專(zhuān)利名稱(chēng)：一種小型垂直擺傾斜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及地學(xué)觀測(cè)技術(shù)，尤其適用于傾斜固體潮及地震前兆的觀測(cè)。
為了測(cè)量太陽(yáng)和月亮的引潮力引起的傾斜固體潮時(shí)，是以地面為基準(zhǔn)，把地面視為靜止不動(dòng)；而觀測(cè)地面傾斜變化時(shí)，又以鉛垂線為基準(zhǔn)。測(cè)量?jī)A斜固體潮，目前廣泛使用的有水平擺傾斜儀和垂直擺傾斜儀。水平擺傾斜儀由于通過(guò)機(jī)械和光學(xué)放大，使其測(cè)量靈敏度極大提高，所以獲得廣泛應(yīng)用；但其穩(wěn)定性差，易受干擾。垂直擺傾斜儀采用擺的鉛垂原理，其擺結(jié)構(gòu)比水平擺簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，但由于測(cè)量靈敏度受擺長(zhǎng)制約，如要靈敏度高，則其結(jié)構(gòu)龐大，性能價(jià)格比則高，安裝困難，所以未獲得廣泛應(yīng)用。
隨著電子技術(shù)和傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，位移測(cè)量的精度大大提高，故本實(shí)用新型的目的就在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題和不足，而采用垂直擺傾斜儀來(lái)進(jìn)行高精度的傾斜測(cè)量，并將擺長(zhǎng)大大縮短，從而減少儀器的尺寸和加工難度。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的垂直擺系由吊絲、擺桿和擺錘三部分組成。垂直擺系在沒(méi)有振動(dòng)的條件下處于鉛垂?fàn)顟B(tài)；當(dāng)發(fā)生傾斜變化時(shí)，擺系平衡位置發(fā)生變化，擺系和支架之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，電容式位移傳感器的動(dòng)片和定片之間的間距也相應(yīng)發(fā)生變化，通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并加以放大，就可將擺錘的微小位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于地傾斜的相對(duì)變化量很小，擺錘的相對(duì)偏移量也很小，因此本實(shí)用新型要有一個(gè)高精度的測(cè)微裝置，測(cè)量擺錘位置的變化。
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明。


圖1為本實(shí)用新型構(gòu)成框圖。
圖2為垂直擺系結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為測(cè)微裝置框圖。
圖5為振蕩器組成框圖。
圖6為前置放大器電路圖。
圖7為選頻放大器電路圖。
圖8為鎖相放大器電路圖。
圖9為移相器電路圖。
圖10為采集裝置組成框圖。
其中1—主體裝置，1·1—擺系，1·1·1—吊絲，1·1·2—擺桿，1·1·3—絕緣墊片，1·1·4—擺錘；1·2—傳感器，1·3—支架，1·3·1—頂板，1·4—底座，1·5—調(diào)平機(jī)構(gòu)，1·6—鎖緊結(jié)構(gòu)。2—測(cè)微裝置，2·1—振蕩器，2·1·1—程控時(shí)鐘發(fā)生器，2·1·2—順序地址發(fā)生器，2·1·3—正弦編碼表，2·1·4—鎖存器，2·1·5—DAC，2·1·6—低通濾波器；2·2—反相器，2·3—前置放大器，2·4—選頻放大器，2·5—鎖相放大器，2·6—移相器，2·7—整形器，C1、C2—固定電容板(定片)，C3—活動(dòng)電容板(動(dòng)片)，U1、U2、U3—電容板電壓，L1、L2—電容板間距，Ui—輸入電壓，Uo—輸出電壓，G—接地，IC-集成片，R1—R11—電阻，C4—C12—電容。
由圖1可知，本實(shí)用新型由主體裝置1、測(cè)微裝置2和采集裝置3組成，依次連接。
(1)主體裝置主體裝置1由擺系1·1、傳感器1·2、支架1·3、底座1·4、調(diào)平機(jī)構(gòu)1·5、、鎖擺機(jī)構(gòu)1·6組成。
①擺系1·1為小型垂直擺系，主要由吊絲1·1·1、擺桿1·1·2、擺錘(質(zhì)量塊)1·4組成，采用雙絲懸掛，這樣懸掛方式只有一個(gè)自由度。
吊絲1·1·1的性能對(duì)本實(shí)用新型來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，其材料采用恒彈性合金銅Ni42CrTi，具有較大的抗拉強(qiáng)度，經(jīng)熱處理后有較好的彈性穩(wěn)定性，故可將吊絲1·1·1做得很薄，其厚度為0.02mm，寬度為2mm，使有足夠高的偏轉(zhuǎn)靈敏度，吊絲1·1·1的彈性強(qiáng)度與厚度的三次方成正比，與寬度的一次方成正比。擺錘1·1·4也即傳感器1·2的動(dòng)片，為一精密加工的長(zhǎng)方體，長(zhǎng)為70mm，高為50mm，厚為10mm。
二根吊絲1·1·1固定在頂板1·3·1上，依次連接有擺桿1·1·2、絕緣墊片1·1·3和擺錘1·1·4。
②傳感器1·1·2，即電容式位移傳感器。
由一個(gè)活動(dòng)電容板(動(dòng)片)C3、兩個(gè)固定電容板(定片)C1、C2組成。動(dòng)片C3即擺系1·1的擺錘1·1·4。兩個(gè)定片C1、C2固定在支架1·3和底座1·4上。定片C1、C2的面積略大于動(dòng)片C3。為保證其表面的平面度和光潔度，均采用光學(xué)研磨，并進(jìn)行真空鍍金處理。真空鍍金是為了避免動(dòng)片C3，定片C1、C2表面氧化并導(dǎo)致厚度的改變。動(dòng)片C3和定片C1、C2要通過(guò)精密安裝和調(diào)整保持嚴(yán)格平行，平行度調(diào)整在10″以內(nèi)，否則會(huì)導(dǎo)致傳感器1·2的非線性，其間距為0.3mm。
③支架1·3為一圓形整體金屬結(jié)構(gòu)，使所受的應(yīng)力均勻分布，減小儀器零漂，克服了由螺釘連接所產(chǎn)生的粘滑運(yùn)動(dòng)。
④底座1·4為一等邊三角形金屬板，上面安裝有互為垂直方向的水準(zhǔn)氣泡。
⑤調(diào)平機(jī)構(gòu)1·5為安裝在底座1·4三個(gè)頂角處的可調(diào)腳螺絲組成，用于置平儀器，可使擺錘1·1·4處于零位附近。
⑥鎖擺機(jī)構(gòu)1·6為一可在支架1·3螺孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋絲桿，桿尖指向擺錘1·1·4。是為避免儀器在運(yùn)輸過(guò)程中擺錘1·1·4與周?chē)牟考l(fā)生碰撞導(dǎo)致?lián)p傷而設(shè)計(jì)的，運(yùn)輸前通過(guò)螺旋絲桿傳動(dòng)將擺錘1·1·4鎖緊；工作時(shí)，再通過(guò)螺旋絲桿相反的運(yùn)動(dòng)將擺錘1·1·4松開(kāi)，使其處于自由狀態(tài)。
(2)測(cè)微裝置由圖4可知，測(cè)微裝置2，即一種高精度電容位移測(cè)微裝置，由以下部件組成，其連接順序是振蕩器2·1→反相器2·2→C1；振蕩器2·1→C2；C3→前置放大器2·3→選頻放大器2·4→鎖相放大器2·5；振蕩器2·1→移相器2·6→整形器2·7。
擺錘1·1·4作為質(zhì)量塊，不僅是擺系1·1的重要部件，而且又兼作電容位移傳感器1·2的活動(dòng)電容板C3，兩固定電容板C1、C2之間的間距為0.3mm，電容量為210pf。因?yàn)殡娙莅宓拿娣e較大，之間的間距較小，邊緣效應(yīng)的影響可忽略不計(jì)，故電容板之間的電場(chǎng)可看作是均勻的，電場(chǎng)方向與電容板垂直，等位面則與電容板平行。因此電容板之間的電位差與其間的間距成正比；U1-U3L1=U3-U2L2----(1)]]>由(1)式可得U1+U2-2U3U1-U2=L1-L2L1+L2=ΔLLo---(2)]]>其中ΔL為C3偏離零位的距離，Lo為間距L1和L2的平均值，Lo＝(L1+L2)/2。假定加在C1、C2的電壓是大小相等而相位相反，即U1＝-U2，代入(2)式得ΔL＝Lo×U3/U1(3)由(3)式可以看出偏離零位的距離ΔL是與C3的輸出電壓U3成正比。反之，由U3就可求出ΔL。
由于U3的幅度很小，信噪比也很小，因此必須經(jīng)高增益放大后才能檢測(cè)，并需鎖相放大器濾除噪音，消除噪音對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
①振蕩器2·1為了保證測(cè)微裝置2的精度，振蕩器2·1的幅度穩(wěn)定度必須很高。本實(shí)用新型采用了一種程控正弦波發(fā)生器電路來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)幅振蕩，如圖5所示，它由下列部件組成，其連接順序是
程控時(shí)鐘發(fā)生器2·1·1→順序地址發(fā)生器2·1·2→ROPROM正弦編碼表2·1·3→鎖存器2·1·4→DAC2·1·5→低通濾波器2·1·6。
②反相器反相器2·2使C1得到的電壓U1與C2上的電壓U2相反。
③前置放大器前置放大器2·3的電路如圖6所示，由于電容傳感器1·2輸出阻抗很高，前置放大器2·3的輸入阻抗必須更高。圖6所示的電路能同時(shí)滿足高輸入阻抗和高穩(wěn)定增益。該放大器的增益為K1＝(R1+R2)/R1≈40④選頻放大器選頻放大器2·4采用兩級(jí)選頻放大，如圖7所示。其中心頻率均為16kHz。作用是濾除頻帶以外的噪聲。如果沒(méi)有濾波，噪音的尖峰經(jīng)放大后在鎖相放大器2·4的輸入端將達(dá)到飽和，從而影響鎖相放大器2·5的工作性能。
⑤鎖相放大器由于電容傳感器信號(hào)較小，信噪比很低，當(dāng)噪音高于信號(hào)時(shí)，噪音就淹沒(méi)了信號(hào)，無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。鎖相放大器2·5是濾除噪音最有效的方法，如圖8所示。
⑥移相器如圖9所示的移相器2·6的特點(diǎn)是相位穩(wěn)定性較好。由于電容測(cè)微裝置2僅需在較小范圍內(nèi)調(diào)整相位。故本電路能較好的滿足電容測(cè)微裝置2的要求。
(3)采集裝置為了實(shí)現(xiàn)傾斜觀測(cè)的數(shù)字化和智能化，本實(shí)用新型采用了數(shù)據(jù)采集設(shè)備，并在數(shù)采的基礎(chǔ)上通過(guò)微機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波，從而提高觀測(cè)精度。本采集裝置原理框圖如圖10所示。
本實(shí)用新型的技術(shù)指標(biāo)是①折合擺長(zhǎng) 10cm②電容測(cè)微裝置精度 0.0001微米③儀器靈敏度 0.001角秒④儀器日漂移 0.005角秒本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)，尤其是與水平擺傾斜儀相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果
①由于本實(shí)用新型測(cè)量擺的位移的精度高達(dá)0.0001微米，故可使儀器的擺長(zhǎng)大大縮短。其折合擺長(zhǎng)為10厘米，而國(guó)內(nèi)外其他類(lèi)型的垂直擺傾斜儀的擺長(zhǎng)為米的量級(jí)。由于擺長(zhǎng)較短，使得機(jī)械加工難度和費(fèi)用減小。
②水平擺傾斜儀的光杠桿長(zhǎng)達(dá)5至7米，故東西向和南北向均需有5至7米的空間，本實(shí)用新型僅需1平方米的面積就能安放，可減小洞室建造費(fèi)用。
③本實(shí)用新型為電信號(hào)輸出，能自動(dòng)記錄，使用和管理較為方便；水平擺傾斜儀通常采用照像記錄，需每天沖洗像片。
④由于本實(shí)用新型設(shè)計(jì)成小型化，儀器搬運(yùn)較為方便。而且為整體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)安裝也較為方便，只要通過(guò)腳螺絲調(diào)平儀器，并連接好電纜，儀器的安裝就算完成。
⑤采用微機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波和各種計(jì)算，有助于提高精度，減少各種計(jì)算和管理工作，減輕臺(tái)站人員的工作負(fù)擔(dān)。
權(quán)利要求1.一種小型垂直擺傾斜儀，由主體裝置(1)、測(cè)微裝置(2)和采集裝置(3)組成，依次連接，其特征是①主體裝置(1)由擺系(1·1)、傳感器(1·2)、支架(1·3)、底座(1·4)、調(diào)平機(jī)構(gòu)(1·5)、鎖擺機(jī)構(gòu)(1·6)組成，擺系(1·1)為小型垂直擺系，雙絲懸掛，二根吊絲(1·1·1)固定在頂板(1·3·1)上，依次連接有擺桿(1·1·2)、絕緣墊片(1·1·3)和擺錘(1·1·4)；傳感器(1·2)為電容式位移傳感器，由一個(gè)活動(dòng)電容板(C3)、兩個(gè)固定電容板(C1、C2)組成，活動(dòng)電容板(C3)即擺錘(1·1·4)；支架(1·3)為一圓形整體金屬結(jié)構(gòu)；底座(1·4)為一等邊三角形金屬板，上面安裝有互為垂直方向的水準(zhǔn)氣泡；調(diào)平機(jī)構(gòu)(1·5)為安裝在底座(1·4)三個(gè)頂角處的可調(diào)腳螺絲組成；鎖擺機(jī)構(gòu)(1·6)為一可在支架(1·3)的螺孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋絲桿，桿尖指向擺錘(1·1·4)；②測(cè)微裝置(2)為一種電容位移測(cè)微裝置，由以下部件組成，其連接順序是振蕩器(2·1)→反相器(2·2)→C1；振蕩器(2·1)→C2；C3→前置放大器(2·3)→選頻放大器(2·4)→鎖相放大器(2·5)；振蕩器(2·1)→移相器(2·6)→整形器(2·7)。
2.按權(quán)利要求1所述的一種小型垂直擺傾斜儀，其特征是吊絲(1·1·1)采用恒彈性合金銅Ni42CrTi，其厚度≤0.02mm，寬度≤2mm。
3.按權(quán)利要求1所述的一種小型垂直擺傾斜儀，其特征是擺錘(1·1·4)為一精密的長(zhǎng)方體，長(zhǎng)≤70mm，高≤50mm，厚≤10mm，均采用光學(xué)研磨，并進(jìn)行真空鍍金處理。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種小型垂直擺傾斜儀,涉及地學(xué)觀測(cè)技術(shù),尤其適用于傾斜固體潮及地震前兆的觀測(cè)。為了提高傾斜測(cè)量的靈敏度和精度,縮小儀器的尺寸,本實(shí)用新型采用小型垂直擺的主體結(jié)構(gòu)及電容式位移測(cè)微。本實(shí)用新型的擺系主要由二根吊絲、擺桿和擺錘組成,擺錘也即電容位移傳感器的活動(dòng)電容板。測(cè)微裝置主要由振蕩器、反相器、前置放大器、選頻放大器、鎖相放大器等組成。由于折合擺長(zhǎng)僅為10cm,測(cè)微精度高達(dá)0.0001mm,使儀器性能價(jià)格比極大提高,因此有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01C9/00GK2391172SQ9923857
公開(kāi)日2000年8月9日 申請(qǐng)日期1999年9月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月22日
發(fā)明者胡國(guó)慶, 蔣幼華, 張道忠, 朱曉平, 羅峰 申請(qǐng)人:中國(guó)地震局地震研究所