专利名称：超短基线伸缩仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种伸縮仪,尤其涉及一种超短基线伸缩仪。
技术背景伸縮仪是一种精密测量地壳岩体两点间距离相对变化的仪器，在观测地壳应 变和固体潮及研究地震孕育过程中有重要的作用。我国应用伸縮仪经过几十年的 观测，为地震预报分析积累了大量的宝贵资料和典型的震例如1992年4月22日 中缅6.2级地震，四川攀枝花台伸縮仪在震前28天出现了40mm的阶跃异常图，阶 跃量为3X10—s;四川姑咱台异常形态出现"突跳"和"转折"，异常时间为几小 时到5天，最长38天。由此可见，地表潮汐水平面应变状态与地震存在一定关系。自1935年美国地震学家贝尼奥夫(H. Benioff)研制成第一台有价值的石英 伸縮仪后，美、英、前苏联、日、比、德等国都相继研制了高灵敏度的伸縮仪。 仪器的灵敏度一般都在10-8以上，能清晰记录到固体潮汐。硐体应变固体潮观测， 大多使用石英管或碳丝为基线，长度一般在20m以上，相对观测精度为10—9量级。我国自1966年邢台地震以来，地震预报事业开始起步。70年代初，我国研制 成功了目视伸縮仪，作为第一代观测仪器在几个台站安装使用，为我国研究应变 与地震关系奠定了初步了基础，但其灵敏度和长期稳定性都不太高。1983年，中 国地震局地震研究所成功研制出第二代伸縮仪一一SSY-II型水平石英伸縮仪，其 灵敏度为3xl(T9，能清晰地记录到固体潮汐，为我国在这一领域进入国际先进行 列作出了贡献。在我国"九五"期间的1998年，中国地震局地震研究所又一次成 功地推出了新型的硐体应变观测仪器一一SS-Y型伸縮仪。该仪器在保持高精度高 稳定性的同时縮短了基线长度(小于10m)，彻底解决了基线炸裂和水银标定胀 盒的汞泄漏问题，提高了自动化、智能化程度，达到了国际先进水平。但现有伸縮仪基线还是偏长(最短约5m)，限制了其使用范围，不能满足较小空间(较短硐室)和多方位(如垂直向)使用。我国在垂直分量应变观测和研 究开展较少， 一方面是因为硐体存在腔体效应，更重要原因是没有较好观测手段。 研制超短基线伸縮仪，有助于开展多方位应变观测和研究，小型化有利于地震应 急快速布设，也可在井下岩层布设，比开凿山硐的成本低得多，又不受地形条件 限制。目前国内外尚无不大于l米基线伸縮仪的有关报道。要使应变观测分辨力优 于lxlO"G，基线选用石英(线膨胀系数1(T7 )或铟钢(线膨胀系数2xl(T7 )，仪 器安装的硐体温度日变化不大于O. 03'C才能满足要求。但传感器采用现有伸縮仪 使用的电涡流位移或差动变压器位移传感器，其分辨力不优于O. OOlpm，当基线 不大于l米时是不可行的，因此需研制精度更高的传感器。电容位移传感器有很 高精度，其分辨力可做到优于0.00001Wn，能满足仪器观测灵敏度要求。采用电 容传感器方案可行，但必须解决防潮的问题。上世纪八十年代比利时王国皇家天 文台范隆贝克博士就研制了电容传感器的伸縮仪，由于防潮问题未解决，导致其 失败。DZB型超微量标定系统，己在SS-Y伸縮仪中使用，但其带负能力较差，难 以对仪器进行总体标定(仅传感器标定)、也只能做大量程标定(约固体潮汐的 1000倍)，其结构复杂，成本较高，它属于机械传动式标定器，自身体积较大， 存在磨擦、磨损、锈蚀等原因易造成机械故障，常需进行维护和保养。因此有 必要研制一种无机械传动、小量程(潮汐范围)、整体(包括基线)的标定器。 压电陶瓷构成精密可控致动器，是近几年发展起来一项新技术，它具有位移分 辨力高、线性度好、体积小、重量轻、无电磁和油污染、无噪声、不发热、易 控制和免维护的优点，已经成为较理想的精密电驱动致动器。最近日本科学家 开发一种基于新原理的压电材料，使其电致伸縮效应提高40倍，与超磁致伸縮 材料相当，该材料应用使微位移致动器性能有了重大提高。将压电材料设计在 伸縮仪的固定端，可实现仪器的整体、精密和自动标定。如图l，现有伸縮仪包括本体(100)、测量和控制系统(200)，还包括外围 环境基岩(300)三大部分；本体(100)包括位移传感器(IIO)、调零装置(120)、基线杆(130)、由吊 丝(141)和托架(142)组成的悬吊系统(140)、标定器(150)和固定端(160);基岩(300)包括第l基岩(310)和第2基岩(320)。 发明内容本实用新型的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，提供一种超 短基线伸縮仪，即要利用新技术、新材料，提供一种基线短(不大于100cm )、 分辨力高(优于1x10"°)、无机械传动、可靠标定的超短基线伸縮仪；可以垂直 安装，这将有利于开拓伸縮仪应用范围，有助于开展多方位应变观测和研究；体 积小可以便携，适应地震前兆的流动和应急监测；并有可能推广到长基线和其它 形变仪中使用，以提高观测精度。本实用新型的重点和难点是要研制出一种全密封结构的电容传感器及相应 测量系统。本实用新型的目的是这样实现的(1) 提供基本条件① 由于基线超短，现有的电涡流位移和差动变压器位移传感器不能使用，需 提供精度更高的传感器。当基线小于100cm,仪器要达到分辨力优于1X10-1Q, 其位移传感器分辨力必须优于0. 0001Mffl才能满足仪器观测灵敏度要求。本实用 新型采用电容传感器，设计分辨力优于0. OOOlMm，高出要求，确保了方案可行。 总结比利时王国皇家天文台范隆贝克博士研制电容传感器的伸縮仪失败教训，解 决好防潮这一关键问题，设计出阻力小、全封闭结构的差动电容传感器。② 提供高稳定信号源以及相关的低噪声、高精度锁相放大器，提高仪器的观 测精度及其格值稳定度。③ 提供稳定性好、精密的电容传感器定位调节装置及仪器机械结构。④ 基线选用低膨胀系数的材料，如铟钢、石英等。⑤ 提供电致伸縮材料(压电陶瓷)构成精密可控致动器，探索仪器的整体， 实现无机械传动、可靠、精密和自动标定。⑥ 研制全数字化自动或远程控制调零、标定及数据记录和处理系统。(2) 拟解决的关键问题 ①仪器小型化后灵敏度和稳定性问题当仪器小型化，会带来一系列问题，如应变传递量减小，对结构稳定性要求更高等。机械放大倍数减小，如何用电子放大的方法来提高仪器的灵敏度，这也 是当今精密测量发展的一个趋势。灵敏度提高了稳定问题又突显出来，大致可以 从材料、结构、安装来保证机械位移传递稳定性，采用相关接收技术设计测量电 路和老化工艺处理元器件等来提高电子系统稳定性。② 如何解决好防潮和抗干扰的问题高精度电容传感器可提高仪器灵敏度。若电容传感器处于开放空气中，当湿 度发生变化时，会导致电容的介质改变使传感器不能正常工作。另外开放电容传 感器极易受到外界的电磁波的干扰，轻则影响仪器的测量精度，重则使仪器无法 正常工作，因此需设计金属电容传感器全密封结构，使其既能防潮又能抗干扰。 传感器增加密封结构后，会产生阻力。但由于应变量传递是刚性慢变化量，在设 计传感器时考虑了波纹密封结构减小阻力产生，其影响可以忽略。③ 解决标定器偶合和提高标定重复精度问题要实现整体标定就需将标定器安装在固定端与基线杆连接，连接好坏不仅影 响标定精度，还会影响仪器稳定性。采用套管刚性连接解决。标定重复精度问题， 可选择性能良好压电陶瓷材料，设计精密稳定控制电源加以解决。具体地说，本实用新型是对现有伸縮仪的改进省去了其悬吊系统；其固定 端(160)为双固定端；位移传感器(110)为一种全密封结构的差动式电容传感 器(111)。如图2，本实用新型包括本体(100)、测量和控制系统(200)，还包括外围 环境基岩(300)三大部分；本体(100)包括位移传感器(110)，调零装置(120)，基线杆(130),标定 器(150)，固定端(160);测量和控制系统(200)包括电容位移测量系统(210)和数据采集控制系统 (220);基岩(300)包括第l基岩(310)和第2基岩(320);其位置和连接关系是基线杆(130)的一端连接位移传感器(110)，位移传感器(110)再通过调零 装置(120)和第l基岩(310)连接；基线杆(130)的另一端连接标定器(150) 后再通过固定端(160)和第2基岩(320)连接；位移传感器(110)和标定器(150)分别与测量与控制系统(200)连接； 所述的固定端(160)为双固定端；所述的位移传感器(110)为一种全密封结构的差动式电容传感器(211);所述的测量与控制系统(200)是一种对位移传感器(110)和标定器(150) 进行测量与控制的系统。其工作原理是当太阳和月亮与地球的位置发生变化时，会引起地壳应力固体潮变化，这是 一种有规律的变化。而地震发生前常引起地壳应力的变化，俗称非潮汐变化。伸 缩仪就是测量地壳岩体两点间距离(应力)相对变化的仪器，为研究地震孕育过 程的应力变化规律提供数据。基岩(300)两点间产生微位移，经基线杆(130)传递至位移传感器(110)， 将位移变化转换为电容量的差动变化，传感器组成的交流电桥将容量变化变为了 交流电压信号输出，该信号经锁相放大变为了模拟信号，在经低通滤波器， 一路 可以直接模拟记录器进行记录；另一路送入模数转换变数字信号，由单片计算机 进行存储和传输。其中Z为基线长；AL为基线变化量；e为应变量，即单位长度的相对变化量。 根据规定压縮为正、伸张为负。 本实用新型具有下列优点和积极效果① 首创不大于1米超短基线新型伸縮仪，降低安装环境限制和成本，拓宽应 用范围；② 可垂直安装为多方位应变观测和研究创造条件；③ 创新一体化结构便于地震流动和应急监测；④ 密封结构的高精度电容传感器(精度高于现使用伸縮仪传感器两个数量级 以上，也可在其它微位移测量中应用)；⑤ 一体化无机械传动、可靠的整体标定器，能提供纳米级的分辨力步距的标 准位移量，较现有的机械传递的标定器在控制精度上有质的飞跃。
图1是现有伸縮仪结构示意图； 图2是本实用新型结构示意图； 图3是电容传感器结构示意图(剖面)； 图4是电容位移测量系统原理方框图； 图5是数据采集控制系统原理方框图。其中110—位移传感器；lll一金属外圆桶；114一前定极板；117—后密封膜； 120—调零装置。 130—基线杆。 140—悬吊系统； 150—标定器。 160—固定端。 200—测量与控制系统；210—电容位移测量系统；211—全密封结构的差动式电容传感器，简称电容传感器;112—前密封膜； 115—动极板；118—绝缘固定端子c113—测量杆； 116—后定极板；141一吊丝；142—托架(212—放大器； 215—震荡器； 218—模数转换器； 220—数据采集控制系统； 221—模数转换器； 223—标定驱动控制器； 226—显示器；213—同步检波器； 216—移相器；214—低通滤波器; 217—模拟记录器;222—电机驱动放大器； 224—单片计算机； 225—键盘； 227—接口电路。300—基岩；310—第1基岩；320—第2基岩。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明一、 总体结构按图2安装。本实用新型除了保留现有结构，设计了创新结构，省去了悬吊 系统(140)， 一体化易于安装，也可垂直安装。其中的固定端(160)为双固定端, 有利于增加基线杆(130)水平支撑力(垂直安装不需)。电容传感器(211)的密封 与现有结构不同(当使用现有有悬吊系统结构时密封可采用橡胶等柔性材料)，采 用了恒弹性材料(波纹膜片或波纹管等)的双面对称差压结构，不仅消除了气压 的变化影响，其轴向力的传递为柔性，减小应力传递阻力，径向为刚性，可对基 线杆(130)起着支撑作用，取代了悬吊系统(140)。二、 有关部件1、 基线杆(130)基线杆(130)选用低膨胀系数的材料(如铟钢、石英等)，不大于100cm。2、 电容传感器(211)如图3,电容传感器(211)包括金属外圆桶(111)、前密封膜(112)、测 量杆(113)、前定极板(114)、动极板(115)、后定极板(116)、后密封膜 (117)、绝缘固定端子(118); 其位置和连接关系是前密封膜(112)、金属外圆桶(111)和后密封膜(117)依次连接构成密 闭的容器；在金属外圆桶(111)的中心轴线上设置有测量杆(113)，测量杆(113) 依次连接前密封膜(112)、动极板(115)、后密封膜(117)，再与基线杆(130) 连接起位移的传递作用；在动极板(115)前后设置有前定极板(114)和后定极板(116)，共同构 成差动电容，与外部电路构成交流电桥，由振荡器提供稳幅基准交流信号到两定 极板上，当有位移变化时就输出电压信号；前定极板(114)和后定极板(116) 通过6个对称的绝缘固定端子(118)与金属外圆桶(111)固定。前密封膜(112)和后密封膜(117)，其材料或为金属波纹膜片(圆形)， 或为金属波纹管，可起防潮密封作用，保证电容传感器(211)内部介质稳定；同时，前密封膜(112)、金属外圆桶(111)和后密封膜(117)依次连接构成密 闭的容器还能起到静电屏蔽作用；又由于应变传递为刚性，因此不会对应变传递 产生阻力。3、 电容位移测量系统(210)如图4，电容位移测量系统(210)包括电容传感器(211)、放大器(212)、 同步检波器(213)、低通滤波器(214)、震荡器(21)、移相器(216)、模拟记 录器(217)、模数转换器(218);其连接关系是-震荡器(21)和电容传感器(211)连接； 震荡器(21)、移相器(216)、同步检波器(213)依次连接； 电容传感器(211)、放大器(212)、同步检波器(213)、低通滤波器(214) 依次连接；低通滤波器(214)分别与模拟记录器(217)、模数转换器(218)连接。 其工作原理是将电容传感器(211)测到的微小信号进行放大、模拟记录 和模数转换。这里采用了锁相放大器，它是虑除噪声提高信噪比最有效方法之放大器(212)，包括前置放大器和选频放大器，只容许测量频率信号通过； 同步检波器(213)将交流信号转换为直流信号；低通滤波器(214)由两级二阶有源滤波器组成，把高频成分信号滤掉； 震荡器(21)为数字震荡器，由时钟、计数器、EPR0M、 DAC和滤波器所组 成，产生稳频稳幅正弦波信号；模拟记录器(217)用于记录仪器的实时变化曲线。 上述各部件均为常用元器件，有上市产品。4、 数据采集控制系统(220)如图5，数据采集控制系统(220)包括单片计算机(224)及分别与单片计 算机(224)连接的模数转换器(221)、电机驱动放大器(222)、标定驱动控制器 (223)、键盘(225)、显示器(226)和接口电路(227)。 其工作原理是模数转换器(221)将模拟信号转换数字信号；电机驱动放大器(222)控制电机带动调零装置(120)对电容传感器(211) 进行调零；标定驱动控制器(223)驱动压电致动器产生标准位移量对仪器进行整体标定；单片计算机(224)由CPU 、 R0M、防掉电RAM、 Watching dog看门狗电路、 日历时钟等组成；接口电路(227)有RS-232C串行接口和RJ45网络接口，可进行有线或无线 数字通信。系统在时钟控制下定时对仪器的输出进行数据采样和存储，自动识别 和调整零位；定期对仪器进行标定；具有远程复位和重新启动，远程通信和控制 功能。上述各部件均为常用元器件，有上市产品。5、 调零装置(120)调零装置(120)是一种通用的调零装置，由电机、变速器、百分规、滑块 等组成，带动电容传感器(211)。在仪器位移量将超出量程范围时，对其进行精 密的零位调整。6、 标定器(150)标定器(150)是一种通用的标定器。要实现整体标定就需将标定器(150)安装在固定端(160)与基线杆(130) 连接，连接好坏不仅影响标定精度，还会影响仪器稳定性。采用套管刚性连接解 决。选择性能良好的压电陶瓷材料，设计精密稳定控制电源标定，提高重复精度。三、经测试，本实用新型达到下列指标*基线长度不大于1 m*仪器分辩力优于1X1(T115*位移传感器分辩力优于0. OOOlMni (0. lnm)*短期稳定性1X10—7天 *长期稳定性1X10—7年*环境温度变化〈rc/年*数据存储大于30天(分钟值) *标定重复性优于5%。
权利要求1、一种超短基线伸缩仪，其特征在于基线杆(130)的一端连接位移传感器(110)，位移传感器(110)再通过调零装置(120)和第1基岩(310)连接；基线杆(130)的另一端连接标定器(150)后再通过固定端(160)和第2基岩(320)连接；位移传感器(110)和标定器(150)分别与测量与控制系统(200)连接；所述的固定端(160)为双固定端；所述的位移传感器(110)为一种全密封结构的差动式电容传感器(211)所述的测量与控制系统(200)是一种对位移传感器(110)和标定器(150) 进行测量与控制的系统。
2、 按权利要求1所述的超短基线伸縮仪，其特征在于 基线杆(130)选用低膨胀系数的材料，长度不大于100cm。
3、 按权利要求l所述的超短基线伸縮仪，其特征在于电容传感器(211)的 结构是-前密封膜(112)、金属外圆桶(111)和后密封膜(117)依次连接构成密 闭的容器；在金属外圆桶(111)的中心轴线上设置有测量杆(113)，测量杆(113) 依次连接前密封膜(112)、动极板(115)、后密封膜(117)，再与基线杆(130) 连接起位移的传递作用；在动极板(115)前后设置有前定极板(114)和后定极板(116)，共同构 成差动电容，与外部电路构成交流电桥，由振荡器提供稳幅基准交流信号到两定 极板上，当有位移变化时就输出电压信号；前定极板(114)和后定极板(116) 通过对称的绝缘固定端子(118)与金属外圆桶(111)固定。
4、 按权利要求1所述的超短基线伸縮仪，其特征在于电容位移测量系统 (210)的结构是包括电容传感器(211)、放大器(212)、同步检波器(213)、低通滤波器(214)、 震荡器(21)、移相器(216)、模拟记录器(217)、模数转换器(218);震荡器(21)和电容传感器(211)连接；震荡器(21)、移相器(216)、同步检波器(213)依次连接；电容传感器(211)、放大器(212)、同步检波器(213)、低通滤波器(214) 依次连接；低通滤波器(214)分别与模拟记录器(217)、模数转换器(218)连接。 5、按权利要求1所述的超短基线伸縮仪，其特征在于数据采集控制系统 (220)的结构是包括单片计算机(224)及分别与单片计算机(224)连接的模数转换器(221)、 电机驱动放大器(222)、标定驱动控制器(223)、键盘(225)、显示器(226) 和接口电路(227)。
专利摘要本实用新型公开了一种超短基线伸缩仪，涉及一种伸缩仪。本实用新型的结构是基线杆(130)的一端连接位移传感器(110)，位移传感器(110)再通过调零装置(120)和第1基岩(310)连接；基线杆(130)的另一端连接标定器(150)后再通过固定端(160)和第2基岩(320)连接；位移传感器(110)和标定器(150)分别与测量与控制系统(200)连接；所述的位移传感器(110)为一种全密封结构的差动电容传感器(211)。本实用新型基线不大于100cm，分辨力优于1×10<sup>-10</sup>，无机械传动，标定可靠；可以垂直安装；体积小可以便携，适应地震前兆的流动和应急监测；并可推广到长基线伸缩仪和其它微位移测量仪中使用。
文档编号G01V1/00GK201096492SQ20072008674
公开日2008年8月6日 申请日期2007年8月30日 优先权日2007年8月30日
发明者姚植桂, 张卫华, 李家明, 梅建昌 申请人:中国地震局地震研究所