石英水平摆倾斜仪灵敏度高、稳定性好,在我国前兆地震台网中得到较为广泛的应用。为进一步提高倾斜仪性能指标,李际弘等(2018)引入静电力反馈技术,采用高精度差动式电容换能器替代原来的涡流传感器,并通过电子线路将差动式电容换能器的输出处理后反馈给差动式电容传感器的中心极板,在两侧固定极板的直流电压作用下,该反馈电压将会在中心极板上产生一静电力。如此,改进后倾斜仪的机械部分和电路部分构成一个负反馈系统,从而改善仪器的工作频带、动态范围、线性度等技术指标。
对于石英水平摆倾斜仪,常用标定方法有2种:①利用实验室精密倾斜平台进行标定,无法实现台站现场标定;②采用胀盒—水银杯装置,升高或者降低水银杯,胀盒空腔所受压力不同,产生不同大小的弹性形变,观察该微小形变下仪器的输出,即可计算仪器格值/灵敏度。对于垂直摆倾斜仪,马武刚等(2012)提出利用压电陶瓷的压电效应产生微小形变来模拟地面倾斜变化的办法,标定垂直摆倾斜仪的格值/灵敏度。但是,观测仪器的在线检测,除标定其灵敏度外,还需对其动态特性进行检测,也就是在线测试其频率特性(或者说传递函数),以实现对观测设备工作状态的实时监测。
针对宽频带石英水平摆倾斜仪,提出一种频率特性特性的动态测试方法。标定电压信号通过双向开关和电阻,与反馈电压一起输送至摆锤。当双向开关接地时,即标定输入电压信号为零时,该静电反馈石英水平摆倾斜仪处于正常工作状态;当双向开关接标定电压信号时,静电反馈石英水平摆倾斜仪处于标定工作状态。当宽频带石英水平摆倾斜仪处于标定工作状态时,仪器的输入除地面倾斜引起的摆锤运动外,还有标定电压信号引起的摆锤运动。
如果将阶跃电压信号或者频率小于5 Hz的正弦波电压信号作为标定信号送给摆锤,在两侧极板固定直流电压的作用下,该标定电压信号如同反馈电压,也将会对摆锤产生静电力,摆锤位置会发生微小变化,从这个角度讲,该标定电压信号模拟的是地面运动。进一步推导宽频带石英水平摆倾斜仪对地面运动的传递函数,以及其对标定电压信号的传递函数,可以发现形式类似,只是系数不同,说明该仪器对外部输入的电压信号和地面运动的响应是等价的,通过输入标定电压信号来模拟地面倾斜运动,并对仪器的输出响应进行分析,可得到静电反馈石英水平摆倾斜仪的周期和阻尼参数,进而得到传递函数表达式。
在实验室对该仪器进行频率特性测试实验。利用信号发生器,将特定幅值的阶跃电压信号和离散频点的等幅正弦波电压信号,发送至宽频带石英水平摆倾斜仪,得到仪器对应的输出响应信号。采用专用地震数据采集器,读取阶跃标定响应信号和正弦波标定响应信号,并通过网口实时传输至计算机。将实验数据进行处理,对比静电反馈石英水平摆倾斜仪阶跃标定拟合结果与正弦波标定拟合结果,发现通过2种手段得到的仪器固有振荡角频率和阻尼基本一致,虽略有区别,但在误差允许范围内,说明测试所得静电反馈石英水平摆倾斜仪固有振荡角频率和阻尼是有效的,表明文中提出的频率特性动态测试方法是可行的,配置标定信号源,可实现宽频带石英水平摆倾斜仪的在线标定。
李际弘, 高尚华, 薛兵. 力平衡反馈在石英水平摆倾斜仪中的应用研究[J]. 地球物理学报, 2018, 61(11): 4486-4492. DOI:10.6038/cjg2018L0292 |
马武刚, 卢海燕, 胡国庆, 等. VP型垂直摆倾斜仪校准装置的设计[J]. 大地测量与地球动力学, 2012, 32(4): 152-155. |