CN112161608A

CN112161608A - 一种三分向水平摆倾斜仪探头

Info

Publication number: CN112161608A
Application number: CN201910518907.XA
Authority: CN
Inventors: 孔向阳; 宋光珍
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-06-16
Filing date: 2019-06-16
Publication date: 2021-01-01

Abstract

本发明公开一种三分向水平摆倾斜仪探头，属于地学测量仪器。为提高大地倾斜观测数据的可靠性和测量地震波的旋转波成分，将三个水平摆组合在圆柱形摆支架中；摆支架三个安装槽内安装结构相同的水平摆；摆支架顶部有三个微调卡爪、底部有定位中心孔和定向槽；摆支架与三个水平摆组装在一起后，再安装到不锈钢密封腔体内，构成本发明的倾斜仪探头；倾斜仪探头用膨胀水泥固结在钻孔底部的基岩中；在比较深的钻孔中能减缓温度干扰和冬夏温差产生的热弹性应力干扰；探头中三个摆的观测数据做到严格自检才是合格的工作状态，通过数据计算实现了仪器系统可靠性的同步监控。本发明结构简洁，能够为研究大地倾斜变化和旋转地震波提供长期可靠的观测数据。

Description

一种三分向水平摆倾斜仪探头

技术领域

本发明涉及一种地学观测仪器，用于测量区域地壳的倾斜变化，也用于测量旋转地震波，研究地震波驱动下的构造断层的活动特性。

背景技术

水平摆倾斜仪用于地学观测，安装在山洞内的基础墩上，水平摆的自振周期60秒-80秒，测量地震波有较宽的频带特性，其工作原理参见附图4：上吊丝下端固定在摆杆中间，下吊丝上端固定在摆杆尾部，摆锤在摆杆的前端；吊丝的固定点a点与b点的连线与铅垂线有夹角i，摆捶在重力的作用下使摆杆的中心线停止在i角的平面内；其特点是具有较大的自振周期，适合测量长周期的地震波，再是具有良好的角度放大特性，能将大地倾斜微小变化转化为摆锤大幅度的水平摆动角。用正交的两个水平摆连续测量数据，解析大地倾斜角度的两个参数：倾角

倾角方位角θ。大地倾斜研究需要数十年连续可靠的观测数据，跟踪断层构造活动，随着观测期的延长，因仪器系统老化导致所观测的数据逐渐劣化，虚假信息与真实的大地倾斜混淆；再是，传统水平摆安装在山洞的基础墩上，基础墩受山洞温度变化及洞室应力效应干扰较大，即便是新的仪器，观测数据的人为干扰、长期漂移也比较明显。

中国地震局地学测量专家苏恺之研究员提出改进方法：三个水平摆传感器按照120°夹角布设，任意两个传感器可以计算出大地的倾角

和方位角θ，三个摆正常工作时三个传感器测值的和恒为零(苏恺之著：钻孔地应变观测新进展P211，地震出版社2003)。经苏恺之研究员指导并给出革新的三个关键点：观测系统自检；安装到钻孔内改善观测质量和大幅度延长系统工作寿命；做到一机两用，观测大地倾斜与旋转地震波：

(1)在大于水平摆的自振周期频段的时间长度，如1分钟—1年，三分向水平摆倾斜仪观测数据具有良好的系统自检能力，仪器正常则观测数据严格遵从简明公式：

(2)山洞内垂直向下5m-10m深度的钻孔中，可以明显降低洞室温度干扰及冬夏温差造成的山洞开凿形成的热弹性应力效应；不依靠山洞则安装在深度大于100m的垂直钻孔中。

(3)三个水平摆夹角120°，在摆的自振周期优势频段内，如0.01秒--60秒，三个水平摆的观测数据能够解析地震波中的旋转分量。

发明内容

本发明提出一种三分向水平摆倾斜仪，用于大地倾斜、旋转地震波的观测研究。

本发明的技术方案是：摆支架为一个铝钛镁合金圆柱，在外圆面上有三个安装槽，三个安装槽在水平面投影夹角120°，三个安装槽内安装性能相同的水平摆测量系统；摆支架顶部有微型电机驱动的三个卡爪，组成仪器的机械微调系统；摆支架底部中心孔用于定位，侧面沟槽用于定向；摆体架安装三个水平摆测量系统后封装在密封的不锈钢圆筒中。

本发明的有益效果是：三个水平摆测量系统安装在一个摆支架中，三组数据能够实现严格的系统可靠性检验，明确甄别数据中的系统故障和与大地倾斜有关的地震异常；在三个水平摆所观测到的地震波成分中解析旋转地震波；将本发明的三分向水平摆使用膨胀水泥固结在钻孔底部完整的基岩中，可以有效避开地面的温度干扰及破碎基岩造成的干扰。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明

图1是本发明的纵向剖面图。

图2是图1的A-A剖面

图3是图1的B-B剖面

图4是水平摆工作原理示意图

图1中序号1.密封帽；2.不锈钢圆筒；3.摆支架；4.上吊丝夹；5.上吊丝；6.前锁摆偏心轴；7.陶瓷摆杆；8.后锁摆偏心轴；9.下吊丝；10.下吊丝夹；11.定心球面；12.定向销；13.动片信号线游丝；14.电路板；15.电容定片引线；16.金属摆锤(电容动片)；17.电容定片；18.微调卡爪；19.电缆线。图2中序号20.陶瓷管；21.电容定片引线；22.电容定片；23.陶瓷管。

具体实施方式

在图1中，密封帽(1)、不锈钢圆筒(2)、电缆(19)构成一个密封腔体；摆支架(3)、上吊丝夹(4)、上吊丝(5)、陶瓷摆杆(7)、下吊丝(9)、下吊丝夹(10)、金属摆锤(16)组成水平摆机械机构；电容动片(金属摆锤16)与电容定片(17)、电容定片(22)、电容定片引线(15)、电容定片引线(21)、动片信号线游丝(13)、电路板(14)、陶瓷管(20)、陶瓷管(23)组成电容位移测量系统；前锁摆偏心轴(6)、后锁摆偏心轴(8)组成锁摆机构；密封腔体底部定心球面(11)、定向销(12)、微调卡爪(18)构成定位与微调机构。

所述密封腔体，用于上述仪器系统的密封，密封腔体用膨胀水泥固结在钻孔完整基岩中，不锈钢圆筒(2)的轴线与大地铅垂线偏差小于0.1度，以保证能够将摆支架的轴心线调整到与铅垂线重合。

所述水平摆机械机构，上吊丝夹用于调整i角，使摆的自振周期固定在60秒；下吊丝夹用于调整水平摆机械零点，使金属摆锤停留在两个电容定片中间；两根吊丝与陶瓷摆杆的连接采用烧结方式；金属摆锤套在陶瓷摆杆上，采用烧结方式使金属摆锤与陶瓷摆杆稳固。

所述摆支架，用铝钛镁合金圆柱棒料加工，圆柱棒侧面有三个安装槽，三个槽由上到下排列，在水平面投影的相互夹角为120°，三个安装槽分别安装性能相同的水平摆；摆支架底部中心孔用于定位，侧面沟槽用于定向，顶部三个均布的槽用于安装微调卡爪。

所述电容位移测量系统，电容动片(金属摆锤16)在两个电容定片的中间时为电学零点，摆支架轴心倾斜时电容动片相对定片的间距产生位移变化，测量系统将该位移转换为电信号；电容定片用陶瓷管与摆支架固定，电容定片与摆支架有良好绝缘和稳定的连接状态。

所述锁摆机构，前锁摆偏心轴旋转半周，将陶瓷摆杆中间部位托起0.2mm，使上吊丝松弛；后锁摆偏心轴旋转半周，将陶瓷摆杆尾部压低0.2mm，使下吊丝松弛；锁摆机构作用是运输和安装过程将陶瓷摆杆锁定，防止因强烈振动损坏。

所述定位与微调机构，在不锈钢筒底部的球面顶在摆支架的中心，起到定心作用；摆支架底部侧面有一个定向沟槽，定向销卡在沟槽内限制摆支架的水平转动；摆支架上端面有三个微调卡爪，调整微调卡爪使摆支架的轴心与大地铅垂线重合；在装配调试时，三个水平摆观测系统应当同时处于机械零点，调整三个电容位移测量系统的电学零点与机械零点同步。

所述发明结构用于测量大地倾斜，在倾斜角度小于0.05°的范围时，三个水平摆的运动关系符合系统自检的公式(1)。

本发明的三分向水平摆倾斜仪结构简洁，利用观测数据实现观测系统的可靠性实时监控，为大地倾斜和旋转地震波的观测研究提供可靠的数据。

Claims

1.一种三分向水平摆倾斜仪探头，主要部件包括：由密封堵头(1)、不锈钢圆筒(2)组成的密封腔体，由摆支架(3)、陶瓷摆杆(7)、金属摆锤(16)、上吊丝(5)、下吊丝(9)组成的水平摆机械机构，由电容动片(金属摆锤16)、电容定片(17)、电容定片(22)、电路板(14)组成的位移测量系统，其特征是所述的水平摆机械机构与位移测量系统安装在摆支架侧面的安装槽内。

2.根据权利要求1所述的密封腔体，其特征是，底部中心有定心球面(11)和定向销(12)。

3.根据权利要求1所述的水平摆机械机构，其特征是水平摆的陶瓷摆杆(7)前端安装金属摆锤(16)，金属摆锤同时兼顾电容动片。

4.根据权利要求1所述的位移测量系统，其特征是电容定片(17)安装在陶瓷管(20)上，电容定片(22)安装在陶瓷管(23)上，陶瓷管嵌在摆支架的圆孔中，电容定片与摆支架有良好的绝缘状态和稳定的连接状态。

5.根据权利要求1所述的三分向水平摆倾斜仪探头，其特征是摆支架(3)侧面有通过轴心的三个安装槽，三个安装槽在水平面投影夹角为120°。