一种水管倾斜仪整机检测装置的制作方法

本实用新型涉及地壳形变观测技术，尤其涉及一种水管倾斜仪整机检测装置。

背景技术：

水管倾斜仪运用于测量底壳表面变化，特别是用于地表长基线的倾斜变化量。随着水管倾斜仪发展，加工技术、芯片和采样等技术的不断提高，水管仪实现了更高的采样率，其灵敏度也从10^-7提高10^-9。因此，有必要对水管倾斜仪的整个频带进行研究，从而完善仪器本身的性能，也能更好地记录地壳变化。

目前，如图1，地学测量领域广泛使用的水管倾斜仪包括有第1钵体10、第2钵体20、连通水管30和标定器40，第1钵体10和第2钵体20结构相同；第1钵体10的第1浮子12漂浮在第1水缸11内的水面上；第1钵体10和第2钵体20之间设置有标定器40并通过一根连通水管30连接，第1水缸11中的水、第2水缸21中的水和标定水缸41中的水形成通路。

长期以来，我国的地壳形变仪器的三个指标没有一个统一的检测方法，这些指标通常由仪器研发者在验室中测量得出；研发者通常不对整个仪器系统进行测试，而是通过测试其中部分组件的参数值来代替整个仪器系统的参数值；目前测试方法的研究结果只能表示仪器的部分性能，而不能代表仪器的整机性能；对于水管倾斜仪关键参数的测试，需要将整台仪器系统看成“黑匣子”，通过系统输入量和输出量来分析计算仪器的关键参数，这些参数值才能准确反映水管倾斜仪的真实性能。

研发水管倾斜仪整机检测系统，建立一个以长度、角度观测为核心的检测平台系统，实现水管倾斜仪关键技术指标的测试，形成对水管倾斜仪质量和整体性能的定量评价具有十分重要的科学意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于填补水管倾斜仪整机检测的技术空白，提供一种水管倾斜仪整机检测装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

通过基于压电陶瓷驱动的微位移平台为水管倾斜仪提供标定信号，实现水管倾斜仪的线性上升或者下降，同时运用标定器对水管倾斜仪标定，达到对水管倾斜仪整机检测的目的。

具体地说：

本装置包括被检测对象——水管倾斜仪，水管倾斜仪包括第1钵体、第2钵体、连通水管和标定器，第1钵体、标定器和第2钵体依次通过连通水管连通构成水管倾斜仪整机；

设置有微位移系统、控制器和第1、2、3干涉仪系统；

其位置和连接关系是：

微位移系统的第1、2、3微位移平台均放置在地面上，相互保持水平；

第1钵体的第1水缸置于第1微位移平台上，标定器的标定水缸置于第2微位移平台上，第2钵体的第2水缸置于第3微位移平台上；

标定器的标定水缸安装在第1钵体的第1水缸和第2钵体的第2水缸之间，通过连通水管相互连通；

第1、2、3干涉仪系统的反射镜7D分别放置在第1、2、3微位移平台上方；

控制器分别与第1、2、3微位移平台的压电陶瓷，标定器的标定棒和第1、2、3干涉仪系统连接。

本实用新型具有下列优点和积极效果：

①“三段式”结构：通过将水缸、标定装置分拆成三部分，分别在这三部分下面均放置微动装置，但是这三部分也是一个相互关联的整体，通过控制器实现三部分成比例地上升或者下降，让这三部分始终处于同一平面内，这就可以近似模拟地面的倾斜变化；这种“三段式”结构不仅没有破坏水管倾斜仪自身的完整性，也会减小因标定装置标定时自身带来的检测误差；

②标定信号的多样化：这种新型结构是利用控制器来实现输入，不仅可以输入需要的阶跃量，还可以实现正弦信号和单点输出等，为水管倾斜仪关键参数的检测打下了良好的基础；

③精度更高：当采用压电陶瓷作为输入源时，压电陶瓷本身的输出精度可以达到纳米级，这为水管倾斜仪的分辨力的检测也提供了可能。

附图说明

图1是水管倾斜仪的结构示意图；

图2是水管倾斜仪整机检测装置的结构示意图。

图中：

10—第1钵体；

11—第1水缸，12—第1浮子；

20—第2钵体；

21—第2水缸，22—第2浮子；

30—连通水管；

40—标定器；

41—标定水缸，42—标定棒；

50—微位移系统,

51—第1微位移平台，

5A—直线导轨，5B—压电陶瓷，5C—支撑平台，

52—第2微位移平台，

53—第3微位移平台；

60—控制器。

70—第1干涉仪系统；

7A—干涉仪支架；7B—干涉仪；7C—干涉镜，7D—反射镜，7E—干涉镜支架；

80—第2干涉仪系统；

90—第3干涉仪系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

甲、装置

一、总体

如图1、2，本装置包括被检测对象——水管倾斜仪，水管倾斜仪包括第1钵体10、第2钵体20、连通水管30和标定器40，第1钵体10、标定器40和第2钵体20依次通过连通水管30连通构成水管倾斜仪整机；

设置有微位移系统50、控制器60和第1、2、3干涉仪系统70、80、90；

其位置和连接关系是：

微位移系统50的第1、2、3微位移平台51、52、53均放置在地面上，相互保持水平；

第1钵体10的第1水缸11置于第1微位移平台51上，标定器40的标定水缸41置于第2微位移平台52上，第2钵体20的第2水缸21置于第3微位移平台53上；

标定器40的标定水缸41安装在第1钵体10的第1水缸11和第2钵体20的第2水缸21之间，通过连通水管30相互连通；

第1、2、3干涉仪系统70、80、90的反射镜7D分别放置在第1、2、3微位移平台51、52、53上方；

控制器60分别与第1、2、3微位移平台51、52、53的压电陶瓷5B，标定器40的标定棒42和第1、2、3干涉仪系统70、80、90连接。

二、功能部件

1、第1钵体10

1）第1水缸11

第1水缸11是一种无盖的桶形容器，用耐热玻璃制成；

其功能是：储蓄蒸馏水，通过内液面的变化反映出地壳变化的倾斜量。

2）第1浮子12

第1浮子12是一种锥形空心浮子，是用耐热玻璃制成；

其功能是：漂浮在第1水缸11的水中，用来准确反映第1水缸11内液面的变化。

2、第2钵体20

第2钵体20与第1钵体10的结构和功能相同。

3、连通水管30

连通水管30是一种长玻璃管，连接第1钵体10、第2钵体20和标定器40；

其功能是：实现相互连接的第1钵体10、第2钵体20和标定器40中的蒸馏水自由流动。

4、标定器40

标定器40包括标定水缸41和标定棒42；

其功能是：通过标定棒42上下伸缩，调节标定水缸41内的液面高度。

1）标定水缸41

标定水缸41是一种圆形容器，用耐热玻璃制成；

其功能是：储蓄蒸馏水，通过改变标定棒42插入标定水缸41的深度，调节液面的变化，反映出地壳变化的倾斜量。

2）标定棒42

标定棒42是一种长圆棒，用耐热玻璃制成，内部设有压电陶瓷，可以通过控制器60调节标定棒42插入标定水缸41的深度；

其功能是：调节标定水缸41内的液面高度。

5、微位移系统50

微位移系统50包括结构相同的第1微位移平台51、第2微位移平台52和第3微位移平台53；

第1微位移平台51放置在地面上，第1微位移平台51上放置第1钵体10和第1干涉仪系统70的反射镜7D；

第2微位移平台52放置在地面上，第2微位移平台52上放置标定器40和第2干涉仪系统80的反射镜7D；

第3微位移平台53放置在地面上，第3微位移平台53上放置第2钵体20和第3干涉仪系统90的反射镜7D；

每个微位移平台包括直线导轨5A、压电陶瓷5B和支撑平台5C；在支撑平台5C的上、下圆形铟钢板外沿之间均布连接有3根直线导轨5A，在支撑平台5C的上、下圆形铟钢板中心连接有压电陶瓷5B。

其特点是：

①当水管倾斜仪的连通水管30长度不同时，可以根据连通水管30的长度调整第1、2、3微位移平台51、52、53的距离，根据水管倾斜仪基线的具体尺寸固定第1、2、3微位移平台51、52、53和第1、2、3干涉仪系统70、80、90的位置，实现不同长度的水管倾斜仪整机测试；

②当水管倾斜仪的钵体数量增加或者设置有附加装置时，可以根据增加的钵体数量和附加装置数量，增加微位移系统50的微位移平台的数量，满足不同类型的水管倾斜仪测试需求，实现不同类型水管倾斜仪整机测试；

③本检测系统具有输出单元和检测单元独立的测试机理，第1、2、3微位移平台51、52、53分别对应第1、2、3干涉仪系统70、80、90；通过控制器60独立控制第1、2、3微位移平台51、52、53和第1、2、3干涉仪系统70、80、90使其协同工作，实现长基线整机测试的功能。

1）直线导轨5A

直线导轨5A是一种在竖直方向运动的精密组件，3根直线导轨51的上、下端分别与支撑平台5C上、下平行的圆形铟钢板连接固定；

其功能是：承载支撑平台5C，使支撑平台5C仅可以上下垂直运动，避免压电陶瓷5B承受侧向力。

2）压电陶瓷5B

压电陶瓷5B是一种基于逆压电效应的功能陶瓷，压电陶瓷5B下端与支撑平台5C下铟钢板固定，压电陶瓷5B上端连接支撑平台5C的上铟钢板台面；

其功能是：为支撑平台5C提供位微小位移输出量。

3）支撑平台5C

支撑平台5C是由两块上、下平行的圆形铟钢板构成的组件，支撑平台5C的下铟钢板中心设有1个压电陶瓷安装孔，支撑平台5C的下铟钢板外圆均布有3个直线导轨安装孔；

其功能是：支撑平台5C的上铟钢板作为台面放置待测钵体，支撑平台5C的下铟钢板固定压电陶瓷5B和直线导轨5A。

6、控制器60

控制器60是专用的压电陶瓷控制系统和激光干涉仪PC组件，如选用专用的E01系列压电陶瓷驱动电源和PC。

7、第1干涉仪系统70

第1干涉仪系统70包括干涉仪支架7A、干涉仪7B、干涉镜7C、反射镜7D和干涉镜支架7E；

其位置和连接关系是：

干涉仪支架7A固定在地面上，干涉仪7B放置在干涉仪支架7A上，干涉镜支架7E固定安装在第1微位移平台51左侧的地面上，干涉镜7C放置在干涉镜支架7E上，干涉仪7B与干涉镜7C高度相同，反射镜7D固定在第1微位移平台51上，干涉镜7C与反射镜7D上下对准。

其功能是：测量第1微位移平台51输出的垂直方向位移量。

1）干涉仪支架7A

干涉仪支架7A是由4根螺杆和上、下金属平板通过螺纹连接而成；

其功能是：用于调整干涉仪7B的高度位置，使得通过干涉镜7C分散的两束光通过反射镜后能重合于激光头的一点。

2）干涉仪7B

干涉仪7B是一种高精度的激光干涉仪精密仪器，干涉仪7B与控制器60连接。

其功能是：用来测量第1钵体10垂直方向的实际输出位移量。

3）干涉镜7C

干涉镜7C由分光镜和反光镜组成；

其功能是：将激光头发射出的激光通过分光镜分散成两束光，其中一束光经过反光镜反射回激光头。

4）反射镜7D

反射镜7D是一种具有反射光线功能的光学元件；

其功能是：将分光镜分散的另一束光反射回激光头。

5）干涉镜支架7E

干涉镜支架7E是由1根粗螺杆与上、下金属平板通过螺纹连接而成，干涉镜支架7E的下金属平板固定在第1微位移平台51左侧地面，干涉镜支架7E的上金属平板设置在第1微位移平台51上方；

其功能是：用于放置干涉镜7C。

8、第2干涉仪系统

第2干涉仪系统与第1干涉仪系统结构相同；

其作用是：测量第2微位移平台52输出的垂直方向位移量。

9、第3干涉仪系统

第3干涉仪系统与第1干涉仪系统结构相同；

其作用是：测量第3微位移平台53输出的垂直方向位移量。

三、本装置的工作原理

本装置主要分为激光干涉仪检测单元——第1、2、3干涉仪系统70、80、90和基于压电陶瓷的微位移输出单元——微位移系统50；通过微位移系统50模拟地壳的运动，作为水管倾斜仪的输入；通过第1、2、3干涉仪系统70、80、90记录基于微位移系统50的实际位移输出量。

1、激光干涉仪检测单元

由于在第1钵体10、标定器40和第2钵体20下放置有微位移系统50，需要对这3个点进行实际输出位移量的检测；在实际检测之前，需要对激光干涉仪进行位置的调整，使得激光头发射出的光通过干涉镜分散出的两束光，分别通过两个反光镜能最终重合在激光头部分；

在检测时，第1、2、3干涉仪系统70、80、90同时记录第1微位移平台51、第2微位移平台52和第3微位移平台53的位移变化量，通过多次检测计算水管倾斜仪的关键参数。

2、基于压电陶瓷的微位移输出单元

通过控制器60控制微位移系统50的3个微位移平台51、52和53输出线性位移，第1钵体10上升2Δh的位移，标定器40上升Δh的位移，第2钵体20静止不动，根据水管仪的基线长度L，可以求得模拟地倾斜角为：

由于Δh上升的距离一般为几十微米，而水管仪的基线长度为1m或者10m，因此，模拟地倾斜角为。

乙、检测方法

一、本检测方法包括下列步骤：

①在仪器工作范围内选择任一测点，待仪器稳定后，依次单向调节压电陶瓷驱动的微位移平台微位移3次，使钵体水位产生变化（干涉仪测量），每次变化增量为1/2×0.0002"（10m基线0.0025μm，30m基线0.007Eμm），记录仪器输出读数，计算分辨力；

②利用水管仪自校准装置，给微位移系统50的压电陶瓷发出指令，控制标定装置的标定棒向上或向下移动，记录钵体水位变化的数采记录水管仪校准过程的输出数值，以干涉仪记录的平台高度变化∆H作为标准值，计算水管仪的单端灵敏度（每微米引起的电压变化）；

③在直接量程范围内，微调微位移系统50的压电陶瓷5B或标定装置40的标定棒42产生位移，按满度值（200μm或干涉仪实际测量值）的10％间隔变化（步距为20μm或实际测量值），读取输出电压并计算倾斜变化量yi（输出电压×格值），计算水管仪的线性度误差；

④仪器整机置于微位移系统50上，通过压电陶瓷5B给微位移系统50加一个垂直向的微动信号，激光干涉仪7B记录微位移系统50位移并折算倾斜量，高速数据采集器记录倾斜仪在阶跃信号作用下的响应曲线，拟合计算出仪器的等效传递函数；由传递函数可得高端截止频率，即仪器的频带宽度。

二、本检测装置的微位移系统50可根据具体需要进行：

①当水管倾斜仪的连通水管（30）长度不同时，可以根据连通水管（30）的长度调整第1、2、3微位移平台（51、52、53）的距离，根据水管倾斜仪基线的具体尺寸固定第1、2、3微位移平台（51、52、53）和第1、2、3干涉仪系统（70、80、90）的位置，实现不同长度的水管倾斜仪整机测试；

②当水管倾斜仪的钵体数量增加或者设置有附加装置时，可以根据增加的钵体数量和附加装置数量，增加微位移系统（50）的微位移平台的数量，满足不同类型的水管倾斜仪测试需求，实现不同类型水管倾斜仪整机测试；

③本检测装置具有输出单元和检测单元独立的测试机理，第1、2、3微位移平台（51、52、53）分别对应第1、2、3干涉仪系统（70、80、90）；通过控制器（60）独立控制第1、2、3微位移平台（51、52、53）和第1、2、3干涉仪系统（70、80、90）使其协同工作，实现长基线整机测试的功能。