專利名稱：豎直擺傾斜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
地震是自然界常見(jiàn)的現(xiàn)象，災(zāi)害性的地震給人類生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)的損失是巨大的，因此，人類對(duì)地震活動(dòng)的預(yù)測(cè)也是人們普遍關(guān)心的問(wèn)題。各國(guó)科學(xué)家為此進(jìn)行了不懈的努力，研究設(shè)計(jì)制造了許多有關(guān)監(jiān)測(cè)地球變化、預(yù)報(bào)地震發(fā)生的儀器，目前世界上最多采用的是水平擺傾斜儀，其次是水管傾斜儀，氣泡傾斜儀，但水平擺傾斜儀靈敏度較低，穩(wěn)定性也不夠好，用光點(diǎn)照相記錄方式很不方便，而且還只能在山區(qū)洞體中使用；水管傾斜儀在平原地帶也無(wú)法使用，只能安裝在良好的山洞里工作，使用的局限性很大；氣泡傾斜儀噪聲大，壽命短，不易推廣。近期國(guó)外又發(fā)展起來(lái)了一種豎直擺鉆孔傾斜儀，但價(jià)格昂貴，每臺(tái)約20萬(wàn)美元，一般地震臺(tái)(站)無(wú)力購(gòu)買(mǎi)。
本實(shí)用新型的目的就是研制一種既能在山區(qū)使用，又能在平原地帶使用，且價(jià)格便宜，使用方便，測(cè)報(bào)地球變化準(zhǔn)確的豎直擺傾斜儀。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。利用一個(gè)或兩個(gè)豎直方向的擺(如鉛垂擺)，來(lái)測(cè)量地面傾斜變化，即用細(xì)絲吊起一個(gè)(或兩個(gè))重錘，由于地球重力作用，重錘的方向必然指向地球質(zhì)心，當(dāng)?shù)厍虮砻娈a(chǎn)生傾斜時(shí)，地球和擺錘支架同時(shí)傾斜，重錘仍保持鉛垂方向，與支架產(chǎn)生相對(duì)位移，其位移量△ψ＝△d／L×206265(秒)，式中L為擺長(zhǎng)，即由懸掛點(diǎn)到重錘重心距離，△ψ為傾斜角度，相對(duì)位移量△d即可測(cè)出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地球微小傾斜量的測(cè)定，達(dá)到測(cè)量由于地球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地震、滑坡、地面負(fù)荷等原因造成的地殼微小形變，測(cè)量日月引力形成的地球固體潮，從而為研究和預(yù)報(bào)地震、地質(zhì)災(zāi)害、水利工程危險(xiǎn)性及地球物理場(chǎng)提供重要的條件和手段。為適應(yīng)山區(qū)及平原地區(qū)均可使用之目的，豎直擺傾斜儀采用通用的釬焊密封的內(nèi)部懸掛擺錘的細(xì)長(zhǎng)條形探頭，控制機(jī)箱、模擬記錄儀和數(shù)據(jù)采集器組成，探頭內(nèi)部裝有豎直向的擺系結(jié)構(gòu)以及與其協(xié)調(diào)工作的電容測(cè)微系統(tǒng)，該部分是測(cè)地表面微小傾斜變化的敏感部分，使用時(shí)安放在地殼表面層幾十米的鉆孔內(nèi)；與探頭用電纜或?qū)Ь€相連接的控制機(jī)箱、模擬記錄儀和數(shù)據(jù)采集器是安裝在地面上的實(shí)現(xiàn)觀測(cè)室內(nèi)的控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，控制機(jī)箱用來(lái)控制探頭的工作狀態(tài)，調(diào)整其工作點(diǎn)，標(biāo)定檢查其工作靈敏度和穩(wěn)定性，接受處理井孔下送來(lái)的電壓信號(hào)，提供探頭工作所需要的電源等；模擬記錄儀和數(shù)據(jù)采集器是把經(jīng)過(guò)濾波的信號(hào)用曲線和數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，以供人們研究、分析使用，最終達(dá)到預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的目的。
該儀器的全套操作系統(tǒng)使用方便，造價(jià)低，易于推廣，可廣泛地應(yīng)用于山區(qū)和平原的地球物理、固體潮，地殼微小傾斜測(cè)量和地震監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)等。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)及使用情況作詳細(xì)說(shuō)明。


圖1為本實(shí)用新型的各組成部分聯(lián)接示意圖。
圖2為本實(shí)用新型使用裝態(tài)方框示意圖。
圖3為本實(shí)用新型豎直擺傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為采用豎直擺傳感器組裝的三種傾斜儀探頭結(jié)構(gòu)圖。
由圖1可知，豎直擺傾斜儀是由探頭1、控制機(jī)箱2、模擬記錄儀3、數(shù)據(jù)采集器4、磁帶機(jī)5、時(shí)號(hào)鐘6組成，探頭用電纜7同控制機(jī)箱的輸入端相接，模擬記錄儀、數(shù)據(jù)采集器用導(dǎo)線同控制機(jī)箱的輸出端相連，磁帶機(jī)用導(dǎo)線同數(shù)據(jù)采集器的輸出端相連接，時(shí)號(hào)鐘同控制機(jī)箱的信號(hào)輸出相連接，以記錄整點(diǎn)時(shí)輸出信號(hào)曲線上的時(shí)間。
控制機(jī)箱是在地面為井孔24內(nèi)的探頭提供電源，傾斜信號(hào)處理以及控制井孔下探頭動(dòng)作，其外殼用鋁板及鋁型材料制成，面板左邊上方是兩只指示南北向和東西向傾斜大小的表頭，左下方是調(diào)整南北向和東西向靈敏度和記錄電平的旋扭，面板右邊有電源開(kāi)關(guān)，指示燈和驅(qū)動(dòng)探頭內(nèi)部電機(jī)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)控制開(kāi)關(guān)、按扭，控制箱后面板設(shè)有信號(hào)輸入插口，信號(hào)輸出插口及標(biāo)定開(kāi)關(guān)。由井孔下探頭中豎直擺所產(chǎn)生的傾斜變化信號(hào)(如電壓信號(hào))由電纜7輸入控制機(jī)箱，經(jīng)進(jìn)一步放大或衰減濾波，再經(jīng)電平調(diào)整后送到記錄儀?？刂茩C(jī)箱產(chǎn)生穩(wěn)定的標(biāo)定電流與電壓，以利于測(cè)量。
模擬記錄儀采用電位差自動(dòng)記錄儀(如國(guó)產(chǎn)XWT－264臺(tái)式電位差自動(dòng)記錄儀)，用寬250mm長(zhǎng)形記錄紙，采用兩道放大器、筆頭，分別把控制機(jī)箱送來(lái)的南北向和東西向傾斜信號(hào)進(jìn)一步放大，經(jīng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)記錄筆頭產(chǎn)生信號(hào)位移，把控制機(jī)箱送出的電信號(hào)如實(shí)地以曲線形式記錄在長(zhǎng)條形記錄紙帶上。記錄可采用“直接記錄”和“反饋記錄”兩種工作方式。石英鐘為模擬記錄提供時(shí)間服務(wù)。
數(shù)據(jù)采集器由數(shù)據(jù)采集接口，計(jì)算機(jī)(如PC－1500計(jì)算機(jī))、打印機(jī)、磁帶機(jī)組成，可以將控制機(jī)箱送出的模擬信號(hào)進(jìn)行模－數(shù)轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字化信息，由計(jì)算機(jī)按照軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、打印，繪圖和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，超出正常規(guī)律的變化也可以自動(dòng)報(bào)警，在實(shí)際使用中，其信號(hào)傳輸?shù)那闆r是，當(dāng)在井孔24下的探頭中的擺體12相對(duì)于擺盒8的位置變化使電容片13間距離產(chǎn)生變化時(shí)，電容電橋的輸出電壓產(chǎn)生變化，此變化量經(jīng)電纜7送至控制機(jī)箱后再經(jīng)過(guò)多級(jí)放大電路放大，由相敏檢波電路進(jìn)行檢波，變成與傾斜量成比例的直流電信號(hào)，但此信號(hào)中還含有很多脈動(dòng)成份，以及地振動(dòng)成份，用積分電路進(jìn)行處理后送到記錄部分進(jìn)行記錄，也可以不直接記錄傾斜信號(hào)，而把積分后的傾斜信號(hào)重新通過(guò)反饋線圈與磁鐵轉(zhuǎn)換成使擺恢復(fù)零位的電磁力，迫使擺保持在零位，記錄部分把迫使擺回到零位所消耗的電流記錄下來(lái)，此電流也正比于傾斜量，從而達(dá)到測(cè)量的目的。整機(jī)工作情況如圖2方框圖所示。
由以上情況所知，該實(shí)用新型的測(cè)量信號(hào)準(zhǔn)確與否，很關(guān)鍵的取決于探頭中豎直擺傳感器16，由圖3所示，豎直擺傳感器有豎直擺體12，上部通過(guò)十字交叉簧片9懸掛在擺合8的頂部，下部連接著電容測(cè)微器的電容片13，擺體上方裝有止動(dòng)環(huán)10，環(huán)上有銷(xiāo)釘14伸向擺合外，在銷(xiāo)釘14位置有一縱向長(zhǎng)孔，止動(dòng)環(huán)連同銷(xiāo)釘可沿軸向平行移動(dòng)。止動(dòng)環(huán)上方有彈簧11，銷(xiāo)釘下方有偏心輪15，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)偏心輪15時(shí)，止動(dòng)環(huán)上下移動(dòng)，移向上方為工作位置，移向下方為鎖緊位置，彈簧11向下壓止動(dòng)環(huán)，止動(dòng)環(huán)圓錐面與擺體圓錐面接觸并有約500克壓力，使擺體固定在中心位置，搬運(yùn)儀器時(shí)必須把擺體鎖緊。扭動(dòng)偏心輪15約180°，偏心輪將止動(dòng)環(huán)頂起，與擺體分離，擺體恢復(fù)自由，即為工作位置。擺合的上端、中部和底部有許多安裝孔，可以與不同的儀器外殼、底座接合。擺體用黃銅制造，表面鍍金，以利于抗腐蝕。
圖4顯示了用豎直擺傳感器與不同外殼組裝成的三種豎直擺傾斜儀三種探頭結(jié)構(gòu)。圖4(a)為豎直擺鉆孔傾斜儀用探頭，該探頭的豎直擺傳感器16通過(guò)十字萬(wàn)向活動(dòng)節(jié)17與防水外筒26連接，下部在傳感器16下方裝有由電機(jī)、蝸輪蝸桿組成的零位調(diào)整機(jī)構(gòu)18，由它完成井下探頭工作狀態(tài)的調(diào)整，東西、南北兩個(gè)方向可調(diào)范圍為±3.5°。傳感器16上端裝有電容測(cè)微電路板19，它完成位移——電壓的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓量由探頭頂部中心的電纜7送到地面的控制機(jī)箱。探頭防水外筒26用無(wú)縫鋼管加工，兩端堵頭用釬焊方法結(jié)合，保證了足夠可靠的防水能力。探頭上部有錐形塊25，提環(huán)23，重塊21，提環(huán)將重塊提起，以提起整個(gè)探頭，重塊下方有三個(gè)均勻分布在防水外筒周?chē)男ㄐ位瑝K20，其上部有一水平長(zhǎng)孔，通過(guò)一穿釘懸掛在重塊21上，整個(gè)楔形滑塊可沿徑向位移。在重塊上方的電纜線外套有緊固彈簧22。當(dāng)用繩索提起提環(huán)時(shí)，由于探頭的重量，使彈簧22壓縮，重塊21連同楔形滑塊一起向上，滑塊處于松動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)探頭到達(dá)鉆孔底部(如圖1所示)，其重量由本身承擔(dān)，由于彈簧的壓力和重塊的重力，使三個(gè)滑塊下降，其內(nèi)斜面受錐形塊25作用，向外張開(kāi)，直至三個(gè)滑塊外表面與孔壁緊密接觸，即把探頭與井孔壁固定為一體，探頭下部有固定錐體頭33。
圖4(b)為用豎直擺傳感器在三角平板上裝成的臺(tái)式豎直擺傾斜儀探頭。由圖可以看出，把豎直擺傳感器16固定在三角形平板28上，三角平板采用鑄鋁板制成直角三角形，每邊長(zhǎng)可為23cm，三角平板上裝三個(gè)調(diào)整腳螺絲29，用來(lái)調(diào)整傾斜儀的工作狀態(tài)。在豎直擺傳感器外有防潮密封罩27，信號(hào)電纜7由平板下部引出。這種機(jī)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用于一般山洞中。
圖4(c)是用豎直擺傳感器組裝的淺孔豎直擺傾斜儀探頭。把豎直擺傳感器16固定在簡(jiǎn)易密封外筒32中，端蓋30與外筒采用螺紋－－橡膠圈密封，該探頭僅在很小的水壓下工作，在傳感器上部裝有用于扶正儀器的連桿31，該探頭結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，僅能安裝在1——2米的淺孔中，探頭周?chē)钌鲜⑸埃{(diào)整儀器工作狀態(tài)是通過(guò)推動(dòng)連桿和搗實(shí)石英砂實(shí)現(xiàn)。
本實(shí)用新型安裝和使用起來(lái)都非常方便，以圖4(a)探頭組成的豎直擺傾斜儀為例，將探頭做成細(xì)長(zhǎng)形狀，一般按操作程序放入15——70米的鉆孔(井孔)中為宜，探頭下井前，應(yīng)對(duì)鉆孔工作段的深度、直徑、長(zhǎng)度和水位進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量并做好記錄，之后，將探頭下部的固定錐體頭準(zhǔn)確的放入井孔底部的圓錐孔內(nèi)牢固亦可，然后按操作程序接通儀器各部分線路，通電便可正常工作。原來(lái)從事水平擺傾斜器觀測(cè)的工作人員，經(jīng)短時(shí)間學(xué)習(xí)后均可掌握。該儀器一經(jīng)裝好使用后，日常管理簡(jiǎn)單，但要注意以下幾條1、保證供電不間斷，哪怕幾分鐘停電對(duì)觀測(cè)影響也很大，因此要有備用電源，電壓要穩(wěn)，波動(dòng)范圍小于10％；2、注意記錄筆頭走向，盡量保證不靠邊，如果調(diào)筆扭已調(diào)到盡頭，說(shuō)明電平補(bǔ)償已達(dá)到極限，需要重調(diào)電機(jī)進(jìn)行機(jī)械調(diào)零；3、要注意防潮、防塵、筆頭每月清洗一次，保證下水暢通；4、數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部蓄電池平時(shí)應(yīng)處于浮充狀態(tài)，停電后可維持一段工作，若停電過(guò)長(zhǎng)(如超過(guò)20小時(shí))，來(lái)電后也不能恢復(fù)工作，需要重新調(diào)整等。
本實(shí)用新型使用范圍廣，平原、山區(qū)均可采用，靈敏度高，穩(wěn)定性好，記錄當(dāng)時(shí)可見(jiàn)，水下地面均可適應(yīng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，比如進(jìn)口一臺(tái)同類型儀器需20萬(wàn)美元，但造一臺(tái)本實(shí)用新型儀器價(jià)不過(guò)萬(wàn)元，可謂物美價(jià)廉，非常易于推廣應(yīng)用，它的推廣應(yīng)用必將為地震預(yù)報(bào)等做出貢獻(xiàn)，取得顯著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。
權(quán)利要求1.一種可應(yīng)用于平原及山區(qū)地震的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、滑坡、塌方等地質(zhì)性災(zāi)害的豎直擺傾斜儀，由探頭、控制機(jī)箱、記錄部分以及連接各部分的導(dǎo)線、電纜所組成，其特征在于所說(shuō)的探頭具有一個(gè)高靈敏度的豎直擺傳感器16，該傳感器有豎直擺體12，上部通過(guò)十字交叉簧片9懸掛在擺合8的頂部，下部連接著電容測(cè)微器的電容片13，擺體上方裝有止動(dòng)環(huán)10，環(huán)上有銷(xiāo)釘14伸向擺合外，在銷(xiāo)釘14位置有一縱向長(zhǎng)孔，止動(dòng)環(huán)連同銷(xiāo)釘可沿軸向平行移動(dòng)，止動(dòng)環(huán)上方有彈簧11，銷(xiāo)釘下方有偏心輪15，擺合的上端、中部和底部有安裝探頭用的安裝孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的豎直擺傾斜儀，其特征在于所說(shuō)的豎直擺傳感器16通過(guò)十字萬(wàn)向活動(dòng)節(jié)17與防水外筒26連接，組成鉆孔式用探頭，該探頭在傳感器下方裝有零位調(diào)整機(jī)構(gòu)18，上端裝電容測(cè)微電路板19，中心有防水電纜7將探頭與控制機(jī)箱相連接，探頭最上部有提環(huán)23，重塊21、錐形塊25，重塊下方有三個(gè)均勻分布在防水外筒周?chē)男ㄐ位瑝K20，其上部有一水平長(zhǎng)孔，通過(guò)穿釘懸掛在重塊上，重塊上方的電纜線外套有緊固彈簧22，探頭下部有固定錐體頭33。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的豎直擺傾斜儀，其特征在于所述的豎直擺傳感器16可以固定在三角平板28上，組成臺(tái)式用探頭，三角平板上裝三個(gè)調(diào)整腳螺絲29，傳感器外有防潮密封罩27，信號(hào)電纜7由平板下部引出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的豎直擺傾斜儀，其特征在于所說(shuō)的豎直擺傳感器16可以固定在簡(jiǎn)易密封外筒32中，端蓋30與外筒采用螺紋－－橡膠圈密封，在傳感器上部裝有用于扶正儀器的連桿31而組成淺孔用探頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的豎直擺傾斜儀，其特征在于所說(shuō)的探頭上的傳感器16中的擺體12采用表面鍍金的黃銅制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的豎直擺傾斜儀，其特征在于所說(shuō)的探頭防水外筒26用無(wú)縫鋼管，，兩端堵頭用釬焊方法制成。
專利摘要本實(shí)用新型是一種改進(jìn)的豎直擺傾斜儀，它由探頭、控制機(jī)箱、模擬記錄儀和數(shù)據(jù)采集器等組成，探頭內(nèi)裝有高靈敏度的豎直擺傳感器，傳感器外殼(即擺合)上有不同用途的孔，從而可以組成多種場(chǎng)合不同形式的探頭，該儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，靈敏度高，測(cè)量準(zhǔn)確，使用方便，易于推廣，可廣泛地應(yīng)用于山區(qū)和平原的地球物理、固體潮、地殼微小傾斜量和地震的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)等。
文檔編號(hào)G01C9/00GK2064042SQ8921387
公開(kāi)日1990年10月17日 申請(qǐng)日期1989年7月10日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月10日
發(fā)明者馬鴻鈞, 王兆義, 池順良, 駱鳴津, 王永選 申請(qǐng)人:河南省地震局