（固体地球物理学专业论文）伸缩仪电路改进及其检测软件设计.pdf

” l m a s t e r sd e g r e ed i s s e r t a t i o n a ni m p r o v e m e n to ft h ec i r c u i ta n dp r o g r a m m i n go nt h et e s t i n g s o f t w a r eo fe x t e n s o m e t e ri n s t r u c t i o n m a s t e rc a n d i d a t e ：y a n g ji a n g t u t o r ：p r o f l vc h o n g w u m a jo r ：s o l i d g e o p h y s i c s r e s e a r c hf i e l d ：t h eo b s e r v a t i o nt e c h n i q u eo f c r u s t a ld e f o r m a t i o na n de a r t h q u a k e i n s t i t u t eo fs e i s m o l o g y c h i n ae a r t h q u a k ea d m i n i s t r a t i o n w u h a nc h i n a j u n e ，2 0 0 6 学位论文版权使用授权书 本人完全了解中国地震局地震研究所关于收集、保存、使用学位论 文的规定，同意如下各项内容：按照地震所要求提交学位论文的印刷本 和电子版本；地震所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；地震所有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；地震所有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的 的前提下，地震所可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名啊嘲 彬年钐月影e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在为卢年解密后适用本 授权书。 指导教师签名：匕 ，| q 护b 年6 月e t 学位论文作者签名：前吲 伽品年月谢e t 中国地震局地震研究所 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研 究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的 内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在 文中以明确方式表明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 躲侗v w 彩年易月形e l 摘要 摘要 伸缩仪是精密测量地壳岩体两点之间距离相对变化的仪器，适用于观测地 壳和固体潮水平分量的连续变化，为研究地震孕育过程水平应变的变化规律和 地球弹性研究提供重要数据。 从7 0 年代初，第一次成功研制出伸缩仪到现在，仪器的灵敏度、稳定性、 实用性都得到不断提升。s s y 型伸缩仪已经广泛应用于全国硐体应变测量，“十 五 项目要求在全国增设5 0 多个台站，为满足这一需求，需要高集成化的传 感器以简化生产过程的调试及便于使用中的检修；为满足批量生产，需要增加 智能化检测软件设计以提高检测效率。 本文详细介绍伸缩仪的工作原理及利用新型芯片a d 5 9 8 对伸缩仪的电路 进行改进设计的方法，并介绍了通过软件来实现伸缩仪检验过程的自动化。 通过对伸缩仪系统各部分的详细介绍，加深对伸缩仪系统的理解，了解了 伸缩仪设计中可能存在的潜在问题。在利用a d 5 9 8 芯片对电路设计的过程中， 其测试结果表明用a d 5 9 8 芯片设计的传感器能适用于应变观测，由于a d 5 9 8 能同时驱动多个l v d t ( l i n e a rv a r i a b l ed i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e r ) ，因此它尤其 适用于差分式伸缩仪的应用。软件的设计主要是利用v i s u a lb a s i c 6 0 作为软件 开发平台。利用m s c o m m 控件进行串口通信；利用无缝连接操作e x c e l 进行 报表制作。该软件已经应用于本实验室的测试工作，在一定程度减少了手动工 作的工作量，期望能通过后期工作的不断完善来使不同的软件整合为一个整体 从而提高实验室工作的自动化水平。最后本文提出了进一步的改进设想。 关键字：伸缩仪应变传感器自动检测m s c o m m 控件无缝连接 摘要 a b s t r a c t t h ee x t e n s o m e t e ri n s t r u c t i o ni sap r e c i s i o nt o o lt h a tm e a s u r et h er e l a t i v e d i s t a n c eb e t w e e nt w op o i n t so nt h ec r u s t a ls u r f a c e ，i ta p p l i e st om e a s u r et h e c o n t i n u a ld e f o r m a t i o nw h a tt h el e v e lo ft h ee a r t h sc r u s ta n dt h ee a r t ht i d ed o ，a n d i tp r o v i d ei m p o r t a n td a t af o rt h ed e f o r m a t i o nl a wt h a tt h el e v e l ss t r a i no ft h eb i r t h p r o c e s so ne a r t h q u a k ea n dt h ee a r t hf l e x i b l es t u d y f r o mt h ee a r l y197 0 s ，t h ef i r s te x t e n s o m e t e ri n s t r u c t i o nh a db e e ns u c c e s s f u l m a n u f a c t u r e d ，t h es e n s i t i v i t y ，s t a b i l i t ya n dt h ep r a c t i c a l i t yo ft h ei n s t r u c t i o na r e c o n s t a n t l yu p g r a d e d t h em o d e ls s - ye x t e n s o m e t e ri n s t r u c t i o nh a v ea l r e a d y w i d e l ya p p l i e di nt h em e a s u r eo fd e p e n d e n tv a r i b l e b e a c u s et h e 10 t hf i v e - y e a r p l a nr e q u i r et oa d dm o r et h a n50 s t a t i o n s ，w em u s tp r e d i g e s tt h ed e b u go ft h e p r o d u c ea n dc o n v e n i e n tf o rr e p a i r e d ，a n dw en e e dt oa d dt h ei n t e l l e c t u a l i z e d t e s t s o f t w a r et oi m p r o v et h et e s te f f i c i e n c y t h i sd i s s e r t a t i o nd e t a i l e di n t r o d u c et h e o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e so ft h e i n s t r u c t i o na n dt h em e t h o do fr e d e s i g nt h ec i r c u i tu s eo ft h en e wc h i p sa d 5 9 8 ，a n d t h er e a l i z a t i o no ft h ei n s t r u c t i o n sa u t o m a t i o np r o c e s st h r o u g hc o m p i l es o f t w a r e t h r o u g hd e t a i l e dd e s c r i p tt h es y s t e mc o m p o n e n t s ，s y s t e m - e x t e n d a b l et od e e p e n t h eu n d e r s t a n d i n go ft h ei n s t r u c t i o nd e s i g np o t e n t i a lp r o b l e m st h a tm i g h te x i s t t h es o f t w a r ew a sc o m p i l e dw i t hv i s u a lb a s i c 6 0 t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n m o d u l ec o m m u n i c a t e sw i t hm s c o m mc o n t r o la n dt h er e p o r tf o r m sm o d u l eu s eo f s e a m l e s s c o n n e c t i v i t yp r o d u c t i o n b e t w e e nt h ee x c e la n dt h ev b 6 0 w e e x p e c t a t i o nt h r o u g hc o n s t a n ti m p r o v e m e n tw o r kl a t et om a k ed i f f e r e n ts o f t w a r e i n t e g r a t i o na saw h o l et oi m p r o v et h el e v e lo fa u t o m a t i o ni nl a b o r a t o r y f i n a l l y ， t h ed i s s e r t a t i o ng i v e saf a r t h e rt e n t a t i v ep l a nt h a tu s i n gd i f f e r e n c es t r u c t u r et o a c h i e v ee x t e n d a b l et h ei n s t r u c t i o ni m p r o v e m e n t s k e y w o r d s ：e x t e n s o m e t e ri n s t r u c t i o n ，d e p e n d e n tv a r i a b l e ，s e n s o r ，a u t o t e s t ， m s c o m mc o n t r o l ，s e a m l e s sc o n n e c t i v i t y n 蹬 斗 目录 目录 第一章 绪论1 1 1 伸缩仪发展的背景和现状1 1 2 现今伸缩仪存在的不足2 1 3 本论文研究的目的及内容3 1 4 伸缩仪发展的方向4 1 5 本章小结4 第二章s s y 伸缩仪综述5 2 1 传感器6 2 1 1 差动变压器原理6 2 1 2 前置放大器7 2 2 检定装置13 2 3 主机14 2 4e p i i ii p 采集控制器14 2 5 仪器使用环境条件1 5 2 5 1 环境要求1 5 2 5 2 仪器硐室墩位设置1 6 2 6 仪器的综合布线16 2 7 整机调试与检定16 2 8 本章小结17 第三章a d 5 9 8 线位移差动变压器信号调节器介绍1 8 3 1a d 5 9 8 信号调节器的基本特点18 3 2a d 5 9 8 信号调节器的基本技术指标一19 3 3a d 5 9 8 应用原理2 1 3 4a d 5 9 8 芯片功能分析2 2 3 5a d 5 9 8 a d 双列直插芯片管脚定义2 3 3 6 本章小结一2 3 第四章a d 5 9 8 在s s y 伸缩仪中的应用2 4 4 1a d 5 9 8 应用的电路设计2 4 4 2 电路中参数的确定- 2 7 4 3a d 5 9 8 电路和原传感器电路对比测试- 2 9 4 4a d 5 9 8 芯片应用前景3 7 4 5 本章小结3 8 - 第五章s s y 伸缩仪软件检测设计3 9 i i i 目录 5 1 实验数据的处理及产品报表的制作3 9 - 5 1 1 实验数据的处理3 9 5 1 2 产品报表的制作一4 2 5 2 标定器软件编写- 4 4 5 2 1 软件的设计原则及实现的功能一4 4 - 5 2 2 应用程序功能设计- 4 6 5 2 3 通信模块一4 6 5 2 4 软件登陆模块- 5 1 5 2 5 报表制作模块- 5 5 5 3 软件界面一5 8 - 5 4 本章小结5 9 - 第六章结论及系统的进一步改进设想一6 0 6 1 结论- 6 0 一 6 2 研究成果一6 0 6 3 系统的进一步改进设想一6 0 6 3 1 自由式差分结构的伸缩仪- 6 i 6 3 2 固定式差分结构的伸缩仪6 l - 6 3 3 改用电容传感器的设计6 2 6 4 本章小结一6 3 - 参考文献- 6 4 一 致 谢。一6 6 - 作者介绍- 6 7 第一章绪论 第一章绪论 自l9 6 6 年河北邢台地震以来，我国的地震事业开始得到了全社会的深切关 注，地震监测预报工作也因此得以蓬勃发展。为适应地震监测和地震预报研究 的需要，台站地壳变动连续观测技术开始兴起，伸缩仪也在此潮流中应运而生。 诚然，由于2 0 多年前对应力、应变测量技术在理论上、实践上认识的局限性 和技术条件的限制，在当时仅仅只是几种测力仪表直接应用到地震研究和监测 中去。它们虽然难于胜任地震监测预报要求，但却为现今伸缩仪的发展奠定了 良好的基础【1 1 。 1 1 伸缩仪发展的背景和现状 伸缩仪是精密测量地壳岩体两点之间距离相对变化的仪器，适用于观测地 壳和固体潮水平分量的连续变化，为研究地震孕育过程水平应变的变化规律和 地球弹性研究提供重要数据【2 j 。 第一台有价值的石英伸缩仪于19 15 年由美国地震学家贝尼奥夫( h b e n i o f f ) 研制成功，其后美、英、苏、日、比、德等国都相继研制了高灵敏度的伸缩仪。 仪器的灵敏度一般都在潮汐灵敏度1 0 4 以上。 我国的地震预报事业起步于19 6 6 年邢台地震以后e 3 】。7 0 年代初，研制成 功了目视伸缩仪，在几个台站安装使用，为研究应变与地震奠定了初步基础。 l9 8 3 年成功研制出第二代观测仪一s s y - 型水平石英伸缩仪m j ，其灵敏度为 1 0 - 9 ，能清晰的记录固体潮汐，为我国在这一领域里进入国际先进行列做出了 贡献。全国有近3 0 个台站曾经安装使用过s s y - i i 型水平石英伸缩仪，经过十 几年的台站使用，为地震预报分析积累了大量的宝贵资料【5 】。 1 9 9 8 年，我们所又一次推出了新型的应变观测仪一s s y 型伸缩仪，相对 与以前的石英伸缩仪有了比较大的改进，新型伸缩仪有许多比较明显的优势： 1 、提高了仪器的灵敏度，其基线在不大于1o 米时，能记录到明显的应变 固体潮汐，因此有“短基线伸缩仪 之称。 2 、基线使用含铌特种因瓦棒，其温度系数比石英还要小。因瓦棒的连接、 安装调试和运输都比石英简便、安全，避免了石英管破裂现象。 3 、仪器采用了高精度的差动变压器位移传感器，其输出只与被测位移方向 的位移量有关，而与另外两个方向的位移无关，提高了仪器格值的稳定性。而 以前的石英伸缩仪采用的日本磁传感器的输出不仅与被测位移方向的位移量 有关，而且与发磁体和检测头之间的间距有关，仪器运行中此间距的微小变化 将引起传感器灵敏度的变化，从而引起仪器格值的变化。 4 、遥控检定装置，取代了膨胀盒检定，彻底解决了水银污染山洞的问题， 中国地震局地震研究所硕士学位论文 同时克服了人工检定时的人为因素影响。 5 、信号可直接供给地震前兆数据采集器，进行数据传输和计算机联网。 十五计划以来，我们所做的最大工作就是对伸缩仪的核心器件传感器做了 改进，使用了精度更高的差动变压器代替了以前的电涡流传感器。相对于电涡 流传感器而言差动变压器式位移传感器具有良好的环境适应性、使用寿命 长、灵敏度和分辨力高的特点。 1 2 现今伸缩仪存在的不足 现今的伸缩仪相比以前的老一代伸缩仪虽然做了许多改进具备了一定的优 势，但是也存在一些不足，从仪器本身的精度和实用性来说，这些不足主要表 现在以下两个方面： l 、仪器的抗干扰能力还不够，这包括仪器本身的干扰和外界震动干扰。 仪器本身的干扰指的是仪器的内部电路结构及元器件自身引起的电流干扰，在 放大电路中影响最大的部分的来源于第一级放大电路带来的噪声。外界震动干 扰指的是仪器使用环境的不确定性对仪器带来的环境噪声影响。 2 、仪器的基线不够短，这究其原因受限于噪声的影响。由于传感器和第 一级放大电路自身将会产生机械噪声和电噪声，过大的放大倍数将同时也使噪 声的影响加大，这对于实际的应用没有任何意义。如果能够抑制噪声的同时增 大仪器灵敏度，把仪器的基线控制在2 米以内，这样就能把仪器做成一个整体。 将会大大的降低仪器的安装难度，并减小因为安装的不确定性所产生的误差， 提高仪器本身的抗干扰能力。从经济角度考虑能够在很大程度上降低安装仪器 的山洞的工程造价。并且在对地震监测预报要求越来越高的今天，整体的仪器 会大大减轻安装和调试的难度，对突发事件的处理能力将会有一个质的提高。 从台站实际安装后的使用情况来看，现有的伸缩仪有以下几个仍需要改进 的地方： 1 、记录的固体潮曲线有突跳的现象。对台站发回的记录数据进行曲线拟合， 发现有一些台站的曲线有突跳的现象，通过对曲线的分析，发现有突跳现象的 台站，南北向和东西向的干扰是同时出现的，而且其突跳形态是完全一样的。 鉴于此，突跳应该是大面积的环境干扰所导致的，可能是外界的大气或者地质 条件的影响所造成的。如图1 1 所示。 第一章绪论 一 、：。一一，、一。 图1 1 麻城台日变曲线 2 、记录的固体潮曲线不够光滑。由于仪器的系统灵敏度达到了6 0 聊v z m ， 所以对噪声也变得更加敏感，噪声来自仪器内部和环境两个方面。对于仪器内 部的电噪声我们需要通过对电路的进一步改进来降低，对于环境方面带来的噪 声我们应当当作有用的信息来加以分析，如果仅仅追求曲线的光滑程度，那仪 器本身的记录也就显得意义不大了。 3 、和数采控制器的结合还不够完善。数据记录中采取了统一的e p 型数 采控制器，这种数采控制器采用了四位半的a d 转换芯片1 6 1 ，测量范围在 4 - 1 9 9 9 9 v 之间，当测试所在地区的变化朝一个方向进行时，容易产生溢出。如 果采用五位半的a d 转换芯片，则将系统电压衰减1 0 倍依然可以达到测量的精 度，而且在测量过程中不会产生溢出，数采本身带来的噪声影响也会大大降低。 1 3 本论文研究的目的及内容 简言之，本论文研究的主要目的就是围绕着上述伸缩仪的两个不足和在实 际使用中出现的问题来做一些实验性质的改进。美国a d 公司专门针对差动变 压器开发的a d 5 9 8 芯片有着许多现有电路所不具备的优势，测试结果表明它完 全能够满足形变观测要求，并且它具有一个芯片驱动多个l v d t 的功能【7 1 ，这 对我们下一步伸缩仪的改进工作有着十分重要的意义，本文主要介绍了a d 5 9 8 芯片对单个l v d t 的应用。另外，现在对于伸缩仪的检测实验基本都是在实验 室内进行，在以往的检测工作中对数据的处理和检测过程的操作都是手动完 成，为了提高检测的效率和精度，通过软件来实现检测和数据处理过程。 本文首先详细介绍伸缩仪的原理。也就是现有的s s y 伸缩仪以差动变压 器作为传感元件的电路结构和工作原理。 中国地震局地震研究所硕士学位论文 其次，也是本文讨论的重点，即对伸缩仪电路的实验性改进。在改进中， 采用了专门针对差动变压器的集成芯片a d 5 9 8 重新搭建了前置电路，以求简化 电路的中间环节特别是作为第一级放大来降低电路自身带来的噪声，提高信噪 比。其中包括：对a d 5 9 8 芯片的原理和特性做了详细的叙述；搭建电路的 步骤及其中参数的确定；通过搭建好的电路结合差动变压器来进行实验检 测，并对结果进行分析。 然后详细介绍了数据处理和标定器检测的软件实现过程。 最后简单描述了s s y 型伸缩仪的未来改进的设想。即使用单个差动变压 器作为传感器的基础上，增加一个差动变压器组成差分结构，利用a d 5 9 8 芯片 过对硬件的优化来提高仪器的测量精度和抗干扰能力。 1 4 伸缩仪发展的方向 作为一款形变仪器，伸缩仪的灵敏度达到了1 0 - 9 ，这已经能够满足现今高 精度的观测要求，并且对于一些工程上的应用更是绰绰有余。当然现在伸缩仪 在实际应用中很大一部分难度出现在伸缩仪的安装中，为了测量的稳定性和精 度，通常都要使系统的基线达到10 米以上。长基线不仅使安装调试比较困难， 而且导致了测量过程中的不可预知的干扰增加。由于基线较长且使用因钢棒做 为基线材料必然会使外界环境因素对整个仪器的干扰加大，在实际台站的测试 中也出现了这种情况，对环境因素比较敏感。 因此，伸缩仪未来发展趋势必然是短基线结构。短基线能有效减少外界环 境带来的噪声干扰，易于安装维护，并在很大程度上降低山洞的造价。为了达 到同样的记录精度，短基线结构必然要求系统具有更高的灵敏度，而要想使系 统实现高灵敏度则必然需要降低噪声对系统的影响，因此如何降低噪声对仪器 的影响就是仪器未来发展的首要问题。 1 5 本章小结 伸缩仪在我国的发展已经有三十多年的时间了，从第一次成功研制出伸缩 仪到现在，仪器的灵敏度、稳定性、实用性都得到不断提升，它对我国的地震 监测事业也做出了许多重大的贡献。本章首先阐述了伸缩仪发展的背景和现 状，接着指明了现有伸缩仪存在的一些不足，然后本文研究的意义和内容，最 后描述了伸缩仪未来的发展趋势和研究方向。 第二章s s y 伸缩仪综述 第二章 ss y 伸缩仪综述 本章将对s s y 伸缩仪的电路结构和工作原理做一个详细的叙述。 s s - y 伸缩仪系统结构示意图如图2 1 ，它包括整套系统的安装细节以及与 其他设备的连接方式。伸缩仪是用于测量地壳表面两点间的应变量。应变量表 述的基本公式为： 缸 占= 三 其中：三为基线长；a l 为被测两点之间距离的变化量；g 为应变量，即单 位长度的相对变化量【2 1 。 = o o s m 主机 数采和坤控制暑 图2 1 伸缩仪原理结构示意图 以线膨胀系数极小的含铌特种因瓦材料为基线，检定器及相邻的框架安装 于测量墩，固定座安装于固定墩，基线一端与固定座连接固定，其余由测量方 向无阻力的悬吊系统托起。悬吊系统由框架及吊线组成，每隔1 5 米设立一个 支墩，框架固定在支墩上。 基线的另一端连接一个位移传感器( 差动变压器) ，当固定墩与测量墩之间 中国地震局地震研究所硕士学位论文 距离变化时，在特定的环境下视基线长度不变，可动铁芯和线圈之间的距离 随之变化，位移传感器将此位移变化转换成电压变化，经过前置放大器，有电 缆传输至主机。由分送至应变数控仪作数据采集与数据传输；分送至地震前兆 数据采集器进行数据联网传输。通过灵敏度，格值等换算，便可计算出应变量 的变化。 下面将分别对s s y 伸缩仪系统的各部分做单独的介绍。 2 1 传感器 十五计划以来，伸缩仪的传感装置已经由精度更高的差动变压器代替了以 前的电涡流传感器，相应的前置电路也做了重新的设计。下面就传感器本身及 其电路做一个详细的介绍。 2 1 1 差动变压器原理【8 l 差动变压器式位移传感器具有良好的环境适应性、使用寿命长、灵敏 度和分辨力高的特点【9 1 。 差动变压器实质上就是铁芯可 动的变压器，我们采用的是两段式 差动变压器。它的结构原理图如图 2 2 所示。 当可动铁芯在线圈内移动，改 变了磁通的空间分布，从而改变了 初次级线圈之间互感量。当初级线 圈提供一定频率的交变电压时，次 级线圈要产生感应电动势，随着可 次极线圈s 1 图2 2 差动变压器结构原理图 动铁芯的位置不同，互感量也不同，次级产生的感应电动势也不同，这样经过 传感器后续电路可把可动铁芯的位移量变成电压信号输出【1 0 1 。 他们的电气联接如图2 3 。次级 线圈s1 和s 2 反极性串联。当初级 线圈p 加上一定的交流电压e p 时， 在次级线圈产生感应电压，其大小 与铁芯的轴向位移成比例。把感应 电压晟和最：反极性连接便得到输 出电压反。当铁芯处在中心位置时， e s ，= e 。，输出电压e 。= 0 ；当铁芯向 上运动时，e 。， b ：当铁芯向下运 冲船 t c 次极：i ：线圈 l l i j j 1 上i 疋丽r f 弋； 二线圈产： 图2 - 3电气连接线路图 i-l，il习 一，。，一。，。，一 i 兰 一：tlf=1，+一 第二章s s y 伸缩仪综述 动时，b 。 o 7 0 7 时，将出现峰值，当 0 = 0 7 0 7 和云“情况下，2 叭g 降芋i - 3 招；当罢旬。时， i 4 d j 2 0 1 9= - 4 0 地。这表明二阶比一阶低通滤波电路的滤波效果好得多。 中国地震局地震研究所硕士学位论文 3 、检波部分1 6 】【 】 通过差动变压器产生的次级输出信号，经过减法器和无相移带通滤波器后 利用模拟开关m a x 3 3 3 来进行同步检波，从而将交流输出变为直流输出，如图 2 9 所示。 图2 - 9 交流变直流电路部分 这个部分电路有5 个需要值得注意的地方，如图中所示。 由于在差动变压器的初级和次级转换之间将会产生一个大约2 0 。的相 移，而在激励信号在同步驱动模拟开关m a x 3 3 3 的时候需要和次级同步。所以 图中1 部分的作用也就是用来产生大约2 0 。的相移18 1 。 图中2 部分是一个反向迟滞比较器 如图2 一l o 所示。驱动差动变压器初级的激 励信号同时经过相移后通过2 部分的迟滞 比较器生成用于同步控制模拟开关的方波 信号【1 引。 迟滞比较器是一个具有迟滞回环特性 的比较器。图2 10 所示为反相输入迟滞比 较器原理电路，它是在反相输入单门限电 压比较器的基础上引入了正反馈网络，其 传输特性如图2 11 所示。如将v i 与e f 位置互换，就可组成同相输入迟滞比较器。 迟滞比较器的门限电压是随输出电压 1 ，o 的变化而改变的。它的灵敏度低一些， 但抗干扰能力却大大提高了。 y b - 1 v l 口 图2 - l0 迟滞比较器电路 三一 图中3 部分是一个减法器，连接差动变压器的次级输出，用于输出次级 电压差的值。鉴这种传感器为微压传感器，输出信号为毫伏级，所以用仪表放 大器进行放大。仪表放大器选用美国t i 公司的i n a l2 8 ，它是一种低电压通用 第二章s s - y 伸缩仪综述 型仪表放大器【2 0 1 ，其特点如下： 低失调电压：5 0 | lv m a x ； 低漂移：0 5 | iv m a x ； 低输入漂流：5 n am a x ； 高共模抑制比：l2 0 d bm i n ： 宽通带：2 0 0 k h z ( g = l o o ) ； 输入过压保护：4 0 v ； 宽电源电压范围：2 2 5 18 v ； 低静态电流：7 0 0i la 。 图中表示了i n a i2 8 的基本连接。用一个独立的外部电阻礤可以获得的放 大倍数为：4 = l + 5 0 kq 如。式中5 0 kq 为i n a i2 8 内部的两个放大器反馈电 阻之和。外接电阻的精度及温度稳定性直接影响增益。 i n a l 2 8 的内部噪声很小，为减小外部干扰和电源噪声的影响，应在紧靠电 源引脚的地方加接去耦电容器。 n a l 2 8 经过激光校正，因此，失调和温漂都很小，多数情况下无需调整，必 要时可对电路进行外部补偿。加电压跟随器将调零电路与仪表放大器加以隔 离，维持引脚r e f 的低阻抗，保证了放大器良好的共模抑制比。 若输入信号中的共模电压过大时，会使输入放大器饱和。在临界饱和时，坛 的输出电压为v o = 一2 。i n a l 2 8 的线性输入范围大约从负电源以上1 7 v 到正电源以下1 4 v 。对于确定的电源电压，输出电压越大，允许的共模信号 越小。 i n a i2 8 的最大特点是适用的电源电压范围很宽。电源电压值范围从2 2 5 v 到- k - _ 1 8 v 变化时，大部分参数仍能维持很好的性能，i n a i2 8 可在低电压下使用， 可以作为便携式或电池供电系统的理想器件。 i n a l 2 8 的输入保护电路都可提供4 0 v 的过压保护，即是说，一个输入端 加一4 0 v 电压、另一个输入端加+ 4 0 v 电压也不会带来损坏。在正常信号条件 下，过压保护电路呈现低串联阻抗；当输入电压过大时，保护电路可使输入电 流限制在1 5 5 m a 的安全范围之内。i n a l 2 8 在不加电源的情况下，对输入端 可能产生的静电电荷也具有过压保护作用。 图中4 部分是一个无相移带通滤波器【2 1 1 。 差动变压器次级输出信号经放大后，会携带高频和低频的干扰信号。带通 滤波器用来突出有用频段的信号，消除其余频带的信号干扰，从而提高信噪比。 在这里电路要求不能产生相移，故选择二阶压控电压源带通滤波器。 中国地震局地震研究所硕士学位论文 低通与高通滤波电路相串联可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波电路 的截止角频率0 9 h 大于高通滤波电路的截止角频率饥，两者覆盖的通带就提供 了一个通带响应。 图2 一1 2 为二阶压控电压源带通滤波电路。为了计算简便，设r 3 = 2 r ，r 2 = r ， 由电路图可得到带通滤波电路的传递函数为 彳( s ) = 百f 石& 征r s c 丽r 令如= 主，= 去，q = 巧1 肌：兰焉s j 2 柳 则彳( s ) = 睾一( 2 6 ) l + 二+ 卜二) 2 q a , o 、c o o 图2 1 2 二阶压控带通滤波电路 压增益，c o o 称为中心角频率。令j 可缈代入则有 倒咖毳j o ) 2 南 ( 2 - 7 ) 幅频响应 根据带通滤波电路的传递函数可求出其幅频响应如图2 13 所示，由图可 见，q 值越高，通带越窄。带通滤波电路的传递函数分母虚部的绝对值为l 时， 有) i 2 老；因此，利用 2 。k b ( 旦一塑) l ：1 ，取正根，可求出带通滤 l 0 3i 波电路的两个截止角频率，从而求出带 通滤波电路的通带宽度b 形= 南= 台。 图2 - 1 3 带通滤波电路幅频特性 图中第5 部分是利用模拟开关来 组成一个l 放大器，用来整流使交流输入变为直流输出。当输入交流电压为正 时，运放o p 0 7 第三脚的输入电压和二脚输入电压相等，因此0 p 0 7 输出电压就 为交流输入电压；当输入交流电压为负时，运放o p 0 7 第三脚的输入电压为模 拟开关的地端，输入为0 ，0 p 0 7 则变为一个一1 放大器，所以输出电压也为正的 交流输入电压。 第二章s s - y 伸缩仪综述 4 、直流放大部分 电路的最后一部分用于放大直流，放大倍数3 4 倍，其结构是利用运放o p 0 7 来组成的普通放大电路。 2 2 检定装置【2 2 】【2 3 l 【2 4 】 检定器是依据斜楔块原理来产生位移，它的结构示意图如图2 1 4 所示。 如图2 - 1 4 ，当步进电机转动时，带动弹性连轴使测微头随之转动，从而使 图2 1 4检定器结构示意图 斜楔块产生x 方向位移，进而使滑块产生y 方向微位移。 连接，因而步进电机转动时，将会使传感器 的探头产生一定的微位移量，从而达到检定 的目的。 若步进电机步距选择6 。，则6 0 步将使 步进电机轴转动一圈，使斜楔块沿x 方向移 动0 5 毫米。假设斜楔块斜面斜度为1 ：5 0 ， 则此时将会使滑块沿y 方向的位移量为o 0 1 毫米，步进电机走一步，滑块的位移为o 16 7 微米。 在实际应用中，步进电机由应变数控仪 控制，为了提高检定测量精度，减小机械空 程误差【2 5 1 ，在实际检定中将采用大步距单向 由于探头座与滑块 a 原测量点 b 返回测量点 图2 - 1 5 大步距单向检定法 检定法。其具体方法如图2 一1 5 所示。先在原工作点a 退4 圈，紧接着进2 圈 到达l 号，此时停3 0 秒，供读数( 或采集) ，再进4 圈到达2 号，同样停3 0 秒，供读数( 或采集) 后，连续退6 圈进2 圈到达3 号点，以此类推，到达1o 号点后，退6 圈然后进4 圈返回工作点，反复五次，记录1 0 个数据，产生9 个差值，供计算灵敏度和格值使用。检定工作时间先后不到10 分钟。大步距 单向检定法不仅消除了机械空程误差，而且使检定区也就是日后的工作区。由 于检定时间短，不再受潮汐变化所带来的影响，也不必再选择波峰、波谷或小 中国地震局地震研究所硕士学位论文 潮汐时检定。由于自动检定，避免了人为因素对仪器的影响，所有这些均为提 高检定精度提供了保证。零位附近是最佳工作点，本仪器还设计了零位跟踪控 制。通过主机可进行人工控制，通过应变数控仪可自动控制，即在检定前，先 将工作点回归到零位，其自动控制跟踪精度高于2 毫伏。检定器由主机或应变 数控仪自动执行，如采用应变数控仪检定时，系统将所有的工作状态数据及检 定数据自动存储到内存中；如用主机检定时，检定过程自动执行，但需人工读 数。必要时，检定器也可采用人工检定，测微头上一圈5 0 格刻度，这样测微 头转一个刻度，滑块位移0 2 微米。人工检定操作时也采用大步距单向检定法 进行。 2 3 主机 主机主要功、能：为前置放大器提供电源，接受前置放大器的输出信号，并 将信号转送至自动调零仪或应变数控仪。同