力平衡反馈石英水平摆倾斜仪传递函数测试技术研究

来源 :中国地震局地震预测研究所 | 被引量 : 2次 | 上传用户:jayexxfu1
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地倾斜主要观测地平面与水平面之间的夹角(地平面法线与铅垂线之间的夹角)及其随时间的变化。地倾斜观测是我国地壳形变观测的重要部分,是研究地壳形变及固体潮的重要手段之一,在地震前兆观测研究、火山前兆观测研究和固体潮地球动力学观测研究等方面发挥着重要作用。石英水平摆倾斜仪是一种测量地面倾斜变化的前兆地震观测仪器,其中,V-M型石英水平摆倾斜仪是最早用于地倾斜测量的短基线倾斜仪。我国先后于20世纪70年代研制出了照相记录的SQ-70D型石英水平摆倾斜仪,于90年代进行数字化改造,研制了SSQ-1型数字磁带记录石英水平摆倾斜仪。该石英水平摆倾斜仪灵敏度高、稳定性好,在我国地震前兆台网中得到了较为广泛的应用,目前运行情况总体良好,取得了不错的观测数据,不过还是存在一定的不足,如传递函数未知、观测频带等指标不高。为了进一步提高倾斜仪的技术性能,李际弘等引入了静电力反馈技术,将倾斜仪的输出电压经反馈电路输送到电容换能器中心极板,配合两侧极板的固定直流电压,形成力平衡反馈力,从而改善石英水平摆倾斜仪的动态范围、观测频带、失真度等技术指标。对于石英水平摆倾斜仪,常用的标定测试方法有两种,一种是利用实验室精密的倾斜平台进行标定,该方法操作繁琐,且无法实现在台站的现场标定;另一种是采用胀盒-水银杯装置,即通过升高或者降低水银杯,使胀盒产生弹性形变,观察该微小形变下仪器的输出,计算出仪器的格值/灵敏度,实现了静态标定。这种静态标定只能检验灵敏度,无法给出/测量仪器的传递函数。为了适应无人值守观测方式,保证观测数据质量,开展观测仪器的在线检测(标定)方法和技术研究势在必行。本论文基于力平衡反馈技术,利用阶跃电压信号和正弦波电压信号作为标定信号,提出了一种石英水平摆倾斜仪传递函数的动态测试方法。我们介绍了标定信号引入的方法,建立了引入标定信号后的力平衡反馈石英水平摆倾斜仪的反馈理论模型;根据理论模型,推导了在阶跃电压信号输入和正弦波电压信号输入时,力平衡反馈石英水平摆倾斜仪的传递函数及输出的数学表达式。然后,我们在实验室进行了测试试验,给前期研制的力平衡反馈石英水平摆倾斜仪输入一组离散频点的等幅正弦波,记录仪器输出,得到正弦标定输出响应数据;输入一组周期比较长的方波信号,得到阶跃标定输出响应数据。对于正弦波标定响应数据,我们分别从时域和频域角度对各频点的响应幅度进行了提取,得到仪器的归一化幅度响应曲线。然后应用推导的力平衡反馈石英水平摆倾斜仪对正弦波电压输入信号的传递函数及输出数学表达式,对正弦标定输出响应进行了非线性拟合,得到由正弦标定计算出来的仪器的周期和阻尼。对于阶跃标定响应数据,在进行了漂移校正、归一化等预处理后,应用推导的仪器对阶跃电压信号的传递函数和输出数学表达式,对预处理后的阶跃标定输出响应进行了非线性拟合,得到了由阶跃标定计算出来的仪器的周期和阻尼。实验室测试和数据处理结果显示,1)基于频域获得的正弦波标定响应幅值比时域的要准确,拟合得到的结果也更好;2)通过正弦波标定测试得到的仪器的周期和阻尼,与通过阶跃标定测试得到的仪器的周期和阻尼相接近,验证了本文所提出的测试方法的有效性和一致性。根据测试得到的周期和阻尼,可以给出仪器的传递函数,这对于描述倾斜仪观测频带及其定量转换关系具有重要作用,有利于实现倾斜仪工作状态在线监测,保障倾斜仪观测数据质量。
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