力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置及方法。地倾斜测量装置包括底板，底板上固定有塔形石英支架。石英摆杆通过两根石英吊丝悬挂在支架上，呈近乎水平状态。摆杆一端插装有摆锤，竖直设置的摆锤两侧分别设有第一、第二平行金属板。摆锤与第一、第二平行金属板之间互相平行，三者构成差动式平板电容，其中摆锤用作动片，第一和第二平行金属板用作定片。第一、第二平行金属板与固定直流电压生成单元、正弦波波形生成单元的输出端相连，摆锤与地倾斜测量电路的输入端相连，地倾斜测量电路的输出端经由反馈单元与摆锤相连。本发明专利技术在地面发生微小倾斜时可实现地倾斜角的精准测量，且构建出了闭环反馈系统，解决了现有石英水平摆倾斜仪存在的问题。

【技术实现步骤摘要】
力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置及方法
本专利技术涉及一种基于差动式电容微位移检测和静电力反馈技术实现的石英水平摆地倾斜测量仪器和方法，属于地倾斜测量领域。
技术介绍
水平摆倾斜仪是最早用于地倾斜测量的短基线倾斜仪，它采用上下两根吊丝悬挂一根水平摆摆杆，使其处于近乎水平状态，在摆杆的一端安装有一个摆锤。当地面发生垂直于摆平面的微小倾斜时，摆锤会带动摆杆发生较大角度的偏转，该偏转角度可以通过光杠杆等传感器检测。利用性能优良的熔凝石英及其抽成的细丝，中国地震局地球物理研究所朱虎等前辈于1969年研发了采用照相记录的SQ-70型石英水平摆倾斜仪，后来又在90年代进行数字化改造，研制了SSQ-1型数字磁带记录水平摆式倾斜仪。Salen和Blum也于1990年研制了一种石英水平摆倾斜仪，该仪器的优点是灵敏度很高，稳定性也好，但自90年代研发以来的二十多年时间里，没有人对其进行过更新或者改进，整个系统至今还处于开环的状态。而系统处于开环状态会带来以下不足：1)无法给出明确的传递函数，因为阻尼不知道，写不出来；2)频率特性不理想，阻尼比较小，有谐振峰；3)线性度及动态范围等指标不高；4)灵敏度未知，若依靠现场使用水银胀盒标定，则因水银是有毒的，发生泄漏的话会对身体健康造成危害。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置及方法，以解决现有石英水平摆倾斜仪所存在的诸如开环、频率特性不理想、线性度和动态范围指标不高等问题，可全面提升仪器性能。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置，其特征在于：它包括一底板，底板上固定有塔形石英支架；石英摆杆通过两根石英吊丝悬挂在支架上，呈近乎水平状态；摆杆的一端插装有金属材质的摆锤，竖直设置的摆锤两侧分别设有第一、第二平行金属板，摆锤与第一、第二平行金属板互相平行，三者构成差动式平板电容，其中摆锤用作动片，第一和第二平行金属板用作定片；第一、第二平行金属板均与固定直流电压生成单元、正弦波波形生成单元的输出端相连，摆锤与地倾斜测量电路的输入端相连，地倾斜测量电路的输出端经由反馈单元与摆锤相连。所述地倾斜测量电路包括前置放大滤波单元，前置放大滤波单元的输入端与所述摆锤连接；前置放大滤波单元、方波波形生成单元的输出端均与相敏检波单元的输入端连接，相敏检波单元的输出端与放大输出单元的输入端连接，放大输出单元的输出端经由所述反馈单元与所述摆锤连接。所述第一、第二平行金属板均包括相分离、上下设置的上、下金属板；所述摆锤为上下两边薄、中间厚的矩形结构，所述摆杆的端部插设于所述摆锤中间部分的孔中。所述摆锤的上部分与所述第一平行金属板的所述上金属板、所述第二平行金属板的所述上金属板相平行，构成一差动式平板电容；所述摆锤的下部分与所述第一平行金属板的所述下金属板、所述第二平行金属板的所述下金属板相平行，构成一差动式平板电容；两个差动式平板电容并联。所述第一平行金属板的所述上金属板、所述下金属板分别通过石英垫片固装在凸型支架上，所述第二平行金属板的所述上金属板、所述下金属板分别通过石英垫片固装在凸型支架上；凸型支架固定在所述底板上。一种基于所述的力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置实现的力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量方法，其特征在于，它包括如下步骤：1)通过所述正弦波波形生成单元向所述第一、第二平行金属板分别施加电压幅度相同、频率相同、相位相反的高频正弦波信号；2)当地面发生垂直于摆平面的微小倾斜时，所述地倾斜测量电路接收到偏离竖直平衡位置的所述摆锤输出的电压信号，检测分析出电压信号代表的所述摆锤的偏离位移量和偏离方向信息并输出，其中：所述摆锤输出的电压信号的幅值代表所述摆锤偏离竖直平衡位置的位移量，所述摆锤输出的电压信号的相位代表所述摆锤偏离竖直平衡位置的方向；3)所述地倾斜测量电路将输出的偏离位移量和偏离方向信息经由所述反馈单元反馈给所述摆锤，同时通过所述固定直流电压生成单元向所述第一、第二平行金属板分别施加电压幅值相等、极性相反的直流电压信号，向所述摆锤施加静电力，以使所述摆锤克服地倾斜引起的位置变化，减小位移振幅，趋于稳定在竖直平衡位置。所述步骤2)包括：所述摆锤输出的电压信号经过前置放大滤波后得到的结果和方波波形信号一起通过相敏检波法分析得出所述摆锤的偏离位移量以及偏离方向信息，并且将得到的所述摆锤的偏离位移量和偏离方向信息进行放大处理后输出，其中：方波波形信号与施加在所述第一平行金属板上的高频正弦波信号频率相同、相位相同，或者方波波形信号与施加在所述第二平行金属板上的高频正弦波信号频率相同、相位相同。本专利技术的优点是：本专利技术基于差动式电容微位移检测和静电力反馈技术，不仅在地面发生垂直于摆平面的微小倾斜时可实现地倾斜角的精准测量，测量误差小，稳定性好，灵敏度高，而且还构建出了闭环反馈系统，从而带来了如下优点：①形成了负反馈系统，该系统能给出准确地表征输入-输出关系的传递函数，便于研究人员对观测数据进行分析；②扩大了仪器的动态范围(≥120dB)，扩展了仪器的工作频带，提高了仪器的工作稳定性和线性度；③可保持灵敏度不变，灵敏度只与施加在第一、第二平行金属板上的直流电压的电压幅值、第一与第二平行金属板之间间距有关，而第一与第二平行金属板之间间距和直流电压的电压幅值都可设计为固定值；④可通过在反馈电路中叠加一激励信号等方法来进行标定，以避免发生使用水银胀盒标定法所带来的人身安全问题。附图说明图1是本专利技术地倾斜测量装置的结构示意图。图2是本专利技术地倾斜测量装置的另一示意图。图3是本专利技术地倾斜测量装置的局部结构放大示意图。图4是本专利技术地倾斜测量装置的地倾斜测量电路的组成示意图。具体实施方式如图1至图4所示，本专利技术力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置包括一底板14，底板14由支脚18支撑，底板14上安装有用来调节仪器灵敏度的调平螺钉16和用来调整摆锤15位置的调平螺钉17。底板14上固定有塔形石英支架11，石英摆杆12通过两根石英吊丝13悬挂在支架11上，呈近乎水平状态。如图，一根吊丝13的一端固定于支架11底部而另一端固定于摆杆12的一端，另一根吊丝13的一端固定于支架11顶部而另一端固定于摆杆12的中间部位。摆杆12的另一端插装有金属材质的摆锤15。竖直设置的摆锤15两侧分别设有第一、第二平行金属板22、25。摆锤15与第一、第二平行金属板22、25之间互相平行，三者构成差动式平板电容，其中，摆锤15用作动片，第一、第二平行金属板22、25用作定片。第一、第二平行金属板22、25均与用以形成静电反馈力的固定直流电压生成单元37、用以检测摆锤15微位移的正弦波波形生成单元31的输出端相连，摆锤15与分析摆锤15偏离平衡位置的偏离方向和大小的地倾斜测量电路的输入端相连，地倾斜测量电路的输出端经由反馈单元36与摆锤15相连。在实际设计中，如图1和图2，本专利技术地倾斜测量装置还包括在运输途中用来锁定摆锤15，使摆锤15不发生移动的锁摆装置24。如图4，在实际设计中，地倾斜测量电路包括前置放大滤波单元32，前置放大滤波单元32的输入端与摆锤15连接，前置放大滤波单元32、方波波形生成单元33的输出端均与相敏检波单元34的输入端连接，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置，其特征在于：它包括一底板，底板上固定有塔形石英支架；石英摆杆通过两根石英吊丝悬挂在支架上，呈近乎水平状态；摆杆的一端插装有金属材质的摆锤，竖直设置的摆锤两侧分别设有第一、第二平行金属板，摆锤与第一、第二平行金属板之间互相平行，三者构成差动式平板电容，其中摆锤用作动片，第一和第二平行金属板用作定片；第一、第二平行金属板均与固定直流电压生成单元、正弦波波形生成单元的输出端相连，摆锤与地倾斜测量电路的输入端相连，地倾斜测量电路的输出端经由反馈单元与摆锤相连。

【技术特征摘要】
1.一种力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置，其特征在于：它包括一底板，底板上固定有塔形石英支架；石英摆杆通过两根石英吊丝悬挂在支架上，呈近乎水平状态；摆杆的一端插装有金属材质的摆锤，竖直设置的摆锤两侧分别设有第一、第二平行金属板，摆锤与第一、第二平行金属板之间互相平行，三者构成差动式平板电容，其中摆锤用作动片，第一和第二平行金属板用作定片；第一、第二平行金属板均与固定直流电压生成单元、正弦波波形生成单元的输出端相连，摆锤与地倾斜测量电路的输入端相连，地倾斜测量电路的输出端经由反馈单元与摆锤相连。2.如权利要求1所述的力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置，其特征在于：所述地倾斜测量电路包括前置放大滤波单元，前置放大滤波单元的输入端与所述摆锤连接；前置放大滤波单元、方波波形生成单元的输出端均与相敏检波单元的输入端连接，相敏检波单元的输出端与放大输出单元的输入端连接，放大输出单元的输出端经由所述反馈单元与所述摆锤连接。3.如权利要求1所述的力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置，其特征在于：所述第一、第二平行金属板均包括相分离、上下设置的上、下金属板；所述摆锤为上下两边薄、中间厚的矩形结构，所述摆杆的端部插设于所述摆锤中间部分的孔中。4.如权利要求3所述的力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置，其特征在于：所述摆锤的上部分与所述第一平行金属板的所述上金属板、所述第二平行金属板的所述上金属板相平行，构成一差动式平板电容；所述摆锤的下部分与所述第一平行金属板的所述下金属板、所述第二平行金属板的所述下金属板相平行，构成一差动式平板电容；两个差动式平板电容并联。5.如权利要求3或4所述的力平衡反馈式石英水平摆地倾斜测量装置，其特征在于：所述第一平行金属板的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：高尚华，薛兵，李际弘，冯海英，朱小毅，王洪体，林湛，崔仁胜，
申请(专利权)人：中国地震局地震预测研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11