DZW_型微伽重力仪的改进设计

1、文章编号 :167125942 (2005) 04201272063D ZW2 型微伽重力仪的改进设计李家明1 ,2)胡国庆1)姚植桂1)蒋幼华1)张勤耕1)张道忠1)朱小平1)1) 中国地震局地震研究所 ,武汉 4300712) 中国地震局地壳应力研究所武汉创新基地 ,武汉 430071摘要在第一代 D ZW2 重力仪基础上 ,采用新的机电一体的数字智能化设计 ,研制出改进的 D ZW2 型重力仪 。介绍了 D ZW2 型重力仪的基本原理 ,对仪器使用过程中出现的问题进行分析 ,改进和优化仪器设计 ,进一步 提高了仪器的可靠性和稳定性 。关键词D ZW2 重力仪 稳定性 数字智能化 改进设计

2、 基本原理中图分类号 : P315 . 62文献标识码 : AREFO RM I NG D ESI GN OF M ICRO2GAL2GRA VIM ETER OF TY PE D ZW2 Li J ia mi ng1 ,2) , H u Guo qi ng1) , Yao Zhigui1) ,J ia ng Yo u h ua1) , Zha ng qi nge ng1) , Zha ng Daozho ng1) a nd Zh u Xiaopi ng1)1) I ns t i t ute o f S eis m ol o g y , C EA , W u h a n 4300712) W

3、u h a n B ase o f I ns t i t u t e o f C r us t a l D y n a m i cs , C EA , W u h a n 430071AbstractO n t he ba si s of D ZW2 gra vi met e r , we have develop ed i mp ro ve d D ZW2 wit h a new di git ali nt elli ge nce de si gn of elect ro2mecha nical lo t . Thi s p ap er i nt ro duce s t he ba sic

4、p ri ncip le of t he i n st r ume nt ,a nal yze s t he p ro ble m s i n p ractical u se . Th u s we have i mp ro ve d t he i n st r ume nt de si gn , rai sed it s credi bilit y a nd st a bilit y f ur t her .Key word :D ZW2 gra vi met er , st a bilit y ,t he di git al i nt elli ge nce ,i mp ro ve me

5、nt de sign ,ba sic p ri ncip leD ZW 型重力 仪 , 突破 现有 同类 仪 器的 设计 思想 ,采用垂直悬挂弹性系统 ,免除了助动系统和机械 放大 ,机械结构简单 。但该设计对位移测量和控温等技术提出了较高要求 ,测量摆的位移的精度要达到 0 . 000 1m ,仪器内部的控温精度要达到0 . 000 1。仅这两项指标就超过国外同类型仪器两个数量 级 4 。因此要保持仪器在高精度下长期稳定地工作并非易事 ,除了对各项工艺提出严格的要求外 ,合理 的精密设计也是至关重要的 。引言D ZW 型微伽重力仪是我国自行研制的一种高 精度潮汐重力仪 ,能精确测量出地球重力

6、场的微小 变化 ,可用于长期连续地对重力固体潮进行观测 ,其 精度优于微伽级 13 。“九五”期间 ,我们运用新技 术 ,进一步改进和优化设计 ,研制出 D ZW2 型重力 仪 ,其可靠性和稳定性比 D ZW2 型又有较大提高 , 已成为地震重力监测主要仪器之一 。13 收稿日期 : 2005 - 07 - 21基金项目 : 中国地震局地震前兆台站 ( 网) 改造项目 ( 95 - 01 - 02)作者简介 : 李家明 ,男 ,1957 年生 ,高级工程师 ,主要从事地壳形变与地球重力观测技术研究0 . 000 4 。环境温度变化影响 : 3 . 3 ×10 - 8 ms - 2 /

7、 气压变化影响系数 : 3 . 8 ×10 - 11 ms - 2 / Pa 传感器灵敏度 :优于 1 mV/ 1 ×10 - 8 ms - 2 数采动态范围 : 90 dB采样时间间隔 : 1 mi n 具备自动 、远程控制校准 、调摆和置平功能 接口 : R S2232 C 接口和 RJ 45 接口网络功能 : W EB 、F T P 、P P P 等 电源 : A C 90 V260 V功耗 :测微器功率 10 W ,恒温功率 :15 W基本原理和设计思路D ZW2 型微伽重力仪弹性系统采用了一个十 分简单的结构 质量平移式线性结构 ( 图 1) , 是典 型静力法的

8、具体应用 5 。2机械结构与改进设计D ZW 型微伽重力仪的机械结构主要由以下 6部分组成 4 :1) 弹性系统 ;2) 电容式传感器 ; 3) 调摆机构 ; 4) 锁摆机构 ;5) 保温 、均温和加温结构 ;6) 调平机构 。 弹性系统是仪器最精密的部分 ,其机械结构必 须高度稳定 。为了保证重力仪达到 1 ×10 - 8 ms - 2 级 的精度 , 机 械 结 构 变 化 的 影 响 必 须 小 于 0 . 000 1m 。因此 ,弹性系统内所有的机构零件都要进行真 空热处理 。弹性系统的主体支架为整体对称结构 , 克服了螺钉连接所产生的粘滑运动 。圆筒型结构可 使应力分布均匀

9、 ,热处理后 ,所受的应力又能均匀释 放 。加工工艺全部严密 、科学以保证仪器的稳定可靠 。D ZW 型重力仪的机械结构改进设计见表 1 。 导体附近效应是我们在设计电容传感器时应足够重视的问题 。当传感器的极板没有屏蔽时 ,极板 附近的 导 体 存 在 无 规 律 的 电 势 ( 所 谓 电 子 的“悬浮”) ,对任何电容量测都可能有很大的影响 7 。安 装在上海佘山地震台的 D ZW2 型微伽重力仪 , 一 度出现了记录曲线无规律凸凹不平变化 (见图 2a) ,4图 1 D ZW2 型重力仪弹性系统示意图Fig. 1 Sketch of f lexible system of D ZW2

10、gravimeter为了减少非线性 、提高灵敏度 ,弹性测微系统采用了三片式差动电容传感器 。图中弹簧弹性系统固 定支座安装在带减速的调摆螺旋装置上 ,可带动摆系上下移动 ,达到调整仪器的测程和零位 。弹簧下端与电容传感器动极板 U 0 之间用一根很细的柔丝 连接 , 可降低仪器置平精度要求 , 以减少倾斜变化带来的观测误差 。U 1 和 U 2 为差动电容传感器的上下 固定极板 , m 是弹簧悬挂质量块 。这就是人们俗称的弹簧称结构 6 , 弹性静态平衡方程为 :m g = k ( x - x0 )( 1)式中 m 为弹簧悬挂重块的质量 , k 为弹簧的弹性系数 , 垂直悬挂的弹簧空载长度为

11、 x0 , 作用于质量块m 上的重力使弹簧增长到 x , 在该点达到静态平衡 。 根据胡克定律 , 当弹簧的增长量较小时 , 应变和应力成正比 。当重力场发生变化时 , 作用在质量块 ( 摆)m 上的引力也发生变化 , 引起弹簧的伸长或缩短 , 同 时引起电容传感器位置变化 , 经转换变为模拟电信号 , 放大后再经 A/ D 变换可得到重力变化的数字信 号 ,这就是 D ZW2 型重力仪的基本原理 。我们对仪器电路反复进行修理和互换 , 收效不大 。后来发现下定极板附近有一个锁摆装置是悬浮的 ,设计时未考虑让其接地 ,从而导致锁摆装置上的静 电荷无规律积累或变迁 ,影响了电容传感器量测 ,使

12、仪器有时不能正常工作 。经改进后 ,仪器精度指标 有了明显的提高 (图 2 b) 。D ZW 型重力仪在运输过程中 ,易发生断吊丝情况 。经分析并非是吊丝的抗拉强度低 ,而是在运输 过程中弹性系统水平摆幅过大 ,致使吊丝与屏蔽罩 的过孔产生切割 ,导致断摆 。我们采用加大屏蔽罩 的吊丝过孔直径和增加弹性系统的限位套筒的设 计 ,此后未发生断摆现象 。主要技术指标测量范围 :直接量程 2 ×10 - 5 m s - 2 ,可调量程> 7 000 ×10 - 5 ms - 2分辨率 :优于 0 . 1 ×10 - 8 ms - 2精度 : Na kai 检验误差

13、小于 2 ×10 - 8 m s - 2 的结 果大于 85 % , 调和 分析 精 度 为 M2 波 中 误 差 小 于0 . 5 %恒温精度 :日变化小于 0 . 000 1 ,月变化小于3表 1 机械结构改进设计对照表Ta b. 1 Comparison of mechanical f rame bet ween D ZW2 and D ZW2 gravimeterD ZW2型重力仪D ZW2 型重力仪改进效果非机电一体化设计 ,外带测量和 控 温 机 箱 , 外 部 连 接 引 线多 ,体积较大 。机 电 一 体 化 设 计 , 将 测 量 、控温电 路 全 部 设 计 在

14、本 体 三 角底盘上 按 3 个 方 向 集 成 为 抽 屉式密封结构 。减 小 了 体 积 , 具 备 防 潮 功能 , 使 元 器 件 工 作 更 加 可 靠 ; 减少了与外部的连接引线 ,提高了信噪 比 , 增 强 仪 器 的 抗 干 扰 能力 ;便于操作和维修 。机电一体化采用一般传动调摆结构 ,刚性锁摆结构 ,定位导向机构为键槽结 构 , 选 用 普 通 马 达 , 电 机 易损 。采 用 了 更 精 密 的 齿 轮 传 动调摆 结 构 , 柔 性 锁 摆 结 构 ; 定 位导向机构改为跑马槽结构 , 简化了加工工艺 ,选用了贵金属材料制成的可靠性好的马达 。采 用 了 上 下 定

15、极 板 电 容 对 称结构 ,动极板与弹簧和质量块 用非金属石英材料连接 , 考虑了 电容传感器导体附近效应设计 , 排除了悬浮电子干扰隐患 。调摆更加精确和平稳 ,消除了摆 位 跳 动 现 象 ; 锁 摆 安 全 可靠 ,避免运输时振动和冲击造成摆系的损坏或损伤 ,使调摆与锁摆机构可靠性有了根本性提高 。减 小 了 寄 生 耦 合 电 容 的 影 响和外界干扰 ,有利于提高测量 精度和静电标定精度 ,提高了电 容传感器稳定性 ,进一步提高了 传感器抗干扰能力 ,排除了悬浮 电子干扰隐患 。调摆与锁摆电 容 位 移 传 感 器 上 下 定 极板电容不对称结构 , 动极板与弹簧和质量块用金属材料

16、连接 ,分布电容杂散而复杂 , 未考虑电容传感器导体附近效应设计 ,存在设计缺陷 。电 容位 移传感器无弹性系统防护设计 ,易断吊丝 。弹性系统防护采 用 加 大 磁 屏 蔽 罩 的 吊 丝过孔直 径 和 增 加 弹 性 系 统 的 限位套筒的防护设计 。解决了 D ZW 型重力仪在运输过程中发生断吊丝不良现象 。定 。因而对测微电路提出较高要求 , 必须采取相应措施以提高测微精度 。 精密的电容测量微位移系统的原理如图 3 所示 。它由电容传感器 、稳幅振荡器 、前置放大器 、主放大器 、移相整形放大器 、同步检波放大器 、低通滤 波器 、模拟记录器和 A/ D 采集器等部分组成 ,采用相关

17、接收技术 , 构成了一个相敏检波锁定放大器 。振荡器向传感器输入单频和幅度稳定的信号 。图 2 上海佘山地震台的 D ZW2 型重力仪记录曲线Fig. 2Curve s reco r ded by D ZW2 gravimeterSha nghai sei smo statio nat图 3 电容测微系统原理方框图Fig. 3 Block diagrame of p rinciple of t he elect ric cap aci2t y micro2mea sur ment system电路原理与设计D ZW 型微伽重力仪弹性系统属于平移式系统 , 无机械助动放大 ,结构简单 。平移式系

18、统的弹性静 态平衡方程见式 (1) 。为了得到很高的测微位移精度 ,往往要求重力 仪有较高的灵敏度 。要提高灵敏度 ,理论上讲只要 增加摆的质量 m 或减少弹性系数 k 就行了 。实际 上增加摆的质量 m 和减少弹性系数 k 后 , 都会增大弹簧的蠕变 , 增加仪器零点漂移 , 不利于仪器的稳5当摆的重块随重力变化移动时 ,传感器输出信号幅度也随之变化 , 经选频放大后 , 送给相敏检波 器 ;与此同时 ,由振荡器产生的同一频率的正弦波信号经移相整形放大器变成方波信号 ,也送给了相敏 检波器 。相敏检波器实际是一个相乘电路 ,它使测 量的信号与参考信号相同的部分通过 ,从而有效抑制了噪声部分

19、。相敏检波器输出的测量信号经滤波器进一步滤除干扰 , 送入模拟记录器和 A/ D 采集 器 ,进行模拟和数字记录 。D ZW2 型微 伽 重力 仪 的测量系统是开环的 。此外 ,我们已研制了静电反 馈闭环测量系统 。的测量 , 锁 相 放 大 器 是 滤 除 噪 声 最 有 效 的 方 法 之一 。D ZW2 微伽重力仪锁相放大器中的同步检波 电路如图 5 所示 。稳幅振荡器为了保证电容测微器的精度 ,对振荡器的幅度 稳定度要求很高 ,振荡器增益稳定性越好 ,量程与精度比越高 。所以开环测量振荡器输出稳定与否直接影响整个仪器的精度 。 量程2精度比由振荡器的幅度稳定度和放大器的增益稳定性所决定

20、 。振幅和增益稳定性越高 ,量程2精度 比 也 越 高 。假 如 要 求 电 容 测 微 器 精 度 为0 . 000 1 m , 量 程 为 0 . 1 m , 则 量 程2精 度 比 为1 000 1 ,故振荡器的幅度稳定度和放大器的增益 稳定性必须优于 1/ 1 000 。另外 ,由于要求电容测微 器精度为 0 . 000 1 m , 电 容 板 之 间 的 间 距 为 0 . 3mm ,则要求两定极板反输入电压之间比值的变化 小于 3 ×10 - 7 。D ZW2 型重力仪采用的是分离元件的模拟振 荡电路 , 它的优点是电路简单 , 成本低 。但波形精 度 、频率和幅度稳定度

21、都低 ,幅度相对稳定度约为 5×10 - 2 ,谐波成分也较大 。D ZW2 型重力仪振荡器采用了数字稳幅和稳 频振荡器 8 ( 见图 4) ,其原理是将正弦函数按采样 点角度变化的正弦值进行数字化处理 。先将此数字 量存入只读存储器中 ,在晶体方波振荡器的时钟脉冲作用下 ,由地址计数器产生不同的连续变化地址 , 将存储器的数据依次周而复始地取出 ,送到 D/ A 数 摸转换器 ,再经滤波器去除高频成分“毛刺”,就得到 一个标准稳定正弦波 。其幅度稳定度优于 10 - 4 ,频 率稳定度优于 5 ×10 - 7 ,失真度 < 0 . 1 % 。频率稳定 在选频放大时也

22、有利于增益稳定 。数字振荡器的设计 ,使得信号源稳定度有了几 个数量级的提高 。此项技术已成功运用在 GS 重力 仪改造上 9 。5 . 1图 5 相敏检波电路Fig. 5 Pha se2sensitive demo dulatio n原来相 敏 检 波 开 关 电 路 采 用 3DJ 6 型 场 效 应管 ,设计存在一些问题和缺陷 。仪器一般工作在传 感器零位附近 ,此时灵敏度高 、线性好 ,但同步检波 电路的输出电压小 , 场效应管偏置电压 VDS 较小 ,场效应管处于可变阻工作区 10 ,源极 S 与漏极 D 之间的电阻不定 , 锁相放大器的增益不稳定 ; 另外 ,当 信号较大时 ,场效

23、应处于截止状态 ,锁相放大器输出为占空相等对称的方波 ,经滤波直流输出为零 ,调零 电路无法判断摆位偏离方向 ,不能完成对传感器的调零 。D ZW2 型重力仪忽略了场效应管作开关器件 导通时的等效内阻和截止时的漏流及变阻态等变化 ,存在一定的误差 。D ZW2 型重力仪采 用了 较理想的模拟开关 ,导通电阻小而固定 ,与锁相放大器 输出大小和方向无关 ,截止电阻无穷大 ,同时使用了精密包络检波电路的精密型相敏电路 ,进一步减小 由开关器件带来的误差 ,使得锁相放大器稳定可靠 ,提高了仪器格值稳定度 。5 . 3低通滤波电路潮汐重力仪的灵敏度高 ,很容易受到地脉动和电磁波等外界干扰 ,这些干扰使

24、得记录曲线毛刺丛生 ,分辨率大为降低 。为了获得光滑记录曲线 ,必须 在仪器电路中加接合适的低通滤波器 ,用于滤除电 子系统的噪声和各种干扰 。对滤波器要求如下 :1) 幅频特性 :在截止频率以内 ,振幅尽可能为常数 ;2) 相频特性 :波形失真小 ,线性好 ;3) 稳定性 :温度稳定性很高 ,介质损耗很小 ;4) 时间常数 : 如小一些 ,相对误差就小 ; 但太小 又不能滤除干扰影响 ,以在 100 s 左右为宜 。D ZW2 型重力仪为一 阶 有源 低通 滤波 器 , 滤图 4 数字振荡器Fig. 4 Digital o scillato r锁相放大由于电容传感器输出信号很小 ,信噪比很低

25、 ,当 噪声高于信号时 ,噪声就淹没了信号 ,无法进行准确5 . 2波效果 不 好 , 时 间 常 数 选 得 过 大 , 不 利 于 标 定 。 杜品仁 ,等. 重力仪使用维修手册. 国家地震局监测处 ,1982 .D ZW2 型重力仪采用由两级二阶贝塞尔低通滤波组合成的四阶低通滤波 9 。该滤波器具有波形失真 小 ,近似线性相频特性 ,而过冲小于 1 % , 群时延迟基本稳定 (0 = 1/ 0 ) 。该低通滤波器用于测量固体 潮波时滤除地脉动等外界干扰很理想 。低通 滤波 器 如图 6 所 示 。当 传递 函数 = 3时 , 电路为贝塞尔低通滤波 。器 ,使之更直观又方便操作 。恒温控制

26、电路一个高精度的恒温系统才能保证弹性系统的稳 定性 11 ,当恒温精度达 0 . 000 1 时 ,才能保证本重力仪达到 1 ×10 - 8 m s - 2 的精度 。D ZW2 型重力仪改用了 V MO S 功率场效应管 做加温功率输出器件 ,其优点是 :只有导通和截止状态 ,因此自身功耗极小不发热 ,不会引起新的热源 ,因而不用散热 ,减小了体积 ,仪器易实现一体化 。加 温指示也由原指针式电压表改为 L ED 发光二极管显示 ,减少了故障 ,提高了可靠性 。5 . 6数据采集 、数字滤波及网络化为了实现重力观测的数字化和 智能 化 , D ZW2型重力仪应用了数据采集控制设备

27、12 ,并在数采 的基础上通过上位微机对记录数据进行数字滤波处 理 ,从而提高了观测精度 。数据采集系统具有精度高 、功能强 、使用方便等特点 ,具备全自动或远程控 制标定 、调摆 、记录 、打印和绘图等功能 ,支持中国地 震局制定的地震前兆台网通讯控制协议,生成的文件格式符合地震前兆数据约定格式 ,可直接使用形变前兆台网及台站数据处理系统进行处理 。仪器 主要技术指标除了满足中国地震局“九五”前兆仪器 数字化改 造 要求 , 通 过串 口可 与上 位 机或 Mo de m 连接并实现电话有线或电台无线远程遥测 、遥控外 ,还满足“十五”的 IP 到仪器的要求 ,直接连接到 In2t er n

28、et 网上 ,可在全球任何地方进行有线或无线远 程上网 ,用人工或自动方式对仪器做各种操作 ,实现了观测技术网络化 、集成化 、自动化 。嵌入 TC P/ IP5 . 7图 6 低通滤波器电路Fig. 6 Lo w pa ss filt er5 . 4静电标定电路D ZW2 型重力仪改用了高精密基准电压源电路 ,使得标定电压更加稳定 。“九五”规划中的第一台 D ZW2 型重力仪在深 圳地震台安装时 ,发现重力仪电缆引线与其他仪器电缆引线靠近时 ,干扰信号经标定等控制线进入仪 器 ,干扰信号直接叠加在传感器上 ,导致仪器无法正常工作 。后来改用了隔离控制技术设计 ,排除了外 界电磁波对仪器的干

29、扰影响 ,提高了仪器的抗干扰能力 。5 . 5自动调摆电路弹簧重力仪一般都存在漂移 ,漂移随时间的变化逐渐减小 ,大体上是 - 个线性变化 。这一过程时间较长 ,当重力仪的漂移量积累到一定程度时 ,就需 对仪器进行调摆 。否则输入信号超出量程范围 ,重 力仪无法正常记录 。D ZW2 型重力仪没有自动调摆电路 ,需人工调摆 11 。实践证明 ,调摆次数增多 ,仪器的漂移量会相应 增加 ,新仪器尤为突出 。为了减少调摆次数 ,D ZW2型重力仪采用了偏移式调摆方式的自动调摆电路 ,设计了三电平双阈值比较器 ,免用恒流管和稳压 管 ,在运放反馈网络中 ,利用二极管限幅桥 ,使输出出现“死区”,电路

30、的死区阈值和死区宽度均为可调 。由于 D ZW 型重力仪一般都是负漂移 , 即弹簧朝伸 长方向变化 ,我们将电路的零位“死区”设立在偏正 量程的 3/ 4 左右的点上 ,这样能有效地减少调摆次数 。另外将电路的输出改为 O TL 驱动 , 排除了限 流电阻发热的影响 ,使正反向驱动电机的电流对称 。调摆控制也改用了隔离技术设计 ,提高了抗干扰能 力 。D ZW2 型 重 力 仪 还 增 加 了 摆 位 的 数 字 显 示协议 ,能 实现 W EB Se r ve r 等 功能 , 支 持 IP 、TC P 、UD P 、D H CP 、Tel net 、H T T P 、F T P 、P P

31、P 、SM T P 等协议 ,与观测仪器联接构成完整的具有 IP 功能的仪 器 。数据采集系统属于一种嵌入式计算机系统 ,硬件以 CPU 为核心 , 由 RA M 、译码器 、扩展并行口 、日历时钟 、A/ D 转换 、多路开关 、R S232 电平转换 、L CD 显示 、DC/ DC 变换 、键盘 、复位 、电源监视及看门狗等部分组成 ,使仪器有自动或远程调摆控制 、标 定 、工作参数等管理功能 ,具有手动 、远程 、看门狗和 电源监视自动恢复功能 ,还有防雷击 、防电浪涌等技术措施 。数字滤波采用了 F F T ( 快速傅立叶变换) 方法 对数据进行预处理 ,滤除潮汐以外的短周期信号 ,

32、特别是局部时间内的地脉动和地震干扰信号 ,保证记录曲线光滑并提高重力数据精度 。 为了开发调试和功能扩展方便 ,软件为模块化设计 ,采用 C 语言编写 ,具有可读性强 、移植性好等特点 。软件由键盘管理 、数据采样 、滤波 、报警处理 、显示 、打印 、绘图 、存储 、控制 、标定及通信等子模块 构成 ,采用冗余指令 、陷阱等技术进一步提高系统的 稳定性 。4Chen Def u , Su Kaizhi a nd Geng Shicha ng. O bservatio ntechniques of sei smic cr ustal defo matio n M . Beijing : Sei

33、 smolo gical Pre ss ,1995 . (in Chine se) 北京大学地球物理系. 重力与固体潮教程 M . 北京 : 地震出版社 ,1982 .Depa rt ment of Geop hysic s of Beijing U niver sit y. L ect ure s of gravit y a nd ea rt h tide M . Beijing : Sei smolo gical Pre ss ,1982 . (in Chinese)Wolf ga ng To r ge (徐菊生 ,刘序俨 译 ) . 重力测量学 M .北京 :地震出版社 ,1993 .W

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