CN115014232A - 一种跨断层水平形变观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种跨断层水平形变观测装置，包括：端力平衡系统，设置于首端机墩；尾端标定与调整机械机构，设置于尾端机墩；柔性金属丝，连接所述首端力平衡系统和所述尾端标定与调整机械机构，并且所述柔性金属丝上具有位移指示标志框；以及CCD测量仪器，构造为用于测量所述位移指示标志框的水平位移。本发明的跨断层水平形变观测装置，采用比较法测量原理，以柔性金属丝在确定张力下形成的弦长作长度基准，与被测参考点之间的距离进行比较，并且以CCD器件为核心的光电一体化智能型位移传感器作为位移检测单元，无电学漂移问题，可靠性强，实现真正的非接触式测量，保证仪器的长期稳定性指标。

Description

一种跨断层水平形变观测装置

技术领域

本发明涉及机械结构以及地球物理与大地观测领域，是一种地壳结构、基础与建筑物水平变形观测的新型专用测量仪器，尤其涉及一种跨断层水平形变观测装置。

背景技术

断层形变是地壳变形的一种基本表现形式，是与构造地质学、地震学以及地球动力学等一系列理论问题有关的重要地质现象。断层形变与地震危险区划、地震预报、工程场地及边坡稳定性监测等许多实际问题有着密切的联系。

上世纪六十年代初，我国首次在新丰江水库采用短基线、短水准测量方法进行定点跨断层测量，为研究地震孕育过程的水平应变的变化规律提供数据。八十年代末引进全球定位系统GPS技术，当监测网跨越断层时从断层两侧监测点的观测值提取断层形变信息。连续观测断层形变的仪器观测的分量包括水平分量及垂直分量两类分量。在传感器上分为纯机械式传感器和模拟量电学式传感器。传感器一般都采用接触式测量，并且电学式传感器存在电学漂移的问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的缺陷，提出了一种跨断层水平形变观测装置。

本发明的一种跨断层水平形变观测装置，包括： 尾端标定与调整机械机构，设置于尾端机墩；柔性金属丝，连接所述首端力平衡系统和所述尾端标定与调整机械机构，并且所述柔性金属丝上具有位移指示标志框；以及CCD测量仪器，构造为用于测量所述位移指示标志框的水平位移。

优选地，所述首端力平衡系统包括：首端立柱及与所述首端立柱铰链连接的直角杠杆，所述直角杠杆水平臂挂有重锤组，所述直角杠杆竖直臂下端与所述柔性金属丝的一端连接。

优选地，所述柔性金属丝为超英瓦合金丝。

优选地，所述超英瓦合金丝为线膨胀系数不大于-3×10^-7/℃的含Nb超英瓦合金丝。

优选地，所述首端立柱上设置有限位装置用于限制所述跨断层水平形变观测装置的工作范围。

优选地，所述直角杠杆内置组合交叉簧作为所述首端力平衡系统的灵敏支点。

优选地，所述CCD测量仪器包括CCD接收器以及平行光源发射器，所述平行光源发射器用于发射平行光，所述CCD接受器用于接收所述平行光。

优选地，所述尾端标定与调整机械机构包括尾端立柱，所述尾端立柱安装有螺杆，所述螺杆上安装有前锁母和后锁母，所述螺杆的安装所述前锁母的一端与所述柔性金属丝的另一端与连接。

优选地，所述螺杆的安装所述后锁母的一端设置有校准仪表。

优选地，所述校准仪表具有螺栓孔，所述校准仪表通过所述螺栓孔安装于所述螺杆上。

本发明具有如下有益效果：

本发明的跨断层水平形变观测装置，采用比较法测量原理，以CCD器件为核心的光电一体化智能型位移传感器作为位移检测单元，无电学漂移问题，可靠性强，实现真正的非接触式测量，保证仪器的长期稳定性指标。

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为本发明实施例的跨断层水平形变观测装置的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图对本发明的实施方式予以说明。需要说明的是，本说明书中所涉及的实施方式不是穷尽的，不代表本发明的唯一实施方式。以下相应的实施例只是为了清楚的说明本发明专利的发明内容，并非对对其实施方式的限定。对于该领域的普通技术人员来说，在该等实施例说明的基础上还可以做出不同形式的变化和改动，凡是属于本发明的技术构思和发明内容并且显而易见的变化或变动也在本发明的保护范围之内。

如图1所示，本发明优选实施例的跨断层水平形变观测装置，采用比较法测量原理，以柔性金属丝在确定张力下形成的弦长作长度基准，与被测参考点之间的距离进行比较。当两个参考点之间的水平发生微量形变变化，其变化经过力平衡系统传递至观测装置的首端，固定在首端柔性金属丝上的位移指示标志框4随着柔性金属丝做等量水平位移，由CCD测量仪器（智能化线阵CCD位移传感器）微处理后输出对应的形变变化。

根据本发明优选实施例的跨断层水平形变观测装置，包括：设置于首端机墩6的首端力平衡系统、设置于尾端机墩20的尾端标定与调整机械机构、连接所述首端力平衡系统和所述尾端标定与调整机械机构的柔性金属丝以及CCD测量仪器。首端机墩6以及尾端机墩20表示断层两侧的被测参考点。下面对各部件进行详细说明。

在每个优选实施例中，所述首端力平衡系统包括：首端立柱5及与所述首端立柱5铰链连接的直角杠杆8，所述直角杠杆8水平臂挂有重锤组9，所述直角杠杆8竖直臂下端与所述柔性金属丝17的一端连接。优选地，首端力平衡系统还包括首端底板11，该首端底板11固定设置于首端机墩6上。首端立柱5固定于首端底板11。

在每个优选实施例中，所述首端立柱上5设置有限位装置1用于限制跨断层水平形变观测装置的工作范围。限位装置1使观测装置工作在线性区间。当输入位移过大时，可以对首端力平衡系统起到限位保护作用。在运输及搬运过程中将保护螺杆锁紧，可以防止跨断层水平形变观测装置损坏。限位装置包括螺纹螺杆、调节螺母和锁紧螺母，为常用机械结构，此处不再详细说明。

在每个优选实施例中，所述直角杠杆8内置组合交叉簧2作为所述首端力平衡系统的灵敏支点。所述组合交叉簧2采用了无内摩擦挠性支承弹性敏感元件组合交叉簧，作力力平衡系统的灵敏支点，有效地保证了跨断层水平形变观测装置的回零特性。首端立柱5与直角杠杆8通过交叉簧2实现铰链连接。

在每个优选实施例中，尾端标定与调整机械机构包括尾端立柱14，所述尾端立柱14安装有螺杆16，螺杆16呈水平方向。所述螺杆16上安装有前锁母15和后锁母13，所述螺杆16的安装所述前锁母15的一端（前端）与所述柔性金属丝17的另一端与连接。优选地，尾端标定与调整机械机构还包括尾端底板19，尾端底板19固定设置于尾端机墩20上。尾端立柱14固定于尾端底板19上。

在每个优选实施例中，尾端标定与调整机械机构还包括校准仪表18，设置于所述螺杆16的安装所述后锁母13的一端（后端）。所述校准仪表18具有螺栓孔（未图示），校准仪表18通过所述螺栓孔安装于所述螺杆16上。该螺栓孔为长条形孔，可以在右方向调整校准仪表18位置。在观测状态时，前锁母15将螺杆16与尾端立柱14锁紧。在校准时，将前锁母15松开，旋转后锁母13，即可使螺杆16产生水平位移，其位移量由校准仪表18测量。此外，当断层水平形变量超出CCD接收器31的测量范围，可以通过旋转后锁母13调节螺杆16拖动柔性金属丝17水平左右移动来调整位移指示标志框4的位置，将位移指示标志框4的位置调整在CCD接收器31的中间位置，实现跨断层水平形变观测量程扩展。

在每个优选实施例中，尾端底板19上罩有尾端保护机箱21，起到保护尾端底板19上的各部件的作用。当然，应注意的是，尾端保护机箱21上设有供柔性金属丝17通过的孔。

在每个优选实施例中，柔性金属丝的17一端与首端力平衡系统的直角杠杆8竖直臂下端连接，柔性金属丝的17的另一端与尾端标定与调整机械机构的螺杆16的安装所述前锁母15的一端连接，构成跨断层水平形变观测装置的基准测量的悬链线，形成恒定的弦长。并且，所述柔性金属丝17上具有位移指示标志框4，该位移指示标志框4位于CCD测量仪器3的测量范围内。优选地，所述柔性金属丝17为超英瓦合金丝。更优选地，所述英瓦合金丝为线膨胀系数不大于-3×10^-7/℃的含Nb超英瓦合金丝。同时本发明还采用了温度自动补偿措施，跨断层水平形变观测装置在较大的温度范围内可以有效地抑制大部分环境温度影响。

在每个优选实施例中，CCD测量仪器3构造为用于测量所述位移指示标志框4的水平位移。优选地，所述CCD测量仪器3包括CCD接收器31以及平行光源发射器32，所述平行光源发射器32用于发射平行光，所述CCD接收器31用于接收所述平行光。在一些实施例中，所述CCD接收器31内置于CCD测量仪器3的壳体内的下部，平行光源发射器32内置于CCD测量仪器3的壳体内的上部。位移指示标志框4位于平行光源发射器所发射的平行光的光路中。

在优选的实施例中，在CCD测量仪器3的壳体内的上下部还分别设有发热元件（未图示）。所述发热元件用于防止平行光源的镜面以及CCD接收器的接收屏表面产生雾化结露，影响测量。所述发热元件优选地可以使用PTC陶瓷发热元件。

在优选的实施例中，跨断层水平形变观测装置还具有固定设置于首端底板11上的调整平台10。CCD测量仪器3安装于调整平台10的升降移动部件（未图示）的上部，从而CCD测量仪器3能够随升降移动部件在垂直方向调整高度。此外，首端底板11上罩有首端保护机箱7，起到保护首端底板11上的各部件的作用。当然，应注意的是，首端保护机箱7上设有供柔性金属丝17通过的孔。

在优选的实施例中，跨断层水平形变观测装置还包括保护管12，该保护管12设置于首端保护机箱7及尾端保护机箱21之间，用于保护柔性金属丝17的位于首端保护机箱7及尾端保护机箱21之外的金属丝部分。

下面对根据本发明优选实施例的跨断层水平形变观测装置的测量原理进行说明。本发明通过观测装置的所述超英瓦合金丝17一端与尾端标定与调整机械机构的螺杆16的前端与连接，另一端与首端力平衡系统的直角杠杆8竖直臂下端连接，构成测量系统的基准测量的悬链线，在超英瓦合金丝17和重锤组9确定参数后，重锤组9的重力通过支点和直角杠杆8为超英瓦合金丝17提供水平张力，使力平衡单元关于灵敏支点组合交叉簧2达到力矩平衡，超英瓦合金丝17则形成恒定的弦长。

当首尾机墩之间的距离发生微量变化，设尾端机墩20向左位移ΔX，弦长跟随平移，直角杠杆8以灵敏支点组合交叉簧2为中心顺时针方向转过相应的角度，直角杠杆8竖直臂牵引超英瓦合金丝17向左移动量值与ΔX相对应的弧形线段。在超英瓦合金丝17上固定的位移指示标志框4跟随超英瓦合金丝17相应地也向左移动ΔX。由于位移指示标志框4置于CCD测量仪器3的光路中，标志框4的位置变化由智能化线阵CCD位移传感器微处理后输出对应的形变变化，从而能够实现跨断层水平形变观测。

显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围。

Claims (10)

1.一种跨断层水平形变观测装置，其特征在于，包括：

首端力平衡系统，设置于首端机墩；

尾端标定与调整机械机构，设置于尾端机墩；

柔性金属丝，连接所述首端力平衡系统和所述尾端标定与调整机械机构，并且所述柔性金属丝上具有位移指示标志框；以及

CCD测量仪器，构造为用于测量所述位移指示标志框的水平位移。

2.根据权利要求1所述的跨断层水平形变观测装置，其特征在于，所述首端力平衡系统包括：首端立柱及与所述首端立柱铰链连接的直角杠杆，所述直角杠杆水平臂挂有重锤组，所述直角杠杆竖直臂下端与所述柔性金属丝的一端连接。

3.根据权利要求2所述的跨断层水平形变观测装置，其特征在于，所述柔性金属丝为超英瓦合金丝。

4.根据权利要求3所述的跨断层水平形变观测装置，其特征在于，所述超英瓦合金丝为线膨胀系数不大于-3×10^-7/℃的含Nb超英瓦合金丝。

5.根据权利要求2所述的跨断层水平形变观测装置，其特征在于，所述首端立柱上设置有限位装置用于限制所述跨断层水平形变观测装置的工作范围。

6.根据权利要求2所述的跨断层水平形变观测装置，其特征在于，所述直角杠杆内置组合交叉簧作为所述首端力平衡系统的灵敏支点。

7.根据权利要求1所述的跨断层水平形变观测装置，其特征在于，所述CCD测量仪器包括CCD接收器以及平行光源发射器，所述平行光源发射器用于发射平行光，所述CCD接收器用于接收所述平行光。

8.根据权利要求1所述的跨断层水平形变观测装置，其特征在于，所述尾端标定与调整机械机构包括尾端立柱，所述尾端立柱安装有螺杆，所述螺杆上安装有前锁母和后锁母，所述螺杆的安装所述前锁母的一端与所述柔性金属丝的另一端与连接。

9.根据权利要求8所述的跨断层水平形变观测装置，其特征在于，所述螺杆的安装所述后锁母的一端设置有校准仪表。

10.根据权利要求9所述的跨断层水平形变观测装置，其特征在于，所述校准仪表具有螺栓孔，所述校准仪表通过所述螺栓孔安装于所述螺杆上。

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