一种基于静电力平衡反馈控制的固体潮汐观测装置的制作方法

本实用新型涉及地震前兆预警观测技术，尤其涉及一种基于静电力平衡反馈控制的固体潮汐观测装置。

背景技术：

地震前兆预测地震是地震研究工作重大课题之一。成功预测地震发生的时间、地点、大小也是世界性的难题，很大程度上是与不能获得全面的、足够精度和数量的与地震前兆相联系的信息有关。地壳形变测量是地震前兆预测地震的主要手段之一，物理概念清晰，直接反映地壳变化的情况，解释地壳受力与变形乃至断裂发生地震的过程和终结。

进入21世纪后，国家对地震前兆仪器又有了更高更明确的要求，在仪器的参数、技术指标中，形变仪器这一块也有了相应的入网标准。明确地要求了倾斜类仪器分辨力为万分之二角秒，相对分辨力为10^-9量级，同时在频带上也有了新的要求。

在国家地震前兆台网中倾斜类观测仪器目前在网纳入管理的台站有184个，主要测项为水平摆倾斜观测、垂直摆倾斜观测、水管倾斜观测和钻孔倾斜观测，观测仪器有280套。以上除了部分垂直摆倾斜仪是二十一世纪以后研发的仪器，其他的仪器都是上个世纪的产物，最老的仪器研发于50年前。随着年限的增长，很多老仪器都出现了维修困难等情况，严重的甚至停止观测。因此，现在迫切需要一款新的仪器对我国地震前兆台网进行补充。

目前，现有的在网观测倾斜类仪器都是开环的仪器。然而，我们应该注意到传感器质量块的运动是地动加速度引起的，因此，仪器测量的物理量应为加速度量。而开环的仪器检测的是质量块的倾斜角度，也就是位移量。只有闭环反馈的仪器检测的是加速度量。因此，反馈式仪器对地震前兆观测是必要的补充。

长期以来，地震科研人员希望从地球固体潮的变化，或异常中探索临震预报的可能。然而，研究表明固体潮的变化或异常暂时只能为地震中期、中长期预报服务。在2008年汶川地震后，研究人员发现，超宽频带地震仪能够监测到高频的信息，有可能观测到临震信息（张燕，超宽频带地震计观测到的汶川地震震前异常，2011，大地测量与地球动力学）由于现有的摆式仪器是开环的仪器，它受限于摆长固有周期的限制，几乎不可能将观测频率提高到1Hz以上。而闭环的仪器，由于反馈力的存在，将开环增益提高，提高仪器固有频率，可以做到10Hz，这比现有仪器最高1分钟的频率提高了两个数量级。

在世界范围内，地球重力场的科学研究、卫星对地观测技术和物理探测技术等的发展也是日新月异。空间卫星对地观测技术中，静电加速度计是这一技术的主要载荷，它在卫星对地观测中起到了核心作用。将空间技术引入到地壳形变仪器的研究，这本身就是一种新的思想。通过静电加速度计原理、机械和电路等的研究，以及以此为技术基础，把该技术用在本实用新型的研制上，这种包含了静电反馈在内的观测仪器必将具有着重要的现实和科学意义，必将带动地震前兆仪器的发展。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于静电力平衡反馈控制的固体潮汐观测装置，从而能够精确地测出微小的位移，并能够检测到直流至10Hz的高频振动位移，进而提高微位移的检测精度和范围。

本实用新型的目的是这样实现的：

在差动电容传感器的动极板上，接入稳定的直流偏置信号和稳定的交流激励信号，并将差动电容传感器的三块极板与闭环静电力反馈控制系统相接，使得定极板能够在感应电容差的同时可以对动极板施加一个静电力，平衡动极板水平方向倾斜分量，使得动极板回归至差动电容传感器的中心位置。当差动式电容传感器响应到位移变化时，由差动电容与对称分布电容构成的电桥响应此变化带来的电容变化，经过电容电桥电路、交流放大电路、交流放大电路、同步解调电路、低通滤波电路、PID调节电路和静电力驱动电路后，向定极板上反馈两个大小相同，方向相反的电压。使得两块定极板对动极板施加一个与动极板运动方向相反的差分静电力，静电力为动极板补偿重力加速度的水平分量，使动极板回到零位。

具体地说，本装置包括主体、电容检测电路、PID控制电路、静电力驱动电路、电压馈入电路和电源；

主体、电容检测电路、PID控制电路、静电力驱动电路和主体依次连接组成一闭环系统，电压馈入电路和主体连接，检测输入的固体潮汐信号，获得输出的固体潮汐信号；

电源分别与其它电路连接供电。

本实用新型具有下列优点和积极效果：

①运用静电力作为力平衡反馈的仪器，观测频带广，动态范围大，线性度好；

②既可反映固体潮的变化，也能反映地壳形变高频变化；

③能有效地填补我国地动观测没有高频仪器的空白，而且有望基于其高频观测的特点寻找地震前兆相关的有用信息；

④适用于地震前兆预警。

附图说明

图1 是本装置的结构方框图；

图2 是主体的结构示意图；

图3 是电容检测电路的结构方框图。

图中：

10—主体，

11—基座，

121—第1支撑脚，122—第2支撑脚，123—第3支撑脚，

13—动极板，

141—第1定极板，142—第2定极板，

15—悬丝，

16—支架，

17—外壳；

20—电容检测电路，

21—电容电桥电路，

22—电流放大电路，

23—交流电压放大电路，

24—同步解调电路，

25—低通滤波电路，

26—直流补偿放大电路；

30—PID控制电路；

40—静电力驱动电路；

50—电压馈入电路；

60—电源；

A—固体潮汐信号，B—固体潮汐电压信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本装置详细说明：

1、总体

如图1，本装置包括主体10、电容检测电路20、PID控制电路30、静电力驱动电路40、电压馈入电路50和电源60；

主体10、电容检测电路20、PID控制电路30、静电力驱动电路40和主体10依次连接组成一闭环系统，电压馈入电路50和主体10连接，检测输入的固体潮汐信号A，获得输出的固体潮汐信号B；

电源60分别与其它电路连接供电。

2、功能部件

1）主体10

如图2，主体10包括基座11、第1支撑脚121、第2支撑脚122、第3支撑脚123、动极板13、第1定极板141、第2定极板142、悬丝15、支架16和外壳17；

外壳17和基座11上下连接组成一封闭的整体，在基座11下面设置有呈等腰直角三角形排列的第1支撑脚121、第2支撑脚122、第3支撑脚123；

在外壳17内壁设置有支架16，在支架16的两边分别设置有互为平行的第1定极板141和第2定极板142，在支架16的顶部中央设置有上下连接的悬丝15和动极板13，动极板13在第1定极板141和第2定极板142之间，均和基座11的等腰边平行。

*基座11

基座11是一种等腰直角三角形的金属块，并在3个角处设置有3个固定螺纹孔；腰边600mm，厚度30mm；

使其有足够的强度保证观测的稳定性。

*第1支撑脚121、第2支撑脚122、第3支撑脚123

每个支撑脚包括依次连接的手轮、螺杆和脚垫；

3个脚垫分别设计成点、线、面的形状，基座11的直角固定螺纹孔对应于点形状的脚垫，和动极板13平行的固定螺纹孔对应于线形状的脚垫，和动极板13垂直（敏感方向）的固定螺纹孔对应于面形状的脚垫。

*动极板13

动极板13是一种铜质长方体。

*第1定极板141、第2定极板142

第1定极板141、第2定极板142是由K9光学玻璃做成的平板，其表面为镀金层，厚度不大于1μm。

*悬丝15

悬丝15材料为恒弹合金3J53，与支架16顶部相连，悬挂动极板13，使之能在水平面内平动。

*支架16

支架16为一体式对称性金属结构，满足装置的机械稳定性；高度对称性的设计，有利于消除温度给装置带来的误差。

*外壳17

外壳17是一种有盖的金属圆筒；

起到保护、屏蔽和防潮的作用。

2）电容检测电路20

电容检测电路20包括电容电桥电路21、电流放大电路22、交流电压放大电路23、同步解调电路24、低通滤波电路25、直流补偿放大电路26；

第1定极板141和第2定极板142、电容电桥电路21、电流放大电路22、交流电压放大电路23、同步解调电路24、低通滤波电路25和直流补偿放大电路26依次连接。

*电容电桥电路21

电容电桥电路21是一种通用电路，其电容是由第1定极板141和第2定极板142分别与动极板13形成的。

*电流放大电路22、交流电压放大电路23、同步解调电路24、低通滤波电路25、直流补偿放大电路26均为通用电路。

3）PID控制电路30

PID控制电路30是一种通用的比例、积分、微分电路；

调理整个装置的幅频响应和相频响应，使得整个装置的信号输出更加稳定。

4）静电力驱动电路40

静电力驱动电路40是一种通用的信号调理电路；

提供足够功率的大小相等、方向相反的两路反馈驱动电压，分别加载到第1定极板141和第2定极板142上，使其与动极板13上的直流偏置电压形成静电力。

5）电压馈入电路50

电压馈入电路50是一种交直流叠加电路；

其直流偏置电压与交流激励电压叠加后馈入动极板13，直流偏置电压给静电力驱动电路40提供基准电压，交流激励电压为固体潮汐信号A的载波信号。

6）电源60

电源60提供整个装置各部分所需电压。

3、工作机理

本装置主体10响应固体潮汐信号A，动极板13将其转化为位移变化，动极板13与第1定极板141和第2定极板142之间有相对位移；使得二者构成的差动电容的电容值实时发生变化；该变化通过电容检测电路20、PID控制电路30和静电力驱动电路40的调理，将大小相等、方向相反的两路反馈电压加载到第1定极板141和第2定极板142上，使其与动极板13上的直流偏置电压形成静电力；静电力与固体潮汐信号A的大小相等，方向相反，使动极板13达到动态的平衡，其中PID控制电路30输出的信号即为固体潮汐信号B。