CN105259592A - 高精度零长弹簧温漂及长期蠕变的检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度零长弹簧温漂及长期蠕变的检测仪，涉及地学仪器核心部件的性能检测技术。本检测仪的结构主要是：调零机构由手动齿轮、螺旋筒和升降丝杆组成，手动齿轮和螺旋筒上下连接，在螺旋筒内设置有升降丝杆；在弹簧屏蔽筒的顶部中心孔设置有螺旋筒，在弹簧屏蔽筒内，从上到下，升降丝杆、上接丝座、上弹簧吊丝、零长弹簧、下弹簧吊丝、下接丝座和电容动片依次连接；在电容动片的上下空间，第1、2定片固定柱分别设置在支撑筒的内壁上，上、下电容定片分别和第1、2定片固定柱连接；电子系统分别与电容动片，上、下电容定片，和恒温筒连接。本发明测量精度高，分辨率可调，温度可调；适用于对零长弹簧的温漂及长期蠕变进行检测。

Description

高精度零长弹簧温漂及长期蠕变的检测仪

技术领域

本发明涉及地学仪器核心部件的性能检测技术，尤其涉及一种高精度零长弹簧温漂及长期蠕变的检测仪。

背景技术

在地球物理勘探领域内，重力测量也是一种重要方法；重力测量资料还可用于研究地球形状、内部结构、地极移动和地球自转速度的不均匀性等；此外，卫星和导弹轨道的精确计算，也需要空中重力场的精确数据。

零长弹簧是高精度相对重力仪中的核心部件，其性能直接影响相对重力仪的精度及性能；高精度相对重力仪是研究固体潮和地震前兆的一种重要手段。

零长弹簧技术提高了重力仪抗水平扰动能力以及机械探头的灵敏度，同时减小了探头的结构尺寸，是重力仪能够快速、经济地获取高精度、大面积、高分辨率地球重力场数据的基础和前提，其零漂较小、能达到的精度更高。

现在的相对重力仪大部分使用静力法的零长弹簧摆式重力仪来测量重力的变化量，中国科学院测量与地球物理研究所研制的CHZ型海空重力仪及中国地震局地震研究所研制的DZW型相对重力仪均采用此种方式。其原理是利用摆在不同重力场的作用下零长弹簧会伸缩产生的用来平衡重力的变化量，依靠这个弹簧的伸缩量来确定重力的变化量。相对重力仪的测量精度很高。用于流动测量的流动相对重力仪精度可达十几甚至几微伽（1微伽=10^-6伽，1伽=1cm/s^-2），而用于固定台站观测的静止相对重力仪精度更可达1微伽。但零长弹簧摆式相对重力仪普遍有着诸如长期零漂、温漂等问题。受零长弹簧自身形变的影响，所有弹簧摆式相对重力仪观测得到的数据都会有零漂，这会极大地影响数据的可靠性。

零长弹簧的性能及参数的优劣直接影响到相关重力仪的性能。但由于零长弹簧的应用范围很窄，基本只有部分相对重力仪及隔震平台中才会使用，国内外并没有投入大批量生产。特别是国内，仅中国科学院测量与地球物理研究所和中国地震局地震研究所及其他很少研究所制作过零长弹簧，并且制作的零长弹簧均用于自行研制的相对重力仪，没有对外销售，导致对制造出的零长弹簧缺乏有效的检测手段。再加上零长弹簧有着长期蠕变非常小、蠕变会随时间的增加而减少、对温度等环境有着非常高的要求等特性，使得零长弹簧的检测有着非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于填补检测零长弹簧性能的空白，提供一种高精度零长弹簧温漂及长期蠕变的检测仪。

本发明的目的是这样实现的：

采用类似相对重力仪的弹簧垂直悬挂结构，针对零长弹簧两个重要的特性——温漂及长期蠕变性进行检测，使零长弹簧的筛选更有针对性，使相关相应重力仪的性能更加优异。

具体地说，本检测仪的结构是：

包括被测对象——零长弹簧；

设置有基座，第1、2、3支撑螺杆，第1、2、3垫块，外壳，恒温筒，弹簧屏蔽筒、支撑筒，上、下接丝座，上、下弹簧吊丝，上、下电容定片，电容动片，第1、2定片固定柱，调零机构和电子系统；

其位置和连接关系是：

呈三角形排列的第1螺杆、第2螺杆和第3螺杆分别穿过基座的螺孔置于对应的呈三角形排列的第1垫块、第2垫块和第3垫块上，组成一工作平台；

以工作平台的中心为轴，从外向内依次设置有外壳，恒温筒和上下连接的弹簧屏蔽筒、支撑筒；

调零机构由手动齿轮、螺旋筒和升降丝杆组成，手动齿轮和螺旋筒上下连接，

在螺旋筒内设置有升降丝杆；

在弹簧屏蔽筒的顶部中心孔设置有螺旋筒，在弹簧屏蔽筒内，从上到下，升降丝杆、上接丝座、上弹簧吊丝、零长弹簧、下弹簧吊丝、下接丝座和电容动片依次连接；

在电容动片的上下空间，第1、2定片固定柱分别设置在支撑筒的内壁上，上、下电容定片分别和第1、2定片固定柱连接；

电子系统分别与电容动片，上、下电容定片，和恒温筒连接。

本发明具有下列优点与积极效果：

①测量精度高，可实现零长弹簧微小蠕变的观测；

②测量分辨率可调，可随着零长弹簧蠕变的减小而增大分辨率；

③系统稳定，可实现对零长弹簧的长期观测；

④温度可调，实现对零长弹簧温度漂移的观测；

⑤温度稳定，在不需要观测温漂时排除温度影响；

适用于对零长弹簧的温漂及长期蠕变进行检测。

附图说明

图1是本检测仪的结构示意图；

图2是电子系统的结构方框图。

图中：

00—零长弹簧；

10—基座；

21—第1支撑螺杆，22—第2支撑螺杆，23—第3支撑螺杆；

31—第1垫块，32—第2垫块，33—第3垫块；

40—外壳；

50—保温筒；

61—弹簧屏蔽筒，62—支撑筒；

71—上接丝座，72—下接丝座；

81—上吊丝，82—下吊丝；

91—上定片，92—下定片；

100—电容动片；

111—第1定片固定柱，112—第2定片固定柱；

120—调零机构，121—手动齿轮，122—螺旋筒，123—升降丝杆；

130—电子系统，

131—振荡单元，132—前置放大单元，133—主放大单元，

134—锁相放大单元，135—低通滤波单元，136—温度传感单元，

137—温度控制单元，138—信号采集单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、本测量仪的结构

1、总体

如图1，本检测仪包括被测对象——零长弹簧00；

设置有基座10，第1、2、3支撑螺杆21、22、23，第1、2、3垫块31、32、33，外壳40，恒温筒50，弹簧屏蔽筒61、支撑筒62，上、下接丝座71、72，上、下弹簧吊丝81、82，上、下电容定片91、92，电容动片100，第1、2定片固定柱111、112，调零机构120和电子系统130；

其位置和连接关系是：

呈三角形排列的第1螺杆21、第2螺杆22和第3螺杆23分别穿过基座10的螺孔置于对应的呈三角形排列的第1垫块31、第2垫块32和第3垫块33上，组成一工作平台；

以工作平台的中心为轴，从外向内依次设置有外壳40，恒温筒50和上下连接的弹簧屏蔽筒61、支撑筒62；

调零机构120由手动齿轮121、螺旋筒122和升降丝杆123组成，手动齿轮

121和螺旋筒122上下连接，在螺旋筒122内设置有升降丝杆123；

在弹簧屏蔽筒61的顶部中心孔设置有螺旋筒122，在弹簧屏蔽筒61内，从上到下，升降丝杆123、上接丝座71、上弹簧吊丝81、零长弹簧00、下弹簧吊丝82、下接丝座72和电容动片100依次连接；

在电容动片100的上下空间，第1、2定片固定柱111、112分别设置在支撑筒62的内壁上，上、下电容定片91、92分别和第1、2定片固定柱111、112连接；

电子系统130分别与电容动片100，上、下电容定片91、92，和恒温筒50连接。

2、功能部件

0）零长弹簧00

如图1，零长弹簧00是被测对象；

悬挂在上吊丝81和下吊丝82之间。

1）基座10

如图1，基座10是一种三角形金属块，其三个内角处分别设置有和支撑螺杆20适配的螺纹孔；

其功能是与第1、2、3支撑螺杆21、22、23和第1、2、3垫块31、32、33组成工作平台。

2）第1、2、3支撑螺杆21、22、23

如图1，第1、2、3支撑螺杆21、22、23的外螺纹和基座10的螺纹孔适配。

3）第1、2、3垫块31、32、33

第1、2、3垫块31、32、33均为一种中间有凹槽的圆柱形金属块，供支撑螺杆20放置。

4）外壳40

如图1，外壳40为筒状金属罩；

固定在基座10上；

其功能是排除气流对零长弹簧00的干扰。

5）恒温筒50

如图1，恒温筒50为金属筒；

固定在基座10上，其表面绕有加热丝，加热丝由温度控制单元137供电；

其功能是给零长弹簧00提供一恒温环境。

6）弹簧屏蔽筒61、支撑筒62

如图1，弹簧屏蔽筒61和支撑筒62为内经相同的金属筒；

弹簧屏蔽筒61和支撑筒62上下连接；

弹簧屏蔽筒61其功能是对零长弹簧00予以屏蔽，支撑筒62是支撑第1、2定片固定柱111、112。

7）上、下接丝座71、72

如图1，上接丝座71和下接丝座72均为同一结构的金属接头；

上接丝座71的顶端和调零机构120的升降丝杆123相连，上接丝座71的底端和上吊丝81相连；

下接丝座72的底端固定在动片100上，下接丝座72的顶端和下吊丝82相连；

其功能是起连接作用。

8）上、下吊丝81、82

如图1，上吊丝81和下吊丝82均为同一结构的金属丝；

上吊丝81的上端固定在上接丝座71上，上吊丝81的下端和零长弹簧00的上端连接；

下吊丝82的上端和零长弹簧00的下端连接，下吊丝82的下端固定在下接丝座72上。

其功能是起连接作用。

9）上、下定片91、92

如图1，上定片91和下定片92均为同一结构的金属圆片，其中心有孔；

上定片91和下定片92分别以中间相隔一段距离的状态分别固定在第1定片固定柱111和第2定片固定柱112上；

其功能是接收振荡单元131的振荡信号并为电容动片100提供感应信号。

10）电容动片100

如图1，电容动片100是一种金属圆片；

电容动片100固定在下接丝座72的下端面；

其功能是感应零长弹簧00伸长量并通过电子系统130转换成电压信号。

11）第1、2定片固定柱111、112

如图1，第1定片固定柱111和第2定片固定柱112均为一种绝缘柱；

固定在支撑筒62上；

其功能是固定上、下定片91、92。

12）调零机构120

如图1，调零机构120由手动齿轮121、螺旋筒122和升降丝杆123组成，

手动齿轮121和螺旋筒122上下连接，在螺旋筒122内设置有升降丝杆123；

转动手动齿轮121使螺旋筒122转动，使升降丝杆123升降，实现电容动片100上下位移的微调，使其保持在上定片91和下定片92中间。

13）电子系统130

如图2，电子系统130由振荡单元131、前置放大单元132、主放大单元133、锁相放大单元134、低通滤波单元135、温度传感单元136、温度控制单元137和信号采集单元138组成；

振荡单元131分别与上定片91和下定片中间92连接，提供大小相等、方向相反的正弦信号；

振荡单元131和锁相放大单元134连接，提供整流信号；

电容动片100、前置放大单元132、主放大单元133、锁相放大单元134、低通滤波单元135和信号采集单元138依次连接，将电容动片的位移量（即零长弹簧00的长度变化量）转化为直流电压信号并采集下来。

温度控制单元137接收到温度传感单元136检测零长弹簧00周围的温度值，通过给恒温筒50上的加热丝供电实现温度控制功能。

电子系统130的上述各功能部件均为通用部件。

电子系统130的工作机理是：

振荡单元131产生两个频率幅值相同，相位相差180°的交流信号分别给上定片91和下定片92，前置放大单元以动片100上形成的感应交流信号作为输入并将其放大，再经过主放大单元133进一步放大，通过锁相放大单元134将交流信号变成直流信号，最后经过低通滤波单元135得到最后的输出电压，并由信号采集单元138采集和记录。

二、检测方法

本检测方法基于上述的检测仪，本检测仪是为检测零长弹簧的温漂及长期蠕变量的仪器。

1、温漂检测方法

所述的温漂是零长弹簧在温度的影响下产生的伸缩。

温漂检测方法包括下列步骤：

①将零长弹簧00两端分别悬挂在上吊丝81和下吊丝82之间，通过调整第1、2、3支撑螺杆21、22、23使基座10水平；

②将电子系统130通电，旋转调零机构120同时观察电子系统130的信号采

集单元138的输出，直至输出电压为0，此时动片100位于上定片91和下定片92正中间；

③再依次将恒温筒50和外壳40固定在基座10上；

④在观测过程中通过改变温度控制单元137的参数改变恒温筒50内部温度，观测信号采集单元138的电压输出，同步观测温度传感单元136的信号，比较之后就能观测零长弹簧00的温度漂移参数。

2、长期蠕变检测方法

所述的长期蠕变是零长弹簧在吊着相同质量块的状态下随时间的增加而不断伸长，伸长量随着时间的增加而不断伸长，且变化量越来越小。

长期蠕变检测方法包括下列步骤：

①将零长弹簧00的两端分别悬挂在上吊丝81和下吊丝82之间，通过调整第1、2、3支撑螺杆21、22、23使基座10水平；

②将电子系统130通电，旋转调零机构120同时观察电子系统130信号采

集单元138的输出，直至输出电压为0，此时动片100位于上定片91和下定片92正中间；

③再依次将恒温筒50和外壳40固定在基座10上；

④在观测过程中通过温度控制单元137将温度控制为一个定值；

⑤长期观测并记录信号采集单元138的电压输出，实现对零长弹簧长期蠕变性的检测。

三、使用说明

1、检测之前必须通过第1、2、3支撑螺杆21、22、23使基座10水平，否则可能导致零长弹簧00的倾斜，使观测的数据不准确；

2、本检测仪尽量放在1楼，因为放在高层可能由于地面震动导致零长弹簧00不稳定，影响检测仪的观测数据；

3、检测过程中不要触碰检测仪，否则会对零长弹簧00的状态产生影响，若造成激烈晃动，还可能对上、下吊丝81、82产生损伤甚至断裂，使检测仪失去作用。

4、由于零长弹簧00刚被制作出来时蠕变很大，而随着时间的推移而慢慢减小，因此要确定好电子系统中前置放大单元132、主放大单元133以及锁相放大单元134的放大倍数，然后随着蠕变量的减小而调整放大倍数。

Claims (4)

1.一种高精度零长弹簧温漂及长期蠕变的检测仪，包括被检测对象——零长弹簧（00）；其特征在于：

设置有基座（10），第1、2、3支撑螺杆（21、22、23），第1、2、3垫块（31、32、33），外壳（40），恒温筒（50），弹簧屏蔽筒（61）、支撑筒（62），上、下接丝座（71、72），上、下弹簧吊丝（81、82），上、下电容定片（91、92），电容动片（100），第1、2定片固定柱（111、112），调零机构（120）和电子系统（130）；

其位置和连接关系是：

呈三角形排列的第1螺杆（21）、第2螺杆（22）和第3螺杆（23）分别穿过基座（10）的螺孔置于对应的呈三角形排列的第1垫块（31）、第2垫块（32）和第3垫块（33）上，组成一工作平台；

以工作平台的中心为轴，从外向内依次设置有外壳（40），恒温筒（50）和上下连接的弹簧屏蔽筒（61）、支撑筒（62）；

调零机构（120）由手动齿轮（121）、螺旋筒（122）和升降丝杆（123）组

成，手动齿轮（121）和螺旋筒（122）上下连接，在螺旋筒（122）内设置有升降丝杆（123）；

在弹簧屏蔽筒（61）的顶部中心孔设置有螺旋筒（122），在弹簧屏蔽筒（61）内，从上到下，升降丝杆（123）、上接丝座（71）、上弹簧吊丝（81）、零长弹簧（00）、下弹簧吊丝（82、）下接丝座（72）和电容动片（100）依次连接；

在电容动片（100）的上下空间，第1、2定片固定柱（111、112）分别设置在支撑筒（62）的内壁上，上、下电容定片（91、92）分别和第1、2定片固定柱（111、112）连接；

电子系统（130）分别与电容动片（100），上、下电容定片（91、92），和恒温筒（50）连接。

2.按权利要求1所述的检测仪，其特征在于：

所述的电子系统（130）由振荡单元（131）、前置放大单元（132）、主放大单元（133）、锁相放大单元（134）、低通滤波单元（135）、温度传感单元（136）、温度控制单元（137）和信号采集单元（138）组成；

振荡单元（131）分别与上定片（91）和下定片中间（92）连接，提供大小相等、方向相反的正弦信号；

振荡单元（131）和锁相放大单元（134）连接，提供整流信号；

电容动片（100）、前置放大单元（132）、主放大单元（133）、锁相放大单元（134）、低通滤波单元（135）和信号采集单元（138）依次连接，将电容动片（100）的位移量转化为直流电压信号并采集下来；

温度控制单元（137）接收到温度传感单元（136）检测零长弹簧（130）周围的温度值，通过给恒温筒（50）上的加热丝供电实现温度控制功能。

3.基于权利要求1、2所述检测仪的温漂检测方法，其特征在于包括下列步骤：

①将零长弹簧（00）两端分别悬挂在上吊丝（81）和下吊丝（82）之间，通过调整第1、2、3支撑螺杆（21、22、23）使基座（10）水平；

②将电子系统（130）通电，旋转调零机构（120）同时观察电子系统（130）的信号采集单元（138）的输出，直至输出电压为0，此时动片（100）位于上定片（91）和下定片（92）正中间；

③再依次将恒温筒（50）和外壳（40）固定在基座（10）上；

④在观测过程中通过改变温度控制单元（137）的参数改变恒温筒（50）内部温度，观测信号采集单元（138）的输出，同步观测温度传感单元（136）的信号，比较之后就能观测零长弹簧（00）的温度漂移参数。

4.基于权利要求1、2所述检测仪的长期蠕变检测方法，其特征在于包括下列步骤：

①将零长弹簧（00）的两端分别悬挂在上吊丝（81）和下吊丝（82）之间，通过调整第1、2、3支撑螺杆（21、22、23）使基座（10）水平；

②将电子系统（130）通电，旋转调零机构（120）同时观察电子系统（130）信号采集单元（138）的输出，直至输出电压为0，此时动片（100）位于上定片（91）和下定片（92）正中间；

③再依次将恒温筒（50）和外壳（40）固定在基座（10）上；

④在观测过程中通过温度控制单元（137）将温度控制为一个定值；

⑤长期观测并记录信号采集单元（138）的电压输出，实现对零长弹簧长期蠕变性的检测。