一种小型垂直摆倾斜仪制造技术

本发明专利技术公开了一种小型垂直摆倾斜仪，涉及地学观测技术，尤其适用于倾斜固体潮及地震前兆的观测。为了提高倾斜测量的灵敏度和精度，缩小仪器的尺寸，本发明专利技术采用小型垂直摆的主体结构及电容式位移测微。本发明专利技术的摆系主要由二根吊丝、摆杆和摆锤组成，摆锤也即电容位移传感器的活动电容板。测微装置主要由振荡器、反相器、前置放大器、选频放大器、锁相放大器等组成。由于折合摆长仅为１０ｃｍ，测微精度最达０．０００１ｍｍ，使仪器性能价格比极大提高，因此有着广阔的应用前景。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地学观测技术，尤其适用于倾斜固体潮及地震前兆的观测。为了测量太阳和月亮的引潮力引起的倾斜固体潮时，是以地面为基准，把地面视为静止不动；而观测地面倾斜变化时，又以铅垂线为基准。测量倾斜固体潮，目前广泛使用的有水平摆倾斜仪和垂直摆倾斜仪。水平摆倾斜仪由于通过机械和光学放大，使其测量灵敏度极大提高，所以获得广泛应用；但其稳定性差，易受干扰。垂直摆倾斜仪采用摆的铅垂原理，其摆结构比水平摆简单，性能稳定，但由于测量灵敏度受摆长制约，如要灵敏度高，则其结构庞大，性能价格比则高，安装困难，所以未获得广泛应用。随着电子技术和传感技术的飞速发展，位移测量的精度大大提高，故本专利技术的目的就在于克服上述现有技术中存在的问题和不足，而采用垂直摆倾斜仪来进行高精度的倾斜测量，并将摆长大大缩短，从而减少仪器的尺寸和加工难度。本专利技术的目的是这样实现的垂直摆系由吊丝、摆杆和摆锤三部分组成。垂直摆系在没有振动的条件下处于铅垂状态；当发生倾斜变化时，摆系平衡位置发生变化，摆系和支架之间的相对位置发生变化，电容式位移传感器的动片和定片之间的间距也相应发生变化，通过传感器转换成电信号并加以放大，就可将摆锤的微小位移转换成电信号。由于地倾斜的相对变化量很小，摆锤的相对偏移量也很小，因此本专利技术要有一个高精度的测微装置，测量摆锤位置的变化。下面结合附图详细说明。附图说明图1为本专利技术构成框图。图2为垂直摆系结构示意图。图3为传感器结构示意图。图4为测微装置框图。图5为振荡器组成框图。图6为前置放大器电路图。图7为选频放大器电路图。图8为锁相放大器电路图。图9为移相器电路图。图10为采集装置组成框图。其中1－主体装置，1·1－摆系，1·1·1－吊丝，1·1·2－摆杆，1·1·3－绝缘垫片，1·1·4－摆锤；1·2—传感器，1·3－支架，1·3·1－顶板，1·4－底座，1·5－调平机构，1·6－锁紧结构。2－测微装置，2·1－振荡器，2·1·1－程控时钟发生器，2·1·2－顺序地址发生器，2·1·3－正弦编码表，2·1·4－锁存器，2·1·5－DAC，2·1·6－低通滤波器；2·2－反相器，2·3－前置放大器，2·4－选频放大器，2·5－锁相放大器，2·6－移相器，2·7－整形器，C1、C2－固定电容板(定片)，C3－活动电容板(动片)，U1、U2、U3－电容板电压，L1、L2－电容板间距，Ui－输入电压，U0－输出电压，G－接地，IC－集成片，R1－R11－电阻，C1－C9－电容。由图1可知，本专利技术由主体装置1、测微装置2和采集装置3组成，依次连接。(1)主体装置主体装置1由摆系1·1、传感器1·2、支架1·3、底座1·4、调平机构1·5、、锁摆机构1·6组成。①摆系1·1为小型垂直摆系，主要由吊丝1·1·1、摆杆1·1·2、摆锤(质量块)1·4组成，采用双丝悬挂，这样悬挂方式只有一个自由度。吊丝1·1·1的性能对本专利技术来说是至关重要的，其材料采用恒弹性合金铜Ni42CrTi，具有较大的抗拉强度，经热处理后有较好的弹性稳定性，故可将吊丝1·1·1做得很薄，其厚度为0．02mm，宽度为2mm，使有足够高的偏转灵敏度，吊丝1·1·1的弹性强度与厚度的三次方成正比，与宽度的一次方成正比。摆锤1·1·4也即传感器1·2的动片，为一精密加工的长方体，长为70mm，高为50mm，厚为10mm。二根吊丝1·1·1固定在顶板1·3·1上，依次连接有摆杆1·1·2、绝缘垫片1·1·3和摆锤1·1·4。②传感器1·1·2，即电容式位移传感器。由一个活动电容板(动片)C3、两个固定电容板(定片)C1、C2组成。动片C3即摆系1·1的摆锤1·1·4。两个定片C1、C2固定在支架1·3和底座1·4上。定片C1、C2的面积略大于动片C3。为保证其表面的平面度和光洁度，均采用光学研磨，并进行真空镀金处理。真空镀金是为了避免动片C3，定片C1、C2表面氧化并导致厚度的改变。动片C3和定片C1、C2要通过精密安装和调整保持严格平行，平行度调整在10″以内，否则会导致传感器1·2的非线性，其间距为0．3mm。③支架1·3为一圆形整体金属结构，使所受的应力均匀分布，减小仪器零漂，克服了由螺钉连接所产生的粘滑运动。④底座1·4为一等边三角形金属板，上面安装有互为垂直方向的水准气泡。⑤调平机构1·5为安装在底座1·4三个顶角处的可调脚螺丝组成，用于置平仪器，可使摆锤1·1·4处于零位附近。⑥锁摆机构1·6为一可在支架1·3螺孔内转动的螺旋丝杆，杆尖指向摆锤1·1·4。是为避免仪器在运输过程中摆锤1·1·4与周围的部件发生碰撞导致损伤而设计的，运输前通过螺旋丝杆传动将摆锤1·1·4锁紧；工作时，再通过螺旋丝杆相反的运动将摆锤1·1·4松开，使其处于自由状态。(2)测微装置由图4可知，测微装置2，即一种高精度电容位移测微装置，由以下部件组成，其连接顺序是振荡器2·1→反相器2·2→C1；振荡器2·1→C2；C3→前置放大器2·3→选频放大器2·4→锁相放大器2·5；振荡器2·1→移相器2·6→整形器2·7。摆锤1·1·4作为质量块，不仅是摆系1·1的重要部件，而且又兼作电容位移传感器1·2的活动电容板C3，两固定电容板C1、C2之间的间距为0．3mm，电容量为210pf。因为电容板的面积较大，之间的间距较小，边缘效应的影响可忽略不计，故电容板之间的电场可看作是均匀的，电场方向与电容板垂直，等位面则与电容板平行。因此电容板之间的电位差与其间的间距成正比U1-U3L1=U3-U2L2------(1)]]>由(1)式可得U1+U2-2U3U1-U2=L1-L2L1+L2=ΔLL0------(2)]]>其中△L为C3偏离零位的距离，L0为间距L1和L2的平均值，L0=(L1+L2)／2。假定加在C1、C2的电压是大小相等而相位相反，即U1=－U2，代入(2)式得△L=L0×U3／U1(3)由(3)式可以看出偏离零位的距离△L是与C3的输出电压U3成正比。反之，由U3就可求出△L。由于U3的幅度很小，信噪比也很小，因此必须经高增益放大后才能检测，并需锁相放大器滤除噪音，消除噪音对测量结果的影响。①振荡器2·1为了保证测微装置2的精度，振荡器2·1的幅度稳定度必须很高。本专利技术采用了一种程控正弦波发生器电路来产生稳幅振荡，如图5所示，它由下列部件组成，其连接顺序是程控时钟发生器2·1·1→顺序地址发生器2·1·2→ROPROM正弦编码表2·1·3→锁存器2·1·4→DAC2·1·5→低通滤波器2·1·6。②反相器反相器2·2使C1得到的电压U1与C2上的电压U2相反。③前置放大器前置放大器2·3的电路如图6所示，由于电容传感器1·2输出阻抗很高，前置放大器2·3的输入阻抗必须更高。图6所示的电路能同时满足高输入阻抗和高稳定增益。该放大器的增益为K1=(R1+R2)／R1≈40④选频放大器选频放大器2·4采用两级选频放大，如图7所示。其中心频率均为16kHz。作用是滤除频带以外的噪声。如果没有滤波，噪音的尖峰经放大后在锁相放大器2·4的输入端将达到饱和，从而影响锁相放大器2·5的工作性能。⑤锁相放大器由于电容传感器信号较小，信噪比很低，当噪音高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型垂直摆倾斜仪，由主体装置（１）、测微装置（２）和采集装置（３）组成，依次连接，其特征是：①主体装置（１）由摆系（１．１）、传感器（１．２）、支架（１．３）、底座（１．４）、调平机构（１．５）、锁摆机构（１．６）组成，摆系（１ ．１）为小型垂直摆系，双丝悬挂，二根吊丝（１．１．１）固定在顶板（１．３．１）上，依次连接有摆杆（１．１．２）、绝缘垫片（１．１．３）和摆锤（１．１．４）；传感器（１．２）为电容式位移传感器，由一个活动电容板（Ｃ↓［３］）、两个固定电容 板（Ｃ↓［１］、Ｃ↓［２］）组成，活动电容板（Ｃ↓［３］）即摆锤（１．１．４）；支架（１．３）为一圆形整体金属结构；底座（１．４）为一等边三角形金属板，上面安装有互为垂直方向的水准气泡；调平机构（１．５）为安装在底座（１．４）三 个顶角处的可调脚螺丝组成；锁摆机构（１．６）为一可在支架（１．３）的螺孔内转动的螺旋丝杆，杆尖指向摆锤（１．１．４）；②测微装置（２）为一种电容位移测微装置，由以下部件组成，其连接顺序是：振荡器（２．１）→反相器（２．２）→Ｃ↓［１ ］；振荡器（２．１）→Ｃ↓［２］；Ｃ↓［３］→前置放大器（２．３）→选频放大器（２．４）→锁相放大器（２．５）；振荡器（２．１）→移相器（２．６）→整形器（２．７）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡国庆，蒋幼华，张道忠，朱晓平，罗峰，
申请(专利权)人：中国地震局地震研究所，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]