CN103017794A - 测试水管倾斜仪传递函数和灵敏度的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试水管倾斜仪传递函数和灵敏度的系统及其方法，涉及地震观测技术。本系统的结构是：从上到下，第一钵体、微位移发生装置和基岩左端依次连接；第二钵体设置在基岩右端上；第一钵体、连通管和第二钵体依次连接构成水管倾斜仪；反射镜设置在第一钵体中，传感器设置在第二钵体中；干涉镜支架和激光干涉仪底座分别设置在基岩上，干涉镜设置在干涉镜支架上，激光干涉仪设置在激光干涉仪底座上；干涉镜与反射镜在一条铅垂线上，激光干涉仪的激光发射方向对准干涉镜。本发明用激光干涉仪进行测试，精度高，可与国家标准传递；用阶跃响应法测试传递函数，操作方便，测试效率高；适用于连通管式倾斜仪。

Description

测试水管倾斜仪传递函数和灵敏度的系统及其方法

技术领域

本发明涉及地震观测技术，尤其涉及一种测试水管倾斜仪传递函数和灵敏度的系统及其方法。

背景技术

地倾斜观测的目的是研究地壳形变垂直的相对运动和固体潮汐的动态变化，是地壳形变学科不可缺少的一个重要组成部分。倾斜仪观测为地球固体潮汐、地壳岩石性质及地球参数等提供科学实验数据。

水管倾斜仪由第一钵体、连通管、第二钵体、浮子、传感器和记录器组成。其基本原理是根据连通管内水面保持自然水平的原理。当连通管两端地基出现相对垂直位移时，两端液面便会相对于仪器钵体发生变化，这种变化，通过浮子、位移传感器等变成电信号输出自动记录。为了增加地壳形变的信噪比，通常情况下，在台站中安装的水管倾斜仪都有一定的长度（通常在10米以上），这就导致仪器检定难度很大。同时，水管倾斜仪是一种高分辨力高精度的观测仪器，观测分辨力能够达到（10^-7～10^-11）量级，以往还没有合适的检测手段对该仪器经行检测。随着科学技术的发展，水管倾斜仪在全国台网中的数量越来越多，迫切需要一种方法来检测水管倾斜仪的各项重要指标，包括：灵敏度和频率范围等。

用于地壳形变观测的水管倾斜仪的传递函数和灵敏度是倾斜仪最为重要的参数之一。为了测试这两个参数，理论上可以使用阶跃响应法、正弦波测试法和振动台测试法等各种方法。但由于水管倾斜仪的仪器基线长、信号频率很低，正弦波测试法和振动台测试法都不适用于仪器的检测，唯有阶跃响应法是测试水管倾斜仪传递函数以及灵敏度最为简便有效的方法。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种测试水管倾斜仪传递函数和灵敏度的系统及其方法，从而获取水管倾斜仪的观测频率范围和格值，进而使水管倾斜仪的观测结果与国家标准溯源。

本发明的目的是这样实现的：

用微位移装置产生一个合适大小的阶跃信号来模拟水管倾斜仪所观测到的地面运动。由于阶跃信号是一个连续频谱的宽频带信号，可以激发仪器的频率响应。通过记录水管倾斜仪在阶跃信号作用下的响应曲线，通过系统识别，可计算出仪器的传递函数。由于阶跃信号的激励，仪器随之发生倾斜，水管倾斜仪输出量随之变化，激光干涉仪则测定仪器钵体内水位的变化，由此可计算倾斜仪的灵敏度。

一、测试水管倾斜仪传递函数与灵敏度的系统（简称系统）

本系统包括连通管、微位移发生装置、激光干涉仪、干涉镜、反射镜、第一钵体、第二钵体、传感器、干涉镜支架和激光干涉仪底座；

从上到下，第一钵体、微位移发生装置和基岩左端依次连接；第二钵体设置在基岩右端上；第一钵体、连通管和第二钵体依次连接构成水管倾斜仪；

反射镜设置在第一钵体中，传感器设置在第二钵体中；

干涉镜支架和激光干涉仪底座分别设置在基岩上，干涉镜设置在干涉镜支架上，激光干涉仪设置在激光干涉仪底座上；

干涉镜与反射镜在一条铅垂线上，激光干涉仪的激光发射方向对准干涉镜。

二、测试水管倾斜仪传递函数和灵敏度的方法

本方法包括下列步骤：

①水管倾斜仪实时采集地倾斜数据，激光干涉仪实时采集水管倾斜仪一端浮子的垂直向相对位移；

②通过微位移发生装置产生脉冲信号；

③水管倾斜仪响应步骤②中的脉冲信号，产生倾斜量；

④水管倾斜仪一端的传感器响应到步骤③中倾斜量，水管倾斜仪输出倾斜过程；

⑤激光干涉仪响应到倾斜量后，输出水管倾斜仪另一端浮子的垂直向相对位移；

⑥读取水管倾斜仪记录的倾斜过程数据，依据最小二乘法对数据进行识别，得出水管倾斜仪的传递函数；

⑦读取激光干涉仪和水管倾斜仪的数据，计算得出水管倾斜仪的灵敏度。

本发明具有下列优点和积极效果：

①用激光干涉仪进行测试，精度高，可与国家标准传递；

②用阶跃响应法测试传递函数，操作方便，测试效率高；

③适用于连通管式倾斜仪。

附图说明

图1是本系统的结构示意图。

图中：

0—基岩；

1—连通管；

2—微位移发生装置；

3—激光干涉仪；

4—干涉镜；

5—反射镜；

6—第一钵体；

7—第二钵体；

8—传感器；

9-干涉镜支架；

10—激光干涉仪底座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、系统

1、总体

如图1，本系统包括连通管1、微位移发生装置2、激光干涉仪3、干涉镜4、反射镜5、第一钵体6、第二钵体7、传感器8、干涉镜支架9和激光干涉仪底座10；

从上到下，第一钵体6、微位移发生装置2和基岩0左端依次连接；第二钵体7设置在基岩0右端上；第一钵体6、连通管1和第二钵体7依次连接构成水管倾斜仪；

反射镜5设置在第一钵体6中，传感器8设置在第二钵体7中；

干涉镜支架9和激光干涉仪底座10分别设置在基岩0上，干涉镜4设置在干涉镜支架9上，激光干涉仪3设置在激光干涉仪底座10上；

干涉镜4与反射镜5在一条铅垂线上，激光干涉仪3的激光发射方向对准干涉镜4。

2、功能部件

1）连通管1

连通管1是一种玻璃管，连接第一钵体6和第二钵体7，使液体能够自由流动。

2)微位移发生装置2

微位移发生装置2是一种通用的可提供微米级位移量的装置。

3)激光干涉仪3

激光干涉仪3是一种通用的测试装置。

通过激光在反射镜5和干涉镜4之间的传递，并将发射光与反射光同时送入激光干涉仪3形成干涉条纹，以此来测量反射镜5与干涉镜4之间的距离。

4)干涉镜4

干涉镜4是一种具有分光和反射光线功能的光学部件。

5)反射镜5

反射镜5是一种具有反射光线功能的光学部件。

6)第一钵体6

第一钵体6是一种储水容器，并通过传感器检测水面高度的变化。

7)第二钵体7

第二钵体7是一种储水容器，并通过传感器检测水面高度的变化。

8)传感器8

传感器8是一种电涡流传感器，检测水管倾斜仪水位的变化量。

9）干涉镜支架9

干涉镜支架9

是一种支架，支撑干涉镜4。

10）激光干涉仪底座10

激光干涉仪底座10是一种底座，支撑激光干涉仪3。

3、工作原理

将水管倾斜仪的两端第一钵体6和第二钵体7分别安装在微位移发生装置2和基岩0上，调整仪器水平。将反射镜5放置在第一钵体6的浮子内部，镜面朝上。在浮子上方通过支架9设置干涉镜4。调整干涉镜支架9和激光干涉仪底座10的高度使激光干涉仪3和干涉镜4处于同一水平面，调整干涉镜4的位置使激光干涉仪3发射的激光通过干涉镜4后折射到反射镜5，激光经反射镜5反射后进入干涉镜4，然后激光经干涉镜4反射到激光干涉仪3，在激光干涉仪3内形成干涉条纹。

利用微位移发生装置2给第一钵体6施加一个合适大小的阶跃信号，这个阶跃信号使得第一钵体6发生垂直向的位移改变，这个改变使仪器产生阶跃式倾斜变化，保持这个状态5～8分钟，用高速数据采集器记录水管倾斜仪传感器端相应的输出数据，根据阶跃响应的数据进行系统识别，计算出仪器的传递函数。

灵敏度测试同传递函数的过程类似，利用激光干涉仪3可检测第一钵体6内水位的阶跃变化量，除以连通管长度，可得水管倾斜仪的倾斜角度。灵敏度为测量仪器响应的变化除以对应的激励变化。因此，将水管倾斜仪的输出量除以倾斜角度，即可得到灵敏度的一次测量结果。由仪器输出电压变化量除以倾斜输出变化量求得，即得到水管倾斜仪灵敏度的一次测试结果。多次测试求平均值得到水管倾斜仪的灵敏度。

二、方法

1、步骤⑥：测试传递函数

给微位移发生装置7加入大小合适的阶跃脉冲，并保持这个状态5-8分钟；阶跃脉冲的大小应在仪器响应范围内尽可能地大；这个脉冲会使微位移发生装置7的高度发生快速改变，这个改变使钵体6产生一个阶跃式倾斜变化，根据阶跃响应的数据，即可计算出仪器的传递函数。

传递函数计算根据摆式倾斜仪1的结构原理，其传递函数可以用二阶传递函数来近似描述。

其数学模型可用式（1）来表示

$F\left(s\right)=\frac{K{\mathrm{\ω}}_n^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}---\left(1\right)$

式中：

ω_n—无阻尼振荡频率（自然频率）；

ξ—相对阻尼系数；

K—放大倍数；

S—复数变量。

二阶系数的时间响应取决于ω_n和ξ两个参数。相对阻尼系数ξ不同，得到的单位阶跃响应也不同。实际测试是根据仪器的阶跃响应记录数据来求取ω_n、ξ，从而得到不含增益K的二阶传递函数的表达式。

按下列步骤进行数据处理：

①对测试数据进行归一化处理

将测试数据处理为单位阶跃响应曲线。

②最小二乘法拟合计算

通过单位阶跃响应公式计算出理论的阶跃响应数据曲线，用该理论曲线对归一化数据进行拟合；通过改变理论曲线ξ和ω_n的值，用最小二乘法求出两者之间的残差；当拟合残差的均方根值小于0.001时，即认为该理论曲线与测试数据重合，则该理论曲线的参数ξ、ω_n的值就是测试数据的ξ、ω_n值；将ξ、ω_n的值代入式（1），得到仪器的归一化传递函数表达式。

2、步骤⑦：测试灵敏度

灵敏度测试同传递函数的过程类似，利用激光干涉仪3可检测钵体6垂直向阶跃量，除以水管长度，可得钵体6倾斜角度。灵敏度为测量仪器响应的变化除以对应的激励变化。因此，将水管倾斜仪钵体6的输出量除以倾斜角度，即可得到灵敏度的一次测量结果。多次测量求平均值即可得到水管倾斜仪的灵敏度。

微位移发生器2使钵体2发生垂直增量变化，水管倾斜仪因此随之发生倾斜，水管倾斜仪的输出量随之变化，激光干涉仪3则测定钵体6的垂直位移变化并按照式（2）计算倾斜量：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_i=\frac{\mathrm{\ΔL}}{H}\mathrm{\ρ}---\left(2\right)$

式中：

ΔH—激光干涉仪8读数，单位：m；

L—倾斜平台2的基线长度，单位：m；

ρ—角秒与度转换系数，取206265。

灵敏度由水管倾斜仪输出电压变化量Δy_i除以倾斜变化量Δα_i求得。灵敏度及平均值按式（3）（4）计算：

单次测量的灵敏度：

Δb_i＝Δy_i/Δα_i   （3）

灵敏度平均值：

$\stackrel{\‾}{b}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i---\left(4\right)$

式中：

b_i——第i次测试的仪器灵敏度；

n——测试的重复测量次数。

Claims (2)

1.一种测试水管倾斜仪传递函数和灵敏度的系统，其特征在于：

本系统包括连通管（1）、微位移发生装置（2）、激光干涉仪（3）、干涉镜（4）、反射镜（5）、第一钵体（6）、第二钵体（7）、传感器（8）、干涉镜支架（9）和激光干涉仪底座（10）；

从上到下，第一钵体（6）、微位移发生装置（2）和基岩（0）左端依次连接；第二钵体（7）设置在基岩（0）右端上；第一钵体（6）、连通管（1）和第二钵体（7）依次连接构成水管倾斜仪；

反射镜（5）设置在第一钵体（6）中，传感器（8）设置在第二钵体（7）中；

干涉镜支架（9）和激光干涉仪底座（10）分别设置在基岩（0）上，干涉镜（4）设置在干涉镜支架（9）上，激光干涉仪（3）设置在激光干涉仪底座（10）上；

干涉镜（4）与反射镜（5）在一条铅垂线上，激光干涉仪（3）的激光发射方向对准干涉镜（4）。

2.基于权利要求1所述的测试水管倾斜仪传递函数和灵敏度的系统的测试方法，其特征在于包括下列步骤：

①水管倾斜仪实时采集地倾斜数据，激光干涉仪实时采集水管倾斜仪一端浮子的垂直向相对位移；

②通过微位移发生装置产生脉冲信号；

③水管倾斜仪响应步骤②中的脉冲信号，产生倾斜量；

④水管倾斜仪一端的传感器响应到步骤③中倾斜量，水管倾斜仪输出倾斜过程；

⑤激光干涉仪响应到倾斜量后，输出水管倾斜仪另一端浮子的垂直向相对位移；

⑥读取水管倾斜仪记录的倾斜过程数据，依据最小二乘法对数据进行识别，得出水管倾斜仪的传递函数；

⑦读取激光干涉仪和水管倾斜仪的数据，计算得出水管倾斜仪的灵敏度。

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