DZW_型微伽重力儀的改進(jìn)設(shè)計(jì)

1、文章編號(hào) :167125942 (2005) 04201272063D ZW2 型微伽重力儀的改進(jìn)設(shè)計(jì)李家明1 ,2)胡國慶1)姚植桂1)蔣幼華1)張勤耕1)張道忠1)朱小平1)1) 中國地震局地震研究所 ,武漢 4300712) 中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢創(chuàng)新基地 ,武漢 430071摘要在第一代 D ZW2 重力儀基礎(chǔ)上 ,采用新的機(jī)電一體的數(shù)字智能化設(shè)計(jì) ,研制出改進(jìn)的 D ZW2 型重力儀 。介紹了 D ZW2 型重力儀的基本原理 ,對(duì)儀器使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析 ,改進(jìn)和優(yōu)化儀器設(shè)計(jì) ,進(jìn)一步 提高了儀器的可靠性和穩(wěn)定性 。關(guān)鍵詞D ZW2 重力儀 穩(wěn)定性 數(shù)字智能化 改進(jìn)設(shè)計(jì)

2、 基本原理中圖分類號(hào) : P315 . 62文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : 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 儀 , 突破 現(xiàn)有 同類 儀 器的 設(shè)計(jì) 思想 ,采用垂直懸掛彈性系統(tǒng) ,免除了助動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械 放大 ,機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單 。但該設(shè)計(jì)對(duì)位移測量和控溫等技術(shù)提出了較高要求 ,測量擺的位移的精度要達(dá)到 0 . 000 1m ,儀器內(nèi)部的控溫精度要達(dá)到0 . 000 1。僅這兩項(xiàng)指標(biāo)就超過國外同類型儀器兩個(gè)數(shù)量 級(jí) 4 。因此要保持儀器在高精度下長期穩(wěn)定地工作并非易事 ,除了對(duì)各項(xiàng)工藝提出嚴(yán)格的要求外 ,合理 的精密設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的 。引言D ZW 型微伽重力儀是我國自行研制的一種高 精度潮汐重力儀 ,能精確測量出地球重力

6、場的微小 變化 ,可用于長期連續(xù)地對(duì)重力固體潮進(jìn)行觀測 ,其 精度優(yōu)于微伽級(jí) 13 。“九五”期間 ,我們運(yùn)用新技 術(shù) ,進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì) ,研制出 D ZW2 型重力 儀 ,其可靠性和穩(wěn)定性比 D ZW2 型又有較大提高 , 已成為地震重力監(jiān)測主要儀器之一 。13 收稿日期 : 2005 - 07 - 21基金項(xiàng)目 : 中國地震局地震前兆臺(tái)站 ( 網(wǎng)) 改造項(xiàng)目 ( 95 - 01 - 02)作者簡介 : 李家明 ,男 ,1957 年生 ,高級(jí)工程師 ,主要從事地殼形變與地球重力觀測技術(shù)研究0 . 000 4 。環(huán)境溫度變化影響 : 3 . 3 ×10 - 8 ms - 2 /

7、 氣壓變化影響系數(shù) : 3 . 8 ×10 - 11 ms - 2 / Pa 傳感器靈敏度 :優(yōu)于 1 mV/ 1 ×10 - 8 ms - 2 數(shù)采動(dòng)態(tài)范圍 : 90 dB采樣時(shí)間間隔 : 1 mi n 具備自動(dòng) 、遠(yuǎn)程控制校準(zhǔn) 、調(diào)擺和置平功能 接口 : R S2232 C 接口和 RJ 45 接口網(wǎng)絡(luò)功能 : W EB 、F T P 、P P P 等 電源 : A C 90 V260 V功耗 :測微器功率 10 W ,恒溫功率 :15 W基本原理和設(shè)計(jì)思路D ZW2 型微伽重力儀彈性系統(tǒng)采用了一個(gè)十 分簡單的結(jié)構(gòu) 質(zhì)量平移式線性結(jié)構(gòu) ( 圖 1) , 是典 型靜力法的

8、具體應(yīng)用 5 。2機(jī)械結(jié)構(gòu)與改進(jìn)設(shè)計(jì)D ZW 型微伽重力儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由以下 6部分組成 4 :1) 彈性系統(tǒng) ;2) 電容式傳感器 ; 3) 調(diào)擺機(jī)構(gòu) ; 4) 鎖擺機(jī)構(gòu) ;5) 保溫 、均溫和加溫結(jié)構(gòu) ;6) 調(diào)平機(jī)構(gòu) 。 彈性系統(tǒng)是儀器最精密的部分 ,其機(jī)械結(jié)構(gòu)必 須高度穩(wěn)定 。為了保證重力儀達(dá)到 1 ×10 - 8 ms - 2 級(jí) 的精度 , 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 變 化 的 影 響 必 須 小 于 0 . 000 1m 。因此 ,彈性系統(tǒng)內(nèi)所有的機(jī)構(gòu)零件都要進(jìn)行真 空熱處理 。彈性系統(tǒng)的主體支架為整體對(duì)稱結(jié)構(gòu) , 克服了螺釘連接所產(chǎn)生的粘滑運(yùn)動(dòng) 。圓筒型結(jié)構(gòu)可 使應(yīng)力分布均勻

9、 ,熱處理后 ,所受的應(yīng)力又能均勻釋 放 。加工工藝全部嚴(yán)密 、科學(xué)以保證儀器的穩(wěn)定可靠 。D ZW 型重力儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)見表 1 。 導(dǎo)體附近效應(yīng)是我們在設(shè)計(jì)電容傳感器時(shí)應(yīng)足夠重視的問題 。當(dāng)傳感器的極板沒有屏蔽時(shí) ,極板 附近的 導(dǎo) 體 存 在 無 規(guī) 律 的 電 勢 ( 所 謂 電 子 的“懸浮”) ,對(duì)任何電容量測都可能有很大的影響 7 。安 裝在上海佘山地震臺(tái)的 D ZW2 型微伽重力儀 , 一 度出現(xiàn)了記錄曲線無規(guī)律凸凹不平變化 (見圖 2a) ,4圖 1 D ZW2 型重力儀彈性系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Sketch of f lexible system of D ZW2

10、gravimeter為了減少非線性 、提高靈敏度 ,彈性測微系統(tǒng)采用了三片式差動(dòng)電容傳感器 。圖中彈簧彈性系統(tǒng)固 定支座安裝在帶減速的調(diào)擺螺旋裝置上 ,可帶動(dòng)擺系上下移動(dòng) ,達(dá)到調(diào)整儀器的測程和零位 。彈簧下端與電容傳感器動(dòng)極板 U 0 之間用一根很細(xì)的柔絲 連接 , 可降低儀器置平精度要求 , 以減少傾斜變化帶來的觀測誤差 。U 1 和 U 2 為差動(dòng)電容傳感器的上下 固定極板 , m 是彈簧懸掛質(zhì)量塊 。這就是人們俗稱的彈簧稱結(jié)構(gòu) 6 , 彈性靜態(tài)平衡方程為 :m g = k ( x - x0 )( 1)式中 m 為彈簧懸掛重塊的質(zhì)量 , k 為彈簧的彈性系數(shù) , 垂直懸掛的彈簧空載長度為

11、 x0 , 作用于質(zhì)量塊m 上的重力使彈簧增長到 x , 在該點(diǎn)達(dá)到靜態(tài)平衡 。 根據(jù)胡克定律 , 當(dāng)彈簧的增長量較小時(shí) , 應(yīng)變和應(yīng)力成正比 。當(dāng)重力場發(fā)生變化時(shí) , 作用在質(zhì)量塊 ( 擺)m 上的引力也發(fā)生變化 , 引起彈簧的伸長或縮短 , 同 時(shí)引起電容傳感器位置變化 , 經(jīng)轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M電信號(hào) , 放大后再經(jīng) A/ D 變換可得到重力變化的數(shù)字信 號(hào) ,這就是 D ZW2 型重力儀的基本原理 。我們對(duì)儀器電路反復(fù)進(jìn)行修理和互換 , 收效不大 。后來發(fā)現(xiàn)下定極板附近有一個(gè)鎖擺裝置是懸浮的 ,設(shè)計(jì)時(shí)未考慮讓其接地 ,從而導(dǎo)致鎖擺裝置上的靜 電荷無規(guī)律積累或變遷 ,影響了電容傳感器量測 ,使

12、儀器有時(shí)不能正常工作 。經(jīng)改進(jìn)后 ,儀器精度指標(biāo) 有了明顯的提高 (圖 2 b) 。D ZW 型重力儀在運(yùn)輸過程中 ,易發(fā)生斷吊絲情況 。經(jīng)分析并非是吊絲的抗拉強(qiáng)度低 ,而是在運(yùn)輸 過程中彈性系統(tǒng)水平擺幅過大 ,致使吊絲與屏蔽罩 的過孔產(chǎn)生切割 ,導(dǎo)致斷擺 。我們采用加大屏蔽罩 的吊絲過孔直徑和增加彈性系統(tǒng)的限位套筒的設(shè) 計(jì) ,此后未發(fā)生斷擺現(xiàn)象 。主要技術(shù)指標(biāo)測量范圍 :直接量程 2 ×10 - 5 m s - 2 ,可調(diào)量程> 7 000 ×10 - 5 ms - 2分辨率 :優(yōu)于 0 . 1 ×10 - 8 ms - 2精度 : Na kai 檢驗(yàn)誤差

13、小于 2 ×10 - 8 m s - 2 的結(jié) 果大于 85 % , 調(diào)和 分析 精 度 為 M2 波 中 誤 差 小 于0 . 5 %恒溫精度 :日變化小于 0 . 000 1 ,月變化小于3表 1 機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)對(duì)照表Ta b. 1 Comparison of mechanical f rame bet ween D ZW2 and D ZW2 gravimeterD ZW2型重力儀D ZW2 型重力儀改進(jìn)效果非機(jī)電一體化設(shè)計(jì) ,外帶測量和 控 溫 機(jī) 箱 , 外 部 連 接 引 線多 ,體積較大 。機(jī) 電 一 體 化 設(shè) 計(jì) , 將 測 量 、控溫電 路 全 部 設(shè) 計(jì) 在

14、本 體 三 角底盤上 按 3 個(gè) 方 向 集 成 為 抽 屜式密封結(jié)構(gòu) 。減 小 了 體 積 , 具 備 防 潮 功能 , 使 元 器 件 工 作 更 加 可 靠 ; 減少了與外部的連接引線 ,提高了信噪 比 , 增 強(qiáng) 儀 器 的 抗 干 擾 能力 ;便于操作和維修 。機(jī)電一體化采用一般傳動(dòng)調(diào)擺結(jié)構(gòu) ,剛性鎖擺結(jié)構(gòu) ,定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為鍵槽結(jié) 構(gòu) , 選 用 普 通 馬 達(dá) , 電 機(jī) 易損 。采 用 了 更 精 密 的 齒 輪 傳 動(dòng)調(diào)擺 結(jié) 構(gòu) , 柔 性 鎖 擺 結(jié) 構(gòu) ; 定 位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)改為跑馬槽結(jié)構(gòu) , 簡化了加工工藝 ,選用了貴金屬材料制成的可靠性好的馬達(dá) 。采 用 了 上 下 定

15、極 板 電 容 對(duì) 稱結(jié)構(gòu) ,動(dòng)極板與彈簧和質(zhì)量塊 用非金屬石英材料連接 , 考慮了 電容傳感器導(dǎo)體附近效應(yīng)設(shè)計(jì) , 排除了懸浮電子干擾隱患 。調(diào)擺更加精確和平穩(wěn) ,消除了擺 位 跳 動(dòng) 現(xiàn) 象 ; 鎖 擺 安 全 可靠 ,避免運(yùn)輸時(shí)振動(dòng)和沖擊造成擺系的損壞或損傷 ,使調(diào)擺與鎖擺機(jī)構(gòu)可靠性有了根本性提高 。減 小 了 寄 生 耦 合 電 容 的 影 響和外界干擾 ,有利于提高測量 精度和靜電標(biāo)定精度 ,提高了電 容傳感器穩(wěn)定性 ,進(jìn)一步提高了 傳感器抗干擾能力 ,排除了懸浮 電子干擾隱患 。調(diào)擺與鎖擺電 容 位 移 傳 感 器 上 下 定 極板電容不對(duì)稱結(jié)構(gòu) , 動(dòng)極板與彈簧和質(zhì)量塊用金屬材料

16、連接 ,分布電容雜散而復(fù)雜 , 未考慮電容傳感器導(dǎo)體附近效應(yīng)設(shè)計(jì) ,存在設(shè)計(jì)缺陷 。電 容位 移傳感器無彈性系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計(jì) ,易斷吊絲 。彈性系統(tǒng)防護(hù)采 用 加 大 磁 屏 蔽 罩 的 吊 絲過孔直 徑 和 增 加 彈 性 系 統(tǒng) 的 限位套筒的防護(hù)設(shè)計(jì) 。解決了 D ZW 型重力儀在運(yùn)輸過程中發(fā)生斷吊絲不良現(xiàn)象 。定 。因而對(duì)測微電路提出較高要求 , 必須采取相應(yīng)措施以提高測微精度 。 精密的電容測量微位移系統(tǒng)的原理如圖 3 所示 。它由電容傳感器 、穩(wěn)幅振蕩器 、前置放大器 、主放大器 、移相整形放大器 、同步檢波放大器 、低通濾 波器 、模擬記錄器和 A/ D 采集器等部分組成 ,采用相關(guān)

17、接收技術(shù) , 構(gòu)成了一個(gè)相敏檢波鎖定放大器 。振蕩器向傳感器輸入單頻和幅度穩(wěn)定的信號(hào) 。圖 2 上海佘山地震臺(tái)的 D ZW2 型重力儀記錄曲線Fig. 2Curve s reco r ded by D ZW2 gravimeterSha nghai sei smo statio nat圖 3 電容測微系統(tǒng)原理方框圖Fig. 3 Block diagrame of p rinciple of t he elect ric cap aci2t y micro2mea sur ment system電路原理與設(shè)計(jì)D ZW 型微伽重力儀彈性系統(tǒng)屬于平移式系統(tǒng) , 無機(jī)械助動(dòng)放大 ,結(jié)構(gòu)簡單 。平移式系

18、統(tǒng)的彈性靜 態(tài)平衡方程見式 (1) 。為了得到很高的測微位移精度 ,往往要求重力 儀有較高的靈敏度 。要提高靈敏度 ,理論上講只要 增加擺的質(zhì)量 m 或減少彈性系數(shù) k 就行了 。實(shí)際 上增加擺的質(zhì)量 m 和減少彈性系數(shù) k 后 , 都會(huì)增大彈簧的蠕變 , 增加儀器零點(diǎn)漂移 , 不利于儀器的穩(wěn)5當(dāng)擺的重塊隨重力變化移動(dòng)時(shí) ,傳感器輸出信號(hào)幅度也隨之變化 , 經(jīng)選頻放大后 , 送給相敏檢波 器 ;與此同時(shí) ,由振蕩器產(chǎn)生的同一頻率的正弦波信號(hào)經(jīng)移相整形放大器變成方波信號(hào) ,也送給了相敏 檢波器 。相敏檢波器實(shí)際是一個(gè)相乘電路 ,它使測 量的信號(hào)與參考信號(hào)相同的部分通過 ,從而有效抑制了噪聲部分

19、。相敏檢波器輸出的測量信號(hào)經(jīng)濾波器進(jìn)一步濾除干擾 , 送入模擬記錄器和 A/ D 采集 器 ,進(jìn)行模擬和數(shù)字記錄 。D ZW2 型微 伽 重力 儀 的測量系統(tǒng)是開環(huán)的 。此外 ,我們已研制了靜電反 饋閉環(huán)測量系統(tǒng) 。的測量 , 鎖 相 放 大 器 是 濾 除 噪 聲 最 有 效 的 方 法 之一 。D ZW2 微伽重力儀鎖相放大器中的同步檢波 電路如圖 5 所示 。穩(wěn)幅振蕩器為了保證電容測微器的精度 ,對(duì)振蕩器的幅度 穩(wěn)定度要求很高 ,振蕩器增益穩(wěn)定性越好 ,量程與精度比越高 。所以開環(huán)測量振蕩器輸出穩(wěn)定與否直接影響整個(gè)儀器的精度 。 量程2精度比由振蕩器的幅度穩(wěn)定度和放大器的增益穩(wěn)定性所決定

20、 。振幅和增益穩(wěn)定性越高 ,量程2精度 比 也 越 高 。假 如 要 求 電 容 測 微 器 精 度 為0 . 000 1 m , 量 程 為 0 . 1 m , 則 量 程2精 度 比 為1 000 1 ,故振蕩器的幅度穩(wěn)定度和放大器的增益 穩(wěn)定性必須優(yōu)于 1/ 1 000 。另外 ,由于要求電容測微 器精度為 0 . 000 1 m , 電 容 板 之 間 的 間 距 為 0 . 3mm ,則要求兩定極板反輸入電壓之間比值的變化 小于 3 ×10 - 7 。D ZW2 型重力儀采用的是分離元件的模擬振 蕩電路 , 它的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單 , 成本低 。但波形精 度 、頻率和幅度穩(wěn)定度

21、都低 ,幅度相對(duì)穩(wěn)定度約為 5×10 - 2 ,諧波成分也較大 。D ZW2 型重力儀振蕩器采用了數(shù)字穩(wěn)幅和穩(wěn) 頻振蕩器 8 ( 見圖 4) ,其原理是將正弦函數(shù)按采樣 點(diǎn)角度變化的正弦值進(jìn)行數(shù)字化處理 。先將此數(shù)字 量存入只讀存儲(chǔ)器中 ,在晶體方波振蕩器的時(shí)鐘脈沖作用下 ,由地址計(jì)數(shù)器產(chǎn)生不同的連續(xù)變化地址 , 將存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)依次周而復(fù)始地取出 ,送到 D/ A 數(shù) 摸轉(zhuǎn)換器 ,再經(jīng)濾波器去除高頻成分“毛刺”,就得到 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定正弦波 。其幅度穩(wěn)定度優(yōu)于 10 - 4 ,頻 率穩(wěn)定度優(yōu)于 5 ×10 - 7 ,失真度 < 0 . 1 % 。頻率穩(wěn)定 在選頻放大時(shí)也

22、有利于增益穩(wěn)定 。數(shù)字振蕩器的設(shè)計(jì) ,使得信號(hào)源穩(wěn)定度有了幾 個(gè)數(shù)量級(jí)的提高 。此項(xiàng)技術(shù)已成功運(yùn)用在 GS 重力 儀改造上 9 。5 . 1圖 5 相敏檢波電路Fig. 5 Pha se2sensitive demo dulatio n原來相 敏 檢 波 開 關(guān) 電 路 采 用 3DJ 6 型 場 效 應(yīng)管 ,設(shè)計(jì)存在一些問題和缺陷 。儀器一般工作在傳 感器零位附近 ,此時(shí)靈敏度高 、線性好 ,但同步檢波 電路的輸出電壓小 , 場效應(yīng)管偏置電壓 VDS 較小 ,場效應(yīng)管處于可變阻工作區(qū) 10 ,源極 S 與漏極 D 之間的電阻不定 , 鎖相放大器的增益不穩(wěn)定 ; 另外 ,當(dāng) 信號(hào)較大時(shí) ,場效

23、應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài) ,鎖相放大器輸出為占空相等對(duì)稱的方波 ,經(jīng)濾波直流輸出為零 ,調(diào)零 電路無法判斷擺位偏離方向 ,不能完成對(duì)傳感器的調(diào)零 。D ZW2 型重力儀忽略了場效應(yīng)管作開關(guān)器件 導(dǎo)通時(shí)的等效內(nèi)阻和截止時(shí)的漏流及變阻態(tài)等變化 ,存在一定的誤差 。D ZW2 型重力儀采 用了 較理想的模擬開關(guān) ,導(dǎo)通電阻小而固定 ,與鎖相放大器 輸出大小和方向無關(guān) ,截止電阻無窮大 ,同時(shí)使用了精密包絡(luò)檢波電路的精密型相敏電路 ,進(jìn)一步減小 由開關(guān)器件帶來的誤差 ,使得鎖相放大器穩(wěn)定可靠 ,提高了儀器格值穩(wěn)定度 。5 . 3低通濾波電路潮汐重力儀的靈敏度高 ,很容易受到地脈動(dòng)和電磁波等外界干擾 ,這些干擾使

24、得記錄曲線毛刺叢生 ,分辨率大為降低 。為了獲得光滑記錄曲線 ,必須 在儀器電路中加接合適的低通濾波器 ,用于濾除電 子系統(tǒng)的噪聲和各種干擾 。對(duì)濾波器要求如下 :1) 幅頻特性 :在截止頻率以內(nèi) ,振幅盡可能為常數(shù) ;2) 相頻特性 :波形失真小 ,線性好 ;3) 穩(wěn)定性 :溫度穩(wěn)定性很高 ,介質(zhì)損耗很小 ;4) 時(shí)間常數(shù) : 如小一些 ,相對(duì)誤差就小 ; 但太小 又不能濾除干擾影響 ,以在 100 s 左右為宜 。D ZW2 型重力儀為一 階 有源 低通 濾波 器 , 濾圖 4 數(shù)字振蕩器Fig. 4 Digital o scillato r鎖相放大由于電容傳感器輸出信號(hào)很小 ,信噪比很低

25、 ,當(dāng) 噪聲高于信號(hào)時(shí) ,噪聲就淹沒了信號(hào) ,無法進(jìn)行準(zhǔn)確5 . 2波效果 不 好 , 時(shí) 間 常 數(shù) 選 得 過 大 , 不 利 于 標(biāo) 定 。 杜品仁 ,等. 重力儀使用維修手冊. 國家地震局監(jiān)測處 ,1982 .D ZW2 型重力儀采用由兩級(jí)二階貝塞爾低通濾波組合成的四階低通濾波 9 。該濾波器具有波形失真 小 ,近似線性相頻特性 ,而過沖小于 1 % , 群時(shí)延遲基本穩(wěn)定 (0 = 1/ 0 ) 。該低通濾波器用于測量固體 潮波時(shí)濾除地脈動(dòng)等外界干擾很理想 。低通 濾波 器 如圖 6 所 示 。當(dāng) 傳遞 函數(shù) = 3時(shí) , 電路為貝塞爾低通濾波 。器 ,使之更直觀又方便操作 。恒溫控制

26、電路一個(gè)高精度的恒溫系統(tǒng)才能保證彈性系統(tǒng)的穩(wěn) 定性 11 ,當(dāng)恒溫精度達(dá) 0 . 000 1 時(shí) ,才能保證本重力儀達(dá)到 1 ×10 - 8 m s - 2 的精度 。D ZW2 型重力儀改用了 V MO S 功率場效應(yīng)管 做加溫功率輸出器件 ,其優(yōu)點(diǎn)是 :只有導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài) ,因此自身功耗極小不發(fā)熱 ,不會(huì)引起新的熱源 ,因而不用散熱 ,減小了體積 ,儀器易實(shí)現(xiàn)一體化 。加 溫指示也由原指針式電壓表改為 L ED 發(fā)光二極管顯示 ,減少了故障 ,提高了可靠性 。5 . 6數(shù)據(jù)采集 、數(shù)字濾波及網(wǎng)絡(luò)化為了實(shí)現(xiàn)重力觀測的數(shù)字化和 智能 化 , D ZW2型重力儀應(yīng)用了數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備

27、12 ,并在數(shù)采 的基礎(chǔ)上通過上位微機(jī)對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處 理 ,從而提高了觀測精度 。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有精度高 、功能強(qiáng) 、使用方便等特點(diǎn) ,具備全自動(dòng)或遠(yuǎn)程控 制標(biāo)定 、調(diào)擺 、記錄 、打印和繪圖等功能 ,支持中國地 震局制定的地震前兆臺(tái)網(wǎng)通訊控制協(xié)議,生成的文件格式符合地震前兆數(shù)據(jù)約定格式 ,可直接使用形變前兆臺(tái)網(wǎng)及臺(tái)站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理 。儀器 主要技術(shù)指標(biāo)除了滿足中國地震局“九五”前兆儀器 數(shù)字化改 造 要求 , 通 過串 口可 與上 位 機(jī)或 Mo de m 連接并實(shí)現(xiàn)電話有線或電臺(tái)無線遠(yuǎn)程遙測 、遙控外 ,還滿足“十五”的 IP 到儀器的要求 ,直接連接到 In2t er n

28、et 網(wǎng)上 ,可在全球任何地方進(jìn)行有線或無線遠(yuǎn) 程上網(wǎng) ,用人工或自動(dòng)方式對(duì)儀器做各種操作 ,實(shí)現(xiàn)了觀測技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化 、集成化 、自動(dòng)化 。嵌入 TC P/ IP5 . 7圖 6 低通濾波器電路Fig. 6 Lo w pa ss filt er5 . 4靜電標(biāo)定電路D ZW2 型重力儀改用了高精密基準(zhǔn)電壓源電路 ,使得標(biāo)定電壓更加穩(wěn)定 ?！熬盼濉币?guī)劃中的第一臺(tái) D ZW2 型重力儀在深 圳地震臺(tái)安裝時(shí) ,發(fā)現(xiàn)重力儀電纜引線與其他儀器電纜引線靠近時(shí) ,干擾信號(hào)經(jīng)標(biāo)定等控制線進(jìn)入儀 器 ,干擾信號(hào)直接疊加在傳感器上 ,導(dǎo)致儀器無法正常工作 。后來改用了隔離控制技術(shù)設(shè)計(jì) ,排除了外 界電磁波對(duì)儀器的干

29、擾影響 ,提高了儀器的抗干擾能力 。5 . 5自動(dòng)調(diào)擺電路彈簧重力儀一般都存在漂移 ,漂移隨時(shí)間的變化逐漸減小 ,大體上是 - 個(gè)線性變化 。這一過程時(shí)間較長 ,當(dāng)重力儀的漂移量積累到一定程度時(shí) ,就需 對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)擺 。否則輸入信號(hào)超出量程范圍 ,重 力儀無法正常記錄 。D ZW2 型重力儀沒有自動(dòng)調(diào)擺電路 ,需人工調(diào)擺 11 。實(shí)踐證明 ,調(diào)擺次數(shù)增多 ,儀器的漂移量會(huì)相應(yīng) 增加 ,新儀器尤為突出 。為了減少調(diào)擺次數(shù) ,D ZW2型重力儀采用了偏移式調(diào)擺方式的自動(dòng)調(diào)擺電路 ,設(shè)計(jì)了三電平雙閾值比較器 ,免用恒流管和穩(wěn)壓 管 ,在運(yùn)放反饋網(wǎng)絡(luò)中 ,利用二極管限幅橋 ,使輸出出現(xiàn)“死區(qū)”,電路

30、的死區(qū)閾值和死區(qū)寬度均為可調(diào) 。由于 D ZW 型重力儀一般都是負(fù)漂移 , 即彈簧朝伸 長方向變化 ,我們將電路的零位“死區(qū)”設(shè)立在偏正 量程的 3/ 4 左右的點(diǎn)上 ,這樣能有效地減少調(diào)擺次數(shù) 。另外將電路的輸出改為 O TL 驅(qū)動(dòng) , 排除了限 流電阻發(fā)熱的影響 ,使正反向驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流對(duì)稱 。調(diào)擺控制也改用了隔離技術(shù)設(shè)計(jì) ,提高了抗干擾能 力 。D ZW2 型 重 力 儀 還 增 加 了 擺 位 的 數(shù) 字 顯 示協(xié)議 ,能 實(shí)現(xiàn) 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 等協(xié)議 ,與觀測儀器聯(lián)接構(gòu)成完整的具有 IP 功能的儀 器 。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)屬于一種嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ,硬件以 CPU 為核心 , 由 RA M 、譯碼器 、擴(kuò)展并行口 、日歷時(shí)鐘 、A/ D 轉(zhuǎn)換 、多路開關(guān) 、R S232 電平轉(zhuǎn)換 、L CD 顯示 、DC/ DC 變換 、鍵盤 、復(fù)位 、電源監(jiān)視及看門狗等部分組成 ,使儀器有自動(dòng)或遠(yuǎn)程調(diào)擺控制 、標(biāo) 定 、工作參數(shù)等管理功能 ,具有手動(dòng) 、遠(yuǎn)程 、看門狗和 電源監(jiān)視自動(dòng)恢復(fù)功能 ,還有防雷擊 、防電浪涌等技術(shù)措施 。數(shù)字濾波采用了 F F T ( 快速傅立葉變換) 方法 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理 ,濾除潮汐以外的短周期信號(hào) ,

32、特別是局部時(shí)間內(nèi)的地脈動(dòng)和地震干擾信號(hào) ,保證記錄曲線光滑并提高重力數(shù)據(jù)精度 。 為了開發(fā)調(diào)試和功能擴(kuò)展方便 ,軟件為模塊化設(shè)計(jì) ,采用 C 語言編寫 ,具有可讀性強(qiáng) 、移植性好等特點(diǎn) 。軟件由鍵盤管理 、數(shù)據(jù)采樣 、濾波 、報(bào)警處理 、顯示 、打印 、繪圖 、存儲(chǔ) 、控制 、標(biāo)定及通信等子模塊 構(gòu)成 ,采用冗余指令 、陷阱等技術(shù)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的 穩(wěn)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

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