超短基线伸缩仪制造技术

本发明专利技术公开了一种超短基线伸缩仪，涉及一种伸缩仪。本发明专利技术的结构是基线杆（１３０）的一端连接位移传感器（１１０），位移传感器（１１０）再通过调零装置（１２０）和第１基岩（３１０）连接；基线杆（１３０）的另一端连接标定器（１５０）后再通过固定端（１６０）和第２基岩（３２０）连接；位移传感器（１１０）和标定器（１５０）分别与测量与控制系统（２００）连接；所述的位移传感器（１１０）为一种全密封结构的差动电容传感器（２１１）。本发明专利技术基线不大于１００ｃｍ，分辨力优于１×１０↑［－１０］，无机械传动，标定可靠；可以垂直安装；体积小可以便携，适应地震前兆的流动和应急监测；并可推广到长基线伸缩仪和其它微位移测量仪中使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种伸縮仪，尤其涉及一种超短基线伸縮仪。技术背景伸缩仪是一种精密测量地壳岩体两点间距离相对变化的仪器，在观测地壳应 变和固体潮及研究地震孕育过程中有重要的作用。我国应用伸缩仪经过几十年的观测，为地震预报分析积累了大量的宝贵资料和典型的震例如1992年4月22日 中缅6.2级地震，四川攀枝花台伸縮仪在震前28天出现了40mm的阶跃异常图，阶 跃量为3X10—s;四川姑咱台异常形态出现"突跳"和"转折"，异常时间为几小 时到5天，最长38天。由此可见，地表潮汐水平面应变状态与地震存在一定关系。自1935年美国地震学家贝尼奥夫(H. Benioff)研制成第一台有价值的石英 伸縮仪后，美、英、前苏联、日、比、德等国都相继研制了高灵敏度的伸縮仪。 仪器的灵敏度一般都在10—8以上，能清晰记录到固体潮汐。硐体应变固体潮观测， 大多使用石英管或碳丝为基线，长度一般在20m以上，相对观测精度为10—9量级。我国自1966年邢台地震以来，地震预报事业开始起步。70年代初，我国研制 成功了目视伸縮仪，作为第一代观测仪器在几个台站安装使用，为我国研究应变 与地震关系奠定了初步了基础，但其灵敏度和长期稳定性都不太高。1983年，中 国地震局地震研究所成功研制出第二代伸縮仪一一SSY-II型水平石英伸縮仪，其 灵敏度为3xl0—9，能清晰地记录到固体潮汐，为我国在这一领域进入国际先进行 列作出了贡献。在我国"九五"期间的1998年，中国地震局地震研究所又一次成 功地推出了新型的硐体应变观测仪器一一SS-Y型伸縮仪。该仪器在保持高精度高 稳定性的同时縮短了基线长度(小于10ni)，彻底解决了基线炸裂和水银标定胀 盒的汞泄漏问题，提高了自动化、智能化程度，达到了国际先进水平。但现有伸縮仪基线还是偏长(最短约5m)，限制了其使用范围，不能满足较 小空间(较短硐室)和多方位(如垂直向)使用。我国在垂直分量应变观测和研 究开展较少， 一方面是因为硐体存在腔体效应，更重要原因是没有较好观测手段。 研制超短基线伸縮仪，有助于开展多方位应变观测和研究，小型化有利于地震应 急快速布设，也可在井下岩层布设，比开凿山硐的成本低得多，又不受地形条件 限制。目前国内外尚无不大于l米基线伸縮仪的有关报道。要使应变观测分辨力优 于1x10"g，基线选用石英(线膨胀系数1(T7 )或铟钢(线膨胀系数2xl(T7 )，仪 器安装的硐体温度日变化不大于O. 03'C才能满足要求。但传感器采用现有伸缩仪 使用的电涡流位移或差动变压器位移传感器，其分辨力不优于0.001pm，当基线 不大于l米时是不可行的，因此需研制精度更高的传感器。电容位移传感器有很 高精度，其分辨力可做到优于O. OOOOlWn，能满足仪器观测灵敏度要求。采用电 容传感器方案可行，但必须解决防潮的问题。上世纪八十年代比利时王国皇家天 文台范隆贝克博士就研制了电容传感器的伸縮仪，由于防潮问题未解决，导致其 失败。DZB型超微量标定系统，已在SS-Y伸縮仪中使用，但其带负能力较差，难 以对仪器进行总体标定(仅传感器标定)、也只能做大量程标定(约固体潮汐的 1000倍)，其结构复杂，成本较高，它属于机械传动式标定器，自身体积较大， 存在磨擦、磨损、锈蚀等原因易造成机械故障，常需进行维护和保养。因此有 必要研制一种无机械传动、小量程(潮汐范围)、整体(包括基线)的标定器。 压电陶瓷构成精密可控致动器，是近几年发展起来一项新技术，它具有位移分 辨力高、线性度好、体积小、重量轻、无电磁和油污染、无噪声、不发热、易 控制和免维护的优点，已经成为较理想的精密电驱动致动器。最近日本科学家 开发一种基于新原理的压电材料，使其电致伸縮效应提高40倍，与超磁致伸縮 材料相当，该材料应用使微位移致动器性能有了重大提高。将压电材料设计在 伸縮仪的固定端，可实现仪器的整体、精密和自动标定。如图l,现有伸縮仪包括本体(100)、测量和控制系统(200)，还包括外围 环境基岩(300)三大部分；本体(100)包括位移传感器(IIO)、调零装置(120)、基线杆(130)、由吊 丝(141)和托架(142)组成的悬吊系统(140)、标定器(150)和固定端(160);基岩(300)包括第l基岩(310)和第2基岩(320)。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足,提供一种超短基 线伸縮仪，即要利用新技术、新材料，提供一种基线短(不大于100cm )、分辨 力高(优于Ixl0-1Q)、无机械传动、可靠标定的超短基线伸縮仪；可以垂直安装， 这将有利于开拓伸縮仪应用范围，有助于开展多方位应变观测和研究；体积小可 以便携，适应地震前兆的流动和应急监测；并有可能推广到长基线和其它形变仪 中使用，以提高观测精度。本专利技术的重点和难点是要研制出一种全密封结构的电容传感器及相应测量 系统。本专利技术的目的是这样实现的(1) 提供基本条件① 由于基线超短，现有的电涡流位移和差动变压器位移传感器不能使用，需 提供精度更高的传感器。当基线小于100cm,仪器要达到分辨力优于1X1(T1Q， 其位移传感器分辨力必须优于0. OOOl陶才能满足仪器观测灵敏度要求。本专利技术 采用电容传感器，设计分辨力优于O.OOOlWn，高出要求，确保了方案可行。总 结比利时王国皇家天文台范隆贝克博士研制电容传感器的伸縮仪失败教训，解决 好防潮这一关键问题，设计出阻力小、全封闭结构的差动电容传感器。② 提供高稳定信号源以及相关的低噪声、高精度锁相放大器，提高仪器的观 测精度及其格值稳定度。③ 提供稳定性好、精密的电容传感器定位调节装置及仪器机械结构。④ 基线选用低膨胀系数的材料，如铟钢、石英等。⑤ 提供电致伸縮材料(压电陶瓷)构成精密可控致动器，探索仪器的整体， 实现无机械传动、可靠、精密和自动标定。⑥ 研制全数字化自动或远程控制调零、标定及数据记录和处理系统。(2) 拟解决的关键问题 ①仪器小型化后灵敏度和稳定性问题当仪器小型化，会带来一系列问题，如应变传递量减小，对结构稳定性要求更高等。机械放大倍数减小，如何用电子放大的方法来提高仪器的灵敏度，这也 是当今精密测量发展的一个趋势。灵敏度提高了稳定问题又突显出来，大致可以 从材料、结构、安装来保证机械位移传递稳定性，采用相关接收技术设计测量电 路和老化工艺处理元器件等来提高电子系统稳定性。② 如何解决好防潮和抗干扰的问题高精度电容传感器可提高仪器灵敏度。若电容传感器处于开放空气中，当湿 度发生变化时，会导致电容的介质改变使传感器不能正常工作。另外开放电容传 感器极易受到外界的电磁波的干扰，轻则影响仪器的测量精度，重则使仪器无法 正常工作，因此需设计金属电容传感器全密封结构，使其既能防潮又能抗干扰。 传感器增加密封结构后，会产生阻力。但由于应变量传递是刚性慢变化量，在设 计传感器时考虑了波纹密封结构减小阻力产生，其影响可以忽略。③ 解决标定器偶合和提高标定重复精度问题要实现整体标定就需将标定器安装在固定端与基线杆连接，连接好坏不仅影 响标定精度，还会影响仪器稳定性。采用套管刚性连接解决。标定重复精度问题， 可选择性能良好压电陶瓷材料，设计精密稳定控制电源加以解决。具体地说，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超短基线伸缩仪，其特征在于：基线杆（１３０）的一端连接位移传感器（１１０），位移传感器（１１０）再通过调零装置（１２０）和第１基岩（３１０）连接；基线杆（１３０）的另一端连接标定器（１５０）后再通过固定端（１６０）和第２基岩（３ ２０）连接；位移传感器（１１０）和标定器（１５０）分别与测量与控制系统（２００）连接；所述的固定端（１６０）为双固定端；所述的位移传感器（１１０）为一种全密封结构的差动式电容传感器（２１１）；所述的测量与控制 系统（２００）是一种对位移传感器（１１０）和标定器（１５０）进行测量与控制的系统。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李家明，姚植桂，梅建昌，张卫华，
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]