002″
零点漂移：＜0.005″/d
量程：≥±2″。
二、各部件
1、重力仪(9)
如图3，重力仪(9)包括变速器(9.1)、调摆电机(9.2)、测量弹簧(9.3)、磁屏蔽罩(9.4)、密封恒温桶(9.5)、上定极片(9.6)、下定极片(9.7)、质量摆(9.8)、调摆螺旋(9.9)、锁摆电机(9.10)、锁摆连接杆(9.11)、管形支架(9.12)、动极片(9.13)、锁摆机构(9.14)、底座(9.15)；
其位置及连接关系是：
调摆电机(9.2)和变速器(9.1)连接，变速器(9.1)和调摆螺旋(9.9)连接，调摆螺旋(9.9)和测量弹簧(9.3)连接，测量弹簧(9.3)和动极片(9.13)连接，动极片(9.13)与质量摆(9.8)连接；锁摆电机(9.10)和锁摆连接杆(9.11)连接，锁摆连接杆(9.11)和锁摆机构(9.14)连接。
上、下定极片(9.6、9.7)和动极片(9.13)均为圆片形；
变速器(9.1)为多级齿轮减速结构；
调摆电机(9.2)和锁摆电机(9.10)均为直流减速电机；
密封恒温桶(9.5)为绕有加热丝的铝桶制成。
重力仪(9)工作原理是：
本重力仪(9)的弹性系统采用了质量平移式线性结构，属弹簧类重力仪，其基本原理是利用弹性力来平衡重力。当重力场发生变化，对挂在测量弹簧(9.3)下的质量摆(9.8)的引力发生变化，测量弹簧(9.3)的长度也相应发生变化。测量弹簧(9.3)的平衡方程为Mg＝fx。式中M为质量摆(9.8)的质量，g为重力加速度，f为测量弹簧刚度系数，x为测量弹簧(9.3)的拉伸长度。由测量弹簧(9.3)的平衡方程式可导出重力仪变化时弹簧的相对伸长量：dx/x＝dg/g。由于重力加速度的变化很小，弹簧的相对伸长量也很小，质量平移式线性结构没有机械放大，因此须有一个高精度的测量微位移系统，测量质量摆(9.8)的位置变化。重力仪(9)精度为1μGal时，弹簧的工作长度为x＝100mm，dx＝100×(dg/g)＝100×10-9mm＝0.0001μm。从而确定了测微器的精度必须优于0.0001μm。
高精度的测微系统采用三片式差动电容位移传感器，上、下定极片(9.6、9.7)与支架(9.12)连接固定，但相互保持绝缘；动片(9.13)的上端与测量弹簧(9.3)连接，下端与质量摆(9.8)连接，当重力场发生变化时，使得动片与定片间的距离发生微小的变化，由数字振荡器给上、下定极片(9.6、9.7)加稳幅和稳频10KHz左右的基准信号，传感器构成交流电桥，距离的变化转换为电容量的变化，再又转换为交流电压的变化，经前置放大、选频放大、移相器、锁相放大器的放大变为直流信号，静电反馈电路将这一摆位偏移信号再积分放大加到上、下定极片(9.6、9.7)上，迫使动片(9.13)回到中心位置，这时静电反馈力等于重力的变化值，另一路则经滤波为重力输出信号。采用静电反馈闭环测量系统，消除弹性系统滞后影响，提高系统的观测精度及其格值稳定度。
重力仪(9)测定重力变化的前提是测量弹簧(9.3)的弹性必须高度稳定，为了满足万分之一微米测量精度，弹性系统的测量弹簧(9.3)稳定度必须达10-9，因此需要一个高精度的恒温系统来保证弹性系统的稳定性，对恒温精度提出须达0.0001℃要求。弹性系统、测量系统和恒温控制系统构成了重力仪的三个主要部分，这三部分的性能指标决定着重力仪的性能。设计时须围绕如何提高这些技术指标及保证其稳定可靠进行，满足重力(垂直向)固体潮测量。
2、倾斜仪(11)
如图4.1、4.2，倾斜仪(11)包括绝缘垫块(11.1)、吊丝(11.2)、左定极片(11.3)、摆垂(动极板)(11.4)、上固定板(11.5)、管形支架(11.6)、右定极片(11.7)、锁摆机构(11.8)、底座(11.9)、固定顶板(11.10)
其位置及连接关系是：
由两个相同的垂直摆(11.4)，方向相差90度上下层结构叠加而成；垂直摆底座(11.9)和管形支架(11.6)连接，管形支架(11.6)和固定顶板(11.10)连接，固定顶板(11.10)和绝缘垫块(11.1)连接，绝缘垫块(11.1)和上固定板(11.5)连接，上固定板(11.5)和双扁平吊丝(11.2)连接，吊丝(11.2)和摆垂(11.4)连接。
左、右定极板(11.3、11.7)和动极板(11.4)均为长方形；
锁摆机构(11.8)由直流减速电机和螺杆等组成。
倾斜仪(11)工作原理是：
垂直摆倾斜仪运用摆的铅垂原理。垂直摆由管形支架(11.6)、吊丝(11.2)和摆垂(11.4)三部分组成。垂直摆在没有振动的条件下处于铅垂状态，当发生倾斜变化时，垂直摆平衡位置发生变化，摆垂(11.4)和管形支架(11.6)之间的相对位置发生变化，摆垂(11.4)本身构成电容式位移传感器的动极板，左、右定极片(11.3、11.7)与管形支架(11.6)的底座(11.9)连接，相互之间保持绝缘，摆系将倾斜的角度变化转换为位移的变化，因此电容位移传感器的动极板与之间的左、右定极片(11.3、11.7)间距也相应地发生变化(一边增加、另边减小)，其关系有：Δψ＝206265×(Δd/l)，式中Δψ为倾斜角度，单位为角秒(″)，l为摆长，它由悬挂点上固定板(11.5)到摆垂(动片)(11.4)的重心的距离，Δd为摆垂(动片)(11.4)的相对位移量。通过传感器转换成电信号并加以放大，就可将摆垂(动片)(11.4)的微小位移转换成电信号。由于地倾斜的相对变化量很小，摆的相对偏移量也很小，因此必须有一个高精度的测微系统，测量摆垂(动片)(11.4)的位置的变化。高精度的测微系统与重力仪类似，分辨力优于0.0001μm，采用相关接收技术的锁定放大器，经滤波输出倾斜信号，使得倾斜测量分辩力优于0.0002″。满足倾斜(水平向)固体潮测量。
3、电路单元(7)
电路单元(7)包括精密微位移测量系统、精密控温系统和锁摆、调摆控制电路；
精密微位移测量系统与重力仪(9)的上、下定极片(9.6、9.7)和动片(9.13)进行信号连接；
精密微位移测量系统与倾斜仪(11)的左、右定极片(11.3、11.7)和摆垂(动极板)(11.4)进行信号连接；
精密控温系统与重力仪(9)的密封恒温桶(9.5)连接。
在运输和安装时，为了系统摆系安全不受损，重力仪(9)和倾斜仪(11)均配有锁摆装置。重力仪为满足全球测程需要，配有调摆装置，系统配有倾斜置平装置。电路单元(7)的锁摆、调摆控制电路与锁摆电机(9.10)、调摆电机(9.2)、锁摆机构(11.8)、精密置平装置(13)等控制信号连接。
(1)精密微位移测量系统
如图5，精密微位移测量系统由数字振荡器(7.1)的一路依次连接电容传感器(7.9)、前置放大器(7.2)、选频放大器(7.3)、相敏检波器(7.4)；另一路依次连接移相器(7.5)、方波发生器(7.6)、相敏检波器(7.4)；
再由相敏检波器(7.4)到静电反馈器(7.7)，积分后一路再回到电容传感器(7.9)，另一路连接滤波器(9.8)；
或者由相敏检波器(7.4)直接与滤波器(9.8)连接。
倾斜仪和重力仪的测量系统基本相同。倾斜仪的测量系统也可无需静电反馈器(7.7)，直接由相敏检波器(7.4)连接滤波器(7.8)输出倾斜信号。
上述部件均为常用部件。
(2)精密控温系统
如图6，精密控温系统由依次连接的精密稳压器(7.10)、温度测量电桥(7.11)、信号放大器(7.12)、功率放大器(7.13)、加热线圈(7.14)、温度测量电桥(7.11)所组成。整个测量系统恒温结构有多层不同的温阶控温系统所构成。
上述部件均为常用部件
4、其它部件
如图2，吊装孔(1)、压力弹簧(3)、支撑柱(4)、定向装置(5)、球头关节(6)、初置平装置(12)、锥形定位孔(14)和固连球头(15)均为常用部件。
精密置平装置(13)由两套互为垂直的蜗轮、蜗杆和置平电机等组成。
Claims (6)
1.一种井下全方位潮汐观测系统，包括主机箱(B)，由电源、数据采集控制器、微型机算计机和通信部分组成；
其特征在于：
在地面(A)上的系统主机箱(B)通过传输电缆线(C)与设置在钻孔井护套管(D)内的仪器本体(E)连接；
所述的仪器本体(E)的结构是：在本体外壳(10)内，从上到下，包括依次连接的吊装孔(1)、压力弹簧(3)、支撑柱(4)、定向装置(5)、球头关节(6)、电路单元(7)、重力仪(9)、倾斜仪(11)、初置平装置(12)和精密置平装置(13)；
本体外壳(10)的底部设置有锥形定位孔(14)，锥形定位孔(14)和固定在钻孔井护套管(D)底部中央的固连球头(15)连接。
仪器本体(E)中的重力仪(9)和倾斜仪(11)分别将垂直向的重力变化量和水平两个方向的倾斜变化量转换成位移变化量；经电路单元(7)，将模拟电压信号变换为数字信号，进行实时数据采集，又经微型计算机接收处理，分别送至显示器进行显示和电子盘存储；也可实时远程通信，将数据经由无线或有线方式传送至远方的数据中心分析和处理。
2.按权利要求1所述的一种井下全方位潮汐观测系统，其特征在于：
重力仪(9)包括变速器(9.1)、调摆电机(9.2)、测量弹簧(9.3)、磁屏蔽罩(9.4)、密封恒温桶(9.5)、上定极片(9.6)、下定极片(9.7)、质量摆(9.8)、调摆螺旋(9.9)、锁摆电机(9.10)、锁摆连接杆(9.11)、管形支架(9.12)、动极片(9.13)、锁摆机构(9.14)、底座(9.15)；
其位置及连接关系是：
调摆电机(9.2)和变速器(9.1)连接，变速器(9.1)和调摆螺旋(9.9)连接，调摆螺旋(9.9)和测量弹簧(9.3)连接，测量弹簧(9.3)和动极片(9.13)连接，动极片(9.13)与质量摆(9.8)连接；锁摆电机(9.10)和锁摆连接杆(9.11)连接，锁摆连接杆(9.11)和锁摆机构(9.14)连接。
3.按权利要求1所述的一种井下全方位潮汐观测系统，其特征在于：
倾斜仪(11)包括绝缘垫块(11.1)、吊丝(11.2)、左定极片(11.3)、摆垂(动极板)(11.4)、上固定板(11.5)、管形支架(11.6)、右定极片(11.7)、锁摆机构(11.8)、底座(11.9)、固定顶板(11.10)；
其位置及连接关系是：
由两个相同的垂直摆(11.4)，方向相差90度上下层结构叠加而成；垂直摆底座(11.9)和管形支架(11.6)连接，管形支架(11.6)和固定顶板(11.10)连接，固定顶板(11.10)和绝缘垫块(11.1)连接，绝缘垫块(11.1)和上固定板(11.5)连接，上固定板(11.5)和双扁平吊丝(11.2)连接，吊丝(11.2)和摆垂(11.4)连接。
4.按权利要求1所述的一种井下全方位潮汐观测系统，其特征在于：
电路单元(7)包括精密微位移测量系统、精密控温系统和锁摆、调摆控制电路；
精密微位移测量系统与重力仪(9)的上、下定极片(9.6、9.7)和动片(9.13)进行信号连接；
精密微位移测量系统与倾斜仪(11)的左、右定极片(11.3、11.7)和摆垂(动极板)(11.4)进行信号连接；
精密控温系统与重力仪(9)的密封恒温桶(9.5)连接。
5.按权利要求4所述的一种井下全方位潮汐观测系统，其特征在于：
精密微位移测量系统由数字振荡器(7.1)的一路依次连接电容传感器(7.9)、前置放大器(7.2)、选频放大器(7.3)、相敏检波器(7.4)；另一路依次连接移相器(7.5)、方波发生器(7.6)、相敏检波器(7.4)；
再由相敏检波器(7.4)到静电反馈器(7.7)，积分后一路再回到电容传感器(7.9)，另一路连接滤波器(9.8)；
或者由相敏检波器(7.4)直接与滤波器(9.8)连接。
6.按权利要求4所述的一种井下全方位潮汐观测系统，其特征在于：
精密控温系统由依次连接的精密稳压器(7.10)、温度测量电桥(7.11)、信号放大器(7.12)、功率放大器(7.13)、加热线圈(7.14)、温度测量电桥(7.11)所组成。
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