楊 江 徐春陽 吳 濤 周云耀 杜為民

(中國地震局地震研究所,武漢 430071)

SS-Y伸縮儀新型標(biāo)定裝置的研制＊

楊 江 徐春陽 吳 濤 周云耀 杜為民

(中國地震局地震研究所,武漢 430071)

介紹一種伸縮儀新型標(biāo)定裝置,該標(biāo)定裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、重復(fù)精度好、位移常數(shù)恒定等特性,并只通過更改數(shù)采軟件就能與現(xiàn)有伸縮儀系統(tǒng)的無縫結(jié)合。

伸縮儀;標(biāo)定器;重復(fù)精度;位移常數(shù);軟件

1 引言

伸縮儀的標(biāo)定裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全國數(shù)百個臺站,其結(jié)構(gòu)精密,加工精度高,制作工藝復(fù)雜。根據(jù)多個臺站的反饋意見通常在標(biāo)定裝置安裝使用兩年以后,標(biāo)定器由于自身結(jié)構(gòu)的過于精密,使用環(huán)境和灰塵的影響使其容易出現(xiàn)卡死,重復(fù)精度差,位移常數(shù)不準(zhǔn)等情況。本文研制的新標(biāo)定裝置由于其結(jié)構(gòu)簡單可靠,可以很好地解決這些問題。

2 現(xiàn)有標(biāo)定裝置存在的問題

現(xiàn)有標(biāo)定裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1所示。標(biāo)定器內(nèi)部由燕尾槽和拉簧組成,利用 50：1的斜偰塊將縱向位移轉(zhuǎn)換為橫向位移[1,2]。由標(biāo)定器本身結(jié)構(gòu)可知它存在以下幾個問題：1)使用時間長了以后由于油凝固、進(jìn)灰等原因使得燕尾槽卡死;2)50：1的斜偰塊加工精度要求高,機(jī)械加工過程中的不確定性使得每一臺的標(biāo)定裝置位移常數(shù)差異大;3)受山洞環(huán)境因素的影響,標(biāo)定器內(nèi)容易進(jìn)灰等原因使得標(biāo)定裝置的重復(fù)精度變差,位移常數(shù)發(fā)生變化等。

圖1 現(xiàn)有標(biāo)定裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Internal structure of available calibration equipment

例如 2007年 3月在江西九江地震臺安裝的兩套伸縮儀,安裝初期標(biāo)定器工作正常,最近發(fā)現(xiàn)標(biāo)定器發(fā)生卡死情況,其標(biāo)定結(jié)果如表 1所示,標(biāo)定重復(fù)性達(dá)到了 141.07%。由電壓幅度可以看出,在標(biāo)定過程中,傳感器輸出電壓值的變化十分小,標(biāo)定器處于卡死狀態(tài)。

檢查后發(fā)現(xiàn),由于標(biāo)定裝置安裝時間太長,標(biāo)定器內(nèi)的潤滑油已經(jīng)干涸,造成燕尾槽和導(dǎo)軌之間黏合,步進(jìn)電機(jī)所產(chǎn)生的推力不足以克服其黏合所產(chǎn)生的摩擦力導(dǎo)致標(biāo)定器卡死。

此種情況已在多個臺站出現(xiàn),目前尚無太好的解決方法,需要定期往標(biāo)定器內(nèi)加油、清灰。積灰后清理工作十分麻煩,需要拆掉整個標(biāo)定器內(nèi)芯進(jìn)行清洗,清洗后的復(fù)原安裝難度也較大,十分不利伸縮儀系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作。

表 1 2009年 3月 26日九江地震臺伸縮儀標(biāo)定記錄Tab.1 The calibration record of extensometer at Jiujiang station on 2009-03-26

3 新標(biāo)定裝置研制及樣機(jī)

新標(biāo)定裝置的工作原理為：恒定的力作用于彈性體上,彈性體每次的變形量相同,由此產(chǎn)生的微位移量相同。設(shè)計(jì)中采用一定厚度的不銹鋼片作為彈性體,利用重錘和護(hù)板重力的合力作為作用于彈性體上的恒定作用力,利用電機(jī)控制重錘起落來保證彈性體在彈性范圍內(nèi)只處于受力或不受力工作狀態(tài)。

新標(biāo)定裝置整體結(jié)構(gòu)簡單,對加工精度要求低,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),濕氣和灰塵對其影響小,有利于伸縮儀系統(tǒng)的長期穩(wěn)定工作。

研制過程共經(jīng)歷了兩個階段,研制出兩臺生產(chǎn)樣機(jī)。

1)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2所示。交流電機(jī)通過傳動比為 1：1的主動齒輪和從動齒輪帶動螺桿做垂直方向運(yùn)動,螺桿通過吊絲與重錘連接,通過電機(jī)轉(zhuǎn)動圈數(shù)設(shè)定使得重錘在垂直方向上處于高位和低位兩種狀態(tài)。重錘通過不銹鋼護(hù)板與轉(zhuǎn)輪配合使得銦鋼絲只在水平方向處于受力或不受拉狀力狀態(tài),從而拉動不銹鋼膜片做彈性變化。在整個工作過程中只有兩種工作狀態(tài)：一是重錘處于高位時,銦鋼絲完全不受力,不銹鋼膜片處于自由狀態(tài);二是重錘處于低位時,吊絲完全不受力,銦鋼絲受力繃緊,此時不銹鋼膜片所受拉力為重錘和不銹鋼護(hù)板重力合力,為一恒定值。

圖2 新標(biāo)定裝置初始結(jié)構(gòu)Fig.2 Initial structure of novel calibration equipment

經(jīng)測試,該結(jié)構(gòu)在運(yùn)用過程中存在以下問題：

①在檢定原理上存在漏洞。由于采用長方形小鋼塊作為彈性膜片,當(dāng)重錘通過鋼絲拉動鋼塊時,鋼塊會產(chǎn)生一個傾斜量,使其并非完全在水平方向運(yùn)動。這使得傳感器鐵芯和線圈之間的運(yùn)動產(chǎn)生傾角,造成檢定誤差。

②電機(jī)采用 220V交流供電,需要單獨(dú)供電,存在不確定性。

③由于交流電機(jī)尺寸的影響使得整個發(fā)生裝置太大、過重,運(yùn)輸和使用不方便。

④由于以前的標(biāo)定裝置采用步進(jìn)電機(jī),此結(jié)構(gòu)中的可逆電機(jī)采用單片機(jī)控制,與現(xiàn)用數(shù)采兼容性差。

2)最終結(jié)構(gòu)

通過結(jié)構(gòu)調(diào)整,最終定型的標(biāo)定器結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

圖3 新標(biāo)定裝置最終結(jié)構(gòu)Fig.3 Final structure of novel calibration equipment

利用步進(jìn)電機(jī)代替交流電機(jī),底板開槽,整個裝置尺寸縮小約為初始結(jié)構(gòu)的三分之二。增加膜片座,使得膜片受拉位置處于膜片正中心。

相比試驗(yàn)第一階段標(biāo)定器,最終定型標(biāo)定裝置優(yōu)點(diǎn)如下：

①解決了檢定原理方面的問題。彈性膜片采用正方形大鋼片,重錘通過鋼絲拉動膜片中心位置,使得每次膜片中心點(diǎn)的運(yùn)動為水平直線運(yùn)動。

②采用三相步進(jìn)電機(jī)控制重錘起落,與臺站正在使用的伸縮儀主機(jī)完美結(jié)合,采用 12V直流供電,傳輸、使用更加安全。

③裝置結(jié)構(gòu)更加小型化,方便運(yùn)輸、安裝。

④與臺站正在使用的數(shù)據(jù)采集器兼容,不需做硬件改動,重新寫入數(shù)采內(nèi)程序即可直接應(yīng)用于臺站。

4 新標(biāo)定裝置測試

由于新標(biāo)定裝置采用步進(jìn)電機(jī)控制[3],所以能夠與臺站正在使用的數(shù)據(jù)采集器有機(jī)結(jié)合,只需重寫數(shù)采中控制部分的軟件,改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方式即可?？刂撇襟E為：

控制方式的理論依據(jù)：

1)電機(jī)運(yùn)動 10次,共得到 10個電壓差值,與現(xiàn)用標(biāo)定裝置相一致,用于計(jì)算重復(fù)性。

2)伸縮儀工作狀態(tài)時,重錘處于高位,使得鋼片處于不受力狀態(tài),避免鋼片和鋼絲長時間受力發(fā)生非彈性變形。

3)每次電機(jī)轉(zhuǎn)動停止以后,停 60秒后開始讀數(shù),保證傳感器處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4)重錘重量約為 1.5 kg,鋼片厚度為 3 mm,通過實(shí)驗(yàn)確定電機(jī)轉(zhuǎn)動 14圈保證鋼片處于只受重力和不受力兩種狀態(tài)。

整個檢定過程由數(shù)采自動完成,檢定結(jié)果見表2。

表 2 新標(biāo)定裝置標(biāo)定結(jié)果Tab.2 Calibration records of novel calibration equipment

由表 2可以看出,標(biāo)定裝置的標(biāo)定重復(fù)性為0.09%,遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)上要求的 1%。經(jīng)過 5組數(shù)據(jù)測試,新標(biāo)定裝置的標(biāo)定重復(fù)性分別為 0.09%、0.13%、0.11%、0.13%和 0.17%,標(biāo)定重復(fù)性穩(wěn)定在2‰以內(nèi)。

5 結(jié)論

新的標(biāo)定裝置采用彈性變形的標(biāo)定原理使其結(jié)構(gòu)十分簡單可靠,從根源上解決了現(xiàn)有標(biāo)定裝置存在的一系列問題。制作成本降低,能夠與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集器完美結(jié)合,為伸縮儀長時間的形變監(jiān)測提供了良好的保證。

1 呂寵吾,等.SS-Y型短基線伸縮儀及其標(biāo)定裝置[J].地殼形變與地震,2001,(3)：82-87.(Lu Chongwu,et al. Development of SS-Y short-based extensometer and its calibrator.[J].Crustal Deformation and Earthquake,2001, (3)：82-87)

2 杜為民,高平,呂寵吾.新型的自動標(biāo)定器[J].地殼形變與地震,2000,(3)：94-97.(Du Weimin,Gao Ping and Lu Chongwu.A novel calibrator[J].Crustal Deformation and Earthquake,2000,(3)：94-97)

3 華大龍,楊曄,潘漢懷.步進(jìn)電動機(jī)原理及其驅(qū)動電路研究[J].電腦知識與技術(shù),2009,5(12)：9 841-9 842. (Hua Dalong,Yang Ye and Pan Hanhuai.Motor theory and driving circuit[J].Computer Knowledge and Technology, 2009,5(12)：9 841-9 842)

DEVELOPM ENT OF NOVEL CAL IBRATION EQUIPM ENT FOR SS-Y EXTENSOM ETER

Yang Jiang,Xu Chunyang,Wu Tao,Zhou Yunyao and DuWei min
(Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071)

A new kind of calibration equipment is introduced.This calibration equipment has the features of simple structure,good repeat precision and invariable displacement constant,and can be combined with the system of extensometer organically.

extensometer;calibration equipment;repeated precision;displacement constant;software

1671-5942(2010)05-0153-03

2009-11-12

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局行業(yè)專項(xiàng)(2007GYB092-2);中國地震局地震研究所所長基金重點(diǎn)項(xiàng)目(IS200716003)

楊江,男,碩士,工程師,從事形變觀測技術(shù)的研究.E-mail：meblor@gmail.com

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