CN107218884B - 一种钻孔应变仪整机性能测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种钻孔应变仪整机性能测试装置及测试方法，该装置包括测试底座，其上设有测试筒，应变仪探头置于测试筒内部中心，内部沿周向均匀间隔设有数个传感元件，数个传感元件位于不同高度，应变仪探头通过线缆与外部的主机相连，还包括位移给定模块和形变检测模块，位移给定模块包括相对测试筒左右对称设置的压电陶瓷致动器和微调螺杆，外侧端均穿过测试筒定位，内侧端均与应变仪探头外壁相接触，形变检测模块由相对测试筒左右对称设置的的两个微位移传感器组成，分布进行应变仪性能测量。本发明装置结构精简、使用可靠，能够精确的测出应变仪整机的性能参数。

Description

一种钻孔应变仪整机性能测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于地震形变观测仪器的技术领域，尤其涉及一种钻孔应变仪整机性能测试装置及测试方法。

背景技术

钻孔形变观测是研究地壳运动的重要观测手段。近年来国内外地震科学界对钻孔应变观测技术十分重视，四分量钻孔应变仪的发展更是得到了国家地震局及地震监测司的大力支持，近年来获得了一些震前异常信号，是目前最有前景的地震短临异常监测仪器，未来通过大范围的台网建设有望实现地震速报及地震预警预报，已经成功安装上百台。然而目前的钻孔应变类仪器普遍存在出厂前灵敏度测不准，导致安装后给定的格值有偏差，影响最终观测数据质量的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种钻孔应变仪整机性能测试装置及测试方法，避开测试筒的刚度不够及位移损耗问题，直接测量待测传感元件的各项性能数据。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种钻孔应变仪整机性能测试装置，其特征在于，包括测试底座，所述测试底座上设有测试筒，应变仪探头置于测试筒内部中心，应变仪探头内部沿周向均匀间隔设有数个传感元件，数个传感元件位于不同高度，应变仪探头通过线缆分别与外部的主机及高频数据采集器相连；还包括位移给定模块和形变检测模块，所述位移给定模块包括相对测试筒左右对称设置的压电陶瓷致动器和微调螺杆，压电陶瓷致动器外侧端穿过测试筒通过线缆与压电陶瓷控制器相连，内侧端与应变仪探头外壁相接触，微调螺杆外侧端穿过测试筒，内侧端压紧应变仪探头外壁；所述形变检测模块由相对测试筒左右对称设置的两个微位移传感器组成，两个微位移传感器的外侧端均穿过测试筒，内侧端均与应变仪探头外壁相接触。

按上述方案，所述数个待测传感元件包括一号传感元件、二号传感元件、三号传感元件和四号传感元件，数个待测传感元件在周向依次间隔45°设置。

按上述方案，所述测试底座顶部设有旋转模块，带动测试筒旋转，所述旋转模块包括旋转底座、蜗轮蜗杆传动组件和电机，所述旋转底座上设有环形轨道，环形轨道上均匀间隔设有数个滚轮，蜗轮置于环形轨道上与蜗杆相配置，所述电机输出轴与蜗杆一端相联，测试筒底部与涡轮顶部相连。

按上述方案，所述测试筒为不锈钢材质。

一种钻孔应变仪整机性能测试测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)灵敏度及格值测量，将应变仪探头置于测试筒内，通过线缆与外部主机相连，旋转调整测试筒的角度，并通过垫片调整应变仪探头的高度，使两个微位移传感器分别与一号传感元件的左右两端相对应设置，压电陶瓷致动器和微调螺杆相对测试筒左右对称设置，两个微位移传感器均与压电陶瓷致动器和微调螺杆相隔90°，压电陶瓷致动器外侧端穿过测试筒通过线缆与压电陶瓷控制器相连，通过压电陶瓷控制器使压电陶瓷致动器间歇产生位移量l₁、 l₂，两个微位移传感器测量位移量分别为L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂，一号传感元件的径向位移值分别为ΔL₁、ΔL₂，ΔL₁＝L₁₂-L₁₁，ΔL₂＝L₂₂-L₂₁，得出一号传感元件的径向总位移值为ΔL＝ΔL₁+ ΔL₂，同时一号传感元件将位移量转换为电压测量值U₁、U₂，通过连接电缆送到主机并记录，得出电压差值ΔU＝U₂-U₁，得出一号传感元件的灵敏度S＝ΔU/ΔL,重复以上步骤多次测量得出一号传感元件的灵敏度均值S_m，同时得出格值η，η＝ΔL/ΔU·D，其中，D为应变仪探头的内径，计算得出格值均值η_m；

松开压紧应变仪探头的微调螺杆，启动旋转模块将测试筒逆时针旋转45°，使两个微位移传感器分别与二号传感元件的左右两端相对应设置，再将微调螺杆旋转压紧应变仪探头外壁，待机械稳定一段时间后开始重复以上步骤测量二号传感器元件的灵敏度和格值；

重复上述以上步骤依次测量三号、四号传感器元件的灵敏度和格值，完成四分量应变仪四个方向传感元件的灵敏度和格值精确测量；

S2)线性度测量，旋转调整测试筒的角度，并通过垫片调整应变仪探头的高度，压电陶瓷致动器和微调螺杆相对一号传感元件的左右两端设置，压电陶瓷控制器使压电陶瓷致动器间隔等步距给定位移量L_i，步距为应变仪探头量程满度值的10％，同时一号传感元件将位移量转换为电压测量值U_i，通过连接电缆送到主机并记录，并通过最小二乘法对电压值进行拟合得出电压拟合值u_i，得出一号传感元件的线性度δ＝Δu_max/ΔU_FS，Δu_max为电压拟合值与电压测量值差值Δu的最大值，ΔU_FS为电压测量值的最大差值；

松开压紧应变仪探头的微调螺杆，启动旋转模块将测试筒逆时针旋转45°，使压电陶瓷致动器和微调螺杆相对二号传感元件的左右两端设置，再将微调螺杆旋转压紧应变仪探头外壁，待机械稳定一段时间后开始重复以上步骤测量二号传感器元件的线性度；

重复上述以上步骤依次测量三号、四号传感器元件的线性度，完成四分量应变仪四个方向传感元件的线性度精确测量；

S3)频带范围测量，旋转调整测试筒的角度，并通过垫片调整应变仪探头的高度，压电陶瓷致动器和微调螺杆相对一号传感元件的左右两端设置，压电陶瓷控制器向压电陶瓷致动器输入相同幅度不同频率的正弦波电压信号，使压电陶瓷致动器产生正弦波位移信号，该信号传递给应变仪探头筒壁，用高频数据采集器存储一号传感元件输出的数据和波形，进而分析应变仪的频带范围；

松开压紧应变仪探头的微调螺杆，启动旋转模块将测试筒逆时针旋转45°，使压电陶瓷致动器和微调螺杆相对二号传感元件的左右两端设置，再将微调螺杆旋转压紧应变仪探头外壁，待机械稳定一段时间后开始重复以上步骤测量二号传感器元件的频带范围；

重复上述以上步骤依次测量三号、四号传感器元件的频带范围，完成四分量应变仪四个方向传感元件的频带范围精确测量。

本发明的有益效果是：提供一种钻孔应变仪整机性能测试装置及测试方法，装置结构精简、使用可靠，避开测试筒的刚度不够及位移损耗问题，直接测量待测传感元件的各项性能参数，能够精确的测出应变仪各传感元件的线性度、灵敏度、格值、频带范围，为应变仪的出厂安装提供准确的参数标定。

附图说明

图1为本发明一个实施例的灵敏度测量时位移给定状态时的剖视图。

图2为本发明一个实施例的灵敏度测量时位移检测状态时的剖视图。

图3为本发明一个实施例的灵敏度测量时装置分布的俯视图。

图4为本发明一个实施例的钻孔应变仪频率响应曲线。

其中：1、测试底座；2、测试筒；3、一号传感元件；4、二号传感元件；5、三号传感元件；6、四号传感元件；7、压电陶瓷致动器；8、微调螺杆；9、微位移传感器；10、应变仪探头。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。

如图1-图3所示，一种钻孔应变仪室内整机灵敏度测试装置，包括测试底座1，其上设有测试筒2，测试筒为不锈钢材质，应变仪探头10置于测试筒内部中心，应变仪探头内部沿周向均匀间隔设有四个传感元件，包括一号传感元件3、二号传感元件4、三号传感元件5和四号传感元件6，分别位于不同高度，并在周向依次间隔45°设置，应变仪探头通过线缆分别与外部的主机及高频数据采集器相连；还包括位移给定模块和形变检测模块，位移给定模块包括相对测试筒左右对称设置的压电陶瓷致动器7和微调螺杆8，压电陶瓷致动器外侧端穿过测试筒通过线缆与压电陶瓷控制器相连，内侧端与应变仪探头外壁相接触，微调螺杆外侧端穿过测试筒，内侧端压紧应变仪探头外壁；形变检测模块由相对测试筒左右对称设置的两个微位移传感器9组成，两个微位移传感器的外侧端均穿过测试筒，内侧端均与应变仪探头外壁相接触。

测试底座顶部设有旋转模块，带动测试筒旋转，所述旋转模块包括旋转底座、蜗轮蜗杆传动组件和电机，旋转底座上设有环形轨道，环形轨道上均匀间隔设有数个滚轮，蜗轮置于环形轨道上与蜗杆相配置，电机输出轴与蜗杆一端相联，测试筒底部与涡轮顶部相连，启动电机使蜗杆带动蜗轮旋转，便于调整测试筒的角度方向。

采用上述装置对钻孔应变仪整机性能进行测试的方法，包括如下步骤：

S1)灵敏度及格值测量，将应变仪探头置于测试筒内，通过线缆与外部主机相连，旋转调整测试筒的角度，并通过垫片调整应变仪探头的高度，使两个微位移传感器分别与一号传感元件的左右两端相对应设置，压电陶瓷致动器和微调螺杆相对测试筒左右对称设置，两个微位移传感器均与压电陶瓷致动器和微调螺杆相隔90°，压电陶瓷致动器外侧端穿过测试筒通过线缆与压电陶瓷控制器相连，通过压电陶瓷控制器使压电陶瓷致动器间歇产生位移量l₁、 l₂，两个微位移传感器测量位移量分别为L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂，一号传感元件的径向位移值分别为ΔL₁、ΔL₂，ΔL₁＝L₁₂-L₁₁，ΔL₂＝L₂₂-L₂₁，得出一号传感元件的径向总位移值为ΔL＝ΔL₁+ ΔL₂，同时一号传感元件将位移量转换为电压测量值U₁、U₂，通过连接电缆送到主机并记录，得出电压差值ΔU＝U₂-U₁，得出一号传感元件的灵敏度S＝ΔU/ΔL,重复以上步骤多次测量得出一号传感元件的灵敏度均值S_m，同时得出格值η，η＝ΔL/ΔU·D，其中，D为应变仪探头的内径，计算得出格值均值η_m；

松开压紧应变仪探头的微调螺杆，启动旋转模块将测试筒逆时针旋转45°，使两个微位移传感器分别与二号传感元件的左右两端相对应设置，再将微调螺杆旋转压紧应变仪探头外壁，待机械稳定一段时间后开始重复以上步骤测量二号传感器元件的灵敏度和格值；

重复上述以上步骤依次测量三号、四号传感器元件的灵敏度和格值，完成四分量应变仪四个方向传感元件的灵敏度和格值精确测量；

S2)线性度测量，旋转调整测试筒的角度，并通过垫片调整应变仪探头的高度，压电陶瓷致动器和微调螺杆相对一号传感元件的左右两端设置，压电陶瓷控制器使压电陶瓷致动器间隔等步距给定位移量L_i，步距为应变仪探头量程满度值的10％，同时一号传感元件将位移量转换为电压测量值U_i，通过连接电缆送到主机并记录，并通过最小二乘法对电压值进行拟合得出电压拟合值u_i，得出一号传感元件的线性度δ＝Δu_max/ΔU_FS，Δu_max为电压拟合值与电压测量值差值Δu的最大值，ΔU_FS为电压测量值的最大差值；

松开压紧应变仪探头的微调螺杆，启动旋转模块将测试筒逆时针旋转45°，使压电陶瓷致动器和微调螺杆相对二号传感元件的左右两端设置，再将微调螺杆旋转压紧应变仪探头外壁，待机械稳定一段时间后开始重复以上步骤测量二号传感器元件的线性度；

重复上述以上步骤依次测量三号、四号传感器元件的线性度，完成四分量应变仪四个方向传感元件的线性度精确测量；

S3)频带范围测量，旋转调整测试筒的角度，并通过垫片调整应变仪探头的高度，压电陶瓷致动器和微调螺杆相对一号传感元件的左右两端设置，压电陶瓷控制器向压电陶瓷致动器输入相同幅度不同频率的正弦波电压信号，使压电陶瓷致动器产生正弦波位移信号，该信号传递给应变仪探头筒壁，用高频数据采集器存储一号传感元件输出的数据和波形，进而分析应变仪的频带范围；

松开压紧应变仪探头的微调螺杆，启动旋转模块将测试筒逆时针旋转45°，使压电陶瓷致动器和微调螺杆相对二号传感元件的左右两端设置，再将微调螺杆旋转压紧应变仪探头外壁，待机械稳定一段时间后开始重复以上步骤测量二号传感器元件的频带范围；

重复上述以上步骤依次测量三号、四号传感器元件的频带范围，完成四分量应变仪四个方向传感元件的频带范围精确测量。

以一号传感元件的测量数据为例进行说明，各项数据如下列表格和波形图所示：

表1灵敏度测试数据表——l₁＝1um、l₂＝5um、D＝100mm

表2灵敏度测试数据计算表——1um到5um计算结果

由表2计算可知：

灵敏度均值S_m＝1.802mv/nm、灵敏度均差最大值S'_max＝0.011mv/nm

一号元件灵敏度重复性为：

由表2计算可知：

格值均值η_m＝5.236(10^-9/m)、格值均差最大值η'_max＝0.028(10^-9/m)

一号元件格值重复性为：

表3一号传感元件线性度测试记录表

线性度为：

对一号传感器元件的频带范围进行测量时，采样率设为2000Hz，给压电陶瓷致动器施加的电压信号峰值为30V，压电陶瓷致动器产生相同幅度不同频率的正弦波位移信号，通过高频数据采集器记录一号传感器元件的输出波形和数据，进而分析应变仪的频带范围(结果见图4)。由图分析可知幅度增益在-3dB时频率处于100Hz～105Hz之间，认为该频带处即为本仪器的截至频率，因此本传感器频率响应能够达到100Hz。

Claims (1)

1.一种钻孔应变仪整机性能测试方法，采用性能测试装置进行测试，性能测试装置包括测试底座，所述测试底座上设有测试筒，应变仪探头置于测试筒内部中心，应变仪探头内部沿周向均匀间隔设有数个传感元件，数个传感元件位于不同高度，应变仪探头通过线缆分别与外部的主机及高频数据采集器相连；还包括位移给定模块和形变检测模块，所述位移给定模块包括相对测试筒左右对称设置的压电陶瓷致动器和微调螺杆，压电陶瓷致动器外侧端穿过测试筒通过线缆与压电陶瓷控制器相连，内侧端与应变仪探头外壁相接触，微调螺杆外侧端穿过测试筒，内侧端压紧应变仪探头外壁；所述形变检测模块由相对测试筒左右对称设置的两个微位移传感器组成，两个微位移传感器的外侧端均穿过测试筒，内侧端均与应变仪探头外壁相接触；所述数个传感元件包括一号传感元件、二号传感元件、三号传感元件和四号传感元件，数个传感元件在周向依次间隔45°设置；所述测试底座顶部设有旋转模块，带动测试筒旋转，所述旋转模块包括旋转底座、蜗轮蜗杆传动组件和电机，所述旋转底座上设有环形轨道，环形轨道上均匀间隔设有数个滚轮，蜗轮置于环形轨道上与蜗杆相配置，所述电机输出轴与蜗杆一端相联，测试筒底部与涡轮顶部相连；测试筒为不锈钢材质；所述的钻孔应变仪整机性能测试方法其特征在于，包括如下步骤：

S1）灵敏度及格值测量，将应变仪探头置于测试筒内，通过线缆与外部主机相连，旋转调整测试筒的角度，并通过垫片调整应变仪探头的高度，使两个微位移传感器分别与一号传感元件的左右两端相对应设置，压电陶瓷致动器和微调螺杆相对测试筒左右对称设置，两个微位移传感器均与压电陶瓷致动器和微调螺杆相隔90°，压电陶瓷致动器外侧端穿过测试筒通过线缆与压电陶瓷控制器相连，通过压电陶瓷控制器使压电陶瓷致动器间歇产生位移量l ₁、 l ₂，两个微位移传感器测量位移量分别为L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂，一号传感元件的径向位移值分别为ΔL₁、ΔL₂，ΔL₁= L₁₂- L₁₁，ΔL₂= L₂₂- L₂₁，得出一号传感元件的径向总位移值为ΔL=ΔL₁+ΔL₂，同时一号传感元件将位移量转换为电压测量值U₁、U₂，通过连接电缆送到主机并记录，得出电压差值ΔU= U₂- U₁，得出一号传感元件的灵敏度S=ΔU/ΔL,重复以上步骤多次测量得出一号传感元件的灵敏度均值S_m，同时得出格值η，η=ΔL/ΔU·D，其中，D为应变仪探头的内径，计算得出格值均值η_m；

松开压紧应变仪探头的微调螺杆，启动旋转模块将测试筒逆时针旋转45°，使两个微位移传感器分别与二号传感元件的左右两端相对应设置，再将微调螺杆旋转压紧应变仪探头外壁，待机械稳定一段时间后开始重复以上步骤测量二号传感器元件的灵敏度和格值；

重复上述以上步骤依次测量三号、四号传感器元件的灵敏度和格值，完成四分量应变仪四个方向传感元件的灵敏度和格值精确测量；

S2）线性度测量，旋转调整测试筒的角度，并通过垫片调整应变仪探头的高度，压电陶瓷致动器和微调螺杆相对一号传感元件的左右两端设置，压电陶瓷控制器使压电陶瓷致动器间隔等步距给定位移量L_i，步距为应变仪探头量程满度值的10％，同时一号传感元件将位移量转换为电压测量值U_i，通过连接电缆送到主机并记录，并通过最小二乘法对电压值进行拟合得出电压拟合值u _i，得出一号传感元件的线性度δ=Δu _max/ΔU_FS，Δu _max为电压拟合值与电压测量值差值Δu的最大值，ΔU_FS为电压测量值的最大差值；

松开压紧应变仪探头的微调螺杆，启动旋转模块将测试筒逆时针旋转45°，使压电陶瓷致动器和微调螺杆相对二号传感元件的左右两端设置，再将微调螺杆旋转压紧应变仪探头外壁，待机械稳定一段时间后开始重复以上步骤测量二号传感器元件的线性度；

重复上述以上步骤依次测量三号、四号传感器元件的线性度，完成四分量应变仪四个方向传感元件的线性度精确测量；

S3）频带范围测量，旋转调整测试筒的角度，并通过垫片调整应变仪探头的高度，压电陶瓷致动器和微调螺杆相对一号传感元件的左右两端设置，压电陶瓷控制器向压电陶瓷致动器输入相同幅度不同频率的正弦波电压信号，使压电陶瓷致动器产生正弦波位移信号，该信号传递给应变仪探头筒壁，用高频数据采集器存储一号传感元件输出的数据和波形，进而分析应变仪的频带范围；

松开压紧应变仪探头的微调螺杆，启动旋转模块将测试筒逆时针旋转45°，使压电陶瓷致动器和微调螺杆相对二号传感元件的左右两端设置，再将微调螺杆旋转压紧应变仪探头外壁，待机械稳定一段时间后开始重复以上步骤测量二号传感器元件的频带范围；

重复上述以上步骤依次测量三号、四号传感器元件的频带范围，完成四分量应变仪四个方向传感元件的频带范围精确测量。