CN105953720A - 基于静电力平衡反馈控制的两自由度地壳形变观测装置 - Google Patents
基于静电力平衡反馈控制的两自由度地壳形变观测装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于静电力平衡反馈控制的两自由度地壳形变观测装置，涉及地震前兆预警观测技术。固体潮汐信号和地壳形变旋转信号进入主体；主体、第1电容检测电路、第1PID控制电路、第1静电力驱动电路和主体依次闭环连接；主体、第2电容检测电路、第2PID控制电路、第2静电力驱动电路和主体依次闭环连接；第1静电力驱动电路和第2静电力驱动电路分别与加法器连接，输出固体潮汐电压信号；第1静电力驱动电路和第2静电力驱动电路分别与减法器连接，输出地壳形变旋转电压信号。本发明具有单点水平量和旋转量同时测量，观测频带广，动态范围大，线性度好；是一种地壳形变观测宽频带反馈式的仪器，适用于地震前兆预警。
Description
技术领域
本发明涉及地震前兆预警观测技术，尤其涉及一种基于静电力平衡反馈控制的两自由度地壳形变观测装置。
背景技术
地震前兆预测地震是地震研究工作重大课题之一。成功预测地震发生的时间、地点、大小也是世界性的难题，很大程度上是与不能获得全面的、足够精度和数量的与地震前兆相联系的信息有关。地壳形变测量是地震前兆预测地震的主要手段之一，物理概念清晰，直接反映地壳变化的情况，解释地壳受力与变形乃至断裂发生地震的过程和终结。
进入21世纪后，国家对地震前兆仪器又有了更高更明确的要求，在仪器的参数、技术指标中，形变仪器这一块也有了相应的入网标准。对摆式仪器来说，明确地要求了仪器分辨力为万分之二角秒，相对分辨力为10-9量级，同时在频带上也有了新的要求。
国家地震前兆台网中倾斜类观测仪器目前在网纳入管理的台站有184个，主要测项为水平摆倾斜观测、垂直摆倾斜观测、水管倾斜观测和钻孔倾斜观测，观测仪器有280套。其中水平摆倾斜仪59套、垂直摆倾斜仪80套、水管倾斜仪107套、钻孔倾斜仪34套；（数据截止于2013年底）以上除了部分垂直摆倾斜仪是二十一世纪以后研发的仪器，其他的仪器都是上个世纪的产物，最老的仪器研发于50年前。随着年限的增长，很多老仪器都出现了维修困难等情况，严重的甚至停止观测。因此，现在迫切需要一款新的前兆摆式仪器对我国地震前兆台网进行补充。
目前，现有的在网观测摆式仪器都是开环的仪器。然而，我们应该注意到传感器质量块的运动是地动加速度引起的，因此，仪器测量的物理量应为加速度量。而开环的仪器检测的是质量块的倾斜角度，也就是位移量。只有闭环反馈的仪器检测的是加速度量。因此，反馈式摆式仪器对地震前兆观测是必要的补充。
长期以来，地震科研人员希望从地球固体潮的变化，或异常中探索临震预报的可能。然而，研究表明固体潮的变化或异常暂时只能为地震中期、中长期预报服务。在2008年汶川地震后，研究人员发现，超宽频带地震仪能够监测到高频的信息，有可能观测到临震信息（张燕，超宽频带地震计观测到的汶川地震震前异常，2011，大地测量与地球动力学）。由于现有的摆式仪器是开环的仪器，它受限于摆长固有周期的限制，几乎不可能将观测频率提高到1Hz以上；而闭环的摆式仪器，由于反馈力的存在，可以将开环增益提高，以提高仪器固有频率，可以做到10Hz高频。
在世界范围内，地球重力场的科学研究、卫星对地观测技术和物理探测技术等的发展也是日新月异。空间卫星对地观测技术中，静电加速度计是这一技术的主要载荷，它在卫星对地观测中起到了核心作用。与地震前兆仪器的地摆式仪器仪器指标比较，不难发现，这一技术非常适用在摆式仪器上面。不仅如此，这种包含了静电反馈技术的加速度计可以摆脱传统单分量测量的限制，可以同时测量多自由度；这在地学仪器上是一种巨大的进步。
在新型摆式仪器的研制中，对仪器有着严格的要求，如仪器的功耗、尺寸和机械连接等。这里，以静电反馈技术为支撑，检测质量块用单丝悬吊取代高压悬浮，同时测量两个方向的线加速度和一个方向的角加速度。
将空间技术引入到地壳形变仪器的研究，这本身就是一种新的思想。通过静电加速度计原理、机械和电路等的研究，以及以此为技术基础，把该技术用在摆式仪器的研制上，这种包含了静电反馈在内的摆式仪器必将具有着重要的现实和科学意义，必将带动地震前兆仪器的发展。
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，提供一种基于静电力平衡反馈控制的两自由度地壳形变观测装置，从而能够精确地测出微小的位移和角度变化，并能够检测到直流至10Hz的高频振动，进而提高微位移的检测精度和范围，同时，两自由度的设计使得本发明不仅能够检测位移，还能检测转动角度。
本发明的目的是这样实现的：
将差动电容传感器的定极板上设计成两块面积相同、相互不连通的两块电极板，这样的两块定极板与动极板形成两对差动电容；单丝悬挂的机械设计使得动极板能够响应水平方向的倾斜和旋转信号；在差动电容传感器的动极板上，接入稳定的直流偏置信号和稳定的交流激励信号，并将两对差动电容与闭环静电力反馈控制系统相接，使定极板能够在感应电容差的同时可以对动极板施加两个静电力，两个静电力的和能够平衡动极板在水平方向上的倾斜分量，两个静电力的差能够平衡动极板在水平方向的旋转分量，这样的两自由度的测量方式使得动极板回归至差动电容传感器的中心位置。
单丝悬挂的结构决定了地壳倾斜和旋转变化是同时加载在动极板上的，两对差动电容实时响应动极板的变化；每对差动电容通过各自电容电桥电路、直流放大电路、交流放大电路、同步解调电路、低通滤波电路、PID调节电路和静电力驱动电路向定极板上反馈两个大小相同、方向相反的电压；一对大小相同、方向相反的反馈电压在一对差动电容上形成一路静电力，两路静电力的和用来平衡动极板在水平方向的倾斜分量，两个静电力的差用来平衡动极板在水平方向的旋转分量。
具体地说，本装置包括主体、第1电容检测电路、第2电容检测电路、第1PID控制电路、第2PID控制电路、第1静电力驱动电路、第2静电力驱动电路、电压馈入电路、加法器和减法器；
固体潮汐信号和地壳形变旋转信号进入主体；
主体、第1电容检测电路、第1PID控制电路、第1静电力驱动电路和主体依次闭环连接；
主体、第2电容检测电路、第2PID控制电路、第2静电力驱动电路和主体依次闭环连接；
第1静电力驱动电路和第2静电力驱动电路分别与加法器连接，输出固体潮汐电压信号；
第1静电力驱动电路和第2静电力驱动电路分别与减法器连接，输出地壳形变旋转电压信号。
本发明具有下列优点和积极效果：
①具有单点水平量和旋转量同时测量，观测频带广，动态范围大，线性度好；
②既可反映固体潮的变化和高频振动，也能观测到地壳形变旋转量的变化；
③不仅能有效地填补我国地动观测没有高频仪器的空白，而且有望基于其高频观测和测量旋转量的特点寻找地震前兆相关的有用信息；
④是一种地壳形变观测宽频带反馈式的仪器，适用于地震前兆预警。
附图说明
图1是本装置的结构方框图；
图2是主体的结构示意图；
图3是悬丝固定调整器的结构示意图；
图4是电容检测电路的结构方框图。
图中：
100—主体，
101—基座，
1021—第1支撑脚，1022—第2支撑脚，1023—第3支撑脚，
103—动极板，
1041—第1定极板，1042—第2定极板，
105—悬丝，
106—支架，
107—外壳，
108—悬丝固定调整器，
1081—支架环，1082—活动块，1083—微调螺钉，1084—悬丝固定快；
109—悬丝屏蔽管，
110—侧位止位螺钉，
111—正位止位螺钉；
200—电容检测电路，
210—第1电容检测电路
211—第1电容电桥电路，
212—第1电流放大电路，
213—第1交流电压放大电路，
214—第1同步解调电路，
215—第1低通滤波电路，
216—第1直流补偿放大电路；
220—第2电容检测电路
221—第2电容电桥电路，
222—第2电流放大电路，
223—第2交流电压放大电路，
224—第2同步解调电路，
225—第2低通滤波电路，
226—第2直流补偿放大电路；
310—第1PID控制电路，320—第2PID控制电路；
410—第1静电力驱动电路，420—第2静电力驱动电路；
500—电压馈入电路；
610—加法器，620—减法器；
A—固体潮汐信号，B—地壳形变旋转信号；
C—固体潮汐电压信号，D—地壳形变旋转电压信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本装置详细说明：
1、总体
如图1，本装置包括主体100、第1电容检测电路210、第2电容检测电路220、第1PID控制电路310、第2PID控制电路320、第1静电力驱动电路410、第2静电力驱动电路420、电压馈入电路500、加法器610和减法器620；
固体潮汐信号A和地壳形变旋转信号B进入主体100；
主体100、第1电容检测电路210、第1PID控制电路310、第1静电力驱动电路410和主体100依次闭环连接；
主体100、第2电容检测电路220、第2PID控制电路320、第2静电力驱动电路420和主体100依次闭环连接；
第1静电力驱动电路410和第2静电力驱动电路420分别与加法器610连接，输出固体潮汐电压信号C；
第1静电力驱动电路410和第2静电力驱动电路420分别与减法器620连接，输出地壳形变旋转电压信号D。
2、功能部件
1）主体100
如图2，主体100包括基座101、第1支撑脚1021、第2支撑脚1022、第3支撑脚1023、动极板103、第1定极板1041、第2定极板1042、悬丝105、支架106和外壳107、悬丝固定调整器108、悬丝屏蔽管109、侧位止位螺钉110和正位止位螺钉111；
外壳107和基座101上下连接组成一封闭的整体，在基座101下面设置有呈等腰直角三角形排列的第1支撑脚1021、第2支撑脚1022、第3支撑脚1023；
在外壳107内壁设置有支架106，在支架106的两边分别设置有互为平行的第1定极板1041和第2定极板1042，在支架106的顶部中央设置有悬丝固定调整器108；
悬丝固定调整器108、悬丝105和动极板103上下依次连接，动极板103在第1定极板1041和第2定极板1042之间，均和基座101的等腰边平行；
在悬丝105外套装有固定在支架106上的悬丝屏蔽管109；
在动极板103的两侧和上面设置有固定在支架106上的6个侧位止位螺钉110；
在第1定极板1041和第2定极板1042的工作面分别设置有4个正位止位螺钉111。
*基座101
基座101是一种等腰直角三角形的金属块，并在3个顶角处设置有3个固定螺纹孔；腰边600mm，厚度30mm；
使其有足够的强度保证观测的稳定性。
*第1支撑脚1021、第2支撑脚1022、第3支撑脚1023
每个支撑脚包括依次连接的手轮、螺杆和脚垫；
3个脚垫分别设计成点、线、面的形状，基座101的直角固定螺纹孔对应于点形状的脚垫，和动极板103平行的固定螺纹孔对应于线形状的脚垫，和动极板13垂直（敏感方向）的固定螺纹孔对应于面形状的脚垫。
*动极板103
动极板103是一种金属长方体。
*第1定极板1041、第2定极板1042
第1定极板1041和第2定极板1042结构相同，是一种由K9光学玻璃做成的长方体平板，每个定极板朝向动极板103的面为工作面，其工作面设置有两条面积相等的镀金层，厚度约为1μm。
利用激光刻蚀技术将工作面垂直分解为前后两个面积相等的独立工作面。
*悬丝105
悬丝105为单根圆丝，直径0.1mm，材料为恒弹合金3J53，与支架106顶部相连，悬挂动极板103，使之能在水平面内平动和转动。
*支架106
支架106为一体式对称性金属结构，满足装置的机械稳定性；高度对称性的设计，有利于消除温度给装置带来的误差。
*外壳107
外壳107是一种有盖的金属圆筒；
起保护、屏蔽和防潮的作用。
*悬丝固定调整器108
如图3，悬丝固定调整器108包括支架环1081、活动块1082、微调螺钉1083和悬丝固定快1084；
在支架环1081内通过6个微调螺钉1083和活动块1082连接，在活动块1082的中间设置有悬丝固定快1084；
所述的支架环1081是一种金属环，在中心Y 方向上设置有2个对称的螺纹孔，在中心X方向上下设置有4个对称的螺纹孔；
活动块1082是一种金属块，左右边垂直平行，上下为弧形，中心为通孔；
微调螺钉1083是一种通用件。
悬丝固定块1084是一种金属方块，用螺钉将通过悬丝固定块1084中心通孔的悬丝105卡住。
其工作机理是：通过调整上下的2个微调螺钉1083使活动块1082按Y方向移动，通过调整左右的4个微调螺钉1083使活动块1082按X方向移动或旋转。
*悬丝屏蔽管109
悬丝屏蔽管109是一种中空的金属圆管，与支架106连接，起到保护和屏蔽悬丝105的作用。
*侧位止位螺钉110
侧位止位螺钉110是一种通用螺钉，它分布在动极板103的四周，起到保护、绝缘和检测的作用。
*正位止位螺钉111
正位止位螺钉111是一种通用螺钉，它分布在定极板的工作面上，起到保护、绝缘和检测的作用。
2）电容检测电路200
如图4，电容检测电路200包括结构相同的第1电容检测电路210和第2电容检测电路220；
*第1电容检测电路210包括第1电容电桥电路211、第1电流放大电路212、第1交流电压放大电路213、第1同步解调电路214、第1低通滤波电路215、第1直流补偿放大电路216；
第1定极板1041和第2定极板1042的一对前半部差动电容、第1电容电桥电路211、第1电流放大电路212、第1交流电压放大电路213、第1同步解调电路214、第1低通滤波电路215、第1直流补偿放大电路216依次连接，得到前半部差动电容电压值；
*第2电容检测电路220包括第2电容电桥电路221、第2电流放大电路222、第2交流电压放大电路223、第2同步解调电路224、第2低通滤波电路225、第2直流补偿放大电路226；
第1定极板1041和第2定极板1042的一对后半部差动电容、第2电容电桥电路221、第2电流放大电路222、第2交流电压放大电路223、第2同步解调电路224、第2低通滤波电路225、第2直流补偿放大电路226依次连接，得到后半部差动电容电压值。
*第1电容电桥电路211和第2电容电桥电路221
第1电容电桥电路211和第2电容电桥电路221是一种结构相同的通用电桥电路；
第1电容电桥电路211检测的差动电容为第1定极板1041和第2定极板1042的一对前半部与动极板103形成的差动电容；
第2电容电桥电路221检测的差动电容为第1定极板1041和第2定极板1042的一对后半部与动极板103形成的差动电容。
*其它电路均为通用电路。
3）第1PID控制电路310、第2PID控制电路320
第1PID控制电路310和第2PID控制电路320结构相同，是一种通用的比例、积分、微分电路；
调理整个装置的幅频响应和相频响应，使得整个装置的信号输出更加稳定。
4）第1静电力驱动电路410、第2静电力驱动电路420
第1静电力驱动电路410和第2静电力驱动电路420结构相同，是一种通用的信号调理电路。
提供足够功率的大小相等、方向相反的两路反馈驱动电压，分别加载到第1定极板1041和第2定极板1042上，使其与动极板103上的直流偏置电压形成静电力。
5）电压馈入电路500
电压馈入电路50是一种交直流叠加电路；
其直流偏置电压与交流激励电压叠加后馈入动极板103，直流偏置电压分别给第1静电力驱动电路410、第2静电力驱动电路420提供基准电压，交流激励电压为固体潮汐信号A的载波信号。
6）加法器610、减法器620
加法器610和减法器620均是一种通用电路；
加法器610得到的结果为固体潮汐电压信号C；
减法器620得到的结果为地壳形变旋转电压信号D。
3、工作机理
本装置主体100响应固体潮汐信号A和地壳形变旋转信号B，动极板103将其转化为位移变化，动极板103与第1定极板1041和第2定极板1042之间有相对位移；使得三者构成的两路差动电容的电容值实时发生变化；该变化的一路通过电容检测电路210、PID控制电路310和静电力驱动电路410的调理，将大小相等、方向相反的两路反馈电压加载到第1定极板1041和第2定极板1042得前半部差动电容上，使其与动极板103上的直流偏置电压形成第1静电力；另一路通过电容检测电路220、PID控制电路320和静电力驱动电路420的调理，将大小相等、方向相反的两路反馈电压加载到第1定极板1041和第2定极板1042得后半部差动电容上，使其与动极板103上的直流偏置电压形成第2静电力；第1静电和第2静电力的电压和为固体潮汐电压信号C；第1静电和第2静电力的电压差为地壳形变旋转信号D；
4、测量原理
单丝悬挂的动极板103最大特点是，不仅能响应水平X方向的加速度，而且能够响应Z轴方向的扭转（角加速度）。
二自由度测量的基本原理是在水平X方向布置对称于竖直Z轴的X1、X2二对电容传感器（图4中的面积A和面积B），通过闭环反馈系统，得到FX1和FX2的两个反馈力。具有二个数学表达式:
式1：ΔFX1=FX1+FX2=mgβ
β=ΔFX1/mg
式1中：ΔFX1反馈力的和，m摆的质量，g重力加速度，β倾斜角(水平X方向)。
式2：ΔFX2=FX1-FX2= JZθ"/b
θ"=ΔFX2×b/JZ
式2中：ΔFX反馈力的差，JZ为绕z轴的转动惯量，b为静电力至z轴的距离，θ"为z轴角加速度。
从式1得到合力ΔFX1，除以质量即为加速度；
从式2得到反馈力的差值ΔFX2 ，乘以力矩除以转动惯量即为Z轴的角加速度。
Claims (3)
1.一种基于静电力平衡反馈控制的两自由度地壳形变观测装置，其特征在于：
包括主体（100）、第1电容检测电路（210）、第2电容检测电路（220）、第1PID控制电路（310）、第2PID控制电路（320）、第1静电力驱动电路（410）、第2静电力驱动电路（420）、电压馈入电路（500）、加法器（610）和减法器（620）；
固体潮汐信号（A）和地壳形变旋转信号（B）进入主体（100）；
主体（100）、第1电容检测电路（210）、第1PID控制电路（310）、第1静电力驱动电路（410）和主体（100）依次闭环连接；
主体（100）、第2电容检测电路（220）、第2PID控制电路（320）、第2静电力驱动电路（420）和主体（100）依次闭环连接；
第1静电力驱动电路（410）和第2静电力驱动电路（420）分别与加法器（610）连接，输出固体潮汐电压信号（C）；
第1静电力驱动电路（410）和第2静电力驱动电路（420）分别与减法器（620）连接，输出地壳形变旋转电压信号（D）。
2.按权利要求1所述的两自由度地壳形变观测装置，其特征在于：
所述的主体（100）包括基座（101）、第1支撑脚（1021）、第2支撑脚（1022）、第3支撑脚（1023）、动极板（103）、第1定极板（1041）、第2定极板（1042）、悬丝（105）、支架（106）和外壳（107）、悬丝固定调整器（108）、悬丝屏蔽管（109）、侧位止位螺钉（110）、正位止位螺钉（111）和锁摆（112）；
外壳（107）和基座（101）上下连接组成一封闭的整体，在基座（101）下面设置有呈等腰直角三角形排列的第1支撑脚（1021）、第2支撑脚（1022）、第3支撑脚（1023）；
在外壳（107）内壁设置有支架（106），在支架（106）的两边分别设置有互为平行的第1定极板（1041）和第2定极板（1042），在支架（106）的顶部中央设置有悬丝固定调整器（108）；
悬丝固定调整器（108）、悬丝（105）和动极板（103）上下依次连接，动极板（103）在第1定极板（1041）和第2定极板（1042）之间，均和基座（101）的等腰边平行；
在悬丝（105）外套装有固定在支架（106）上的悬丝屏蔽管（109）；
在动极板（103）的两侧和上面设置有固定在支架（106）上的6个侧位止位螺钉（110）；
在第1定极板（1041）和第2定极板（1042）的工作面分别设置有4个正位止位螺钉（111）；
所述的基座（101）是一种等腰直角三角形的金属块；
所述的支撑脚包括依次连接的手轮、螺杆和脚垫，3个脚垫分别设计成点、线、面的形状，基座（101）的直角固定螺纹孔对应于点形状的脚垫，和动极板（103）平行的固定螺纹孔对应于线形状的脚垫，和动极板（13）垂直的固定螺纹孔对应于面形状的脚垫；
所述的第1定极板（1041）和第2定极板（1042）结构相同，是一种由K9光学玻璃做成的长方体平板，每个定极板朝向动极板（103）的面为工作面，其工作面设置有两条面积相等的镀金层，厚度约为1μm；
所述的悬丝固定调整器（108）包括支架环（1081）、活动块（1082）、微调螺钉（1083）和悬丝固定快（1084）；在支架环（1081）内通过6个微调螺钉（1083）和活动块（1082）连接，在活动块（1082）的中间设置有悬丝固定快（1084）；所述的支架环（1081）是一种金属环，在中心Y方向上设置有2个对称的螺纹孔，在中心X方向上下设置有4个对称的螺纹孔；活动块（1082）是一种金属块，左右边垂直平行，上下为弧形，中心为通孔；悬丝固定块（1084）是一种金属方块，用螺钉将通过悬丝固定块（1084）中心通孔的悬丝（105）卡住。
3.按权利要求1所述的两自由度地壳形变观测装置，其特征在于：
所述的电容检测电路（200）包括结构相同的第1电容检测电路（210）和第2电容检测电路（220）；
第1电容检测电路（210）包括第1电容电桥电路（211）、第1电流放大电路（212）、第1交流电压放大电路（213）、第1同步解调电路（214）、第1低通滤波电路（215）、第1直流补偿放大电路（216）；
第1定极板（1041）和第2定极板（1042）的一对前半部差动电容、第1电容电桥电路（211）、第1电流放大电路（212）、第1交流电压放大电路（213）、第1同步解调电路（214）、第1低通滤波电路（215）、第1直流补偿放大电路（216）依次连接，得到前半部差动电容电压值；
第2电容检测电路（220）包括第2电容电桥电路（221）、第2电流放大电路（222）、第2交流电压放大电路（223）、第2同步解调电路（224）、第2低通滤波电路（225）、第2直流补偿放大电路（226）；
第1定极板（1041）和第2定极板（1042）的一对后半部差动电容、第2电容电桥电路（221）、第2电流放大电路（222）、第2交流电压放大电路（223）、第2同步解调电路（224、）第2低通滤波电路（225）、第2直流补偿放大电路（226）依次连接，得到后半部差动电容电压值；
所述的第1电容电桥电路（211）和第2电容电桥电路（221）是一种结构相同的通用电桥电路；
第1电容电桥电路（211）检测的差动电容为第1定极板（1041）和第2定极板（1042）的一对前半部与动极板（103）形成的差动电容；
第2电容电桥电路（221）检测的差动电容为第1定极板（1041）和第2定极板（1042）的一对后半部与动极板（103）形成的差动电容。
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