力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于差动式电容微位移检测和静电力反馈技术实现的石英水平摆地倾斜测量仪器，属于地倾斜测量领域。

背景技术：

水平摆倾斜仪是最早用于地倾斜测量的短基线倾斜仪，它采用上下两根吊丝悬挂一根水平摆摆杆，使其处于近乎水平状态，在摆杆的一端安装有一个摆锤。当地面发生垂直于摆平面的微小倾斜时，摆锤会带动摆杆发生较大角度的偏转，该偏转角度可以通过光杠杆等传感器检测。

利用性能优良的熔凝石英及其抽成的细丝，中国地震局地球物理研究所朱虎等前辈于1969年研发了采用照相记录的SQ-70型石英水平摆倾斜仪，后来又在90年代进行数字化改造，研制了SSQ-1型数字磁带记录水平摆式倾斜仪。Salen和Blum也于1990年研制了一种石英水平摆倾斜仪，该仪器的优点是灵敏度很高，稳定性也好，但自90年代研发以来的二十多年时间里，没有人对其进行过更新或者改进，整个系统至今还处于开环的状态。而系统处于开环状态会带来以下不足：1)无法给出明确的传递函数，因为阻尼不知道，写不出来；2)频率特性不理想，阻尼比较小，有谐振峰；3)线性度及动态范围等指标不高；4)灵敏度未知，若依靠现场使用水银胀盒标定，则因水银是有毒的，发生泄漏的话会对身体健康造成危害。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置，以解决现有石英水平摆倾斜仪所存在的诸如开环、频率特性不理想、线性度和动态范围指标不高等问题，可全面提升仪器性能。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置，其特征在于：它包括一底板，底板上固定有塔形石英支架；石英摆杆通过两根石英吊丝悬挂在支架上，呈近乎水平状态；摆杆的一端插装有金属材质的摆锤，竖直设置的摆锤两侧分别设有第一、第二平行金属板，摆锤与第一、第二平行金属板之间互相平行，三者构成差动式平板电容，其中摆锤用作动片，第一和第二平行金属板用作定片；第一、第二平行金属板均与固定直流电压生成单元、正弦波波形生成单元的输出端相连，摆锤与地倾斜测量电路的输入端相连，地倾斜测量电路的输出端经由反馈单元与摆锤相连。

所述地倾斜测量电路包括前置放大滤波单元，前置放大滤波单元的输入端与所述摆锤连接；前置放大滤波单元、方波波形生成单元的输出端均与相敏检波单元的输入端连接，相敏检波单元的输出端与放大输出单元的输入端连接，放大输出单元的输出端经由所述反馈单元与所述摆锤连接。

所述第一、第二平行金属板均包括相分离、上下设置的上、下金属板；

所述摆锤为上下两边薄、中间厚的矩形结构，所述摆杆的端部插设于所述摆锤中间部分的孔中。

所述摆锤的上部分与所述第一平行金属板的所述上金属板、所述第二平行金属板的所述上金属板相平行，构成一差动式平板电容；所述摆锤的下部分与所述第一平行金属板的所述下金属板、所述第二平行金属板的所述下金属板相平行，构成一差动式平板电容；两个差动式平板电容并联。

所述第一平行金属板的所述上金属板、所述下金属板分别通过石英垫片固装在凸型支架上，所述第二平行金属板的所述上金属板、所述下金属板分别通过石英垫片固装在凸型支架上；凸型支架固定在所述底板上。

本实用新型的优点是：

本实用新型基于差动式电容微位移检测和静电力反馈技术，不仅在地面发生垂直于摆平面的微小倾斜时可实现地倾斜角的精准测量，测量误差小，稳定性好，灵敏度高，而且还构建出了闭环反馈系统，从而带来了如下优点：

①形成了负反馈系统，该系统能给出准确地表征输入-输出关系的传递函数，便于研究人员对观测数据进行分析；

②扩大了仪器的动态范围(≥120dB)，扩展了仪器的工作频带，提高了仪器的工作稳定性和线性度；

③可保持灵敏度不变，灵敏度只与施加在第一、第二平行金属板上的直流电压的电压幅值、第一与第二平行金属板之间间距有关，而第一与第二平行金属板之间间距和直流电压的电压幅值都可设计为固定值；

④可通过在反馈电路中叠加一激励信号等方法来进行标定，以避免发生使用水银胀盒标定法所带来的人身安全问题。

附图说明

图1是本实用新型地倾斜测量装置的结构示意图。

图2是本实用新型地倾斜测量装置的另一示意图。

图3是本实用新型地倾斜测量装置的局部结构放大示意图。

图4是本实用新型地倾斜测量装置的地倾斜测量电路的组成示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本实用新型力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置包括一底板14，底板14由支脚18支撑，底板14上安装有用来调节仪器灵敏度的调平螺钉16和用来调整摆锤15位置的调平螺钉17。底板14上固定有塔形石英支架11，石英摆杆12通过两根石英吊丝13悬挂在支架11上，呈近乎水平状态。如图，一根吊丝13的一端固定于支架11底部而另一端固定于摆杆12的一端，另一根吊丝13的一端固定于支架11顶部而另一端固定于摆杆12的中间部位。摆杆12的另一端插装有金属材质的摆锤15。竖直设置的摆锤15两侧分别设有第一、第二平行金属板22、25。摆锤15与第一、第二平行金属板22、25之间互相平行，三者构成差动式平板电容，其中，摆锤15用作动片，第一、第二平行金属板22、25用作定片。第一、第二平行金属板22、25均与用以形成静电反馈力的固定直流电压生成单元37、用以检测摆锤15微位移的正弦波波形生成单元31的输出端相连，摆锤15与分析摆锤15偏离平衡位置的偏离方向和大小的地倾斜测量电路的输入端相连，地倾斜测量电路的输出端经由反馈单元36与摆锤15相连。

在实际设计中，如图1和图2，本实用新型地倾斜测量装置还包括在运输途中用来锁定摆锤15，使摆锤15不发生移动的锁摆装置24。

如图4，在实际设计中，地倾斜测量电路包括前置放大滤波单元32，前置放大滤波单元32的输入端与摆锤15连接，前置放大滤波单元32、方波波形生成单元33的输出端均与相敏检波单元34的输入端连接，相敏检波单元34的输出端与放大输出单元35的输入端连接，放大输出单元35的输出端一方面向外输出最终测量分析得到的电压信号，另一方面经由反馈单元36与摆锤15连接。

在实际设计中，第一、第二平行金属板22、25的材质与摆锤15的材质不同。例如，第一、第二平行金属板22、25由铜材质制成，摆锤15由铝材质制成。

在实际设计中，第一平行金属板22包括相分离、上下设置的上、下金属板221、222，第二平行金属板25包括相分离、上下设置的上、下金属板251、252。

较佳地，摆锤15为上下两边薄、中间厚的矩形结构，也就是说，摆锤15的上部分151、下部分152薄，呈片状，中间部分153厚，摆锤15的上部分151与下部分152相同，摆杆12的端部插设于摆锤15中间部分153的孔中。摆锤15这样设计的目的在于，一是为了在能够保证摆锤15上部分151、下部分152处于同一平面且重量一定(石英吊丝13仅能承受10克左右的质量)的情况下，尽可能增大摆锤15的面积，二是为了能在摆锤15上留下足够尺寸的孔来将摆锤15安装在石英摆杆12上。

进一步地，如图3，摆锤15的上部分151与第一平行金属板22的上金属板221、第二平行金属板25的上金属板251相平行，构成一差动式平板电容。同理，摆锤15的下部分152与第一平行金属板22的下金属板222、第二平行金属板25的下金属板252相平行，构成一差动式平板电容。两个差动式平板电容并联，以提高容值，具体来说，第一平行金属板22的上金属板221与第一平行金属板22的下金属板222串联后与固定直流电压生成单元37、正弦波波形生成单元31连接，第二平行金属板25的上金属板251与第二平行金属板25的下金属板252串联后与固定直流电压生成单元37、正弦波波形生成单元31连接。

进一步地，在实际设计中，如图3，第一平行金属板22的上金属板221、下金属板222分别通过起电绝缘作用的石英垫片23固装在凸型支架21上，第二平行金属板25的上金属板251、下金属板252分别通过起电绝缘作用的石英垫片23固装在凸型支架21上，凸型支架21(结构、形状不受局限)固定在底板14上。

在本实用新型中，固定直流电压生成单元37用于输出电压幅值固定的直流电压，直流电压的电压幅值大小与灵敏度需求呈反比，即灵敏度越高，直流电压的电压幅值越小。正弦波波形生成单元31用于输出高频的正弦波波形，高频频率范围在10kHz-100kHz之间。方波波形生成单元33用于输出方波电压波形。反馈单元36包括比例积分运算电路。

在本实用新型中，正弦波波形生成单元31、方波波形生成单元33、固定直流电压生成单元37、前置放大滤波单元32、相敏检波单元34、放大输出单元35、反馈单元36等单元为本领域的熟知电子模块，故其具体构成不再详述。

基于上述本实用新型力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置实现的力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量方法包括如下步骤：

首先调零，即调整底板14处于水平状态，调整摆锤15所在摆平面(摆锤15所处平面)处于竖直平面内，此时摆锤15处于竖直平衡位置，摆锤15的上部分151与第一平行金属板22的上金属板221、第二平行金属板25的上金属板251平行且相距间隙d，摆锤15的下部分152与第一平行金属板22的下金属板222、第二平行金属板25的下金属板252平行且相距间隙d。

1)通过正弦波波形生成单元31向第一、第二平行金属板22、25分别施加电压幅度相同、频率相同、相位相反的一对高频正弦波信号±U_msinωt，其中：U_m为高频正弦波形的幅度，ω为角速度，t为时间。

2)当地面发生垂直于摆平面的微小倾斜，即当地面在垂直于摆平面的方向发生倾斜时，摆杆12发生偏转，摆锤15偏离初始的竖直平衡位置。地倾斜测量电路接收到偏离竖直平衡位置的摆锤15输出的电压信号，从而分析出摆锤15输出的电压信号代表的摆锤15偏离位移量和偏离方向信息并输出，其中：摆锤15输出的电压信号的幅值代表摆锤15偏离竖直平衡位置的位移量，摆锤15输出的电压信号的相位代表摆锤15偏离竖直平衡位置的方向。

3)地倾斜测量电路将输出的偏离位移量和偏离方向信息经由反馈单元36处理(比例积分运算)后反馈给摆锤15，同时通过固定直流电压生成单元37向第一、第二平行金属板22、25分别施加电压幅值相等、极性相反的一对直流电压信号，向摆锤15施加静电力，以使摆锤15克服地倾斜引起的位置变化，减小位移振幅，趋于稳定在一定位置上，即最大限度地使摆锤15处于竖直平衡位置。这样，本实用新型力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置的机械部分和电路部分就形成一个负反馈系统，该系统不仅能给出准确地表征输入-输出关系的传递函数，还能扩宽观测频带，提高仪器动态范围。

在实际测量中，基于获得的摆锤15偏离位移量和偏离方向信息，可换算出地面发生倾斜时的倾斜角度。

进一步地，步骤2)还包括：

摆锤15输出的电压信号经过前置放大滤波单元32进行前置放大滤波后得到的结果和方波波形生成单元33输出的方波电压信号一起通过相敏检波单元34相敏检波分析得出摆锤15的偏离位移量和偏离方向信息，并且将得到的摆锤15偏离位移量和偏离方向信息通过放大输出单元35进行放大处理后输出，其中：方波电压信号与施加在第一平行金属板22或第二平行金属板25上的高频正弦波信号频率相同、相位相同但电压幅值不同。

上述步骤2)的实施原理为：

当摆锤15位于竖直平衡位置时，摆锤15的上部分151与第一平行金属板22的上金属板221、第二平行金属板25的上金属板251平行且相距间隙d，摆锤15的下部分152与第一平行金属板22的下金属板222、第二平行金属板25的下金属板252平行且相距间隙d。在本实用新型中，将上、下两个差动式平板电容并联使用，看作一个差动式平板电容，此差动式平板电容由第一电容、第二电容两个电容构成，即第一平行金属板22与摆锤15形成第一电容，第二平行金属板25与摆锤15形成第二电容。

当摆锤15偏离竖直平衡位置一位移量△d时，摆锤15与其中一边的平行金属板(第一平行金属板22或第二平行金属板25)之间的间距减少，而与另一边的平行金属板(第二平行金属板25或第一平行金属板22)之间的间距增加。于是，第一、第二电容的容量分别为：

上式1)、2)中：ε为介电常数，S为第一平行金属板22的面积，第一平行金属板22的面积与第二平行金属板25的面积相等，d为摆锤15位于竖直平衡位置时，摆锤15与第一平行金属板22之间的间距或者说摆锤15与第二平行金属板25之间的间距。

当向第一、第二平行金属板22、25施加电压幅度相同、频率相同、相位相反的高频正弦波信号±U_msinωt后，根据电容分压原理，摆锤15上输出的电压信号U₀为：

将上述式1)、2)代入上式3)可得：

于是，从式4)可以看出，摆锤15输出的电压信号的幅值大小与其偏离竖直平衡位置的位移量△d大小成正比，摆锤15偏离竖直平衡位置的方向与摆锤15输出的电压信号的相位相关。

从而可见，由摆锤15输出的电压信号可以分析处理得到摆锤15的偏离位移量和偏离方向信息。

步骤3)的实施原理为：

根据平行平板之间静电力的计算公式可以得出，当向第一、第二平行金属板22、25施加电压幅值相等、极性相反的直流电压信号且摆锤15位于竖直平衡位置附近时，摆锤15所受的静电力F_FB为：

式5)中，V₀为施加在第一、第二平行金属板22、25上的直流电压的电压幅值，ε₀为介电常数。

从上式5)可以看出，静电力F_FB与反馈到摆锤15的反馈电压V_F成正比。在静电反馈力的作用下，当整个框架(支架11和凸型支架21)倾斜时，摆锤15同步倾斜，即摆锤15与框架的相对位移为零，这时可以通过F_{FB＝mg sinθ}计算地倾斜角θ，其中m为摆锤15的质量，g为重力加速度。

因此，当摆锤15发生微小倾斜时，摆锤15可在反馈电压V_F所产生的静电力作用下，克服地倾斜引起的摆锤位置的变化，减小摆锤15的位移振幅，使摆锤15尽可能地稳定在竖直平衡位置上。

本实用新型的优点是：

本实用新型基于差动式电容微位移检测和静电力反馈技术，不仅在地面发生垂直于摆平面的微小倾斜时可实现地倾斜角的精准测量，测量误差小，稳定性好，灵敏度高，而且还构建出了闭环反馈系统，从而带来诸多优点，解决了现有石英水平摆倾斜仪所存在的诸如开环、频率特性不理想、线性度和动态范围指标不高等问题。

以上所述是本实用新型较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本实用新型保护范围之内。