CN2064042U - 竖直摆倾斜仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种改进的竖直摆倾斜仪，它由探头、控制机箱、模拟记录仪和数据采集器等组成，探头内装有高灵敏度的竖直摆传感器，传感器外壳(即摆合)上有不同用途的孔，从而可以组成多种场合不同形式的探头，该仪器结构简单，造价低，灵敏度高，测量准确，使用方便，易于推广，可广泛地应用于山区和平原的地球物理、固体潮、地壳微小倾斜量和地震的监测、预报等。

Description

地震是自然界常见的现象，灾害性的地震给人类生命财产带来的损失是巨大的，因此，人类对地震活动的预测也是人们普遍关心的问题。各国科学家为此进行了不懈的努力，研究设计制造了许多有关监测地球变化、预报地震发生的仪器，目前世界上最多采用的是水平摆倾斜仪，其次是水管倾斜仪，气泡倾斜仪，但水平摆倾斜仪灵敏度较低，稳定性也不够好，用光点照相记录方式很不方便，而且还只能在山区洞体中使用；水管倾斜仪在平原地带也无法使用，只能安装在良好的山洞里工作，使用的局限性很大；气泡倾斜仪噪声大，寿命短，不易推广。近期国外又发展起来了一种竖直摆钻孔倾斜仪，但价格昂贵，每台约20万美元，一般地震台（站）无力购买。

本实用新型的目的就是研制一种既能在山区使用，又能在平原地带使用，且价格便宜，使用方便，测报地球变化准确的竖直摆倾斜仪。

本实用新型的目的是这样实现的。利用一个或两个竖直方向的摆（如铅垂摆），来测量地面倾斜变化，即用细丝吊起一个（或两个）重锤，由于地球重力作用，重锤的方向必然指向地球质心，当地球表面产生倾斜时，地球和摆锤支架同时倾斜，重锤仍保持铅垂方向，与支架产生相对位移，其位移量△ψ＝△d／L×206265（秒），式中L为摆长，即由悬挂点到重锤重心距离，△ψ为倾斜角度，相对位移量△d即可测出，从而实现对地球微小倾斜量的测定，达到测量由于地球构造运动、地震、滑坡、地面负荷等原因造成的地壳微小形变，测量日月引力形成的地球固体潮，从而为研究和预报地震、地质灾害、水利工程危险性及地球物理场提供重要的条件和手段。为适应山区及平原地区均可使用之目的，竖直摆倾斜仪采用通用的钎焊密封的内部悬挂摆锤的细长条形探头，控制机箱、模拟记录仪和数据采集器组成，探头内部装有竖直向的摆系结构以及与其协调工作的电容测微系统，该部分是测地表面微小倾斜变化的敏感部分，使用时安放在地壳表面层几十米的钻孔内；与探头用电缆或导线相连接的控制机箱、模拟记录仪和数据采集器是安装在地面上的实现观测室内的控制监测系统，控制机箱用来控制探头的工作状态，调整其工作点，标定检查其工作灵敏度和稳定性，接受处理井孔下送来的电压信号，提供探头工作所需要的电源等；模拟记录仪和数据采集器是把经过滤波的信号用曲线和数据记录下来，以供人们研究、分析使用，最终达到预测预报的目的。

该仪器的全套操作系统使用方便，造价低，易于推广，可广泛地应用于山区和平原的地球物理、固体潮，地壳微小倾斜测量和地震监测、预报等。

以下结合附图对本实用新型的结构及使用情况作详细说明。

图1为本实用新型的各组成部分联接示意图。

图2为本实用新型使用装态方框示意图。

图3为本实用新型竖直摆传感器的结构示意图。

图4为采用竖直摆传感器组装的三种倾斜仪探头结构图。

由图1可知，竖直摆倾斜仪是由探头1、控制机箱2、模拟记录仪3、数据采集器4、磁带机5、时号钟6组成，探头用电缆7同控制机箱的输入端相接，模拟记录仪、数据采集器用导线同控制机箱的输出端相连，磁带机用导线同数据采集器的输出端相连接，时号钟同控制机箱的信号输出相连接，以记录整点时输出信号曲线上的时间。

控制机箱是在地面为井孔24内的探头提供电源，倾斜信号处理以及控制井孔下探头动作，其外壳用铝板及铝型材料制成，面板左边上方是两只指示南北向和东西向倾斜大小的表头，左下方是调整南北向和东西向灵敏度和记录电平的旋扭，面板右边有电源开关，指示灯和驱动探头内部电机运动的电机控制开关、按扭，控制箱后面板设有信号输入插口，信号输出插口及标定开关。由井孔下探头中竖直摆所产生的倾斜变化信号（如电压信号）由电缆7输入控制机箱，经进一步放大或衰减滤波，再经电平调整后送到记录仪。控制机箱产生稳定的标定电流与电压，以利于测量。

模拟记录仪采用电位差自动记录仪（如国产XWT－264台式电位差自动记录仪），用宽250mm长形记录纸，采用两道放大器、笔头，分别把控制机箱送来的南北向和东西向倾斜信号进一步放大，经驱动两个记录笔头产生信号位移，把控制机箱送出的电信号如实地以曲线形式记录在长条形记录纸带上。记录可采用“直接记录”和“反馈记录”两种工作方式。石英钟为模拟记录提供时间服务。

数据采集器由数据采集接口，计算机（如PC－1500计算机）、打印机、磁带机组成，可以将控制机箱送出的模拟信号进行模－数转换，变成数字化信息，由计算机按照软件进行数据计算、打印，绘图和数据储存，超出正常规律的变化也可以自动报警，在实际使用中，其信号传输的情况是，当在井孔24下的探头中的摆体12相对于摆盒8的位置变化使电容片13间距离产生变化时，电容电桥的输出电压产生变化，此变化量经电缆7送至控制机箱后再经过多级放大电路放大，由相敏检波电路进行检波，变成与倾斜量成比例的直流电信号，但此信号中还含有很多脉动成份，以及地振动成份，用积分电路进行处理后送到记录部分进行记录，也可以不直接记录倾斜信号，而把积分后的倾斜信号重新通过反馈线圈与磁铁转换成使摆恢复零位的电磁力，迫使摆保持在零位，记录部分把迫使摆回到零位所消耗的电流记录下来，此电流也正比于倾斜量，从而达到测量的目的。整机工作情况如图2方框图所示。

由以上情况所知，该实用新型的测量信号准确与否，很关键的取决于探头中竖直摆传感器16，由图3所示，竖直摆传感器有竖直摆体12，上部通过十字交叉簧片9悬挂在摆合8的顶部，下部连接着电容测微器的电容片13，摆体上方装有止动环10，环上有销钉14伸向摆合外，在销钉14位置有一纵向长孔，止动环连同销钉可沿轴向平行移动。止动环上方有弹簧11，销钉下方有偏心轮15，当转动偏心轮15时，止动环上下移动，移向上方为工作位置，移向下方为锁紧位置，弹簧11向下压止动环，止动环圆锥面与摆体圆锥面接触并有约500克压力，使摆体固定在中心位置，搬运仪器时必须把摆体锁紧。扭动偏心轮15约180°，偏心轮将止动环顶起，与摆体分离，摆体恢复自由，即为工作位置。摆合的上端、中部和底部有许多安装孔，可以与不同的仪器外壳、底座接合。摆体用黄铜制造，表面镀金，以利于抗腐蚀。

图4显示了用竖直摆传感器与不同外壳组装成的三种竖直摆倾斜仪三种探头结构。图4（a）为竖直摆钻孔倾斜仪用探头，该探头的竖直摆传感器16通过十字万向活动节17与防水外筒26连接，下部在传感器16下方装有由电机、蜗轮蜗杆组成的零位调整机构18，由它完成井下探头工作状态的调整，东西、南北两个方向可调范围为±3.5°。传感器16上端装有电容测微电路板19，它完成位移——电压的转换，转换后的电压量由探头顶部中心的电缆7送到地面的控制机箱。探头防水外筒26用无缝钢管加工，两端堵头用钎焊方法结合，保证了足够可靠的防水能力。探头上部有锥形块25，提环23，重块21，提环将重块提起，以提起整个探头，重块下方有三个均匀分布在防水外筒周围的楔形滑块20，其上部有一水平长孔，通过一穿钉悬挂在重块21上，整个楔形滑块可沿径向位移。在重块上方的电缆线外套有紧固弹簧22。当用绳索提起提环时，由于探头的重量，使弹簧22压缩，重块21连同楔形滑块一起向上，滑块处于松动状态，当探头到达钻孔底部（如图1所示），其重量由本身承担，由于弹簧的压力和重块的重力，使三个滑块下降，其内斜面受锥形块25作用，向外张开，直至三个滑块外表面与孔壁紧密接触，即把探头与井孔壁固定为一体，探头下部有固定锥体头33。

图4（b）为用竖直摆传感器在三角平板上装成的台式竖直摆倾斜仪探头。由图可以看出，把竖直摆传感器16固定在三角形平板28上，三角平板采用铸铝板制成直角三角形，每边长可为23cm，三角平板上装三个调整脚螺丝29，用来调整倾斜仪的工作状态。在竖直摆传感器外有防潮密封罩27，信号电缆7由平板下部引出。这种机型结构简单，可用于一般山洞中。

图4（c）是用竖直摆传感器组装的浅孔竖直摆倾斜仪探头。把竖直摆传感器16固定在简易密封外筒32中，端盖30与外筒采用螺纹－－橡胶圈密封，该探头仅在很小的水压下工作，在传感器上部装有用于扶正仪器的连杆31，该探头结构非常简单，仅能安装在1——2米的浅孔中，探头周围填上石英砂，调整仪器工作状态是通过推动连杆和捣实石英砂实现。

本实用新型安装和使用起来都非常方便，以图4（a）探头组成的竖直摆倾斜仪为例，将探头做成细长形状，一般按操作程序放入15——70米的钻孔（井孔）中为宜，探头下井前，应对钻孔工作段的深度、直径、长度和水位进行准确测量并做好记录，之后，将探头下部的固定锥体头准确的放入井孔底部的圆锥孔内牢固亦可，然后按操作程序接通仪器各部分线路，通电便可正常工作。原来从事水平摆倾斜器观测的工作人员，经短时间学习后均可掌握。该仪器一经装好使用后，日常管理简单，但要注意以下几条：1、保证供电不间断，哪怕几分钟停电对观测影响也很大，因此要有备用电源，电压要稳，波动范围小于10％；2、注意记录笔头走向，尽量保证不靠边，如果调笔扭已调到尽头，说明电平补偿已达到极限，需要重调电机进行机械调零；3、要注意防潮、防尘、笔头每月清洗一次，保证下水畅通；4、数据采集器内部蓄电池平时应处于浮充状态，停电后可维持一段工作，若停电过长（如超过20小时），来电后也不能恢复工作，需要重新调整等。

本实用新型使用范围广，平原、山区均可采用，灵敏度高，稳定性好，记录当时可见，水下地面均可适应，结构简单，造价低，比如进口一台同类型仪器需20万美元，但造一台本实用新型仪器价不过万元，可谓物美价廉，非常易于推广应用，它的推广应用必将为地震预报等做出贡献，取得显著社会与经济效益。

Claims (6)

1、一种可应用于平原及山区地震的监测预报、滑坡、塌方等地质性灾害的竖直摆倾斜仪，由探头、控制机箱、记录部分以及连接各部分的导线、电缆所组成，其特征在于所说的探头具有一个高灵敏度的竖直摆传感器16，该传感器有竖直摆体12，上部通过十字交叉簧片9悬挂在摆合8的顶部，下部连接着电容测微器的电容片13，摆体上方装有止动环10，环上有销钉14伸向摆合外，在销钉14位置有一纵向长孔，止动环连同销钉可沿轴向平行移动，止动环上方有弹簧11，销钉下方有偏心轮15，摆合的上端、中部和底部有安装探头用的安装孔。

2、根据权利要求1所述的竖直摆倾斜仪，其特征在于所说的竖直摆传感器16通过十字万向活动节17与防水外筒26连接，组成钻孔式用探头，该探头在传感器下方装有零位调整机构18，上端装电容测微电路板19，中心有防水电缆7将探头与控制机箱相连接，探头最上部有提环23，重块21、锥形块25，重块下方有三个均匀分布在防水外筒周围的楔形滑块20，其上部有一水平长孔，通过穿钉悬挂在重块上，重块上方的电缆线外套有紧固弹簧22，探头下部有固定锥体头33。

3、根据权利要求1所述的竖直摆倾斜仪，其特征在于所述的竖直摆传感器16可以固定在三角平板28上，组成台式用探头，三角平板上装三个调整脚螺丝29，传感器外有防潮密封罩27，信号电缆7由平板下部引出。

4、根据权利要求1所述的竖直摆倾斜仪，其特征在于所说的竖直摆传感器16可以固定在简易密封外筒32中，端盖30与外筒采用螺纹－－橡胶圈密封，在传感器上部装有用于扶正仪器的连杆31而组成浅孔用探头。

5、根据权利要求1或2所述的竖直摆倾斜仪，其特征在于所说的探头上的传感器16中的摆体12采用表面镀金的黄铜制成。

6、根据权利要求5所述的竖直摆倾斜仪，其特征在于所说的探头防水外筒26用无缝钢管，，两端堵头用钎焊方法制成。

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