CN110057281A - 一种超宽频带伸缩仪及其安装方法、一种标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种超宽频带伸缩仪，包括伸缩仪本体、标定装置和防护罩，伸缩仪本体包括第一固定端、基线杆、电容传感器和第二固定端，所述电容传感器固定于第二固定端上，电容传感器包括两块电容传感器定片和一块电容传感器动片，基线杆一端安装于第一固定端上，基线杆另一端与电容传感器动片连接；防护罩设置于伸缩仪本体外；标定装置设置于防护罩内部，并与基线杆连接。本发明采用全密封防护罩的设计解决了温度和气压对伸缩仪精度的影响的问题。本发明还提出了应用于上述超宽频带伸缩仪的一种安装方法和一种标定装置。

Description

一种超宽频带伸缩仪及其安装方法、一种标定装置

技术领域

本发明涉及地学观测领域，特别涉及一种超宽频带伸缩仪及其其安装方法，还涉及一种标定装置。

背景技术

伸缩仪是精密测量地壳岩体两点间水平距离相对变化的仪器，适用于观测地壳应变和固体潮水平分量的连续变化，为研究地震孕育过程的水平应变的变化规律提供数据，也为地球弹性研究提供重要数据。

近年来多个研究发现在地震和固体潮台站的日常监测中，倾斜仪、重力仪的观测数据中常有异常“脉动”信号叠加在固体潮曲线上，这些异常脉动具有数秒到数十秒等多个主频域信号,其包络线大多呈“纺锤形”，持续时间不尽相同，且在此频带内与宽频带地震计有良好的印证关系。同时，在宽频带地震计的异常脉动分析中发现，异常“脉动”具有3-7s/8-25s/2Hz/16Hz以及长于30s等多个主频信息。这些“脉动”可能是由慢地震、断层的慢滑动、非火山震颤、间歇性震颤、低频率地震、热带气旋等多种地球物理现象产生，其中很多“脉动”信号与强地震相伴随，这可能对地震预测的突破有一定的帮助。但是，由于伸缩仪观测频带较窄的影响，在伸缩仪的观测数据中，基本没有发现相关信息。

伸缩仪作为一种地震前兆仪器，其观测数据直接服务于地震预报。但一直以来，其观测数据以固体潮曲线质量为评测标准。因此，为了得到光滑的固体潮曲线，伸缩仪在设计上仅考虑了超低频观测的需求，在电路上通常采用了60s的低通硬件滤波，导致仪器的观测频带基本为DC-60s左右。对于地震预报来说，这直接导致大量临震高频异常信息缺失。随着地震分析预报的需求，仪器的频带拓展变得十分必要。

传统伸缩仪由于传感器本身精度不够，为了提高信噪比，仪器的基线长度一般为20米，当仪器基线过长时，基线将成悬梁结构，必须增加中间支架保证基线水平，这将不可避免的导致仪器在测量方向上受力的影响。这既影响了仪器的频响特性，又带来了仪器的测量误差。

现有的短基线伸缩仪理论上能够实现宽频带的观测，但滤波电路依然采用60s低通滤波，无法满足宽频带观测需求。同时，通过实际观测其精度和实用性均达不到要求，影响因素主要包括：(1)由于基线长度的缩短，温度对测量的精度影响增大，整个设计未考虑温度变化的影响；(2)未考虑气压因素对仪器的影响，实际观测中气压影响明显等。

发明内容

鉴于上述问题，有必要提出一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的伸缩仪。

一种超宽频带伸缩仪，包括伸缩仪本体、标定装置和防护罩，其中：

伸缩仪本体包括第一固定端、基线杆、电容传感器和第二固定端，所述电容传感器固定于第二固定端上，电容传感器包括两块电容传感器定片和一块电容传感器动片，基线杆一端安装于第一固定端上，基线杆另一端与电容传感器动片连接；

防护罩设置于伸缩仪本体外；

标定装置设置于防护罩内部，并与基线杆连接。

进一步的，所述第一固定端包括第一固定座和标定底座，第一固定座安装于标定底座上，基线杆固定于第一固定座上，标定装置设置于标定底座内；所述第二固定端包括第二固定座和调零底座，调零底座安装于第二固定端上，电容传感器固定于调零底座上。

进一步的，所述防护罩包括外套于所述基线杆的基线防护单元和与所述基线防护单元两端连接、分别罩在第一固定端和第二固定端上的密封罩。

进一步的，所述基线防护单元包括连接管和与所述连接管两端连接的防护管，所述防护管与所述密封罩连接。

进一步的，所述超宽频带伸缩仪还包括与第二固定端连接的自动调零装置，所述自动调零装置采用微位移机构。

进一步的，所述第二固定端包括调零底座和第二固定座，第二固定座可滑动的与调零底座连接，所述电容传感器固定于第二固定座上，所述微位移机构的蜗杆与第二固定座连接。

进一步的，所述标定装置包括：至少一对磁铁、激励线圈、磁致伸缩棒、导杆、滑块和测量杆；所述磁铁相对放置，磁致伸缩棒采用超磁致伸缩材料，磁致伸缩棒设在所述磁铁之间，激励线圈环绕在磁致伸缩棒外，导杆一端穿过磁致伸缩棒，导杆另一端与滑块连接，测量杆一端固定连接在滑块上，测量杆另一端与基线杆连接。

进一步的，所述标定装置还包括弹簧，所述弹簧一端固定在伸缩仪上，另一端与所述滑块连接。

进一步的，所述基线杆采用铟钢管，所述电容传感器采用三片式的差动式电容传感器。

本发明还提出了一种伸缩仪的安装方法，在洞体完整基岩上开挖基坑，基坑开挖完成后浇筑基墩，在基墩顶部预埋连接板，将伸缩仪的第一固定端和第二固定端分别与连接板连接，基坑内壁设置防水涂层，基坑中部增加台阶，在台阶上设置密封垫并盖上封板，然后打胶密封，封板上设置保温层。

本发明还提出了一种标定装置，应用于上述超宽频带伸缩仪，该标定装置包括至少一对磁铁、激励线圈、磁致伸缩棒、导杆、滑块和测量杆，所述磁铁相对放置，磁致伸缩棒采用超磁致伸缩材料，磁致伸缩棒设在所述磁铁之间，激励线圈环绕在磁致伸缩棒外，导杆一端穿过磁致伸缩棒，导杆另一端与滑块连接，测量杆一端固定连接在滑块上，测量杆另一端与超宽频带伸缩仪连接。

基于上述技术方案，本发明较现有技术而言的有益效果为：

本发明的超宽频带伸缩仪包括包括伸缩仪本体、标定装置和防护罩，标定装置设置于防护罩内部，使伸缩仪的结构更加紧凑灵巧，便于携带和安装；防护罩设置于伸缩仪本体外，对伸缩仪进行全密封设计，保证了伸缩仪内的温度的相对恒定，解决了现有技术中温度变化对伸缩仪测量精度的干扰；同时全密封设计，也保证了湿度、气压等环境因素，解决了电容传感器电容介质容易随湿度变化而变化的问题，而且保护了电容传感器不受到外界电磁波的干扰，还缓解了仪器易受气压干扰的问题，对仪器的精度有很大的改善。本发明使用了电容传感器作为传感器，电容式感器精度高、频带宽、结构简单且具有良好的动态特性，可以有效地提高伸缩仪的精度和灵敏度；同时使用电容传感器的话，基线长度可以设置的相对短一些，可以提高伸缩仪的观测频带。

附图说明

图1是本发明实施例一中，超宽频带伸缩仪的结构示意图；

图2是本发明实施例一、二中，超宽频带伸缩仪的结构示意图；

图3是本发明实施例二和四中，标定装置的结构示意图；

图4是本发明实施例三中，伸缩仪安装方法的示意图；

图5是本发明实施例三中，伸缩仪安装方法的步骤图；

图6是本发明实施例二中，电路处理方法的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1所示，一种超宽频带伸缩仪，包括伸缩仪本体1、标定装置2和防护罩3，伸缩仪本体1包括第一固定端11、基线杆12、电容传感器13和第二固定端14，所述电容传感器13固定于第二固定端14上，电容传感器13包括两块电容传感器定片132和一块电容传感器动片131，基线杆12一端安装于第一固定端11上，基线杆12另一端与电容传感器动片131垂直连接，防护罩3设置于伸缩仪本体1外；标定装置2设置于防护罩3内部，并与基线杆12连接。

本发明的超宽频带伸缩仪包括包括伸缩仪本体、标定装置和防护罩，标定装置设置于防护罩内部，使伸缩仪的结构更加紧凑灵巧，便于携带和安装；防护罩设置于伸缩仪本体外，对伸缩仪进行全密封设计，保证了伸缩仪内的温度的相对恒定，解决了现有技术中温度变化对伸缩仪测量精度的干扰；同时全密封设计，也保证了湿度、气压等环境因素，解决了电容传感器电容介质容易随湿度变化而变化的问题，而且保护了电容传感器不受到外界电磁波的干扰，还缓解了仪器易受气压干扰的问题，对仪器的精度有很大的改善。本发明使用了电容传感器作为传感器，电容式感器精度高、频带宽、结构简单且具有良好的动态特性，可以有效地提高伸缩仪的精度和灵敏度；同时使用电容传感器的话，基线长度可以设置的相对短一些，可以提高伸缩仪的观测频带。

在一些实施例中，如图1所示，基线杆12一端安装于第一固定端11上，安装方式可以是：基线杆12穿过第一固定端11并用螺栓固定，或者基线杆12搁在第一固定端11上并用螺栓固定。基线杆12穿过第一固定端11并用螺栓固定，这种方式可以使基线杆固定的更加牢固，优选采用此方式。在一些实施例中，标定装置2可以套在基线杆12上。

为了更好地固定标定装置，同时保证标定装置对基线杆不产生载荷影响，在一些实施例中，如图2所示，第一固定端11可以包括第一固定座112和标定底座111，第一固定座112安装于标定底座111上，基线杆12固定于第一固定座111上，标定装置2设置于标定底座111内。

实施例二

与实施例一相比，本实施例示出了一种防护罩3的具体结构，防护罩3可以包括基线防护单元32和密封罩31。具体地，如图1所示，一种伸缩仪，包括伸缩仪本体1、标定装置2和防护罩3，防护罩3可以包括外套于所述基线杆4的基线防护单元32和与所述基线防护单元32两端连接、分别罩在第一固定端11和第二固定端14上的密封罩31。采用电容传感必须解决密封问题，同时由于仪器基线缩短，可以采用如上的多分量整体密封方式将整体进行密封，在很大程度上保温的同时，也解决了仪器易受气压干扰的问题。

在一些实施列中，基线防护单元可以包括连接管322和与所述连接管322两端连接的防护管321，所述防护管321与所述密封罩31连接。实际使用中，基线杆12会发生一定程度的弯曲，采用连接管322连接防护管321然后套在基线杆12上，可以避免对应变传递产生阻力，从而减小对伸缩仪精度的影响。

在实际使用中，可能会出现仪器位移量将超出量程范围的情况，为了保证仪器的精度要求，可以设置自动调零装置(图中未标出)，自动调零装置与第二固定端14连接，所述自动调零装置采用微位移机构。为了更好地实现微位移机构的调零，在一些实施例中，如图2所示，第二固定端可以包括调零底座142和第二固定座141，第二固定座141可滑动的与调零底座142连接，所述电容传感器13固定于第二固定座142上，所述微位移机构的蜗杆与第二固定座141连接。微位移机构包括微位移平台、蜗杆、蜗轮、电机、电机座，蜗杆与第二固定座141连接。电机带动蜗轮，与蜗杆传动，蜗杆带动第二固定座141和电容传感器13移动，实现电容传感器定片132的微位移来调零，在仪器位移量将超出量程范围时，对其进行精密的零位调整。现有技术中多数采用手动调零，手动调零需要打开仪器或者不能对仪器进行很好的密封，对仪器的温度和气压有很大影响。本实施例能够实现仪器的自动凋零，不仅方便准确而且排除了对温度和气压对仪器的干扰。

在实际使用中，标定装置由于压电陶瓷的特性存在迟滞和蠕变的问题，导致其精度达不到要求，因此本实施例提出了一种基于超磁致伸缩材料的标定装置，结合图3所示，标定装置2可以包括：至少一对磁铁21、激励线圈22、磁致伸缩棒23、导杆24、滑块25和测量杆28；所述磁铁21相对放置，磁致伸缩棒23采用超磁致伸缩材料，磁致伸缩棒23设在所述磁铁21之间，激励线圈22环绕在磁致伸缩棒23外，导杆24一端穿过磁致伸缩棒23，导杆24另一端与滑块25连接，测量杆28一端固定连接在滑块25上，测量杆28另一端与基线杆12连接。

其工作原理是：磁铁21用来提供一定的偏磁场，使磁致伸缩棒23在合适的线性范围内工作。当需要进行标定工作时，启动激励线圈22使磁场发生变化，使磁致伸缩棒23发生伸长或缩短，带动导杆24和滑块25滑动。滑块25的作用是固定伸缩仪的测量基线，当滑块25产生位移时，将会在伸缩仪上产生微位移以进行标定工作。

磁致伸缩是指物体在磁场中磁化时，在磁化方向会发生伸长或缩短，当通过线圈的电流变化或者是改变与磁体的距离时其尺寸即发生显著变化的铁磁性材料，通常称为铁磁致伸缩材料。其尺寸变化比目前的铁氧体等磁致伸缩材料大得多，而且所产生的能量也大，则称为超磁致伸缩材料。超磁致伸缩材料有以下特点：

(1)磁致伸缩系数非常大，是Fe、Ni等材料的几十倍，是压电陶瓷的3～5倍。

(2)超磁致伸缩材料的能量转换效率在49％～56％之间，传统的磁致伸缩材料仅为9％左右。

(3)居里温度在300以上，远比压电陶瓷要高，因此在较高温度下工作都可保持性能稳定。

(4)能量密度大，是Ni的400～800倍，是压电陶瓷的12～38倍，此特性适用于制造大功率器件。

(5)产生磁致伸缩效应的响应时间短，可以说磁化和产生应力的效应几乎是同时发生的，利用这一特性可以制造超高灵敏电磁感应器件。

(6)抗压强度和承载能力大，可在强压力环境下工作。

(7)工作频带宽，不仅适用于几百Hz以下的低频，而且适用于超高频。

现有技术的标定装置由于压电陶瓷的特性存在迟滞和蠕变的问题。本实施例基于磁致伸缩材料的磁致伸缩系数大、响应时间短、工作频带宽的特点，采用电磁传动结构，设计了一种针对宽频伸缩仪的标定装置，使标定装置的精度和标定范围得到了提高，从而提高了伸缩仪的精度，拓宽了伸缩仪的频带。

在一些实施例中，如图3所示，标定装置2还包括弹簧27，弹簧27一端固定在伸缩仪上，另一端与滑块25连接。由于超磁致伸缩材料的抗压强度远远大于其抗拉强度，因此采用弹簧27使磁致伸缩棒23在一定压力下工作，磁致伸缩棒23的长度变化范围更大，使得标定装置2的标定范围更宽。

在一些实施例中，基线杆12采用铟钢管，电容传感器13采用三片式的差动式电容传感器。铟钢管的线膨胀系数极低，有很好的抗弯强度，能够保证仪器对分辨力的要求。本发明缩短了基线长度，实现了仪器的小型化，对于观测环境和安装的要求都会大大降低；同时，由于仪器较小，可多分量可安装于同一基岩上，南北、东西分量的观测数据可与斜边分量的观测数据进行自校验，这对伸缩仪数据可靠性提供了创新性的数据支撑。由于电容传感器的空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小，因此差动式电容传感器允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度；差动式电容传感器的电容值一般与电极材料无关，这有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，能有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差。

在实际使用中，为了将频带拓宽到DC-100Hz，现有技术的60s低通滤波和分钟采样数采，无法满足观测频带要求。为解决上述问题，本实施例提出了一种电路处理方法，如图6所示，利用晶体震荡器和运算放大器组成频率幅度更稳定的正弦波激励信号源，并且利用相敏检波技术从被噪声干扰的信号中提取出有用信号。其工作原理是：利用晶体震荡器和低漂移、低噪声、低功耗的运算放大器组成频率幅度更稳定的正弦波激励信号源，代替分立的RLC构成的震荡电路，很好的消除了温度漂移引起的频率和幅度的不稳定，提高电容传感器电路误差的一致性，减小了电容传感器在电路上引起的灵敏度差异。由于传感器的输出电压ΔU的幅度很小，信噪比低，因此必须经高增益放大后才能检测出有用信号；干扰信号与参考信号同频率又同相位的几率很小，利用相敏检波技术良好的压制干扰的能力，可以从被噪声干扰的信号中提取有用信号。

实施例三

由于仪器对温度反应较为灵敏，为了将仪器布设在温差较小的地方以满足其观测需求，本实施例提出了一种伸缩仪的安装方法，可应用于实施例一和实施例二的超宽频带伸缩仪。具体地，结合图4和图5所示，本伸缩仪的安装方法包括：

S201：在洞体完整基岩上开挖基坑。

S202：在基坑底浇筑基墩101，在基墩101顶部预埋连接板102。

S203：将伸缩仪的第一固定端11和第二固定端14分别与连接板102连接。

S204：在基坑内壁涂上防水涂层103。

S205：在基坑中部的台阶贴上密封垫并盖上封板104，然后打胶密封。

S206：在封板104上设置保温层105。

这种安装方法很好的抑制了温度的变化，很大程度上改善了温度变化对仪器测量精度的干扰。

实施例四

本实施例提出了一种标定装置，用于实施例一、实施例二中的超宽频带伸缩仪，如图3所示，该标定装置包括至少一对磁铁21、激励线圈22、磁致伸缩棒23、导杆24、滑块25和测量杆28；所述磁铁21相对放置，磁致伸缩棒23采用超磁致伸缩材料，磁致伸缩棒23设在所述磁铁21之间，激励线圈22环绕在磁致伸缩棒23外，导杆24一端穿过磁致伸缩棒23，导杆24另一端与滑块25连接，测量杆28一端固定连接在滑块25上，测量杆28另一端与伸缩仪连接。

本标定装置具有精度高和标定范围宽的特点，其结构紧凑简单，可用于实施例一、实施例二中的超宽频带伸缩仪，能提高伸缩仪的标定精度、拓宽伸缩仪的观测频带，当然也可以用于其他的伸缩仪中。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

Claims (10)

1.一种超宽频带伸缩仪，其特征在于，包括伸缩仪本体、标定装置和防护罩，其中：

伸缩仪本体包括第一固定端、基线杆、电容传感器和第二固定端，所述电容传感器固定于第二固定端上，电容传感器包括两块电容传感器定片和一块电容传感器动片，基线杆一端安装于第一固定端上，基线杆另一端与电容传感器动片连接；

防护罩设置于伸缩仪本体外；

标定装置设置于防护罩内部，并与基线杆连接。

2.如权利要求1所述的超宽频带伸缩仪，其特征在于，所述防护罩包括外套于所述基线杆的基线防护单元和与所述基线防护单元两端连接、分别罩在第一固定端和第二固定端上的密封罩。

3.如权利要求2所述的超宽频带伸缩仪，其特征在于，所述基线防护单元包括连接管和与所述连接管两端连接的防护管，所述防护管与所述密封罩连接。

4.如权利要求1所述的超宽频带伸缩仪，其特征在于，还包括与第二固定端连接的自动调零装置，所述自动调零装置采用微位移机构。

5.如权利要求4所述的超宽频带伸缩仪，其特征在于，所述第二固定端包括调零底座和第二固定座，第二固定座可滑动的与调零底座连接，所述电容传感器固定于第二固定座上，所述微位移机构的蜗杆与第二固定座连接。

6.如权利要求1所述的超宽频带伸缩仪，其特征在于，所述标定装置包括：至少一对磁铁、激励线圈、磁致伸缩棒、导杆、滑块和测量杆；所述磁铁相对放置，磁致伸缩棒采用超磁致伸缩材料，磁致伸缩棒设在所述磁铁之间，激励线圈环绕在磁致伸缩棒外，导杆一端穿过磁致伸缩棒，导杆另一端与滑块连接，测量杆一端固定连接在滑块上，测量杆另一端与基线杆连接。

7.如权利要求6所述的超宽频带伸缩仪，其特征在于，所述标定装置还包括弹簧，所述弹簧一端固定在伸缩仪上，另一端与所述滑块连接。

8.如权利要求1所述的超宽频带伸缩仪，其特征在于，所述基线杆采用铟钢管，所述电容传感器采用三片式的差动式电容传感器。

9.一种伸缩仪的安装方法，应用于如权利要求1所述的超宽频带伸缩仪，其特征在于，所述安装方法包括：在洞体完整基岩上开挖基坑，基坑开挖完成后浇筑基墩，在基墩顶部预埋连接板，将伸缩仪的第一固定端和第二固定端分别与连接板连接，基坑内壁设置防水涂层，基坑中部增加台阶，在台阶上设置密封垫并盖上封板，然后打胶密封，封板上设置保温层。

10.一种标定装置，应用于如权利要求1所述的超宽频带伸缩仪，其特征在于，所述标定装置包括至少一对磁铁、激励线圈、磁致伸缩棒、导杆、滑块和测量杆，所述磁铁相对放置，磁致伸缩棒采用超磁致伸缩材料，磁致伸缩棒设在所述磁铁之间，激励线圈环绕在磁致伸缩棒外，导杆一端穿过磁致伸缩棒，导杆另一端与滑块连接，测量杆一端固定连接在滑块上，测量杆另一端与超宽频带伸缩仪连接。