CN1278593A - 一种小型垂直摆倾斜仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型垂直摆倾斜仪,涉及地学观测技术,尤其适用于倾斜固体潮及地震前兆的观测。为了提高倾斜测量的灵敏度和精度,缩小仪器的尺寸,本发明采用小型垂直摆的主体结构及电容式位移测微。本发明的摆系主要由二根吊丝、摆杆和摆锤组成,摆锤也即电容位移传感器的活动电容板。测微装置主要由振荡器、反相器、前置放大器、选频放大器、锁相放大器等组成。由于折合摆长仅为10cm,测微精度最达0.0001mm,使仪器性能价格比极大提高,因此有着广阔的应用前景。

Description

一种小型垂直摆倾斜仪

本发明涉及地学观测技术，尤其适用于倾斜固体潮及地震前兆的观测。

为了测量太阳和月亮的引潮力引起的倾斜固体潮时，是以地面为基准，把地面视为静止不动；而观测地面倾斜变化时，又以铅垂线为基准。测量倾斜固体潮，目前广泛使用的有水平摆倾斜仪和垂直摆倾斜仪。水平摆倾斜仪由于通过机械和光学放大，使其测量灵敏度极大提高，所以获得广泛应用；但其稳定性差，易受干扰。垂直摆倾斜仪采用摆的铅垂原理，其摆结构比水平摆简单，性能稳定，但由于测量灵敏度受摆长制约，如要灵敏度高，则其结构庞大，性能价格比则高，安装困难，所以未获得广泛应用。

随着电子技术和传感技术的飞速发展，位移测量的精度大大提高，故本发明的目的就在于克服上述现有技术中存在的问题和不足，而采用垂直摆倾斜仪来进行高精度的倾斜测量，并将摆长大大缩短，从而减少仪器的尺寸和加工难度。

本发明的目的是这样实现的：垂直摆系由吊丝、摆杆和摆锤三部分组成。垂直摆系在没有振动的条件下处于铅垂状态；当发生倾斜变化时，摆系平衡位置发生变化，摆系和支架之间的相对位置发生变化，电容式位移传感器的动片和定片之间的间距也相应发生变化，通过传感器转换成电信号并加以放大，就可将摆锤的微小位移转换成电信号。由于地倾斜的相对变化量很小，摆锤的相对偏移量也很小，因此本发明要有一个高精度的测微装置，测量摆锤位置的变化。

下面结合附图详细说明。

图1为本发明构成框图。

图2为垂直摆系结构示意图。

图3为传感器结构示意图。

图4为测微装置框图。

图5为振荡器组成框图。

图6为前置放大器电路图。

图7为选频放大器电路图。

图8为锁相放大器电路图。

图9为移相器电路图。

图10为采集装置组成框图。

其中：1－主体装置，1·1－摆系，1·1·1－吊丝，1·1·2－摆杆，1·1·3－绝缘垫片，1·1·4－摆锤；1·2—传感器，1·3－支架，1·3·1－顶板，1·4－底座，1·5－调平机构，1·6－锁紧结构。2－测微装置，2·1－振荡器，2·1·1－程控时钟发生器，2·1·2－顺序地址发生器，2·1·3－正弦编码表，2·1·4－锁存器，2·1·5－DAC，2·1·6－低通滤波器；2·2－反相器，2·3－前置放大器，2·4－选频放大器，2·5－锁相放大器，2·6－移相器，2·7－整形器，C₁、C₂－固定电容板(定片)，C₃－活动电容板(动片)，U₁、U₂、U₃－电容板电压，L₁、L₂－电容板间距，U_i－输入电压，U₀－输出电压，G－接地，IC－集成片，R1－R11－电阻，C1－C9－电容。

由图1可知，本发明由主体装置1、测微装置2和采集装置3组成，依次连接。

(1)主体装置

主体装置1由摆系1·1、传感器1·2、支架1·3、底座1·4、调平机构1·5、、锁摆机构1·6组成。

①摆系1·1为小型垂直摆系，主要由吊丝1·1·1、摆杆1·1·2、摆锤(质量块)1·4组成，采用双丝悬挂，这样悬挂方式只有一个自由度。

吊丝1·1·1的性能对本发明来说是至关重要的，其材料采用恒弹性合金铜Ni42CrTi，具有较大的抗拉强度，经热处理后有较好的弹性稳定性，故可将吊丝1·1·1做得很薄，其厚度为0．02mm，宽度为2mm，使有足够高的偏转灵敏度，吊丝1·1·1的弹性强度与厚度的三次方成正比，与宽度的一次方成正比。摆锤1·1·4也即传感器1·2的动片，为一精密加工的长方体，长为70mm，高为50mm，厚为10mm。

二根吊丝1·1·1固定在顶板1·3·1上，依次连接有摆杆1·1·2、绝缘垫片1·1·3和摆锤1·1·4。

②传感器1·1·2，即电容式位移传感器。

由一个活动电容板(动片)C₃、两个固定电容板(定片)C₁、C₂组成。动片C₃即摆系1·1的摆锤1·1·4。两个定片C₁、C₂固定在支架1·3和底座1·4上。定片C₁、C₂的面积略大于动片C₃。为保证其表面的平面度和光洁度，均采用光学研磨，并进行真空镀金处理。真空镀金是为了避免动片C₃，定片C₁、C₂表面氧化并导致厚度的改变。动片C₃和定片C₁、C₂要通过精密安装和调整保持严格平行，平行度调整在10″以内，否则会导致传感器1·2的非线性，其间距为0．3mm。

③支架1·3为一圆形整体金属结构，使所受的应力均匀分布，减小仪器零漂，克服了由螺钉连接所产生的粘滑运动。

④底座1·4为一等边三角形金属板，上面安装有互为垂直方向的水准气泡。

⑤调平机构1·5为安装在底座1·4三个顶角处的可调脚螺丝组成，用于置平仪器，可使摆锤1·1·4处于零位附近。

⑥锁摆机构1·6为一可在支架1·3螺孔内转动的螺旋丝杆，杆尖指向摆锤1·1·4。是为避免仪器在运输过程中摆锤1·1·4与周围的部件发生碰撞导致损伤而设计的，运输前通过螺旋丝杆传动将摆锤1·1·4锁紧；工作时，再通过螺旋丝杆相反的运动将摆锤1·1·4松开，使其处于自由状态。

(2)测微装置

由图4可知，测微装置2，即一种高精度电容位移测微装置，由以下部件组成，其连接顺序是：

振荡器2·1→反相器2·2→C₁；振荡器2·1→C₂；C₃→前置放大器2·3→选频放大器2·4→锁相放大器2·5；振荡器2·1→移相器2·6→整形器2·7。

摆锤1·1·4作为质量块，不仅是摆系1·1的重要部件，而且又兼作电容位移传感器1·2的活动电容板C₃，两固定电容板C₁、C₂之间的间距为0．3mm，电容量为210pf。因为电容板的面积较大，之间的间距较小，边缘效应的影响可忽略不计，故电容板之间的电场可看作是均匀的，电场方向与电容板垂直，等位面则与电容板平行。因此电容板之间的电位差与其间的间距成正比： $\frac{U_1-U_3}{L_1}=\frac{U_3-U_2}{L_2}------\left(1\right)$ 由(1)式可得： $\frac{U_1+U_2-2U_3}{U_1-U_2}=\frac{L_1-L_2}{L_1+L_2}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L_0}------\left(2\right)$

其中△L为C₃偏离零位的距离，L₀为间距L₁和L₂的平均值，L₀=(L₁+L₂)／2。假定加在C₁、C₂的电压是大小相等而相位相反，即U₁=－U₂，代入(2)式得：

△L=L₀×U₃／U₁    (3)

由(3)式可以看出：偏离零位的距离△L是与C₃的输出电压U₃成正比。反之，由U₃就可求出△L。

由于U₃的幅度很小，信噪比也很小，因此必须经高增益放大后才能检测，并需锁相放大器滤除噪音，消除噪音对测量结果的影响。

①振荡器2·1

为了保证测微装置2的精度，振荡器2·1的幅度稳定度必须很高。本发明采用了一种程控正弦波发生器电路来产生稳幅振荡，如图5所示，它由下列部件组成，其连接顺序是：

程控时钟发生器2·1·1→顺序地址发生器2·1·2→ROPROM正弦编码表2·1·3→锁存器2·1·4→DAC2·1·5→低通滤波器2·1·6。

②反相器

反相器2·2使C₁得到的电压U₁与C₂上的电压U₂相反。

③前置放大器

前置放大器2·3的电路如图6所示，由于电容传感器1·2输出阻抗很高，前置放大器2·3的输入阻抗必须更高。图6所示的电路能同时满足高输入阻抗和高稳定增益。该放大器的增益为：

K₁=(R₁+R₂)／R₁≈40

④选频放大器

选频放大器2·4采用两级选频放大，如图7所示。其中心频率均为16kHz。作用是滤除频带以外的噪声。如果没有滤波，噪音的尖峰经放大后在锁相放大器2·4的输入端将达到饱和，从而影响锁相放大器2·5的工作性能。

⑤锁相放大器

由于电容传感器信号较小，信噪比很低，当噪音高于信号时，噪音就淹没了信号，无法进行准确的测量。锁相放大器2·5是滤除噪音最有效的方法，如图8所示。

⑥移相器

如图9所示的移相器2·6的特点是相位稳定性较好。由于电容测微装置2仅需在较小范围内调整相位。故本电路能较好的满足电容测微装置2的要求。

(3)采集装置

为了实现倾斜观测的数字化和智能化，本发明采用了数据采集设备，并在数采的基础上通过微机进行数字滤波，从而提高观测精度。本采集装置原理框图如图10所示。

本发明的技术指标是：

①折合摆长：            10cm

②电容测微装置精度：    0．0001微米

③仪器灵敏度：          0．001角秒

④仪器日漂移：          0．005角秒

本发明与现有技术，尤其是与水平摆倾斜仪相比：，具有以下优点和积极效果：

①由于本发明测量摆的位移的精度高达0．0001微米，故可使仪器的摆长大大缩短。其折合摆长为10厘米，而国内外其他类型的垂直摆倾斜仪的摆长为米的量级。由于摆长较短，使得机械加工难度和费用减小。

②水平摆倾斜仪的光杠杆长达5至7米，故东西向和南北向均需有5至7米的空间，本发明仅需1平方米的面积就能安放，可减小洞室建造费用。

③本发明为电信号输出，能自动记录，使用和管理较为方便；水平摆倾斜仪通常采用照像记录，需每天冲洗像片。

④由于本发明设计成小型化，仪器搬运较为方便。而且为整体结构，现场安装也较为方便，只要通过脚螺丝调平仪器，并连接好电缆，仪器的安装就算完成。

⑤采用微机进行数字滤波和各种计算，有助于提高精度，减少各种计算和管理工作，减轻台站人员的工作负担。

Claims (3)

1、一种小型垂直摆倾斜仪，由主体装置(1)、测微装置(2)和采集装置(3)组成，依次连接，其特征是：

①主体装置(1)由摆系(1·1)、传感器(1·2)、支架(1·3)、底座(1·4)、调平机构(1·5)、锁摆机构(1·6)组成，

摆系(1·1)为小型垂直摆系，双丝悬挂，二根吊丝(1·1·1)固定在顶板(1·3·1)上，依次连接有摆杆(1·1·2)、绝缘垫片(1·1·3)和摆锤(1·1·4)；

传感器(1·2)为电容式位移传感器，由一个活动电容板(C₃)、两个固定电容板(C₁、C₂)组成，活动电容板(C₃)即摆锤(1·1·4)；

支架(1·3)为一圆形整体金属结构；

底座(1·4)为一等边三角形金属板，上面安装有互为垂直方向的水准气泡；

调平机构(1·5)为安装在底座(1·4)三个顶角处的可调脚螺丝组成；

锁摆机构(1·6)为一可在支架(1·3)的螺孔内转动的螺旋丝杆，杆尖指向摆锤(1·1·4)；

②测微装置(2)为一种电容位移测微装置，由以下部件组成，其连接顺序是：振荡器(2·1)→反相器(2·2)→C₁；振荡器(2·1)→C₂；C₃→前置放大器(2·3)→选频放大器(2·4)→锁相放大器(2·5)；振荡器(2·1)→移相器(2·6)→整形器(2·7)。

2、按权利要求1所述的一种小型垂直摆倾斜仪，其特征是吊丝(1·1·1)采用恒弹性合金铜Ni42CrTi，其厚度≤0．02mm，宽度≤2mm。

3、按权利要求1所述的一种小型垂直摆倾斜仪，其特征是摆锤(1·1·4)为一精密的长方体，长≤70mm，高≤50mm，厚≤10mm，均采用光学研磨，并进行真空镀金处理。

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