CN109738943A - 一种用于地震监测仪器的摆式传感器的快速稳定系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于地震监测仪器的摆式传感器的快速稳定系统，包括振动台、倾斜调平台、摆式传感器、采集控制单元以及PC终端，振动台包括能够沿一维水平方向振动的振动滑台。倾斜调平台设在振动滑台上，摆式传感器设在倾斜调平台上。振动台和PC终端均与采集控制单元连接，采集控制单元根据采集到的振动滑台的位移信息和PC终端的外部触发指令驱动振动滑台振动。本发明采用振动时效的方法对摆式传感器整机进行快速消减残余应力，达到摆式传感器快速稳定的目的，大大缩短了传感器稳定的周期，满足了我国地震监测台网的发展需求。

Description

一种用于地震监测仪器的摆式传感器的快速稳定系统

技术领域

本发明属于地震监测仪器的摆式传感器的稳定性领域，具体涉及一种用于地震监测仪器的摆式传感器的快速稳定系统。

背景技术

为了能很好地记录固体潮汐，地震过程等丰富的信息，地震监测仪器都具有极高的精度要求，以钻孔倾斜仪为例，在地倾斜形变测量中，为了能很好地记录地倾斜固体潮汐，地倾斜积累过程等丰富的地壳形变信息，钻孔倾斜仪要求具备2x10^-4角秒的高分辨力性能。在如此高的分辨力之下，对钻孔倾斜仪中的传感器的稳定性也提出了极高的要求。传感器从材料，到加工，到装配，每个环节都会有残余应力。对于普通观测系统，这些残余应力量级很小，不影响观测，可忽略不计。但是对于高精度的地震监测摆式仪器而言，这些残余应力会直接影响观测数据的稳定性，如果不予处理，传感器会在很长一段时间无法稳定工作，观测数据有大量突跳、毛刺、漂移等干扰问题。

目前，摆式传感器依靠对局部材料热处理和自然时效相结合的方法消除残余应力，提高传感器的稳定性。这套处理方法有一定的效果，但是也存在不足。一方面，自然时效消除残余应力的周期长，有的仪器悬挂机构的弹性部件需要自然放置数月，甚至长达几年才能使用，很难满足快速增加的地震监测台网建设需要。另一方面，局部零部件消除残余应力后，在传感器组装流程中会产生新的残余应力。因此，地震监测仪器的摆式传感器需要整机消除残余应力的快速稳定方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种用于地震监测仪器的摆式传感器的快速稳定系统，旨在解决现有技术中存在的摆式传感器稳定周期过长，无法满足快速增加的地震监测台网建设需求的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种用于地震监测仪器的摆式传感器的快速稳定系统，包括振动台、倾斜调平台、摆式传感器、采集控制单元以及PC终端；振动台包括能够沿一维水平方向振动的振动滑台；倾斜调平台设在振动滑台上，摆式传感器设在倾斜调平台上，且摆式传感器的测斜方向与振动滑台的一维振动方向一致，倾斜调平台用于调整摆式传感器的姿态以使摆式传感器处于工作平衡点状态；振动台和PC终端均与采集控制单元连接，采集控制单元根据采集到的振动滑台的位移信息和PC终端的外部触发指令驱动振动滑台振动。

根据本发明，PC终端还与摆式传感器连接，用于实时采集并显示摆式传感器的倾斜角度信息。

根据本发明，振动台还包括底座、电磁激振器和位移传感器；振动滑台设在底座上，并能够相对于底座沿一维水平方向振动；电磁激振器和位移传感器均固定在底座上，且电磁激振器的顶杆与振动滑台固定连接，位移传感器的探针与振动滑台连接；电磁激振器和位移传感器还均与采集控制单元连接。

根据本发明，采集控制单元包括数据采集器、伺服控制器和功率放大器；数据采集器、功率放大器和PC终端均与伺服控制器连接，数据采集器还与位移传感器连接，功率放大器还与电磁激振器连接。

根据本发明，摆式传感器包括摆式地震计中的传感器、加速度计中的传感器或者竖直摆倾斜仪中的倾斜传感器。

根据本发明，倾斜传感器包括摆支架、摆悬挂机构和中摆；摆支架固定在倾斜调平台上，摆支架上固定有对称设置的两个固定极板，摆悬挂机构的一端与中摆固定连接，另一端与摆支架固定连接。

根据本发明，倾斜调平台包括两个上下叠放的倾斜台；每个倾斜台包括固定台、工作台和驱动装置，固定台上固定有弧形轨道，工作台通过弧形轨道与固定台相连并能够相对于弧形轨道做往复滑动；驱动装置用于驱动工作台相对于弧形轨道滑动；其中一个倾斜台的固定台固定在另一个倾斜台的工作台上。

根据本发明，固定台包括具有向上开口的壳体，壳体上端两侧分别固定有弧形轨道，弧形轨道内设有弧形凹槽；工作台的底部两侧分别设有弧形凸块，弧形凸块插接在弧形凹槽内并能够沿弧形轨道往复滑动。

根据本发明，驱动装置包括螺杆、滑动件和手柄；滑动件固定在工作台的底部，滑动件为弧形结构并在弧形结构的底面均匀设有多个轮齿；螺杆与固定台的壳体可转动连接，螺杆上设有至少部分螺纹，螺纹与多个轮齿相互啮合；螺杆伸出固定台的壳体的一端与手柄固定连接。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明巧妙地利用振动台与采集控制单元的配合，在摆式传感器自身生产加工装配完成后，整体作为振动时效的对象，开展振动时效工艺，采用振动时效的方法对摆式传感器整机进行快速消减残余应力，达到摆式传感器快速稳定的目的，大大缩短了传感器稳定的周期，提高了摆式传感器的稳定性能，满足了我国地震监测台网的发展需求，使地震监测仪器更高效的服务于我国的防震减灾事业。

此外，PC终端能够将外部触发指令发送给采集控制单元，采集控制单元按照接收到的外部触发指令使振动滑台水平一维振动，进而使摆动传感器随之振动。而振动滑台的位移信息又被采集控制单元接收作为反馈以保证振动滑台的位移信息的准确性，保证了摆式传感器振动时效快速稳定的安全性和有效性。

附图说明

图1为如下实施例提供的快速稳定系统的结构示意图；

图2为实施例提供的摆式传感器采用竖直摆倾斜仪中的倾斜传感器时的结构示意图；

图3为如下实施例提供的倾斜调平台的结构示意图。

【附图标记说明】

1：振动台；11：振动滑台；12：底座；13：电磁激振器；14：位移传感器；

2：倾斜调平台；20：倾斜台；21：工作台；22：固定台：221：弧形轨道；23：手柄；24：螺杆；

3：摆式传感器；31：摆支架；311：固定极板；32：摆悬挂机构；33：中摆；

4：采集控制单元；41：数据采集器；42：伺服控制器；43：功率放大器；

5：PC终端。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

参照图1，本申请提供一种用于地震监测仪器的摆式传感器的快速稳定系统，包括振动台1、倾斜调平台2、摆式传感器3、采集控制单元4以及PC终端5。

其中，振动台1包括能够沿一维水平方向振动的振动滑台11，倾斜调平台2设在振动滑台11上，摆式传感器3设在倾斜调平台2上，且摆式传感器3的测斜方向与振动滑台11的一维振动方向一致，倾斜调平台2用于调整摆式传感器3的姿态以使摆式传感器3处于工作平衡点状态。振动台1和PC终端5均与采集控制单元4连接，采集控制单元4根据采集到的振动滑台11的位移信息和PC终端5的外部触发指令驱动振动滑台11振动。

具体地，在实际应用中，上述的振动台1直接放置于平稳的地平面上，整个快速稳定系统组装完成后，一般很难保证摆式传感器3刚好处于工作平衡状态，都会存在一定的倾斜角度。因此，在整个快速稳定系统工作之前，需要先通过倾斜调平台2将摆式传感器3调整到工作平衡点状态，以使其在工作测斜量程内振动，为摆式传感器3在工作量程内开展振动快速稳定工作提供必要条件。需要说明的是，这里所说的摆式传感器3的工作平衡点状态是指下述的摆支架31随之产生的倾斜量△Ψ为0的状态，当然，在实际应用中，将上述的倾斜角度调整到调平范围内即可视为处于工作平衡点状态，例如调整到-0.05～0.05度，以使摆式传感器3在其预设测斜量程内摆动。

整个快速稳定系统工作时，PC终端5一方面能够向采集控制单元4发送外部触发指令，另一方面接收并显示振动滑台11的位移信息。采集控制单元4能够接收振动滑台11的位移信息并发送给PC终端5，同时接收PC终端5发送的外部触发指令，然后根据接收到的位移信息和外部触发指令生成控制信号以根据该控制信号使振动滑台11提供摆式传感器3所需要的水平一维振动，振动滑台11沿一维水平方向振动以带动倾斜调平台2和摆式传感器3同时水平一维振动。其中，这里的外部触发指令是由操作人员在PC终端5上直接输入的，举例来说，这个外部触发指令根据预先设定的振动时效工艺的振动参数生成。

由此，本申请巧妙地利用振动台1与采集控制单元4的配合，在摆式传感器3自身生产加工装配完成后，整体作为振动时效的对象，开展振动时效工艺，采用振动时效的方法对摆式传感器3整机进行快速消减残余应力，达到摆式传感器3快速稳定的目的，大大缩短了传感器稳定的周期，提高了摆式传感器3的稳定性能，满足了我国地震监测台网的发展需求，使地震监测仪器更高效的服务于我国的防震减灾事业。

此外，PC终端5能够将外部触发指令发送给采集控制单元4，采集控制单元4按照接收到的外部触发指令使振动滑台11水平一维振动，进而使摆式传感器3随之振动。而振动滑台11的位移信息又通过下述的位移传感器14被采集控制单元4接收作为反馈以保证振动滑台11的位移信息的准确性，保证了摆式传感器3振动时效快速稳定的安全性和有效性。

在实际应用中，上述的PC终端5还与摆式传感器3连接，用于实时采集并显示摆式传感器3的倾斜角度信息。

这样，由PC终端5就可以清楚直观地了解摆式传感器3的倾斜角度，在整个快速稳定系统组装完成后，根据PC终端5显示的倾斜角度，就可以直接利用倾斜调平台2以将其调整到工作平衡状态，更加简单、直观和方便。整个快速稳定系统开始工作后，通过PC终端5实时显示的摆式传感器3的倾斜角度，也能够实时监测摆式传感器3的姿态，以保证摆式传感器3整机振动消除残余应力的过程都在其测斜量程范围内完成，多一层安全保障的作用，以防止因振动滑台11的振动幅度过大而整个过程超出了其测斜量程范围而造成一些安全隐患。

举例来说，以下述的图2中示出的竖直摆倾斜仪中的倾斜传感器为例，摆悬挂机构32一般为弹性部件，为了达到倾斜传感器高分辨力(2x10^-4角秒)的要求，摆悬挂机构32的弹性部件只有0.1毫米的厚度，中摆33与摆支架31的固定极板311间隙很小，只在0.1毫米量级，倾斜传感器的测斜量程仅为0.15度。因此，该倾斜传感器整机振动消除残余应力的过程必须在倾斜传感器的测斜量程范围内且对位移信息有监控的系统内完成；否则快速稳定系统不仅无法完成消减传感器残余应力的目的，还可能直接损坏倾斜传感器。

在本申请的具体实施例中，上述的振动台1还包括底座12、电磁激振器13和位移传感器14。振动滑台11设在底座12上，并能够相对于底座12沿一维水平方向振动。电磁激振器13和位移传感器14均固定在底座12上，且电磁激振器13的顶杆与振动滑台11固定连接，位移传感器14的探针与振动滑台11连接。电磁激振器13和位移传感器14还均与采集控制单元4连接。

具体地，在底座12上设有轨道，振动滑台11设在轨道的上方并能够沿该轨道做一维水平方向振动。在工作时，电磁激振器13能够接收采集控制单元4的控制信号以通过其顶杆带动振动滑台11的水平一维振动。而位移传感器14能够检测振动滑台11的位移变化并将位移信息发送给采集控制单元4，采集控制单元4接收到该位移信息后将该位移信号发送给PC终端5，以使操作人员能够通过PC终端5实时观测振动滑台11的位移信息。

在具体实现过程中，上述的采集控制单元4包括数据采集器41、伺服控制器42和功率放大器43，数据采集器41、功率放大器43和PC终端5均与伺服控制器42连接，数据采集器41还与位移传感器14连接，功率放大器43还与电磁激振器13连接。

具体而言，数据采集器41能够采集位移传感器14检测到的位移信息，以监控振动滑台11的位移信息，并作为反馈信号发送给伺服控制器42。伺服控制器42能够接收PC终端5的外部触发振动并结合反馈信号，以调整控制信号，然后将控制信号发送给功率放大器43。功率放大器43接收到伺服控制器42的控制信号后，将其功率放大，然后输出给电磁激振器13，使其启振，以使振动滑台11振动。

在实际应用中，上述的摆式传感器3包括摆式地震计中的传感器、加速度计中的传感器或者竖直摆倾斜仪中的倾斜传感器。以竖直摆倾斜仪中的倾斜传感器为例，参照图2，该倾斜传感器包括摆支架31、摆悬挂机构32和中摆33，摆支架31固定在倾斜调平台2上，摆支架31上固定有对称设置的两个固定极板311，摆悬挂机构32的一端与中摆33固定连接，另一端与摆支架31固定连接。

该倾斜传感器的测地倾斜原理如下：中摆33受到地球重力作用，始终保持竖直方向。当地面向某一方向倾斜角度△Ψ，摆支架31随之产生△Ψ的倾斜量，而中摆33受重力作用，仍保持竖直方向，中摆33与摆支架31上的固定极板311即产生相对位移，地面倾斜△Ψ使中摆33与摆支架31上的固定极板311产生相对位移△δ，通过测量摆支架31上的固定极板311与中摆33构成的差动电容量，可以测量此相对位移量△δ，进而实现测地倾斜的目的。

当然，摆式传感器3也可以根据需要选择其他的具有竖直摆的传感器，这样，将该摆式传感器3安装在倾斜调平台2上后，利用上述的快速稳定系统即可以采用振动时效的方式对摆式传感器3实现快速消减残余应力的目的，简单方便。

进一步地，参照图3，上述的倾斜调平台2包括两个上下叠放的倾斜台20，每个倾斜台20包括固定台22、工作台21和驱动装置，固定台22上固定有弧形轨道221，工作台21通过弧形轨道221与固定台22相连并能够相对于弧形轨道221做往复滑动。驱动装置用于驱动工作台21相对于弧形轨道221滑动，其中一个倾斜台20的固定台22固定在另一个倾斜台20的工作台21上。实际应用中，一般这两个倾斜台20的调倾斜方向相互垂直设置，即通过下述的两个倾斜台20的螺杆24相互垂直设置来实现。

需要说明的是，上述两个倾斜台20的调倾斜方向是根据实际需要而定的在同一水平面内相互垂直的两个方向。举例来说，在实际应用中，可以将正东西方向作为设在上方的倾斜台20的调倾斜方向，而将正南北方向作为设在下方的倾斜台20的调倾斜方向，此时摆式传感器3的测斜方向以及振动滑台11的一维振动方向均为正东西测项。

这样，通过两个倾斜台20的相互配合并利用工作台21相对于弧形轨道221的滑动，就能够快速将摆式传感器3调整到工作平衡点状态，以使其在工作测斜量程内振动，为摆式传感器3在工作量程内开展振动快速稳定工作提供必要条件。

具体而言，固定台22包括具有向上开口的壳体，壳体上端两侧分别固定有弧形轨道221，弧形轨道221内设有弧形凹槽。工作台21的底部两侧分别设有弧形凸块，弧形凸块插接在弧形凹槽内并能够沿弧形轨道221往复滑动。

在实际应用中，上述的驱动装置包括螺杆24、滑动件和手柄23，滑动件固定在工作台21的底部，滑动件为弧形结构并在弧形结构的底面均匀设有多个轮齿。螺杆24与固定台22的壳体可转动连接，螺杆24上设有至少部分螺纹，螺纹与多个轮齿相互啮合。螺杆24伸出固定台22的壳体的一端与手柄23固定连接。

其中，由于滑动件为弧形结构，实际工作中只有其最底部的轮齿能够与螺杆24上的螺纹相啮合，其余部分的轮齿只有运动到最底部时才能够与螺杆24上的螺纹相啮合。因此，在具体实施过程中一般仅在螺杆24与滑动件的底部相啮合处加工有一小段螺纹即可，以简化结构。在螺杆24的两端一般套设有轴承，螺杆24的两端通过轴承与固定台22的外壳可转动连接，且有一端与壳体可转动连接后伸出壳体的外部并与手柄23固定连接。

这样，当手柄23转动后，手柄23带动螺杆24转动，螺杆24上的螺纹啮合滑动件上的多个轮齿旋转，多个轮齿的旋转带动工作台21上的弧形凸块沿弧形轨道221内的弧形凹槽滑动，进而使整个工作台21沿弧形轨道221往复滑动，以实现工作台21的正/负倾斜。由此，通过手柄23的正/反旋转就可以精确地控制工作台21的正/负倾斜运动，简单方便。

当然，在具体实现过程中，上述的倾斜调平台2也可以采用其他的结构方式实现，以方便快速调节摆式传感器3的姿态以使摆式传感器3处于工作平衡点状态。本实施例仅为举例说明，对倾斜调平台2的结构并不做限定。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于地震监测仪器的摆式传感器的快速稳定系统，其特征在于，包括振动台(1)、倾斜调平台(2)、摆式传感器(3)、采集控制单元(4)以及PC终端(5)；

所述振动台(1)包括能够沿一维水平方向振动的振动滑台(11)；

所述倾斜调平台(2)设在所述振动滑台(11)上，所述摆式传感器(3)设在所述倾斜调平台(2)上，且所述摆式传感器(3)的测斜方向与所述振动滑台(11)的一维振动方向一致，所述倾斜调平台(2)用于调整所述摆式传感器(3)的姿态以使所述摆式传感器(3)处于工作平衡点状态；

所述振动台(1)和所述PC终端(5)均与所述采集控制单元(4)连接，所述采集控制单元(4)根据采集到的所述振动滑台(11)的位移信息和所述PC终端(5)的外部触发指令驱动所述振动滑台(11)振动。

2.如权利要求1所述的快速稳定系统，其特征在于，

所述PC终端(5)还与所述摆式传感器(3)连接，用于实时采集并显示所述摆式传感器(3)的倾斜角度信息。

3.如权利要求1所述的快速稳定系统，其特征在于，所述振动台(1)还包括底座(12)、电磁激振器(13)和位移传感器(14)；

所述振动滑台(11)设在所述底座(12)上，并能够相对于所述底座(12)沿一维水平方向振动；

所述电磁激振器(13)和所述位移传感器(14)均固定在所述底座(12)上，且所述电磁激振器(13)的顶杆与所述振动滑台(11)固定连接，所述位移传感器(14)的探针与所述振动滑台(11)连接；

所述电磁激振器(13)和所述位移传感器(14)还均与所述采集控制单元(4)连接。

4.如权利要求3所述的快速稳定系统，其特征在于，所述采集控制单元(4)包括数据采集器(41)、伺服控制器(42)和功率放大器(43)；

所述数据采集器(41)、功率放大器(43)和PC终端(5)均与所述伺服控制器(42)连接，所述数据采集器(41)还与所述位移传感器(14)连接，所述功率放大器(43)还与所述电磁激振器(13)连接。

5.如权利要求1所述的快速稳定系统，其特征在于，

所述摆式传感器(3)包括摆式地震计中的传感器、加速度计中的传感器或者竖直摆倾斜仪中的倾斜传感器。

6.如权利要求5所述的快速稳定系统，其特征在于，所述倾斜传感器包括摆支架(31)、摆悬挂机构(32)和中摆(33)；

所述摆支架(31)固定在所述倾斜调平台(2)上，所述摆支架(31)上固定有对称设置的两个固定极板(311)，所述摆悬挂机构(32)的一端与所述中摆(33)固定连接，另一端与所述摆支架(31)固定连接。

7.如权利要求1所述的快速稳定系统，其特征在于，所述倾斜调平台(2)包括两个上下叠放的倾斜台(20)；

每个倾斜台(20)包括固定台(22)、工作台(21)和驱动装置，所述固定台(22)上固定有弧形轨道(221)，所述工作台(21)通过所述弧形轨道(221)与所述固定台(22)相连并能够相对于所述弧形轨道(221)做往复滑动；

所述驱动装置用于驱动所述工作台(21)相对于所述弧形轨道(221)滑动；

其中一个倾斜台(20)的固定台(22)固定在另一个倾斜台(20)的工作台(21)上。

8.如权利要求7所述的快速稳定系统，其特征在于，

所述固定台(22)包括具有向上开口的壳体，所述壳体上端两侧分别固定有所述弧形轨道(221)，所述弧形轨道(221)内设有弧形凹槽；

所述工作台(21)的底部两侧分别设有弧形凸块，所述弧形凸块插接在所述弧形凹槽内并能够沿所述弧形轨道(221)往复滑动。

9.如权利要求8所述的快速稳定系统，其特征在于，所述驱动装置包括螺杆(24)、滑动件和手柄(23)；

所述滑动件固定在所述工作台(21)的底部，所述滑动件为弧形结构并在弧形结构的底面均匀设有多个轮齿；

所述螺杆(24)与所述固定台(22)的壳体可转动连接，所述螺杆(24)上设有至少部分螺纹，所述螺纹与多个所述轮齿相互啮合；

所述螺杆(24)伸出所述固定台(22)的壳体的一端与所述手柄(23)固定连接。