本實用新型涉及一種基于差動式電容微位移檢測和靜電力反饋技術(shù)實現(xiàn)的石英水平擺地傾斜測量儀器，屬于地傾斜測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水平擺傾斜儀是最早用于地傾斜測量的短基線傾斜儀，它采用上下兩根吊絲懸掛一根水平擺擺桿，使其處于近乎水平狀態(tài)，在擺桿的一端安裝有一個擺錘。當?shù)孛姘l(fā)生垂直于擺平面的微小傾斜時，擺錘會帶動擺桿發(fā)生較大角度的偏轉(zhuǎn)，該偏轉(zhuǎn)角度可以通過光杠桿等傳感器檢測。

利用性能優(yōu)良的熔凝石英及其抽成的細絲，中國地震局地球物理研究所朱虎等前輩于1969年研發(fā)了采用照相記錄的SQ-70型石英水平擺傾斜儀，后來又在90年代進行數(shù)字化改造，研制了SSQ-1型數(shù)字磁帶記錄水平擺式傾斜儀。Salen和Blum也于1990年研制了一種石英水平擺傾斜儀，該儀器的優(yōu)點是靈敏度很高，穩(wěn)定性也好，但自90年代研發(fā)以來的二十多年時間里，沒有人對其進行過更新或者改進，整個系統(tǒng)至今還處于開環(huán)的狀態(tài)。而系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)會帶來以下不足：1)無法給出明確的傳遞函數(shù)，因為阻尼不知道，寫不出來；2)頻率特性不理想，阻尼比較小，有諧振峰；3)線性度及動態(tài)范圍等指標不高；4)靈敏度未知，若依靠現(xiàn)場使用水銀脹盒標定，則因水銀是有毒的，發(fā)生泄漏的話會對身體健康造成危害。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種力平衡反饋式石英水平擺地傾斜測量裝置，以解決現(xiàn)有石英水平擺傾斜儀所存在的諸如開環(huán)、頻率特性不理想、線性度和動態(tài)范圍指標不高等問題，可全面提升儀器性能。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用了以下技術(shù)方案：

一種力平衡反饋式石英水平擺地傾斜測量裝置，其特征在于：它包括一底板，底板上固定有塔形石英支架；石英擺桿通過兩根石英吊絲懸掛在支架上，呈近乎水平狀態(tài)；擺桿的一端插裝有金屬材質(zhì)的擺錘，豎直設(shè)置的擺錘兩側(cè)分別設(shè)有第一、第二平行金屬板，擺錘與第一、第二平行金屬板之間互相平行，三者構(gòu)成差動式平板電容，其中擺錘用作動片，第一和第二平行金屬板用作定片；第一、第二平行金屬板均與固定直流電壓生成單元、正弦波波形生成單元的輸出端相連，擺錘與地傾斜測量電路的輸入端相連，地傾斜測量電路的輸出端經(jīng)由反饋單元與擺錘相連。

所述地傾斜測量電路包括前置放大濾波單元，前置放大濾波單元的輸入端與所述擺錘連接；前置放大濾波單元、方波波形生成單元的輸出端均與相敏檢波單元的輸入端連接，相敏檢波單元的輸出端與放大輸出單元的輸入端連接，放大輸出單元的輸出端經(jīng)由所述反饋單元與所述擺錘連接。

所述第一、第二平行金屬板均包括相分離、上下設(shè)置的上、下金屬板；

所述擺錘為上下兩邊薄、中間厚的矩形結(jié)構(gòu)，所述擺桿的端部插設(shè)于所述擺錘中間部分的孔中。

所述擺錘的上部分與所述第一平行金屬板的所述上金屬板、所述第二平行金屬板的所述上金屬板相平行，構(gòu)成一差動式平板電容；所述擺錘的下部分與所述第一平行金屬板的所述下金屬板、所述第二平行金屬板的所述下金屬板相平行，構(gòu)成一差動式平板電容；兩個差動式平板電容并聯(lián)。

所述第一平行金屬板的所述上金屬板、所述下金屬板分別通過石英墊片固裝在凸型支架上，所述第二平行金屬板的所述上金屬板、所述下金屬板分別通過石英墊片固裝在凸型支架上；凸型支架固定在所述底板上。

本實用新型的優(yōu)點是：

本實用新型基于差動式電容微位移檢測和靜電力反饋技術(shù)，不僅在地面發(fā)生垂直于擺平面的微小傾斜時可實現(xiàn)地傾斜角的精準測量，測量誤差小，穩(wěn)定性好，靈敏度高，而且還構(gòu)建出了閉環(huán)反饋系統(tǒng)，從而帶來了如下優(yōu)點：

①形成了負反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)能給出準確地表征輸入-輸出關(guān)系的傳遞函數(shù)，便于研究人員對觀測數(shù)據(jù)進行分析；

②擴大了儀器的動態(tài)范圍(≥120dB)，擴展了儀器的工作頻帶，提高了儀器的工作穩(wěn)定性和線性度；

③可保持靈敏度不變，靈敏度只與施加在第一、第二平行金屬板上的直流電壓的電壓幅值、第一與第二平行金屬板之間間距有關(guān)，而第一與第二平行金屬板之間間距和直流電壓的電壓幅值都可設(shè)計為固定值；

④可通過在反饋電路中疊加一激勵信號等方法來進行標定，以避免發(fā)生使用水銀脹盒標定法所帶來的人身安全問題。

附圖說明

圖1是本實用新型地傾斜測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實用新型地傾斜測量裝置的另一示意圖。

圖3是本實用新型地傾斜測量裝置的局部結(jié)構(gòu)放大示意圖。

圖4是本實用新型地傾斜測量裝置的地傾斜測量電路的組成示意圖。

具體實施方式

如圖1至圖4所示，本實用新型力平衡反饋式石英水平擺地傾斜測量裝置包括一底板14，底板14由支腳18支撐，底板14上安裝有用來調(diào)節(jié)儀器靈敏度的調(diào)平螺釘16和用來調(diào)整擺錘15位置的調(diào)平螺釘17。底板14上固定有塔形石英支架11，石英擺桿12通過兩根石英吊絲13懸掛在支架11上，呈近乎水平狀態(tài)。如圖，一根吊絲13的一端固定于支架11底部而另一端固定于擺桿12的一端，另一根吊絲13的一端固定于支架11頂部而另一端固定于擺桿12的中間部位。擺桿12的另一端插裝有金屬材質(zhì)的擺錘15。豎直設(shè)置的擺錘15兩側(cè)分別設(shè)有第一、第二平行金屬板22、25。擺錘15與第一、第二平行金屬板22、25之間互相平行，三者構(gòu)成差動式平板電容，其中，擺錘15用作動片，第一、第二平行金屬板22、25用作定片。第一、第二平行金屬板22、25均與用以形成靜電反饋力的固定直流電壓生成單元37、用以檢測擺錘15微位移的正弦波波形生成單元31的輸出端相連，擺錘15與分析擺錘15偏離平衡位置的偏離方向和大小的地傾斜測量電路的輸入端相連，地傾斜測量電路的輸出端經(jīng)由反饋單元36與擺錘15相連。

在實際設(shè)計中，如圖1和圖2，本實用新型地傾斜測量裝置還包括在運輸途中用來鎖定擺錘15，使擺錘15不發(fā)生移動的鎖擺裝置24。

如圖4，在實際設(shè)計中，地傾斜測量電路包括前置放大濾波單元32，前置放大濾波單元32的輸入端與擺錘15連接，前置放大濾波單元32、方波波形生成單元33的輸出端均與相敏檢波單元34的輸入端連接，相敏檢波單元34的輸出端與放大輸出單元35的輸入端連接，放大輸出單元35的輸出端一方面向外輸出最終測量分析得到的電壓信號，另一方面經(jīng)由反饋單元36與擺錘15連接。

在實際設(shè)計中，第一、第二平行金屬板22、25的材質(zhì)與擺錘15的材質(zhì)不同。例如，第一、第二平行金屬板22、25由銅材質(zhì)制成，擺錘15由鋁材質(zhì)制成。

在實際設(shè)計中，第一平行金屬板22包括相分離、上下設(shè)置的上、下金屬板221、222，第二平行金屬板25包括相分離、上下設(shè)置的上、下金屬板251、252。

較佳地，擺錘15為上下兩邊薄、中間厚的矩形結(jié)構(gòu)，也就是說，擺錘15的上部分151、下部分152薄，呈片狀，中間部分153厚，擺錘15的上部分151與下部分152相同，擺桿12的端部插設(shè)于擺錘15中間部分153的孔中。擺錘15這樣設(shè)計的目的在于，一是為了在能夠保證擺錘15上部分151、下部分152處于同一平面且重量一定(石英吊絲13僅能承受10克左右的質(zhì)量)的情況下，盡可能增大擺錘15的面積，二是為了能在擺錘15上留下足夠尺寸的孔來將擺錘15安裝在石英擺桿12上。

進一步地，如圖3，擺錘15的上部分151與第一平行金屬板22的上金屬板221、第二平行金屬板25的上金屬板251相平行，構(gòu)成一差動式平板電容。同理，擺錘15的下部分152與第一平行金屬板22的下金屬板222、第二平行金屬板25的下金屬板252相平行，構(gòu)成一差動式平板電容。兩個差動式平板電容并聯(lián)，以提高容值，具體來說，第一平行金屬板22的上金屬板221與第一平行金屬板22的下金屬板222串聯(lián)后與固定直流電壓生成單元37、正弦波波形生成單元31連接，第二平行金屬板25的上金屬板251與第二平行金屬板25的下金屬板252串聯(lián)后與固定直流電壓生成單元37、正弦波波形生成單元31連接。

進一步地，在實際設(shè)計中，如圖3，第一平行金屬板22的上金屬板221、下金屬板222分別通過起電絕緣作用的石英墊片23固裝在凸型支架21上，第二平行金屬板25的上金屬板251、下金屬板252分別通過起電絕緣作用的石英墊片23固裝在凸型支架21上，凸型支架21(結(jié)構(gòu)、形狀不受局限)固定在底板14上。

在本實用新型中，固定直流電壓生成單元37用于輸出電壓幅值固定的直流電壓，直流電壓的電壓幅值大小與靈敏度需求呈反比，即靈敏度越高，直流電壓的電壓幅值越小。正弦波波形生成單元31用于輸出高頻的正弦波波形，高頻頻率范圍在10kHz-100kHz之間。方波波形生成單元33用于輸出方波電壓波形。反饋單元36包括比例積分運算電路。

在本實用新型中，正弦波波形生成單元31、方波波形生成單元33、固定直流電壓生成單元37、前置放大濾波單元32、相敏檢波單元34、放大輸出單元35、反饋單元36等單元為本領(lǐng)域的熟知電子模塊，故其具體構(gòu)成不再詳述。

基于上述本實用新型力平衡反饋式石英水平擺地傾斜測量裝置實現(xiàn)的力平衡反饋式石英水平擺地傾斜測量方法包括如下步驟：

首先調(diào)零，即調(diào)整底板14處于水平狀態(tài)，調(diào)整擺錘15所在擺平面(擺錘15所處平面)處于豎直平面內(nèi)，此時擺錘15處于豎直平衡位置，擺錘15的上部分151與第一平行金屬板22的上金屬板221、第二平行金屬板25的上金屬板251平行且相距間隙d，擺錘15的下部分152與第一平行金屬板22的下金屬板222、第二平行金屬板25的下金屬板252平行且相距間隙d。

1)通過正弦波波形生成單元31向第一、第二平行金屬板22、25分別施加電壓幅度相同、頻率相同、相位相反的一對高頻正弦波信號±U_msinωt，其中：U_m為高頻正弦波形的幅度，ω為角速度，t為時間。

2)當?shù)孛姘l(fā)生垂直于擺平面的微小傾斜，即當?shù)孛嬖诖怪庇跀[平面的方向發(fā)生傾斜時，擺桿12發(fā)生偏轉(zhuǎn)，擺錘15偏離初始的豎直平衡位置。地傾斜測量電路接收到偏離豎直平衡位置的擺錘15輸出的電壓信號，從而分析出擺錘15輸出的電壓信號代表的擺錘15偏離位移量和偏離方向信息并輸出，其中：擺錘15輸出的電壓信號的幅值代表擺錘15偏離豎直平衡位置的位移量，擺錘15輸出的電壓信號的相位代表擺錘15偏離豎直平衡位置的方向。

3)地傾斜測量電路將輸出的偏離位移量和偏離方向信息經(jīng)由反饋單元36處理(比例積分運算)后反饋給擺錘15，同時通過固定直流電壓生成單元37向第一、第二平行金屬板22、25分別施加電壓幅值相等、極性相反的一對直流電壓信號，向擺錘15施加靜電力，以使擺錘15克服地傾斜引起的位置變化，減小位移振幅，趨于穩(wěn)定在一定位置上，即最大限度地使擺錘15處于豎直平衡位置。這樣，本實用新型力平衡反饋式石英水平擺地傾斜測量裝置的機械部分和電路部分就形成一個負反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能給出準確地表征輸入-輸出關(guān)系的傳遞函數(shù)，還能擴寬觀測頻帶，提高儀器動態(tài)范圍。

在實際測量中，基于獲得的擺錘15偏離位移量和偏離方向信息，可換算出地面發(fā)生傾斜時的傾斜角度。

進一步地，步驟2)還包括：

擺錘15輸出的電壓信號經(jīng)過前置放大濾波單元32進行前置放大濾波后得到的結(jié)果和方波波形生成單元33輸出的方波電壓信號一起通過相敏檢波單元34相敏檢波分析得出擺錘15的偏離位移量和偏離方向信息，并且將得到的擺錘15偏離位移量和偏離方向信息通過放大輸出單元35進行放大處理后輸出，其中：方波電壓信號與施加在第一平行金屬板22或第二平行金屬板25上的高頻正弦波信號頻率相同、相位相同但電壓幅值不同。

上述步驟2)的實施原理為：

當擺錘15位于豎直平衡位置時，擺錘15的上部分151與第一平行金屬板22的上金屬板221、第二平行金屬板25的上金屬板251平行且相距間隙d，擺錘15的下部分152與第一平行金屬板22的下金屬板222、第二平行金屬板25的下金屬板252平行且相距間隙d。在本實用新型中，將上、下兩個差動式平板電容并聯(lián)使用，看作一個差動式平板電容，此差動式平板電容由第一電容、第二電容兩個電容構(gòu)成，即第一平行金屬板22與擺錘15形成第一電容，第二平行金屬板25與擺錘15形成第二電容。

當擺錘15偏離豎直平衡位置一位移量△d時，擺錘15與其中一邊的平行金屬板(第一平行金屬板22或第二平行金屬板25)之間的間距減少，而與另一邊的平行金屬板(第二平行金屬板25或第一平行金屬板22)之間的間距增加。于是，第一、第二電容的容量分別為：

上式1)、2)中：ε為介電常數(shù)，S為第一平行金屬板22的面積，第一平行金屬板22的面積與第二平行金屬板25的面積相等，d為擺錘15位于豎直平衡位置時，擺錘15與第一平行金屬板22之間的間距或者說擺錘15與第二平行金屬板25之間的間距。

當向第一、第二平行金屬板22、25施加電壓幅度相同、頻率相同、相位相反的高頻正弦波信號±U_msinωt后，根據(jù)電容分壓原理，擺錘15上輸出的電壓信號U₀為：

將上述式1)、2)代入上式3)可得：

于是，從式4)可以看出，擺錘15輸出的電壓信號的幅值大小與其偏離豎直平衡位置的位移量△d大小成正比，擺錘15偏離豎直平衡位置的方向與擺錘15輸出的電壓信號的相位相關(guān)。

從而可見，由擺錘15輸出的電壓信號可以分析處理得到擺錘15的偏離位移量和偏離方向信息。

步驟3)的實施原理為：

根據(jù)平行平板之間靜電力的計算公式可以得出，當向第一、第二平行金屬板22、25施加電壓幅值相等、極性相反的直流電壓信號且擺錘15位于豎直平衡位置附近時，擺錘15所受的靜電力F_FB為：

式5)中，V₀為施加在第一、第二平行金屬板22、25上的直流電壓的電壓幅值，ε₀為介電常數(shù)。

從上式5)可以看出，靜電力F_FB與反饋到擺錘15的反饋電壓V_F成正比。在靜電反饋力的作用下，當整個框架(支架11和凸型支架21)傾斜時，擺錘15同步傾斜，即擺錘15與框架的相對位移為零，這時可以通過F_{FB＝mg sinθ}計算地傾斜角θ，其中m為擺錘15的質(zhì)量，g為重力加速度。

因此，當擺錘15發(fā)生微小傾斜時，擺錘15可在反饋電壓V_F所產(chǎn)生的靜電力作用下，克服地傾斜引起的擺錘位置的變化，減小擺錘15的位移振幅，使擺錘15盡可能地穩(wěn)定在豎直平衡位置上。

本實用新型的優(yōu)點是：

本實用新型基于差動式電容微位移檢測和靜電力反饋技術(shù)，不僅在地面發(fā)生垂直于擺平面的微小傾斜時可實現(xiàn)地傾斜角的精準測量，測量誤差小，穩(wěn)定性好，靈敏度高，而且還構(gòu)建出了閉環(huán)反饋系統(tǒng)，從而帶來諸多優(yōu)點，解決了現(xiàn)有石英水平擺傾斜儀所存在的諸如開環(huán)、頻率特性不理想、線性度和動態(tài)范圍指標不高等問題。

以上所述是本實用新型較佳實施例及其所運用的技術(shù)原理，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本實用新型的精神和范圍的情況下，任何基于本實用新型技術(shù)方案基礎(chǔ)上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本實用新型保護范圍之內(nèi)。