本發(fā)明屬于地震形變觀測儀器的技術領域，尤其涉及一種鉆孔應變儀整機性能測試裝置及測試方法。

背景技術：

鉆孔形變觀測是研究地殼運動的重要觀測手段。近年來國內外地震科學界對鉆孔應變觀測技術十分重視，四分量鉆孔應變儀的發(fā)展更是得到了國家地震局及地震監(jiān)測司的大力支持，近年來獲得了一些震前異常信號，是目前最有前景的地震短臨異常監(jiān)測儀器，未來通過大范圍的臺網建設有望實現(xiàn)地震速報及地震預警預報，已經成功安裝上百臺。然而目前的鉆孔應變類儀器普遍存在出廠前靈敏度測不準，導致安裝后給定的格值有偏差，影響最終觀測數(shù)據(jù)質量的缺陷。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述存在的問題，提供一種鉆孔應變儀整機性能測試裝置及測試方法，避開測試筒的剛度不夠及位移損耗問題，直接測量待測傳感元件的各項性能數(shù)據(jù)。

本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種鉆孔應變儀整機性能測試裝置，其特征在于，包括測試底座，所述測試底座上設有測試筒，應變儀探頭置于測試筒內部中心，應變儀探頭內部沿周向均勻間隔設有數(shù)個傳感元件，數(shù)個傳感元件位于不同高度，應變儀探頭通過線纜分別與外部的主機及高頻數(shù)據(jù)采集器相連；還包括位移給定模塊和形變檢測模塊，所述位移給定模塊包括相對測試筒左右對稱設置的壓電陶瓷致動器和微調螺桿，壓電陶瓷致動器外側端穿過測試筒通過線纜與壓電陶瓷控制器相連，內側端與應變儀探頭外壁相接觸，微調螺桿外側端穿過測試筒，內側端壓緊應變儀探頭外壁；所述形變檢測模塊由相對測試筒左右對稱設置的兩個微位移傳感器組成，兩個微位移傳感器的外側端均穿過測試筒，內側端均與應變儀探頭外壁相接觸。

按上述方案，所述數(shù)個待測傳感元件包括一號傳感元件、二號傳感元件、三號傳感元件和四號傳感元件，數(shù)個待測傳感元件在周向依次間隔45°設置。

按上述方案，所述測試底座頂部設有旋轉模塊，帶動測試筒旋轉，所述旋轉模塊包括旋轉底座、蝸輪蝸桿傳動組件和電機，所述旋轉底座上設有環(huán)形軌道，環(huán)形軌道上均勻間隔設有數(shù)個滾輪，蝸輪置于環(huán)形軌道上與蝸桿相配置，所述電機輸出軸與蝸桿一端相聯(lián)，測試筒底部與渦輪頂部相連。

按上述方案，所述測試筒為不銹鋼材質。

一種鉆孔應變儀整機性能測試測試方法，其特征在于，包括如下步驟：

s1)靈敏度及格值測量，將應變儀探頭置于測試筒內，通過線纜與外部主機相連，旋轉調整測試筒的角度，并通過墊片調整應變儀探頭的高度，使兩個微位移傳感器分別與一號傳感元件的左右兩端相對應設置，壓電陶瓷致動器和微調螺桿相對測試筒左右對稱設置，兩個微位移傳感器均與壓電陶瓷致動器和微調螺桿相隔90°，壓電陶瓷致動器外側端穿過測試筒通過線纜與壓電陶瓷控制器相連，通過壓電陶瓷控制器使壓電陶瓷致動器間歇產生位移量l1、l2，兩個微位移傳感器測量位移量分別為l11、l12、l21、l22，一號傳感元件的徑向位移值分別為δl1、δl2，δl1＝l12-l11，δl2＝l22-l21，得出一號傳感元件的徑向總位移值為δl＝δl1+δl2，同時一號傳感元件將位移量轉換為電壓測量值u1、u2，通過連接電纜送到主機并記錄，得出電壓差值δu＝u2-u1，得出一號傳感元件的靈敏度s＝δu/δl,重復以上步驟多次測量得出一號傳感元件的靈敏度均值sm，同時得出格值η，η＝δl/δu·d，其中，d為應變儀探頭的內徑，計算得出格值均值ηm；

松開壓緊應變儀探頭的微調螺桿，啟動旋轉模塊將測試筒逆時針旋轉45°，使兩個微位移傳感器分別與二號傳感元件的左右兩端相對應設置，再將微調螺桿旋轉壓緊應變儀探頭外壁，待機械穩(wěn)定一段時間后開始重復以上步驟測量二號傳感器元件的靈敏度和格值；

重復上述以上步驟依次測量三號、四號傳感器元件的靈敏度和格值，完成四分量應變儀四個方向傳感元件的靈敏度和格值精確測量；

s2)線性度測量，旋轉調整測試筒的角度，并通過墊片調整應變儀探頭的高度，壓電陶瓷致動器和微調螺桿相對一號傳感元件的左右兩端設置，壓電陶瓷控制器使壓電陶瓷致動器間隔等步距給定位移量li，步距為應變儀探頭量程滿度值的10％，同時一號傳感元件將位移量轉換為電壓測量值ui，通過連接電纜送到主機并記錄，并通過最小二乘法對電壓值進行擬合得出電壓擬合值ui，得出一號傳感元件的線性度δ＝δumax/δufs，δumax為電壓擬合值與電壓測量值差值δu的最大值，δufs為電壓測量值的最大差值；

松開壓緊應變儀探頭的微調螺桿，啟動旋轉模塊將測試筒逆時針旋轉45°，使壓電陶瓷致動器和微調螺桿相對二號傳感元件的左右兩端設置，再將微調螺桿旋轉壓緊應變儀探頭外壁，待機械穩(wěn)定一段時間后開始重復以上步驟測量二號傳感器元件的線性度；

重復上述以上步驟依次測量三號、四號傳感器元件的線性度，完成四分量應變儀四個方向傳感元件的線性度精確測量；

s3)頻帶范圍測量，旋轉調整測試筒的角度，并通過墊片調整應變儀探頭的高度，壓電陶瓷致動器和微調螺桿相對一號傳感元件的左右兩端設置，壓電陶瓷控制器向壓電陶瓷致動器輸入相同幅度不同頻率的正弦波電壓信號，使壓電陶瓷致動器產生正弦波位移信號，該信號傳遞給應變儀探頭筒壁，用高頻數(shù)據(jù)采集器存儲一號傳感元件輸出的數(shù)據(jù)和波形，進而分析應變儀的頻帶范圍；

松開壓緊應變儀探頭的微調螺桿，啟動旋轉模塊將測試筒逆時針旋轉45°，使壓電陶瓷致動器和微調螺桿相對二號傳感元件的左右兩端設置，再將微調螺桿旋轉壓緊應變儀探頭外壁，待機械穩(wěn)定一段時間后開始重復以上步驟測量二號傳感器元件的頻帶范圍；

重復上述以上步驟依次測量三號、四號傳感器元件的頻帶范圍，完成四分量應變儀四個方向傳感元件的頻帶范圍精確測量。

本發(fā)明的有益效果是：提供一種鉆孔應變儀整機性能測試裝置及測試方法，裝置結構精簡、使用可靠，避開測試筒的剛度不夠及位移損耗問題，直接測量待測傳感元件的各項性能參數(shù)，能夠精確的測出應變儀各傳感元件的線性度、靈敏度、格值、頻帶范圍，為應變儀的出廠安裝提供準確的參數(shù)標定。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個實施例的靈敏度測量時位移給定狀態(tài)時的剖視圖。

圖2為本發(fā)明一個實施例的靈敏度測量時位移檢測狀態(tài)時的剖視圖。

圖3為本發(fā)明一個實施例的靈敏度測量時裝置分布的俯視圖。

圖4為本發(fā)明一個實施例的鉆孔應變儀頻率響應曲線。

其中：1、測試底座；2、測試筒；3、一號傳感元件；4、二號傳感元件；5、三號傳感元件；6、四號傳感元件；7、壓電陶瓷致動器；8、微調螺桿；9、微位移傳感器；10、應變儀探頭。

具體實施方式

為更好地理解本發(fā)明，下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步的描述。

如圖1-圖3所示，一種鉆孔應變儀室內整機靈敏度測試裝置，包括測試底座1，其上設有測試筒2，測試筒為不銹鋼材質，應變儀探頭10置于測試筒內部中心，應變儀探頭內部沿周向均勻間隔設有四個傳感元件，包括一號傳感元件3、二號傳感元件4、三號傳感元件5和四號傳感元件6，分別位于不同高度，并在周向依次間隔45°設置，應變儀探頭通過線纜分別與外部的主機及高頻數(shù)據(jù)采集器相連；還包括位移給定模塊和形變檢測模塊，位移給定模塊包括相對測試筒左右對稱設置的壓電陶瓷致動器7和微調螺桿8，壓電陶瓷致動器外側端穿過測試筒通過線纜與壓電陶瓷控制器相連，內側端與應變儀探頭外壁相接觸，微調螺桿外側端穿過測試筒，內側端壓緊應變儀探頭外壁；形變檢測模塊由相對測試筒左右對稱設置的兩個微位移傳感器9組成，兩個微位移傳感器的外側端均穿過測試筒，內側端均與應變儀探頭外壁相接觸。

測試底座頂部設有旋轉模塊，帶動測試筒旋轉，所述旋轉模塊包括旋轉底座、蝸輪蝸桿傳動組件和電機，旋轉底座上設有環(huán)形軌道，環(huán)形軌道上均勻間隔設有數(shù)個滾輪，蝸輪置于環(huán)形軌道上與蝸桿相配置，電機輸出軸與蝸桿一端相聯(lián)，測試筒底部與渦輪頂部相連，啟動電機使蝸桿帶動蝸輪旋轉，便于調整測試筒的角度方向。

采用上述裝置對鉆孔應變儀整機性能進行測試的方法，包括如下步驟：

s1)靈敏度及格值測量，將應變儀探頭置于測試筒內，通過線纜與外部主機相連，旋轉調整測試筒的角度，并通過墊片調整應變儀探頭的高度，使兩個微位移傳感器分別與一號傳感元件的左右兩端相對應設置，壓電陶瓷致動器和微調螺桿相對測試筒左右對稱設置，兩個微位移傳感器均與壓電陶瓷致動器和微調螺桿相隔90°，壓電陶瓷致動器外側端穿過測試筒通過線纜與壓電陶瓷控制器相連，通過壓電陶瓷控制器使壓電陶瓷致動器間歇產生位移量l1、l2，兩個微位移傳感器測量位移量分別為l11、l12、l21、l22，一號傳感元件的徑向位移值分別為δl1、δl2，δl1＝l12-l11，δl2＝l22-l21，得出一號傳感元件的徑向總位移值為δl＝δl1+δl2，同時一號傳感元件將位移量轉換為電壓測量值u1、u2，通過連接電纜送到主機并記錄，得出電壓差值δu＝u2-u1，得出一號傳感元件的靈敏度s＝δu/δl,重復以上步驟多次測量得出一號傳感元件的靈敏度均值sm，同時得出格值η，η＝δl/δu·d，其中，d為應變儀探頭的內徑，計算得出格值均值ηm；

松開壓緊應變儀探頭的微調螺桿，啟動旋轉模塊將測試筒逆時針旋轉45°，使兩個微位移傳感器分別與二號傳感元件的左右兩端相對應設置，再將微調螺桿旋轉壓緊應變儀探頭外壁，待機械穩(wěn)定一段時間后開始重復以上步驟測量二號傳感器元件的靈敏度和格值；

重復上述以上步驟依次測量三號、四號傳感器元件的靈敏度和格值，完成四分量應變儀四個方向傳感元件的靈敏度和格值精確測量；

s2)線性度測量，旋轉調整測試筒的角度，并通過墊片調整應變儀探頭的高度，壓電陶瓷致動器和微調螺桿相對一號傳感元件的左右兩端設置，壓電陶瓷控制器使壓電陶瓷致動器間隔等步距給定位移量li，步距為應變儀探頭量程滿度值的10％，同時一號傳感元件將位移量轉換為電壓測量值ui，通過連接電纜送到主機并記錄，并通過最小二乘法對電壓值進行擬合得出電壓擬合值ui，得出一號傳感元件的線性度δ＝δumax/δufs，δumax為電壓擬合值與電壓測量值差值δu的最大值，δufs為電壓測量值的最大差值；

松開壓緊應變儀探頭的微調螺桿，啟動旋轉模塊將測試筒逆時針旋轉45°，使壓電陶瓷致動器和微調螺桿相對二號傳感元件的左右兩端設置，再將微調螺桿旋轉壓緊應變儀探頭外壁，待機械穩(wěn)定一段時間后開始重復以上步驟測量二號傳感器元件的線性度；

重復上述以上步驟依次測量三號、四號傳感器元件的線性度，完成四分量應變儀四個方向傳感元件的線性度精確測量；

s3)頻帶范圍測量，旋轉調整測試筒的角度，并通過墊片調整應變儀探頭的高度，壓電陶瓷致動器和微調螺桿相對一號傳感元件的左右兩端設置，壓電陶瓷控制器向壓電陶瓷致動器輸入相同幅度不同頻率的正弦波電壓信號，使壓電陶瓷致動器產生正弦波位移信號，該信號傳遞給應變儀探頭筒壁，用高頻數(shù)據(jù)采集器存儲一號傳感元件輸出的數(shù)據(jù)和波形，進而分析應變儀的頻帶范圍；

松開壓緊應變儀探頭的微調螺桿，啟動旋轉模塊將測試筒逆時針旋轉45°，使壓電陶瓷致動器和微調螺桿相對二號傳感元件的左右兩端設置，再將微調螺桿旋轉壓緊應變儀探頭外壁，待機械穩(wěn)定一段時間后開始重復以上步驟測量二號傳感器元件的頻帶范圍；

重復上述以上步驟依次測量三號、四號傳感器元件的頻帶范圍，完成四分量應變儀四個方向傳感元件的頻帶范圍精確測量。

以一號傳感元件的測量數(shù)據(jù)為例進行說明，各項數(shù)據(jù)如下列表格和波形圖所示：

表1靈敏度測試數(shù)據(jù)表——l1＝1um、l2＝5um、d＝100mm

表2靈敏度測試數(shù)據(jù)計算表——1um到5um計算結果

由表2計算可知：

靈敏度均值sm＝1.802mv/nm、靈敏度均差最大值s'max＝0.011mv/nm

一號元件靈敏度重復性為：

由表2計算可知：

格值均值ηm＝5.236(10^-9/m)、格值均差最大值η'max＝0.028(10^-9/m)

一號元件格值重復性為：

表3一號傳感元件線性度測試記錄表

線性度為：

對一號傳感器元件的頻帶范圍進行測量時，采樣率設為2000hz，給壓電陶瓷致動器施加的電壓信號峰值為30v，壓電陶瓷致動器產生相同幅度不同頻率的正弦波位移信號，通過高頻數(shù)據(jù)采集器記錄一號傳感器元件的輸出波形和數(shù)據(jù)，進而分析應變儀的頻帶范圍(結果見圖4)。由圖分析可知幅度增益在-3db時頻率處于100hz～105hz之間，認為該頻帶處即為本儀器的截至頻率，因此本傳感器頻率響應能夠達到100hz。