CN106052540A - 两自由度地壳形变倾斜和旋转观测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两自由度地壳形变倾斜和旋转观测传感器，涉及地震前兆预警观测技术。本发明是：外壳和基座上下连接组成一封闭的整体，在基座下面设置有呈等腰直角三角形排列的第1支撑脚、第2支撑脚、第3支撑脚；在外壳内壁设置有支架，在支架的两边分别设置有互为平行的第1定极板和第2定极板，在支架的顶部中央设置有悬丝固定调整器；悬丝固定调整器、悬丝和动极板上下依次连接，动极板在第1定极板和第2定极板之间，均和基座的等腰边平行。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；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。
Description
技术领域
本发明涉及地震前兆预警观测技术，尤其涉及一种两自由度地壳形变倾斜和旋转观测传感器。
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，提供一种两自由度地壳形变倾斜和旋转观测传感器，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。
具体地说，本传感器包括基座、第1支撑脚、第2支撑脚、第3支撑脚、动极板、第1定极板、第2定极板、悬丝、支架和外壳、悬丝固定调整器、悬丝屏 蔽管、侧位止位螺钉、正位止位螺钉和锁摆；
外壳和基座上下连接组成一封闭的整体，在基座下面设置有呈等腰直角三角形排列的第1支撑脚、第2支撑脚、第3支撑脚；
在外壳内壁设置有支架，在支架的两边分别设置有互为平行的第1定极板和第2定极板，在支架的顶部中央设置有悬丝固定调整器；
悬丝固定调整器、悬丝和动极板上下依次连接，动极板在第1定极板和第2定极板之间，均和基座的等腰边平行；
在悬丝外套装有固定在支架上的悬丝屏蔽管；
在动极板的两侧和上面设置有固定在支架上的6个侧位止位螺钉；
在第1定极板和第2定极板的工作面分别设置有4个正位止位螺钉。
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。
附图说明
图1是本传感器的结构示意图；
图2是悬丝固定调整器的结构示意图；
图中：
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。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本传感器详细说明：
1、总体
如图1，本传感器包括基座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。
2、功能部件
1)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。
2)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。
3)动极板103
动极板103是一种金属长方体。
4)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。
5)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。
6)支架106
支架106为一体式对称性金属结构，满足传感器的机械稳定性；高度对称性的设计，有利于消除温度给传感器带来的误差。
7)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。
8)悬丝固定调整器108
如图2，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。
9)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。
10)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。
11)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。
3、工作机理
本传感器响应固体潮汐信号和地壳形变旋转信号，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；两路变化的电容分别送入参数相同的两路电路，通过电路的调理，每一路分别实时地得到一对大小相等、方向相反的反馈电压，每一路反馈电压加在第1定极板1041和第2定极板1042上形成静电力；两路反馈电压形成两个不同的静电力，两个静电力的和用来平衡动极板103在水平方向响应的倾斜变化，两个静电力的差用来平衡动极板103在水平方向响应的旋转变化。
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，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2ΔFX2＝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 (5)
1.一种两自由度地壳形变倾斜和旋转观测传感器，其特征在于：
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（01）1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）。
2.按权利要求1所述的一种两自由度地壳形变倾斜和旋转观测传感器，其特征在于：
所述的基座（101）是一种等腰直角三角形的金属块。
3.按权利要求1所述的一种两自由度地壳形变倾斜和旋转观测传感器，其特征在于：
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（103）垂直的固定螺纹孔对应于面形状的脚垫。
4.按权利要求1所述的一种两自由度地壳形变倾斜和旋转观测传感器，其特征在于：
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。
5.按权利要求1所述的一种两自由度地壳形变倾斜和旋转观测传感器，其特征在于：
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。
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Application publication date: 20161026 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |