CN106872082A - 一种体应变动态特性测量仪器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种体应变动态特性测量仪器及测量方法，包括密封保温腔体、抽放气口、压力传感器、气压传感器和体应变传感器，其中，所述抽放气口设置于密封保温腔体上，体应变传感器设置于密封保温腔体内部，所述压力传感器和气压传感器分别安装于密封保温腔体上且各自的传感器探头置于密封保温腔体内。本发明提供的体应变动态特性测量仪器及测量方法在分析体应变传感器结构的基础上，可以根据测试系统的输入及输出采集信号拟合得到传感器的传递函数，即获得了体应变传感器的动态特性，解决了对体应变传感器缺乏了解的状况，为该传感器资料的在动态应用提供了基础条件。
Description
技术领域
本发明涉及测量设备技术领域，尤其涉及一种体应变动态特性测量仪器及测量方法。
背景技术
体应变测量仪器是用于测量地壳岩石应变变化的高灵敏度仪器，是钻孔应变观测应用较广泛的仪器之一。体应变测量仪器能够很好地记录同震地震波及其振动信号，目前国内已开始利用体应变同震记录进行该方面的研究。通过该测量仪器可以记录清晰的固体潮汐信号和其他振动信号。但是，由于目前对于体应变传感器的动态特性缺乏相应的参数，即体应变传感器的动态特性(即传递函数)的了解尚存在空白，使得在开展体应变信号对动态信号的研究过程中，限制了动态信号的进一步研究应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种体应变动态特性测量仪器及测量方法，以便能够获得应变传感器的动态特性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种体应变动态特性测量仪器，包括密封保温腔体、抽放气口、压力传感器和体应变传感器，其中，所述抽放气口设置于密封保温腔体上，体应变传感器设置于密封保温腔体内部，所述压力传感器分别安装于密封保温腔体上且各自的传感器探头置于密封保温腔体内。
所述密封保温腔体包括保温盖、保温内筒和保温外筒，所述保温内筒与保温外筒之间为真空隔层，且在所述保温外筒上设置有抽气口，所述保温盖安装于所述保温内筒和保温外筒上令所述密封保温腔体内形成一个密封的保温腔。
所述保温内筒与保温外筒分别为不锈钢保温内筒和不锈钢保温外筒，所述保温盖为聚四氟乙烯保温盖。
还包括温度传感器，所述温度传感器的探头置于所述密封保温腔内。
还包括多通道信息采集电路，各个通道分别与所述压力传感器、温度传感器和体应变传感器连接，且还与气压传感器连接。
所述多通道信息采集电路为四通道采集电路，所述四通道采集电路包括存储卡和网络接口，所述四通道采集电路为24位芯片，其采样频率为100次/秒。
还包括用于产生动态测试信号的电动阀门，所述电动阀门安装于所述抽放气口上。
一种体应变动态特性测量方法，该方法基于上述体应变动态特性测量仪器实现，包括：
获取所述体应变动态特性测量仪器的输入测试信号，以及检测所述体应变动态特性测量仪器的输出信号；
对所述输入测试信号和所述输出信号进行傅里叶变换处理；
基于经过所述傅里叶变换处理后的结果计算确定所述体应变动态特性测量仪器的频率响应函数；
根据所述频率响应函数及传递函数结构确定体应变动态特性的测量结果。
计算确定所述体应变动态特性测量仪器的频率响应函数的步骤包括：
所述频率响应函数H的计算方式为：其中，Y为所述输出信号的傅里叶变换处理结果，A为所述输入测试信号的傅里叶变换处理结果。
所述确定体应变动态特性的测量结果的步骤包括：
根据所述频率响应函数及传递函数结构，通过逐步迭代的方式得出误差范围之内的传递函数系数，获得测量结果。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种体应变动态特性测量仪器及测量方法，其可以根据测试系统的输入及输出采集信号拟合得到传感器的传递函数，也就是获得了体应变传感器的动态特性，进而解决了现有技术中存在的体应变传感器动态特性(传递函数)缺乏了解的状况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的体应变动态特性测量仪器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的体应变动态特性测量仪器的电路原理示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明旨在解决现有技术中存在的体应变传感器动态特性(即传递函数)缺乏了解的状况。通常用传递函数来描述线性观测系统的动态特性，传递函数是指零初始条件下线性系统响应(即输出)量的拉普拉斯变换(或z变换)与激励(即输入)量的拉普拉斯变换之比。如何得到观测系统的传递函数，一般是系统的传递函数与描述其运动规律的微分方程是对应的，可根据组成系统的各单元的传递函数和它们之间的结构关系导出整个观测系统的传递函数。理论上，任何复杂的线性系统可以看作由一些基本的环节组成，这些环节包括比例环节、惯性环节、微分环节、积分环节和延迟环节等。而如果系统组成环节及相互关系比较复杂，很难用微分方程来描述，但可通过观测系统已知输入量和系统输出量的实验方法，确定或识别系统的传递函数。由于体应变传感器结构的特殊性和复杂性，一方面很难用微分方程来描述并将传感器系统简化，另一方面，即使得到的理论模型也需要通过实验加以验证和对简化模型进行修正。
为此，本发明在分析体应变传感器结构的基础上，设计了体积式传感器传递函数的测试仪器，结合相应的测试电路、采集电路，便可以根据测试系统的输入及输出采集信号拟合得到传感器的传递函数，也就是获得了体应变传感器的动态特性，从而解决现有技术中存在的体积式传感器动态特性(传递函数)缺乏了解的状况。
本发明提供的体应变动态特性测量仪器中，由于采用了气体作为介质，阶跃信号能量随频率衰减较快，拟合过程需要采用完整记录输入输出信号，由输入和输出信号来拟合体应变传感器的传递函数。因此，在体应变传感器传递函数测试中，需要记录体应变传感器输入信号和体应变传感器对输入信号的响应，以便后续根据输入和输出来得到传递函数。而且，由于室内环境温度对测试信号的影响比较大，为了减少温度对传感器的影响，保障测量结果的准确性，需要保证体应变传感器处于恒温状态。再者，对于测试信号的选择，宜选择高频成分丰富的信号，例如可以选择水压或气体的加卸载来获得高频信号。其中，水压的加卸载和气压的加卸载相比，可以得到比气压卸载更陡的变化，也就是高频信息更丰富，但是，水介质不容易获得恒温效果，考虑到温度因素，本发明中采用气体加卸载，以便获得比水介质更稳定的效果。另外，本发明中尽可能将泄压阀的口径设计的大一些，并采用电动电磁阀门来进行开关的控制，以减少泄压时间，获得高频信号尽可能丰富的测试信号。
为便于理解，下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明提供的一种体应变动态特性测量仪器，其具体实现结构如图1所示，包括密封保温腔体3、7、9、抽放气口1、压力传感器4(或称差压传感器)和体应变传感器6，其中，所述抽放气口1设置于密封保温腔体3、7、9上，用于给密封保温腔体3、7、9的内腔(即测试腔)调整压力(加压或泄压)，体应变传感器6设置于密封保温腔体3、7、9内部，所述压力传感器4安装于密封保温腔体3、7、9上且各自的传感器探头置于密封保温腔体3、7、9内，其中压力传感器4测量所述密封保温腔体3、7、9内部的保温筒内的压力变化。
在上述测量仪器中，所述密封保温腔体3、7、9包括保温盖3、保温内筒7和保温外筒9，所述保温内筒7与保温外筒9之间为真空隔层8，且在所述保温外筒9上设置有抽气口10，所述保温盖3安装于所述保温内筒7和保温外筒7上令所述密封保温腔体3、7、9内形成一个密封的保温腔。进一步地，在所述保温盖3上还设置有电缆连接口2。
其中，为减小密封保温腔体3、7、9内的保温腔受外界温度影响，保温内筒7和保温外筒9中间形成的隔层可以通过抽气口10抽成真空方式来实现恒温。进一步地，所述保温内筒7与保温外筒9分别可以采用不锈钢保温内筒和不锈钢保温外筒，所述保温盖3可以采用聚四氟乙烯保温盖；即相应的保温外筒9和保温内筒7可以采用不锈钢材料制成，保温盖3可以采用聚四氟乙烯材料，以进一步减弱外界的温度对内腔的影响，减少热传导，实现密封保温腔体3、7、9内的保温腔恒温的目的。
在本发明提供的体应变动态特性测量仪器中，还可以包括温度传感器5，所述温度传感器5的探头置于所述密封保温腔体3、7、9的内部保温筒中，以检测保温筒内部的温度，便于测试过程中对保温筒内温度的监控，检测保温筒内恒温效果，进而便于调节控制保证保温筒内部温度的恒定。
体应变传感器传递函数测量过程需要测量传感器的外部输入、传感器的输出信号及测量仪器的内腔温度变化等信号。为采集相应的信号参数，上述体应变动态特性测量仪器还可以包括多通道信息采集电路，如图2所示，多通道信息采集电路中的数据采集器的各个通道分别与所述压力传感器(即压力传感器及电路)、气压传感器(即气压传感器及电路)、温度传感器5(即温度传感器及电路)和体应变传感器连接，以用于通过各个通道分别采集获取各个传感器采集的参数数据，并将采集的参数数据传递给后续的处理设备(如计算机等)进行处理。其中，压力传感器还包括相应的放大电路，以放大采集到的压力参数信号；所述温度传感器5和气压传感器为辅助测量通道，用于检测体应变动态特性测量仪器的状态，其中，温度传感器5用于测量所述密封保温腔体3、7、9的内腔温度，所述气压传感器用于监测该体应变动态特性测量仪器外部大气压力的变化，即用于测试外部环境的大气压力变化；所述体应变传感器采集的信号参数输出到数据采集器可以接不同滤波系数的滤波电路。
进一步地，所述多通道信息采集电路可以为四通道采集电路，所述四通道采集电路包括存储卡和网络接口，所述存储卡用于存储通过各通道采集的参数数据，所述网络接口则用于与处理设备连接通信，以便将采集的参数数据传送给相应的处理设备。且所述四通道采集电路可以采用24位芯片实现，其采样频率可为100次/秒。
在上述体应变动态特性测量仪器，还可以包括用于产生动态测试信号的电动阀门，所述电动阀门安装于所述抽放气口1上。对抽放气口1采用电动阀门进行控制会比手动阀门产生更陡的动态测试信号，进而可以获得更佳的测试效果。
上述本发明提供的体应变动态特性测量仪器在分析体应变传感器结构的基础上，可以根据测试系统的输入及输出采集信号拟合得到传感器的传递函数，即获得了体应变传感器的动态特性，解决了对体应变传感器缺乏了解的状况，为该传感器资料的在动态应用提供了基础条件。
本发明实施例还提供了一种体应变动态特性测量方法，该方法基于上述体应变动态特性测量仪器实现，且该方法的实现步骤可以包括：
(1)获取所述体应变动态特性测量仪器的输入测试信号，以及检测所述体应变动态特性测量仪器的输出信号；
(2)对所述输入测试信号和所述输出信号进行傅里叶变换处理；
(3)基于经过所述傅里叶变换处理后的结果计算确定所述体应变动态特性测量仪器的频率响应函数；
其中，计算确定所述体应变动态特性测量仪器的频率响应函数的处理步骤包括：
所述频率响应函数H的计算方式为：其中，Y为所述输出信号的傅里叶变换处理结果，A为所述输入测试信号的傅里叶变换处理结果。
(4)根据所述频率响应函数及传递函数结构确定体应变动态特性的测量结果；
其中，所述确定体应变动态特性的测量结果的步骤包括：
根据所述频率响应函数及传递函数结构，通过逐步迭代的方式得出误差范围之内的传递函数系数，获得测量结果。
也就是说，假设在体应变频率特性测试过程中没有噪声的影响，则体应比的频率特性可以简单地由记录信号的输入谱除输出谱求出。
具体地，基于上述体应变动态特性测量仪器，相应的体应变传递函数(即动态特性)的测试方法的实现过程可以包括：
设测试系统(即体应变动态特性测量仪器)的输入测试信号为a，测试系统的频率响应函数为H，测试系统的输出信号为y，且相应信号在频率域有如下关系：
Y＝HA
则可以推导得出：
上式中，Y和A为输出信号y和输入测试信号a的傅里叶变换。
基于上式，在得到了频率响应函数H后便可以确定测试系统的频率特性曲线。之后，由测试系统的频率特性求系统的传递函数可以采用Levy方法，具体可以根据测试的频率特性及具体的传递函数结构通过逐步迭代得出误差范围之内的传递函数系数，进而实现相应的体应变动态特性的测量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种体应变动态特性测量仪器，其特征在于，包括密封保温腔体、抽放气口、压力传感器和体应变传感器，其中，所述抽放气口设置于密封保温腔体上，体应变传感器设置于密封保温腔体内部，所述压力传感器分别安装于密封保温腔体上且各自的传感器探头置于密封保温腔体内。
2.根据权利要求1所述的体应变动态特性测量仪器，其特征在于，所述密封保温腔体包括保温盖、保温内筒和保温外筒，所述保温内筒与保温外筒之间为真空隔层，且在所述保温外筒上设置有抽气口，所述保温盖安装于所述保温内筒和保温外筒上令所述密封保温腔体内形成一个密封的保温腔。
3.根据权利要求2所述的体应变动态特性测量仪器，其特征在于，所述保温内筒与保温外筒分别为不锈钢保温内筒和不锈钢保温外筒，所述保温盖为聚四氟乙烯保温盖。
4.根据权利要求1所述的体应变动态特性测量仪器，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器的探头置于所述密封保温腔内。
5.根据权利要求4所述的体应变动态特性测量仪器，其特征在于，还包括多通道信息采集电路，各个通道分别与所述压力传感器、温度传感器和体应变传感器连接，且还与气压传感器连接。
6.根据权利要求4所述的体应变动态特性测量仪器，其特征在于，所述多通道信息采集电路为四通道采集电路，所述四通道采集电路包括存储卡和网络接口，所述四通道采集电路为24位芯片，其采样频率为100次/秒。
7.根据权利要求1至6任一项所述的体应变动态特性测量仪器，其特征在于，还包括用于产生动态测试信号的电动阀门，所述电动阀门安装于所述抽放气口上。
8.一种体应变动态特性测量方法，其特征在于，该方法基于上述权利要求1至7任一项所述的体应变动态特性测量仪器实现，包括：
获取所述体应变动态特性测量仪器的输入测试信号，以及检测所述体应变动态特性测量仪器的输出信号；
对所述输入测试信号和所述输出信号进行傅里叶变换处理；
基于经过所述傅里叶变换处理后的结果计算确定所述体应变动态特性测量仪器的频率响应函数；
根据所述频率响应函数及传递函数结构确定体应变动态特性的测量结果。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，计算确定所述体应变动态特性测量仪器的频率响应函数的步骤包括：
所述频率响应函数H的计算方式为：其中，Y为所述输出信号的傅里叶变换处理结果，A为所述输入测试信号的傅里叶变换处理结果。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述确定体应变动态特性的测量结果的步骤包括：
根据所述频率响应函数及传递函数结构，通过逐步迭代的方式得出误差范围之内的传递函数系数，获得测量结果。
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