基于靜電力平衡反饋控制的兩自由度地殼形變觀測(cè)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于靜電力平衡反饋控制的兩自由度地殼形變觀測(cè)裝置，涉及地震前兆預(yù)警觀測(cè)技術(shù)。固體潮汐信號(hào)和地殼形變旋轉(zhuǎn)信號(hào)進(jìn)入主體；主體、第1電容檢測(cè)電路、第1PID控制電路、第1靜電力驅(qū)動(dòng)電路和主體依次閉環(huán)連接；主體、第2電容檢測(cè)電路、第2PID控制電路、第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路和主體依次閉環(huán)連接；第1靜電力驅(qū)動(dòng)電路和第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路分別與加法器連接，輸出固體潮汐電壓信號(hào)；第1靜電力驅(qū)動(dòng)電路和第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路分別與減法器連接，輸出地殼形變旋轉(zhuǎn)電壓信號(hào)。本發(fā)明具有單點(diǎn)水平量和旋轉(zhuǎn)量同時(shí)測(cè)量，觀測(cè)頻帶廣，動(dòng)態(tài)范圍大，線性度好；是一種地殼形變觀測(cè)寬頻帶反饋式的儀器，適用于地震前兆預(yù)警。
【專利說明】
基于靜電力平衡反饋控制的兩自由度地殼形變觀測(cè)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及地震前兆預(yù)警觀測(cè)技術(shù)，尤其涉及一種基于靜電力平衡反饋控制的兩自由度地殼形變觀測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]地震前兆預(yù)測(cè)地震是地震研究工作重大課題之一。成功預(yù)測(cè)地震發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、大小也是世界性的難題，很大程度上是與不能獲得全面的、足夠精度和數(shù)量的與地震前兆相聯(lián)系的信息有關(guān)。地殼形變測(cè)量是地震前兆預(yù)測(cè)地震的主要手段之一，物理概念清晰，直接反映地殼變化的情況，解釋地殼受力與變形乃至斷裂發(fā)生地震的過程和終結(jié)。
[0003]進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)家對(duì)地震前兆儀器又有了更高更明確的要求，在儀器的參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)中，形變儀器這一塊也有了相應(yīng)的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)擺式儀器來說，明確地要求了儀器分辨力為萬分之二角秒，相對(duì)分辨力為10—9量級(jí)，同時(shí)在頻帶上也有了新的要求。
[0004]國(guó)家地震前兆臺(tái)網(wǎng)中傾斜類觀測(cè)儀器目前在網(wǎng)納入管理的臺(tái)站有184個(gè)，主要測(cè)項(xiàng)為水平擺傾斜觀測(cè)、垂直擺傾斜觀測(cè)、水管傾斜觀測(cè)和鉆孔傾斜觀測(cè)，觀測(cè)儀器有280套。其中水平擺傾斜儀59套、垂直擺傾斜儀80套、水管傾斜儀107套、鉆孔傾斜儀34套；(數(shù)據(jù)截止于2013年底)以上除了部分垂直擺傾斜儀是二十一世紀(jì)以后研發(fā)的儀器，其他的儀器都是上個(gè)世紀(jì)的產(chǎn)物，最老的儀器研發(fā)于50年前。隨著年限的增長(zhǎng)，很多老儀器都出現(xiàn)了維修困難等情況，嚴(yán)重的甚至停止觀測(cè)。因此，現(xiàn)在迫切需要一款新的前兆擺式儀器對(duì)我國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充。
[0005]目前，現(xiàn)有的在網(wǎng)觀測(cè)擺式儀器都是開環(huán)的儀器。然而，我們應(yīng)該注意到傳感器質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)是地動(dòng)加速度引起的，因此，儀器測(cè)量的物理量應(yīng)為加速度量。而開環(huán)的儀器檢測(cè)的是質(zhì)量塊的傾斜角度，也就是位移量。只有閉環(huán)反饋的儀器檢測(cè)的是加速度量。因此，反饋式擺式儀器對(duì)地震前兆觀測(cè)是必要的補(bǔ)充。
[0006]長(zhǎng)期以來，地震科研人員希望從地球固體潮的變化，或異常中探索臨震預(yù)報(bào)的可能。然而，研究表明固體潮的變化或異常暫時(shí)只能為地震中期、中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)服務(wù)。在2008年汶川地震后，研究人員發(fā)現(xiàn)，超寬頻帶地震儀能夠監(jiān)測(cè)到高頻的信息，有可能觀測(cè)到臨震信息(張燕，超寬頻帶地震計(jì)觀測(cè)到的汶川地震震前異常，2011，大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué))。由于現(xiàn)有的擺式儀器是開環(huán)的儀器，它受限于擺長(zhǎng)固有周期的限制，幾乎不可能將觀測(cè)頻率提高到IHz以上;而閉環(huán)的擺式儀器，由于反饋力的存在，可以將開環(huán)增益提高，以提高儀器固有頻率，可以做到I OHz高頻。
[0007]在世界范圍內(nèi)，地球重力場(chǎng)的科學(xué)研究、衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)技術(shù)和物理探測(cè)技術(shù)等的發(fā)展也是日新月異?？臻g衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)技術(shù)中，靜電加速度計(jì)是這一技術(shù)的主要載荷，它在衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)中起到了核心作用。與地震前兆儀器的地?cái)[式儀器儀器指標(biāo)比較，不難發(fā)現(xiàn)，這一技術(shù)非常適用在擺式儀器上面。不僅如此，這種包含了靜電反饋技術(shù)的加速度計(jì)可以擺脫傳統(tǒng)單分量測(cè)量的限制，可以同時(shí)測(cè)量多自由度;這在地學(xué)儀器上是一種巨大的進(jìn)步。
[0008]在新型擺式儀器的研制中，對(duì)儀器有著嚴(yán)格的要求，如儀器的功耗、尺寸和機(jī)械連接等。這里，以靜電反饋技術(shù)為支撐，檢測(cè)質(zhì)量塊用單絲懸吊取代高壓懸浮，同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的線加速度和一個(gè)方向的角加速度。
[0009]將空間技術(shù)引入到地殼形變儀器的研究，這本身就是一種新的思想。通過靜電加速度計(jì)原理、機(jī)械和電路等的研究，以及以此為技術(shù)基礎(chǔ)，把該技術(shù)用在擺式儀器的研制上，這種包含了靜電反饋在內(nèi)的擺式儀器必將具有著重要的現(xiàn)實(shí)和科學(xué)意義，必將帶動(dòng)地震前兆儀器的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種基于靜電力平衡反饋控制的兩自由度地殼形變觀測(cè)裝置，從而能夠精確地測(cè)出微小的位移和角度變化，并能夠檢測(cè)到直流至1Hz的高頻振動(dòng)，進(jìn)而提高微位移的檢測(cè)精度和范圍，同時(shí)，兩自由度的設(shè)計(jì)使得本發(fā)明不僅能夠檢測(cè)位移，還能檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
[0011 ]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
將差動(dòng)電容傳感器的定極板上設(shè)計(jì)成兩塊面積相同、相互不連通的兩塊電極板，這樣的兩塊定極板與動(dòng)極板形成兩對(duì)差動(dòng)電容;單絲懸掛的機(jī)械設(shè)計(jì)使得動(dòng)極板能夠響應(yīng)水平方向的傾斜和旋轉(zhuǎn)信號(hào)；在差動(dòng)電容傳感器的動(dòng)極板上，接入穩(wěn)定的直流偏置信號(hào)和穩(wěn)定的交流激勵(lì)信號(hào)，并將兩對(duì)差動(dòng)電容與閉環(huán)靜電力反饋控制系統(tǒng)相接，使定極板能夠在感應(yīng)電容差的同時(shí)可以對(duì)動(dòng)極板施加兩個(gè)靜電力，兩個(gè)靜電力的和能夠平衡動(dòng)極板在水平方向上的傾斜分量，兩個(gè)靜電力的差能夠平衡動(dòng)極板在水平方向的旋轉(zhuǎn)分量，這樣的兩自由度的測(cè)量方式使得動(dòng)極板回歸至差動(dòng)電容傳感器的中心位置。
[0012]單絲懸掛的結(jié)構(gòu)決定了地殼傾斜和旋轉(zhuǎn)變化是同時(shí)加載在動(dòng)極板上的，兩對(duì)差動(dòng)電容實(shí)時(shí)響應(yīng)動(dòng)極板的變化;每對(duì)差動(dòng)電容通過各自電容電橋電路、直流放大電路、交流放大電路、同步解調(diào)電路、低通濾波電路、PID調(diào)節(jié)電路和靜電力驅(qū)動(dòng)電路向定極板上反饋兩個(gè)大小相同、方向相反的電壓;一對(duì)大小相同、方向相反的反饋電壓在一對(duì)差動(dòng)電容上形成一路靜電力，兩路靜電力的和用來平衡動(dòng)極板在水平方向的傾斜分量，兩個(gè)靜電力的差用來平衡動(dòng)極板在水平方向的旋轉(zhuǎn)分量。
[0013]具體地說，本裝置包括主體、第I電容檢測(cè)電路、第2電容檢測(cè)電路、第IPID控制電路、第2PID控制電路、第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路、第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路、電壓饋入電路、加法器和減法器；
固體潮汐信號(hào)和地殼形變旋轉(zhuǎn)信號(hào)進(jìn)入主體；
主體、第I電容檢測(cè)電路、第IPID控制電路、第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路和主體依次閉環(huán)連接； 主體、第2電容檢測(cè)電路、第2PID控制電路、第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路和主體依次閉環(huán)連接； 第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路和第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路分別與加法器連接，輸出固體潮汐電壓信號(hào)；
第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路和第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路分別與減法器連接，輸出地殼形變旋轉(zhuǎn)電壓信號(hào)。
[0014]本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
①具有單點(diǎn)水平量和旋轉(zhuǎn)量同時(shí)測(cè)量，觀測(cè)頻帶廣，動(dòng)態(tài)范圍大，線性度好；
②既可反映固體潮的變化和高頻振動(dòng)，也能觀測(cè)到地殼形變旋轉(zhuǎn)量的變化； ③不僅能有效地填補(bǔ)我國(guó)地動(dòng)觀測(cè)沒有高頻儀器的空白，而且有望基于其高頻觀測(cè)和測(cè)量旋轉(zhuǎn)量的特點(diǎn)尋找地震前兆相關(guān)的有用信息；
④是一種地殼形變觀測(cè)寬頻帶反饋式的儀器，適用于地震前兆預(yù)警。
【附圖說明】
[0015]圖1是本裝置的結(jié)構(gòu)方框圖；
圖2是主體的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是懸絲固定調(diào)整器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是電容檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)方框圖。
[0016]圖中:
100—主體，
101 —基座，
1021—第I支撐腳，1022—第2支撐腳，1023—第3支撐腳，
103—?jiǎng)訕O板，
1041一第I定極板，1042—第2定極板，
105—懸絲，
106—支架，
107一外殼，
108—懸絲固定調(diào)整器，
1081—支架環(huán)，1082—活動(dòng)塊，1083—微調(diào)螺釘，1084—懸絲固定快；
109—懸絲屏蔽管，
110—側(cè)位止位螺釘，
111一正位止位螺釘；
200—電容檢測(cè)電路，
210—第I電容檢測(cè)電路
211—第I電容電橋電路，
212 一第I電流放大電路，
213—第I交流電壓放大電路，
214 一第I同步解調(diào)電路，
215—第I低通濾波電路，
216—第I直流補(bǔ)償放大電路；
220—第2電容檢測(cè)電路
221—第2電容電橋電路，
222—第2電流放大電路，
223—第2交流電壓放大電路，
224一第2同步解調(diào)電路，
225—第2低通濾波電路，
226—第2直流補(bǔ)償放大電路；
310—第IPID控制電路，320—第2PID控制電路； 410—第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路，420—第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路；
500—電壓饋入電路；
610—加法器，620一減法器；
A—固體潮汐信號(hào)，B—地殼形變旋轉(zhuǎn)信號(hào)；
C一固體潮汐電壓信號(hào)，D—地殼形變旋轉(zhuǎn)電壓信號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本裝置詳細(xì)說明:
1、總體
如圖1，本裝置包括主體100、第I電容檢測(cè)電路210、第2電容檢測(cè)電路220、第IPID控制電路310、第2PID控制電路320、第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路410、第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路420、電壓饋入電路500、加法器610和減法器620;
固體潮汐信號(hào)A和地殼形變旋轉(zhuǎn)信號(hào)B進(jìn)入主體100;
主體100、第I電容檢測(cè)電路210、第IPID控制電路310、第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路410和主體100依次閉環(huán)連接；
主體100、第2電容檢測(cè)電路220、第2PID控制電路320、第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路420和主體100依次閉環(huán)連接；
第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路410和第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路420分別與加法器610連接，輸出固體潮汝電壓信號(hào)C;
第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路410和第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路420分別與減法器620連接，輸出地殼形變旋轉(zhuǎn)電壓信號(hào)D。
[0018]2、功能部件
I)主體100
如圖2，主體100包括基座101、第I支撐腳1021、第2支撐腳1022、第3支撐腳1023、動(dòng)極板103、第I定極板1041、第2定極板1042、懸絲105、支架106和外殼107、懸絲固定調(diào)整器108、懸絲屏蔽管109、側(cè)位止位螺釘110和正位止位螺釘111;
外殼107和基座101上下連接組成一封閉的整體，在基座101下面設(shè)置有呈等腰直角三角形排列的第I支撐腳1021、第2支撐腳1022、第3支撐腳1023;
在外殼107內(nèi)壁設(shè)置有支架106，在支架106的兩邊分別設(shè)置有互為平行的第I定極板1041和第2定極板1042，在支架106的頂部中央設(shè)置有懸絲固定調(diào)整器108;
懸絲固定調(diào)整器108、懸絲105和動(dòng)極板103上下依次連接，動(dòng)極板103在第I定極板1041和第2定極板1042之間，均和基座101的等腰邊平行；
在懸絲105外套裝有固定在支架106上的懸絲屏蔽管109;
在動(dòng)極板103的兩側(cè)和上面設(shè)置有固定在支架106上的6個(gè)側(cè)位止位螺釘110;
在第I定極板1041和第2定極板1042的工作面分別設(shè)置有4個(gè)正位止位螺釘111。
[0019]* 基座 101
基座101是一種等腰直角三角形的金屬塊，并在3個(gè)頂角處設(shè)置有3個(gè)固定螺紋孔;腰邊600mm，厚度 30mm ；
使其有足夠的強(qiáng)度保證觀測(cè)的穩(wěn)定性。
[0020]*第I支撐腳1021、第2支撐腳1022、第3支撐腳1023 每個(gè)支撐腳包括依次連接的手輪、螺桿和腳墊；
3個(gè)腳墊分別設(shè)計(jì)成點(diǎn)、線、面的形狀，基座101的直角固定螺紋孔對(duì)應(yīng)于點(diǎn)形狀的腳墊，和動(dòng)極板103平行的固定螺紋孔對(duì)應(yīng)于線形狀的腳墊，和動(dòng)極板13垂直(敏感方向)的固定螺紋孔對(duì)應(yīng)于面形狀的腳墊。
[0021]* 動(dòng)極板 103
動(dòng)極板103是一種金屬長(zhǎng)方體。
[0022]*第I定極板1041、第2定極板1042
第I定極板1041和第2定極板1042結(jié)構(gòu)相同，是一種由K9光學(xué)玻璃做成的長(zhǎng)方體平板，每個(gè)定極板朝向動(dòng)極板103的面為工作面，其工作面設(shè)置有兩條面積相等的鍍金層，厚度約為 Iym ο
[0023]利用激光刻蝕技術(shù)將工作面垂直分解為前后兩個(gè)面積相等的獨(dú)立工作面。
[0024]* 懸絲 105
懸絲105為單根圓絲，直徑0.1mm，材料為恒彈合金3J53，與支架106頂部相連，懸掛動(dòng)極板103，使之能在水平面內(nèi)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0025]* 支架 106
支架106為一體式對(duì)稱性金屬結(jié)構(gòu)，滿足裝置的機(jī)械穩(wěn)定性;高度對(duì)稱性的設(shè)計(jì)，有利于消除溫度給裝置帶來的誤差。
[0026]* 外殼 107
外殼107是一種有蓋的金屬圓筒；
起保護(hù)、屏蔽和防潮的作用。
[0027]*懸絲固定調(diào)整器108
如圖3，懸絲固定調(diào)整器108包括支架環(huán)1081、活動(dòng)塊1082、微調(diào)螺釘1083和懸絲固定快1084；
在支架環(huán)1081內(nèi)通過6個(gè)微調(diào)螺釘1083和活動(dòng)塊1082連接，在活動(dòng)塊1082的中間設(shè)置有懸絲固定快1084;
所述的支架環(huán)1081是一種金屬環(huán)，在中心Y方向上設(shè)置有2個(gè)對(duì)稱的螺紋孔，在中心X方向上下設(shè)置有4個(gè)對(duì)稱的螺紋孔；
活動(dòng)塊1082是一種金屬塊，左右邊垂直平行，上下為弧形，中心為通孔；
微調(diào)螺釘1083是一種通用件。
[0028]懸絲固定塊1084是一種金屬方塊，用螺釘將通過懸絲固定塊1084中心通孔的懸絲105卡住。
[0029]其工作機(jī)理是:通過調(diào)整上下的2個(gè)微調(diào)螺釘1083使活動(dòng)塊1082按Y方向移動(dòng)，通過調(diào)整左右的4個(gè)微調(diào)螺釘1083使活動(dòng)塊1082按X方向移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。
[0030]*懸絲屏蔽管109
懸絲屏蔽管109是一種中空的金屬圓管，與支架106連接，起到保護(hù)和屏蔽懸絲105的作用。
[0031]*側(cè)位止位螺釘110
側(cè)位止位螺釘110是一種通用螺釘，它分布在動(dòng)極板103的四周，起到保護(hù)、絕緣和檢測(cè)的作用。
[0032]*正位止位螺釘111
正位止位螺釘111是一種通用螺釘，它分布在定極板的工作面上，起到保護(hù)、絕緣和檢測(cè)的作用。
[0033]2)電容檢測(cè)電路200
如圖4，電容檢測(cè)電路200包括結(jié)構(gòu)相同的第I電容檢測(cè)電路210和第2電容檢測(cè)電路
220；
*第I電容檢測(cè)電路210包括第I電容電橋電路211、第I電流放大電路212、第I交流電壓放大電路213、第I同步解調(diào)電路214、第I低通濾波電路215、第I直流補(bǔ)償放大電路216;
第I定極板1041和第2定極板1042的一對(duì)前半部差動(dòng)電容、第I電容電橋電路211、第I電流放大電路212、第I交流電壓放大電路213、第I同步解調(diào)電路214、第I低通濾波電路215、第I直流補(bǔ)償放大電路216依次連接，得到前半部差動(dòng)電容電壓值；
*第2電容檢測(cè)電路220包括第2電容電橋電路221、第2電流放大電路222、第2交流電壓放大電路223、第2同步解調(diào)電路224、第2低通濾波電路225、第2直流補(bǔ)償放大電路226;
第I定極板1041和第2定極板1042的一對(duì)后半部差動(dòng)電容、第2電容電橋電路221、第2電流放大電路222、第2交流電壓放大電路223、第2同步解調(diào)電路224、第2低通濾波電路225、第2直流補(bǔ)償放大電路226依次連接，得到后半部差動(dòng)電容電壓值。
[0034]*第I電容電橋電路211和第2電容電橋電路221
第I電容電橋電路211和第2電容電橋電路221是一種結(jié)構(gòu)相同的通用電橋電路；
第I電容電橋電路211檢測(cè)的差動(dòng)電容為第I定極板1041和第2定極板1042的一對(duì)前半部與動(dòng)極板103形成的差動(dòng)電容；
第2電容電橋電路221檢測(cè)的差動(dòng)電容為第I定極板1041和第2定極板1042的一對(duì)后半部與動(dòng)極板103形成的差動(dòng)電容。
[0035]*其它電路均為通用電路。
[0036]3)第IPID控制電路310、第2PID控制電路320
第IPID控制電路310和第2PID控制電路320結(jié)構(gòu)相同，是一種通用的比例、積分、微分電路；
調(diào)理整個(gè)裝置的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)，使得整個(gè)裝置的信號(hào)輸出更加穩(wěn)定。
[0037]4)第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路410、第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路420
第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路410和第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路420結(jié)構(gòu)相同，是一種通用的信號(hào)調(diào)理電路。
[0038]提供足夠功率的大小相等、方向相反的兩路反饋驅(qū)動(dòng)電壓，分別加載到第I定極板1041和第2定極板1042上，使其與動(dòng)極板103上的直流偏置電壓形成靜電力。
[0039]5)電壓饋入電路500
電壓饋入電路50是一種交直流疊加電路；
其直流偏置電壓與交流激勵(lì)電壓疊加后饋入動(dòng)極板103，直流偏置電壓分別給第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路410、第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路420提供基準(zhǔn)電壓，交流激勵(lì)電壓為固體潮汐信號(hào)A的載波信號(hào)。
[0040]6)加法器610、減法器620 加法器610和減法器620均是一種通用電路；
加法器610得到的結(jié)果為固體潮汐電壓信號(hào)C;
減法器620得到的結(jié)果為地殼形變旋轉(zhuǎn)電壓信號(hào)D。
[0041]3、工作機(jī)理
本裝置主體100響應(yīng)固體潮汐信號(hào)A和地殼形變旋轉(zhuǎn)信號(hào)B，動(dòng)極板103將其轉(zhuǎn)化為位移變化，動(dòng)極板103與第I定極板1041和第2定極板1042之間有相對(duì)位移;使得三者構(gòu)成的兩路差動(dòng)電容的電容值實(shí)時(shí)發(fā)生變化;該變化的一路通過電容檢測(cè)電路210、PID控制電路310和靜電力驅(qū)動(dòng)電路410的調(diào)理，將大小相等、方向相反的兩路反饋電壓加載到第I定極板1041和第2定極板1042得前半部差動(dòng)電容上，使其與動(dòng)極板103上的直流偏置電壓形成第I靜電力；另一路通過電容檢測(cè)電路220、PID控制電路320和靜電力驅(qū)動(dòng)電路420的調(diào)理，將大小相等、方向相反的兩路反饋電壓加載到第I定極板1041和第2定極板1042得后半部差動(dòng)電容上，使其與動(dòng)極板103上的直流偏置電壓形成第2靜電力；第I靜電和第2靜電力的電壓和為固體潮汐電壓信號(hào)C;第I靜電和第2靜電力的電壓差為地殼形變旋轉(zhuǎn)信號(hào)D;
4、測(cè)量原理
單絲懸掛的動(dòng)極板103最大特點(diǎn)是，不僅能響應(yīng)水平X方向的加速度，而且能夠響應(yīng)Z軸方向的扭轉(zhuǎn)(角加速度)。
[0042]二自由度測(cè)量的基本原理是在水平X方向布置對(duì)稱于豎直Z軸的Xl、X2 二對(duì)電容傳感器(圖4中的面積A和面積B)，通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)，得到FXl和FX2的兩個(gè)反饋力。具有二個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式:
式 1: Δ FXi=FXi+FX2=mg0 β= Δ FXi/mg
式I中:△ FX1K饋力的和，m擺的質(zhì)量，g重力加速度，β傾斜角(水平X方向)。
[0043]式2:AFX2=FX1-FX2= JZ9"/bΘ "=AFX2 Xb/JZ
式2中:AFX反饋力的差，JZ為繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，b為靜電力至z軸的距離，Θ〃為z軸角加速度。
[0044]從式I得到合力ΔFXi，除以質(zhì)量即為加速度；
從式2得到反饋力的差值A(chǔ)FX2，乘以力矩除以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量即為Z軸的角加速度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于靜電力平衡反饋控制的兩自由度地殼形變觀測(cè)裝置，其特征在于: 包括主體(100)、第I電容檢測(cè)電路(210)、第2電容檢測(cè)電路(220)、第IPID控制電路(310)、第2PID控制電路(320)、第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路(410)、第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路(420)、電壓饋入電路(500)、加法器(610)和減法器(620)； 固體潮汐信號(hào)(A)和地殼形變旋轉(zhuǎn)信號(hào)(B)進(jìn)入主體(100); 主體(100)、第I電容檢測(cè)電路(210)、第IPID控制電路(310)、第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路(410)和主體(100 )依次閉環(huán)連接； 主體(100)、第2電容檢測(cè)電路(220)、第2PID控制電路(320)、第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路(420)和主體(100 )依次閉環(huán)連接； 第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路(410)和第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路(420)分別與加法器(610)連接，輸出固體潮汐電壓信號(hào)(C); 第I靜電力驅(qū)動(dòng)電路(410)和第2靜電力驅(qū)動(dòng)電路(420)分別與減法器(620)連接，輸出地殼形變旋轉(zhuǎn)電壓信號(hào)(D )。2.按權(quán)利要求1所述的兩自由度地殼形變觀測(cè)裝置，其特征在于: 所述的主體(100)包括基座(101)、第I支撐腳(1021)、第2支撐腳(1022)、第3支撐腳(1023)、動(dòng)極板(103)、第I定極板(1041)、第2定極板(1042)、懸絲(105)、支架(106)和外殼(107),懸絲固定調(diào)整器(108)、懸絲屏蔽管(109)、側(cè)位止位螺釘(110)、正位止位螺釘(111)和鎖擺(112); 外殼(107)和基座(101)上下連接組成一封閉的整體，在基座(101)下面設(shè)置有呈等腰直角三角形排列的第I支撐腳(1021 )、第2支撐腳(1022)、第3支撐腳(1023); 在外殼(107)內(nèi)壁設(shè)置有支架(106)，在支架(106)的兩邊分別設(shè)置有互為平行的第I定極板(1041)和第2定極板(1042)，在支架(106)的頂部中央設(shè)置有懸絲固定調(diào)整器(108); 懸絲固定調(diào)整器(108)、懸絲(105)和動(dòng)極板(103)上下依次連接，動(dòng)極板(103)在第I定極板(1041)和第2定極板(1042)之間，均和基座(101)的等腰邊平行； 在懸絲(105)外套裝有固定在支架(106)上的懸絲屏蔽管(109); 在動(dòng)極板(103)的兩側(cè)和上面設(shè)置有固定在支架(106)上的6個(gè)側(cè)位止位螺釘(110); 在第I定極板(1041)和第2定極板(1042)的工作面分別設(shè)置有4個(gè)正位止位螺釘(111); 所述的基座(101)是一種等腰直角三角形的金屬塊； 所述的支撐腳包括依次連接的手輪、螺桿和腳墊，3個(gè)腳墊分別設(shè)計(jì)成點(diǎn)、線、面的形狀，基座(101)的直角固定螺紋孔對(duì)應(yīng)于點(diǎn)形狀的腳墊，和動(dòng)極板(103)平行的固定螺紋孔對(duì)應(yīng)于線形狀的腳墊，和動(dòng)極板(13)垂直的固定螺紋孔對(duì)應(yīng)于面形狀的腳墊； 所述的第I定極板(1041)和第2定極板(1042)結(jié)構(gòu)相同，是一種由K9光學(xué)玻璃做成的長(zhǎng)方體平板，每個(gè)定極板朝向動(dòng)極板(103)的面為工作面，其工作面設(shè)置有兩條面積相等的鍍金層，厚度約為Iym; 所述的懸絲固定調(diào)整器(108)包括支架環(huán)(1081)、活動(dòng)塊(1082)、微調(diào)螺釘(1083)和懸絲固定快(1084);在支架環(huán)(1081)內(nèi)通過6個(gè)微調(diào)螺釘(1083)和活動(dòng)塊(1082)連接，在活動(dòng)塊(1082)的中間設(shè)置有懸絲固定快(1084);所述的支架環(huán)(1081)是一種金屬環(huán)，在中心Y方向上設(shè)置有2個(gè)對(duì)稱的螺紋孔，在中心X方向上下設(shè)置有4個(gè)對(duì)稱的螺紋孔;活動(dòng)塊(1082)是一種金屬塊，左右邊垂直平行，上下為弧形，中心為通孔;懸絲固定塊(1084)是一種金屬方塊，用螺釘將通過懸絲固定塊(1084)中心通孔的懸絲(105)卡住。3.按權(quán)利要求1所述的兩自由度地殼形變觀測(cè)裝置，其特征在于: 所述的電容檢測(cè)電路(200)包括結(jié)構(gòu)相同的第I電容檢測(cè)電路(210)和第2電容檢測(cè)電路(220); 第I電容檢測(cè)電路(210)包括第I電容電橋電路(211)、第I電流放大電路(212)、第I交流電壓放大電路(213)、第I同步解調(diào)電路(214)、第I低通濾波電路(215)、第I直流補(bǔ)償放大電路(216); 第I定極板(1041)和第2定極板(1042)的一對(duì)前半部差動(dòng)電容、第I電容電橋電路(211)、第I電流放大電路(212)、第I交流電壓放大電路(213)、第I同步解調(diào)電路(214)、第I低通濾波電路(215 )、第I直流補(bǔ)償放大電路(216 )依次連接，得到前半部差動(dòng)電容電壓值； 第2電容檢測(cè)電路(220)包括第2電容電橋電路(221)、第2電流放大電路(222)、第2交流電壓放大電路(223)、第2同步解調(diào)電路(224)、第2低通濾波電路(225)、第2直流補(bǔ)償放大電路(226); 第I定極板(1041)和第2定極板(1042)的一對(duì)后半部差動(dòng)電容、第2電容電橋電路(221)、第2電流放大電路(222)、第2交流電壓放大電路(223)、第2同步解調(diào)電路(224、)第2低通濾波電路(225)、第2直流補(bǔ)償放大電路(226)依次連接，得到后半部差動(dòng)電容電壓值； 所述的第I電容電橋電路(211)和第2電容電橋電路(221)是一種結(jié)構(gòu)相同的通用電橋電路； 第I電容電橋電路(211)檢測(cè)的差動(dòng)電容為第I定極板(1041)和第2定極板(1042)的一對(duì)前半部與動(dòng)極板(103)形成的差動(dòng)電容； 第2電容電橋電路(221)檢測(cè)的差動(dòng)電容為第I定極板(1041)和第2定極板(1042)的一對(duì)后半部與動(dòng)極板(103)形成的差動(dòng)電容。
【文檔編號(hào)】G01B7/16GK105953720SQ201610540063
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年7月10日
【發(fā)明人】吳濤, 李樹德, 張道忠, 周云耀, 張黎
【申請(qǐng)人】中國(guó)地震局地震研究所, 武漢地震科學(xué)儀器研究院有限公司