基于静电力平衡反馈控制的两自由度地壳形变观测装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于静电力平衡反馈控制的两自由度地壳形变观测装置，涉及地震前兆预警观测技术。固体潮汐信号和地壳形变旋转信号进入主体；主体、第1电容检测电路、第1PID控制电路、第1静电力驱动电路和主体依次闭环连接；主体、第2电容检测电路、第2PID控制电路、第2静电力驱动电路和主体依次闭环连接；第1静电力驱动电路和第2静电力驱动电路分别与加法器连接，输出固体潮汐电压信号；第1静电力驱动电路和第2静电力驱动电路分别与减法器连接，输出地壳形变旋转电压信号。本实用新型专利技术具有单点水平量和旋转量同时测量，观测频带广，动态范围大，线性度好；是一种地壳形变观测宽频带反馈式的仪器，适用于地震前兆预警。

Two degree of freedom crustal deformation observation device based on static electricity balance feedback control

The utility model discloses a crustal deformation monitoring device with two degrees of freedom based on static electricity balance feedback control. The tidal signal and the crustal deformation rotation signal into the main body, first; capacitance detection circuit, 1PID control circuit, first static electric power driving circuit and the main body are connected to the body and the second loop; the capacitance detection circuit, 2PID control circuit, second static electric power driving circuit and the main body are closed loop connection; first static electric power driving circuit and second static electric power driving circuit are respectively connected with the adder connected output voltage signal of solid tide; first static electric power driving circuit and second static electric power driving circuit are respectively connected with the subtracter output voltage signal of rotation of crustal deformation. The utility model has the advantages of single point level and rotation angle measurement at the same time, the observation band wide, large dynamic range, good linearity; is a feedback instrument of crustal deformation observation broadband, suitable for earthquake early warning.

【技术实现步骤摘要】

本技术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两自由度地壳形变观测装置。
技术介绍
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。对摆式仪器来说，明确地要求了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。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。其中水平摆倾斜仪59套、垂直摆倾斜仪80套、水管倾斜仪107套、钻孔倾斜仪34套；(数据截止于2013年底)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前兆摆式仪器对我国地震前兆台网进行补充。目前，现有的在网观测摆式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，反馈式摆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；而闭环的摆式仪器，由于反馈力的存在，可以将开环增益提高，以提高仪器固有频率，可以做到10Hz高频。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。与地震前兆仪器的地摆式仪器仪器指标比较，不难发现，这一技术非常适用在摆式仪器上面。不仅如此，这种包含了静电反馈技术的加速度计可以摆脱传统单分量测量的限制，可以同时测量多自由度；这在地学仪器上是一种巨大的进步。在新型摆式仪器的研制中，对仪器有着严格的要求，如仪器的功耗、尺寸和机械连接等。这里，以静电反馈技术为支撑，检测质量块用单丝悬吊取代高压悬浮，同时测量两个方向的线加速度和一个方向的角加速度。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，把该技术用在摆式仪器的研制上，这种包含了静电反馈在内的摆式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。
技术实现思路
本技术的目的就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两自由度地壳形变观测装置，从而能够精确地测出微小的位移和角度变化，并能够检测到直流至10Hz的高频振动，进而提高微位移的检测精度和范围，同时，两自由度的设计使得本技术不仅能够检测位移，还能检测转动角度。本技术的目的是这样实现的：将差动电容传感器的定极板上设计成两块面积相同、相互不连通的两块电极板，这样的两块定极板与动极板形成两对差动电容；单丝悬挂的机械设计使得动极板能够响应水平方向的倾斜和旋转信号；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，并将两对差动电容与闭环静电力反馈控制系统相接，使定极板能够在感应电容差的同时可以对动极板施加两个静电力，两个静电力的和能够平衡动极板在水平方向上的倾斜分量，两个静电力的差能够平衡动极板在水平方向的旋转分量，这样的两自由度的测量方式使得动极板回归至差动电容传感器的中心位置。单丝悬挂的结构决定了地壳倾斜和旋转变化是同时加载在动极板上的，两对差动电容实时响应动极板的变化；每对差动电容通过各自电容电桥电路、直流放大电路、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向定极板上反馈两个大小相同、方向相反的电压；一对大小相同、方向相反的反馈电压在一对差动电容上形成一路静电力，两路静电力的和用来平衡动极板在水平方向的倾斜分量，两个静电力的差用来平衡动极板在水平方向的旋转分量。具体地说，本装置包括主体、第1电容检测电路、第2电容检测电路、第1PID控制电路、第2PID控制电路、第1静电力驱动电路、第2静电力驱动电路、电压馈入电路、加法器和减法器；固体潮汐信号和地壳形变旋转信号进入主体；主体、第1电容检测电路、第1PID控制电路、第1静电力驱动电路和主体依次闭环连接；主体、第2电容检测电路、第2PID控制电路、第2静电力驱动电路和主体依次闭环连接；第1静电力驱动电路和第2静电力驱动电路分别与加法器连接，输出固体潮汐电压信号；第1静电力驱动电路和第2静电力驱动电路分别与减法器连接，输出地壳形变旋转电压信号。本技术具有下列优点和积极效果：①具有单点水平量和旋转量同时测量，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和高频振动，也能观测到地壳形变旋转量的变化；③不仅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和测量旋转量的特点寻找地震前兆相关的有用信息；④是一种地壳形变观测宽频带反馈式的仪器，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是悬丝固定调整器的结构示意图；图4是电容检测电路的结构方框图。图中：100—主体，101—基座，1021—第1支撑脚，1022—第2支撑脚，1023—第3支撑脚，103—动极板，1041—第1定极板，1042—第2定极板，105—悬丝，106—支架，107—外壳，108—悬丝固定调整器，1081—支架环，1082—活动块，1083—微调螺钉，1084—悬丝固定块；109—悬丝屏蔽管，110—侧位止位螺钉，111—正位止位螺钉；200—电容检测电路，210—第1电容检测电路211—第1电容电桥电路，212—第1电流放大电路，213—第1交流电压放大电路，214—第1同步解调电路，215—第1低通滤波电路，216—第1直流补偿放大电路；220—第2电容检测电路221—第2电容电桥电路，222—第2电流放大电路，223—第2交流电压放大电路，224—第2同步解调电路，225—第2低通滤波电路，226—第2直流补偿放大电路；310—第1PID控制电路，320—第2PID控制电路；410—第1静电力驱动电路，420—第2静电力驱动电路；500—电压馈入电路；610—加法器，620—减法器；A—固体潮汐信号，B—地壳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于静电力平衡反馈控制的两自由度地壳形变观测装置，其特征在于：包括主体(100)、第1电容检测电路(210)、第2电容检测电路(220)、第1PID控制电路(310)、第2PID控制电路(320)、第1静电力驱动电路(410)、第2静电力驱动电路(420)、电压馈入电路(500)、加法器(610)和减法器(620)；固体潮汐信号(A)和地壳形变旋转信号(B)进入主体(100)；主体(100)、第1电容检测电路(210)、第1PID控制电路(310)、第1静电力驱动电路(410)和主体(100)依次闭环连接；主体(100)、第2电容检测电路(220)、第2PID控制电路(320)、第2静电力驱动电路(420)和主体(100)依次闭环连接；第1静电力驱动电路(410)和第2静电力驱动电路(420)分别与加法器(610)连接，输出固体潮汐电压信号(C)；第1静电力驱动电路(410)和第2静电力驱动电路(420)分别与减法器(620)连接，输出地壳形变旋转电压信号(D)。

【技术特征摘要】
2016.03.29 CN 20162025231981.一种基于静电力平衡反馈控制的两自由度地壳形变观测装置，其特征在于：包括主体(100)、第1电容检测电路(210)、第2电容检测电路(220)、第1PID控制电路(310)、第2PID控制电路(320)、第1静电力驱动电路(410)、第2静电力驱动电路(420)、电压馈入电路(500)、加法器(610)和减法器(620)；固体潮汐信号(A)和地壳形变旋转信号(B)进入主体(100)；主体(100)、第1电容检测电路(210)、第1PID控制电路(310)、第1静电力驱动电路(410)和主体(100)依次闭环连接；主体(100)、第2电容检测电路(220)、第2PID控制电路(320)、第2静电力驱动电路(420)和主体(100)依次闭环连接；第1静电力驱动电路(410)和第2静电力驱动电路(420)分别与加法器(610)连接，输出固体潮汐电压信号(C)；第1静电力驱动电路(410)和第2静电力驱动电路(420)分别与减法器(620)连接，输出地壳形变旋转电压信号(D)。2.按权利要求1所述的两自由度地壳形变观测装置，其特征在于：所述的主体(100)包括基座(101)、第1支撑脚(1021)、第2支撑脚(1022)、第3支撑脚(1023)、动极板(103)、第1定极板(1041)、第2定极板(1042)、悬丝(105)、支架(106)和外壳(107)、悬丝固定调整器(108)、悬丝屏蔽管(109)、侧位止位螺钉(110)和正位止位螺钉(111)；外壳(107)和基座(101)上下连接组成一封闭的整体，在基座(101)下面设置有呈等腰直角三角形排列的第1支撑脚(1021)、第2支撑脚(1022)、第3支撑脚(1023)；在外壳(107)内壁设置有支架(106)，在支架(106)的两边分别设置有互为平行的第1定极板(1041)和第2定极板(1042)，在支架(106)的顶部中央设置有悬丝固定调整器(108)；悬丝固定调整器(108)、悬丝(105)和动极板(103)上下依次连接，动极板(103)在第1定极板(1041)和第2定极板(1042)之间，均和基座(101)的等腰边平行；在悬丝(105)外套装有固定在支架(106)上的悬丝屏蔽管(109)；在动极板(103)的两侧和上面设置有固定在支架(106)上的6个侧位止位螺钉(110)；在第1定极板(1041)和第2定极板(1042)的工作面分别设置有4个正位止位螺钉(111)；所述的基座(101)是一种等腰直角三角形的金属块；所述的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(101)的直角固定螺纹孔对应于点形...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴涛，李树德，张道忠，周云耀，张黎，
申请(专利权)人：中国地震局地震研究所，武汉地震科学仪器研究院有限公司，
类型：新型
国别省市：湖北;42