CN103063125A - 伸缩仪传递函数测试系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伸缩仪传递函数测试系统及其方法，涉及地震观测技术。本系统包括激光干涉仪、干涉镜、反射镜、微位移发生装置、伸缩仪基线和固定底座；微位移发生装置、固定底座和伸缩仪基线的支架分别设置在同一水平面的基岩上；反射镜设置在微位移发生装置上；干涉镜和激光干涉仪分别设置在固定底座上；反射镜与干涉镜设置在同一水平面上；激光干涉仪的发射光线对准干涉镜的中心。本发明用激光干涉仪进行测试，精度高，可作为国家长度测量标准；用阶跃响应法测试传递函数，操作方便，测试效率高；适用于各类基线式伸缩仪。

Description

伸缩仪传递函数测试系统及其方法

技术领域

本发明涉及地震观测技术，尤其涉及一种伸缩仪传递函数测试系统及其方法。

背景技术

伸缩仪是一种精密测量地壳岩体两点间水平距离相对变化的仪器，由伸缩仪基线、传感器和记录器组成。

适用于观测地壳应变和固体潮水平分量的连续变化，为研究地震孕育过程的水平应变的变化规律提供数据，也为地球弹性研究提供重要数据。

因此，伸缩仪是我国地壳形变台网中一个重要组成部分，目前已有近百套仪器在台网中运行。

伸缩仪观测分辨力非常高（10^-7～10^-11）。由于它的分辨力极高，长期以来缺乏检测的技术和设备，一直是以观测资料反映出的相关数据作为衡量仪器的标准，而未能直接地准确地给出仪器的基本性能指标：分辨力、准确度、动态范围和频率范围，因此使这类仪器的观测量缺乏量值可比性。

用于地壳形变观测的伸缩仪的传递函数是伸缩仪最为重要的参数之一。为了测试传递函数，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。由于伸缩仪有基线较长（通常都在10米以上），以及它所观测的频率非常低等特点，正弦波测试法和振动台测试法都不适用于伸缩仪的测试。阶跃响应法是测试伸缩仪传递函数最为简便有效的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种伸缩仪传递函数测试系统及其方法，从而获取伸缩仪的观测频率范围。

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伸缩仪所观测到的地面应变，在阶跃信号的作用下，伸缩仪的响应则为其频率响应；通过记录伸缩仪对阶跃信号的响应输出数据，再对数据进行系统识别，可计算出伸缩仪的传递函数。

一、伸缩仪传递函数测试系统（简称系统）

本系统包括激光干涉仪、干涉镜、反射镜、微位移发生装置、伸缩仪基线和固定底座；

微位移发生装置、固定底座和伸缩仪基线的支架分别设置在同一水平面的基岩上；

反射镜设置在微位移发生装置上；

干涉镜和激光干涉仪分别设置在固定底座上；

反射镜与干涉镜设置在同一水平面上；

激光干涉仪的发射光线对准干涉镜的中心。

二、伸缩仪传递函数的测试方法（简称方法）

本方法包括下列步骤：

①伸缩仪实时采集地应变水平数据，激光干涉仪实时采集伸缩仪基线的相对位移；

②通过微位移发生装置产生脉冲信号；

③伸缩仪的基线响应步骤②中的脉冲信号，产生应变量；

④伸缩仪的传感器响应到步骤③中应变量，伸缩仪输出应变过程；

⑤激光干涉仪响应到应变量后，输出伸缩仪基线的相对位移；

⑥读取伸缩仪记录的应变过程数据，依据最小二乘法对数据进行识别，得出伸缩的传递函数。

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，可作为国家长度测量标准；

②用阶跃响应法测试传递函数，操作方便，测试效率高；

③适用于各类基线式伸缩仪。

附图说明

图1是本系统的结构示意图。

图中：

0-基岩；

1-激光干涉仪；

2-干涉镜；

3-反射镜；

4-微位移发生装置；

5-伸缩仪基线；

6-固定底座。

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，本系统包括激光干涉仪1、干涉镜2、反射镜3、微位移发生装置4、伸缩仪基线5和固定底座6；

微位移发生装置4、固定底座6和伸缩仪基线5的支架分别设置在同一水平面的基岩0上；

反射镜3设置在微位移发生装置4上；

干涉镜2和激光干涉仪1分别设置在固定底座6上；

反射镜3与干涉镜2设置在同一水平面上；

激光干涉仪1的发射光线对准干涉镜2的中心。

2、功能部件

1）激光干涉仪1

激光干涉仪1是一种通用的激光测试装置。

通过激光在反射镜和干涉镜之间的传递，并将发射光与反射光同时送入干涉仪1形成干涉条纹，以此来测量反射镜与干涉镜之间的距离。

2）干涉镜2

干涉镜2是一种具有分光和反射光线功能的光学部件。

3）反射镜3

反射镜3是一种具有反射光线功能的光学部件。

4）微位移发生装置4

微位移发生装置4是一种通用的可提供微米级位移量的装置。

5）伸缩仪基线5

伸缩仪基线5是一种铟钢棒，一端固定在基岩0上，另一端连接传感器，从而检测基岩0两点之间的距离变化。

6）固定底座6

固定底座6是一种通用装置。

3、工作原理

将微位移发生装置4安装在伸缩仪5的测试端，调整伸缩仪5的电涡流传感器，使其能够正常检测到地壳应变。将干涉镜2和反射镜3分别安装在伸缩仪的测试端和固定端上，调整激光干涉仪1的位置，使其正常工作。

微位移发生装置4向伸缩仪测试端加入合适的阶跃脉冲，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的大。通过电涡流传感器检测到该位移的变化，并将其输出。用高速数据采集器记录伸缩仪的输出数据，根据阶跃响应曲线，即可对伸缩仪进行系统识别，计算出伸缩仪的传递函数。

二、方法

1、步骤⑥：测试传递函数

给微位移发生装置4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4的发生快速改变，这个改变使伸缩仪基线5产生一个阶跃式应变变化，通过伸缩仪基线5传递给伸缩仪，伸缩仪会反映出该变化，根据阶跃响应的数据，即可计算出仪器的传递函数。

传递函数计算根据伸缩仪的结构原理，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。

Claims (2)

1.一种伸缩仪传递函数测试系统，其特征在于：

包括激光干涉仪（1）、干涉镜（2）、反射镜（3）、微位移发生装置（4）、伸缩仪基线（5）和固定底座（6）；

微位移发生装置（4）、固定底座（6）和伸缩仪基线（5）的支架分别设置在同一水平面的基岩（0）上；

反射镜（3）设置在微位移发生装置（4）上；

干涉镜（2）和激光干涉仪（1）分别设置在固定底座（6）上；

反射镜（3）与干涉镜（2）设置在同一水平面上；

激光干涉仪（1）的发射光线对准干涉镜（2）的中心。

2.基于权利要求1所述伸缩仪传递函数测试系统的测试方法，其特征在于：

①伸缩仪实时采集地应变水平数据，激光干涉仪实时采集伸缩仪基线的相对位移；

②通过微位移发生装置产生脉冲信号；

③伸缩仪的基线响应步骤②中的脉冲信号，产生应变量；

④伸缩仪的传感器响应到步骤③中应变量，伸缩仪输出应变过程；

⑤激光干涉仪响应到应变量后，输出伸缩仪基线的相对位移；

⑥读取伸缩仪记录的应变过程数据，依据最小二乘法对数据进行识别，得出伸缩的传递函数。

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