CN2070454U

CN2070454U - 数模兼容式水动态测量仪

Info

Publication number: CN2070454U
Application number: CN90217989U
Authority: CN
Inventors: 冯先水; 李文忠; 朱云; 马建文
Original assignee: SEISMS BUREAU HENAN PROV
Current assignee: SEISMS BUREAU HENAN PROV
Priority date: 1990-08-11
Filing date: 1990-08-11
Publication date: 1991-01-30

Abstract

该仪器为地震探测仪器，主要由传感器、控制机箱、数据采集器、模拟记录仪构成，传感器的水位测量：用弹性模片为敏感体，和差容式电感电桥组成换能器；水温测量：用经过线性化处理的半导体热敏电阻组成桥式放大线路获得水温测量。该仪器在斜井中以及埋藏较深的地下水中工作，对水位的分辨率达 0.075mm，水温分辨率达0.0005℃，水温电压灵敏度达0.00605℃/mV。广泛用于观测研究：地下水在地震前的征兆反应，矿区、水库区的地下水动态海洋潮汐、地下水资源评价、工程地质岩体坍塌、滑坡等地质现象。

Description

数模兼容式水动态测量仪

本实用新型涉及地震的探测仪器，尤其能在水位面埋藏较深的井孔(含：斜井孔)中工作的一种数模兼容式水动态测量仪(G0.1V1/00)。

目前，国内探测地震的仪器是机械式水位仪。这种仪器的结构是由浮漂、时钟滚筒、配重及拉线组成。例如HCI-1型、SZ-1型、SW-40型水位仪、SWC-1型水位跟踪器、红旗-1型水位计、红旗-1型展开装置等均属于机械式水位仪。机械式水位仪的不足之处是测量精度低(毫米级)、灵敏度差、走时误差大、不能在斜井和水位埋藏较深的井孔中工作。北京地震仪器厂生产的SSI-1型数字式水位仪，其主机是机械式，水位分辨率为1mm级；兵器工业部西安212所和陕西省地震局研制的GSQ-型水位记录仪，其传感器仍采用浮漂法，水位分辨率为0.5mm级，且地面设备复杂、价昂，未推广开。

本实用新型的目的在于克服以上已有技术中的不足之处，而提供一种测量精度高、灵敏度好、能在斜井中和水位埋藏较深的井孔中工作的价廉的数模兼容式水动态测量仪。

本实用新型的任务是这样实现的：

该仪器主要由传感器、控制机箱、数据采集器和模拟记录仪构成。传感器由水位(水压)测量部分和水温测量部分组成。

水位测量原理：用弹性模片作为敏感体，差动式电容器的动片固定在弹性模片的中间部位，差动式电容器作为两个测量臂，与电感线圈组成差动式电感电桥，这一电桥称为换能器。它把弹性模片感应出的水位位移变化转换成电量输出。由于采用差容式结构和弹性模片并用，使得该仪器灵敏度高。

设：差动电容的两个测量臂的电容量分别为C₁、C₂，电量输出为

则：

\overset{\cdot}{U} = 2 E \frac{\frac{1}{{jωC}_{2}}}{\frac{1}{{jωC}_{1}} + \frac{1}{{jωC}_{2}}} - E - (\frac{{2 C}_{1}}{C_{1} + C_{2}} - 1) \cdot E

C_{1} = \frac{ϵ \cdot δ}{d_{1}}, C_{2} = \frac{ϵ \cdot δ}{d_{2}}

式中：E——电感线圈的两端电压

ε——ε_o，ε_n极间介质的介电常数(F/cm)

ε_o——0.0885×10^-12(F/cm)，为真空时的介电常数

ε_n——介质的相对介电常数

d₁，d₂为两电容片之间的极间距离(cm)

δ——为极板间的工作面积(cm²)

当d₁＝d₂＝d，C₁＝C₂＝C时，

则

当d₁＝d+Δd，d₂＝d-Δd时，

则

\overset{\cdot}{U} = (\frac{{2 C}_{1}}{C_{1} + C_{2}} - 1), E = - \frac{Δd}{d} \cdot E

由此式看出：换能器的输出电压与模片的位移成良好的线性关系。这一电压经过交流的前置放大器、主放大器、相敏检波、低通虑波输出±2伏的电压量，接入数据采集器和模拟记录仪即可获得水位变化的整点值和模拟记录曲线。

水温测量原理：用经线性化处理的半导体热敏电阻组成桥式放大线路，把水温温度变化量转换为电量、输出与水温变化成比例的电压信号，达到测量水温的目的。

半导体热敏电阻的线性化处理采用准线性网络。

\frac{(R_{T 1} + r_{1}) \cdot r_{2}}{R_{T 1} + r_{1} + r_{2}} + r_{3} = R_{11}

\frac{(R_{T 2} + r_{1}) \cdot r_{2}}{R_{T 2} + r_{1} + r_{2}} + r_{3} = R_{22}

\frac{(R_{T 3} + r_{1}) \cdot r_{2}}{R_{T 3} + r_{1} + r_{2}} + r_{3} = R_{33}

式中：R_T1，R_T2，R_T3为半导体热敏电阻在温度为t₁，t₂，t₃时的实测值。R₁₁，R₂₂，R₃₃为网路R_ab在温度为t₁、t₂、t₃时的值，用计算机解出的方程组，合理选出r₁，r₂，r₃的阻值，就会使网络中的等效电阻R_ab随温度呈准线性变化，这样就能满足深井水温测量的精度要求。

控制机箱的功能是平衡调零装置和仪器的±12伏电源；数据采集器选用了先进的MCS-51系列单片机，它具有控制键盘、量程选择、开关启闭、数据采集、存储传输、打印绘制曲线等功能，实现测量过程自动化；模拟记录仪的作用是对水位、水温信号进行连续记录，以便及时发现临震异常和岩体塌方征兆。该仪器是电子传感器和数据采集智能化自动记录仪，既可进行数据处理，又能与各类模拟记录仪配接进行连续的模拟记录，故该仪器称为数模兼容式水动态测量仪。

本实用新型将结合附图中实施例作进一步说明：

图1为该仪器的传感器结构简图，

图2为该仪器的水位换能器结构简图，

图3为该仪器的交流放大器工艺流程图，

图4为该仪器的交流放大器电子线路图，

图5为该仪器的弹性模片结构图，

图6为该仪器的水位换能器电路图。

附图中的零部件序号：

1、外壳，2、水位换能器，3、水温敏感体，4、交流放大线路，5、直流放大线路，6、上端盖，7、电缆，8、弹性模片，9、绝缘板(I)，10、电容定片(I)，11、电容动片，12、上、下屏蔽层，13、固定螺栓，14、绝缘板(II)，15、电容定片(II)，16、螺母，17、调整垫片，18、调整管，19、滑轴，20、标定盘(压电陶瓷)，21、传动轴，22、低板。

本实用新型为数模兼容式水动态测量仪，主要由传感器、控制机箱、数据采集器和模拟记录仪构成，它的传感器中设有水位换能器2、水温敏感体3、交流放大线路4、直流放大线路5、其中，水位换能器由弹性模片8、绝缘板(I)9、电容定片(I)10、电容动片11、上、下屏蔽层12、固定螺栓13、绝缘板(II)14、电容定片(II)15、螺母16、调整垫片17、调整管18、滑轴19、标定盘20、传动轴21、底板22组成。

交流放大线路4由水位换能器2、电压射随器、交流放大器、相敏检波器、低通虑波器以及正弦波——方波发生器组成。

弹性模片8设置在水位换能器2的底部，通过滑轴19、标定盘20、传动轴21与电容动片11连成一体。电容定片()10贴在绝缘板(I)9上，而绝缘板(I)9又贴在下屏蔽层12上。电容定片(II)15贴在绝缘板(II)14上，而绝缘板(II)14又贴在屏蔽层12上。固定螺栓(3)是把底板22与电容定片(I)10，(II)15固定在底板22的一定位置上，电容动片11与电容定片(I)10、(II)15间有一初始间隙、螺母16是紧固用的。调整垫片17、调整管18是调整电容动定片之间间隙用的。

水位换能器2焊接在外壳1上、交流放大线路4固定在水位换能器2上，电容定片(I)10，(II)15和电容动片11的引出线焊接在交流放大器C₇，C₈端。水温敏感体3焊接在直流放大线路5上，直流放大线路5的输出和交流放大线路4的输出均通过电缆7传输到数据采集器和模拟记录仪上，

本实用新型研制出来后，经内部测试：水位变化分辨率达0.075mm，水温分辨率为0.0005℃，水温电压灵敏度为0.00685℃/mv，但造价低。

本实用新型的积极效果：

1、用弹性模片和差容式电感电桥作为水位换能器，取代浮漂法，提高了水位测量精度。

2、把热敏电阻线性化，变非线性为准线性，提高于水温测量精度。

3、该仪器能测出参量：水位(水压)、水温。这在地下水研究方面提供了较为全面地综合观测技术。

4、该仪器可在斜井中以及水位埋藏较深的井孔中进行地下水水位(水压)、水温的测量。

5、该仪器安装简便，操作、测量都很方便。广泛使用于观测研究：地下水在地震前的征兆反应和矿区、水库区地下水的动态变化以及海洋潮汐、地下水资源评价、各种工程地质岩体坍塌、滑坡等地质现象。

参考文献

1、地下水位观测仪器清理测试总结。

——地下水动态清理攻关成果报告之一

国家地震局地下水动态清理攻关组

1984.8

2、GSQ——型深井水位记录仪

兵器工业部212研究所研制

国家地震局1986.3鉴定

3、电子电路百科全书

[美]R.F.格拉夫著

1986年科学出版社出版

Claims

1、一种数模兼容式水动态测量仪，主要由传感器、控制机箱、数据采集器、模拟记录仪组成，其特征在于：

该传感器中设有水位换能器2、水温敏感体3、交流放大线路4、直流放大线路5，其中：

水位换能器由弹性模片8、绝缘板(I)9、电容定片(I)10、电容动片11、上、下屏蔽层12、固定螺栓13、绝缘板(II)14、电容定片(III)15、螺母16、调整垫片17、调整管18、滑轴19、标定盘20、传动轴21、底板22组成。

2、据权利要求书1所述的数模兼容式水动态测量仪，其特征在于：

所说弹性模片8设置在水位换能器2的底部，通过滑轴19、标定盘20、传动轴21与电容动片11连成一体。

电容定片(I)10贴在绝缘板(I)9上。而绝缘板(I)9又贴在下屏蔽层12上，电容定片(II)15贴在绝缘板(II)14上，而绝缘板(II)14又贴在上屏蔽层12上。

3、根据权利要求1、2所述的数模兼容式水动态测量仪，其特征在于：

交流放大线路4固定在水位换能器2上，电容定片(I)10，(II)15和电容动片11的引出线连接在交流放大器C7、C8端，水温敏感体3连接在直流放大线路5上，直流放大线路5的输出和交流放大线路4的输出均通过电缆7传输到数据采集器和模拟记录仪上。