馬武剛,張　肖

(1.中國地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室),湖北 武漢 430071;2.中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢創(chuàng)新基地,湖北 武漢 430071;3.河北省地震局易縣地震臺(tái),河北 保定 074211)

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VP寬頻帶傾斜儀現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)①

馬武剛1,2,張肖3

(1.中國地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室),湖北 武漢 430071;2.中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢創(chuàng)新基地,湖北 武漢 430071;3.河北省地震局易縣地震臺(tái),河北 保定 074211)

為了對(duì)VP寬頻帶傾斜儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn),設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)AT89C51的新型現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)裝置。經(jīng)驗(yàn)證該裝置在+8 V激勵(lì)電壓情況下與高精度激光干涉儀結(jié)合使用,其校準(zhǔn)相對(duì)誤差為0.36%,滿足小于1%的校準(zhǔn)相對(duì)誤差要求。

VP寬頻帶傾斜儀; 自動(dòng)校準(zhǔn); 格值; 微位移

0　引言

VP寬頻帶傾斜儀是用來記錄由于天體相互作用力引起的地傾斜固體潮變化的地震觀測(cè)設(shè)備,因其自動(dòng)化程度高、維護(hù)方便、觀測(cè)頻帶寬的優(yōu)勢(shì)[1]逐漸被廣泛應(yīng)用。隨著應(yīng)用的展開,如何在現(xiàn)場(chǎng)盡可能不干擾儀器正常運(yùn)行的情況下對(duì)儀器進(jìn)行絕對(duì)校準(zhǔn)成為困擾使用者的一個(gè)主要問題。目前在臺(tái)站工作中僅依靠觀測(cè)儀器本身所設(shè)置的靜電校準(zhǔn)方式[2]對(duì)儀器格值進(jìn)行校準(zhǔn),這在不具備現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量/校準(zhǔn)技術(shù)的情況下能夠部分實(shí)現(xiàn)檢測(cè)觀測(cè)儀器工作狀態(tài)的目的,但由于其仍屬于相對(duì)校準(zhǔn)方式,未對(duì)儀器整體進(jìn)行校準(zhǔn),因此其校準(zhǔn)結(jié)果也是不可靠的。在保證儀器觀測(cè)連續(xù)性的基礎(chǔ)上,需要一種兼顧科學(xué)性、可靠性的新型現(xiàn)場(chǎng)絕對(duì)校準(zhǔn)方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)VP寬頻帶傾斜儀技術(shù)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn),以彌補(bǔ)現(xiàn)今校準(zhǔn)方式的不足。鑒于此,本文設(shè)計(jì)一種新型的自動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)絕對(duì)校準(zhǔn)方式,以期能夠解決目前存在的現(xiàn)場(chǎng)較準(zhǔn)問題。

1　擺式傾斜儀校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展

格值(靈敏度)是擺式傾斜儀重要的技術(shù)指標(biāo),表征了傾斜儀測(cè)量的電壓量和實(shí)際地面傾斜量的轉(zhuǎn)換關(guān)系(精度)。校準(zhǔn)就是為了給儀器提供可信的格值,其原理是提供一個(gè)微小的角度變化量,監(jiān)測(cè)儀器輸出端數(shù)據(jù),其中角度變化量月輸出端數(shù)據(jù)的比值即為儀器的格值。儀器出廠的同時(shí)一般會(huì)通過獨(dú)立的校準(zhǔn)平臺(tái)(絕對(duì)校準(zhǔn))獲得其初始格值[3],但對(duì)于高精度傾斜儀而言,由于在使用過程中“零漂”的存在,格值會(huì)發(fā)生變化,因此需要階段性地對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)前主要的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法經(jīng)歷了威爾班得脹盒法、手動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置法[4]、靜電校準(zhǔn)法及重塊法[5]等。

由表1可知,當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)較為缺乏,常用的校準(zhǔn)方式也是不符合規(guī)范要求的相對(duì)校準(zhǔn),而手動(dòng)微位移位移驅(qū)動(dòng)方法校準(zhǔn)又會(huì)造成測(cè)試結(jié)果的不可靠性,所以當(dāng)前擺式傾斜儀校準(zhǔn)技術(shù)急需一種穩(wěn)定可靠、易操作的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)。

表1　擺式傾斜儀校準(zhǔn)技術(shù)方式

2　現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)為絕對(duì)校準(zhǔn)系統(tǒng),即把被校準(zhǔn)儀器整體作為校準(zhǔn)對(duì)象,對(duì)其施加外力以提供微位移變化,模擬其實(shí)際工作狀態(tài)來獲取儀器的校準(zhǔn)格值。

其設(shè)計(jì)原理是將微位移裝置置于待校準(zhǔn)的VP寬頻帶傾斜儀底盤之下,通過控制校準(zhǔn)裝置上馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)可調(diào)頂桿的上下移動(dòng)。當(dāng)頂桿接觸傾斜儀底盤后,通過控制校準(zhǔn)裝置中的壓電陶瓷使得儀器底盤產(chǎn)生微小的微位移變化(及傾斜儀傾斜角度變化),記錄由此變化產(chǎn)生的儀器電壓輸出量的變化,把二者相比,就實(shí)現(xiàn)了對(duì)儀器的格值校準(zhǔn)功能。

為了盡可能降低安放校準(zhǔn)裝置對(duì)儀器觀測(cè)產(chǎn)生的影響,校準(zhǔn)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要小,要能置于儀器底盤之下為儀器提供微小位移變化。此裝置部分借鑒手動(dòng)微位移驅(qū)動(dòng)法的機(jī)械設(shè)計(jì),但針對(duì)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的校準(zhǔn)過程中微位移被剛性接觸吸收掉的情況,新的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)原理圖及實(shí)物圖如圖1。

對(duì)儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)較準(zhǔn)時(shí)，將該機(jī)械裝置置于儀器底盤之下，位于調(diào)零馬達(dá)腳對(duì)向腳旁，在可調(diào)頂桿上方粘貼敷銅絕緣面板即可。

3　現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)裝置電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)核心為AT89S51單片機(jī)，是新型現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方式與手動(dòng)微位移現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方式的主要區(qū)別之一。該電路主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在:(1)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)過程的自動(dòng)化，大大降低校準(zhǔn)人員的工作量;(2)提高了校準(zhǔn)時(shí)間間隔精度，將每次校準(zhǔn)時(shí)間間隔精確到毫秒。圖2為設(shè)計(jì)的部分控制電路。

圖1　校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.1　The structure of calibration device

圖2　馬達(dá)控制電路Fig.2　Motor control circuit

在單片機(jī)發(fā)出校準(zhǔn)指令后,先由L1路通過運(yùn)算放大器U4控制馬達(dá)正向轉(zhuǎn)動(dòng),使壓電陶瓷接觸到儀器底盤,以方便后續(xù)校準(zhǔn)工作。校準(zhǔn)完成后,再由L2路通過運(yùn)算放大器U4控制馬達(dá)反相轉(zhuǎn)動(dòng),使壓電陶瓷接觸不到儀器底盤。

單片機(jī)發(fā)出校準(zhǔn)指令后,先由馬達(dá)控制電路使壓電陶瓷接觸到儀器底盤,然后再由P1.4口輸出高電平,通過運(yùn)算放大器U5控制繼電器的吸合,接通壓電陶瓷控制電源,使壓電陶瓷伸長,頂起底盤開始校準(zhǔn)。當(dāng)校準(zhǔn)完成后,同樣由P1.4口輸出低電平,斷開繼電器,壓電陶瓷恢復(fù)原來長度,再由馬達(dá)控制電路使壓電陶瓷接觸不到儀器底盤,校準(zhǔn)結(jié)束(圖3)。

控制程序如下:

ORG 0000

ST:MOV P1,#00

MOV P2,#00

SETB P2.1

B1:JNB P1.0 B1

CLR P2.1

SETB P2.4

SETB P1.4

MOV R1,#0FFH

MOV R2,#0FFH

MOV R3,#80

B21:MOV R0,#10

B2:DJNZ R0,B2

DJNZ R1,B21

DJNZ R2,B21

DJNZ R3,B21

CLR P1.4

CLR P2.4

SETB P2.0

MOV R0,#0FFH

MOV R1,#0FFH

MOV R2,#10

MOV R3,#01

B3:DJNZ R0,B3

DJNZ R1,B3

DJNZ R2,B3

DJNZ R3,B3

CLR P2.0

SETB P2.5

MOV R5,#0FFH

MOV R6,#0FFH

MOV R7,#80

B41:MOV R4,B4

B4:DJNZ R4,B4

DJNZ R5,B41

DJNZ R6,B41

DJNZ R7,B41

CLR P2.5

AJMP ST

END

4　現(xiàn)場(chǎng)較準(zhǔn)裝置的應(yīng)用及結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)由洞外控制單元、現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置和激光干涉儀三部分組成。洞外控制單元包括壓電陶瓷控制電源和校準(zhǔn)控制電路兩部分。其應(yīng)用過程包括垂直向位移(傾斜角度)的產(chǎn)生和測(cè)量兩部分。

圖3　繼電器電路Fig.3　Relay circuit

(1)垂直向位移的產(chǎn)生

壓電陶瓷控制電源用來控制校準(zhǔn)裝置中壓電陶瓷所施加電壓的大小。由壓電陶瓷特性可知,電壓的變化將會(huì)導(dǎo)致壓電陶瓷長度變化,而校準(zhǔn)裝置中壓電陶瓷緊密安裝在傾斜儀底盤與地面之間,所以壓電陶瓷長度的變化必定引起傾斜儀底盤垂直向位移變化。這種位移變化依據(jù)所加驅(qū)動(dòng)電壓的不同,在納米和微米量級(jí)之間。校準(zhǔn)裝置通過程序控制可以每隔五分鐘對(duì)壓電陶瓷施加一次電壓并持續(xù)五分鐘,即使儀器產(chǎn)生一次垂直向位移變化。

(2)垂直向位移的測(cè)量

為了測(cè)得這種微小位移變化,校準(zhǔn)系統(tǒng)使用激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量。激光干涉儀作為精密位移測(cè)量儀器,其測(cè)量端設(shè)定在傾斜儀的底盤之上,通過記錄垂直向位移變化,再結(jié)合底盤基線長度就可以計(jì)算出傾斜儀由于壓電陶瓷長度變化所引起的角度變化。

圖4為校準(zhǔn)過程中各組件相對(duì)位置圖。

圖4　現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)示意圖Fig.4　Schematic diagram of on-site calibration

筆者于2015年3月11日在河北省懷來地震臺(tái)用該現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)裝置對(duì)正在運(yùn)行的VP寬頻帶傾斜儀進(jìn)行了校準(zhǔn)(圖5)。校準(zhǔn)過程如下:

(1)打開壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源,調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓到+8 V檔位;

(2)打開激光干涉儀電源,把激光干涉儀測(cè)量端設(shè)定在VP寬頻帶傾斜儀底盤之上;

圖5　測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.5　Test site

(3)啟動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn)裝置,進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)操作。

其中干涉儀初始位移是未對(duì)壓電陶瓷施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)所測(cè)得的VP寬頻帶傾斜儀底腳垂直位移變化量。壓電陶瓷施加驅(qū)動(dòng)電壓后,測(cè)得的VP寬頻帶傾斜儀底盤垂直向的位移變化量即為干涉儀測(cè)得位移變化量,而VP寬頻帶傾斜儀讀數(shù)變化量是指壓電陶瓷施加電壓后其所產(chǎn)生的電壓變化量。

VP寬頻帶傾斜儀校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果見表2。

結(jié)果表明傾斜儀格值(靈敏度[6])為0.053 3×10-3″/mV,與其出廠平臺(tái)測(cè)試格值0.053×10-3″/mV基本一致,并且:

隨后,對(duì)儀器分別用+6 V、+10 V、+12 V、+14 V、+16 V和+20 V壓電陶瓷激勵(lì)電壓進(jìn)行了校準(zhǔn)測(cè)試,所得格值均值及標(biāo)準(zhǔn)差如表3所列。

由表3可知,激勵(lì)電壓大于12 V以后,其校準(zhǔn)格值標(biāo)準(zhǔn)差成倍加大,雖然其格值校準(zhǔn)相對(duì)誤差仍在允許的范圍內(nèi),但不建議采用高電壓對(duì)傾斜儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

5　討論

由以上應(yīng)用過程及結(jié)果可以看出,與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方式相比,基于單片機(jī)的新型現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方式有以下優(yōu)勢(shì):

表2　校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果

表3　不同電壓條件的格值

(1)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)絕對(duì)校準(zhǔn),避免了傳統(tǒng)人工現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方式對(duì)儀器工作連續(xù)性及精度的影響。

(2)校準(zhǔn)裝置與高精度激光干涉儀的結(jié)合能夠提供穩(wěn)定可靠的校準(zhǔn)結(jié)果,在+6～+12 V壓電陶瓷激勵(lì)電壓的條件下,校準(zhǔn)相對(duì)誤差在1%以內(nèi),且重復(fù)性(格值校準(zhǔn)差)良好。

(3)校準(zhǔn)裝置良好的通用性使得儀器也可對(duì)石英水平擺等傾斜儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

鑒于裝置仍處于試驗(yàn)階段,存在校準(zhǔn)電壓范圍較窄、可提供微位移范圍有限等問題,這為下一步的研究提供了方向。

References)

[1]方燕勛,卞根發(fā),惠若愚.湖州臺(tái)高采樣率傾斜儀同震響應(yīng)初析[J].地震工程學(xué)報(bào),2014,36(3):628-633.

FANG Yan-xun,BIAN Gen-fa,HUI Ruo-yu.Preliminary Analysis of Coseismic Response of Tiltmeters with High Sampling Rate Used at Huzhou Seismostation[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(3):628-633.(in Chinese)

[2]肖峻,吳艷霞,胡國慶,等.高精度垂直擺傾斜儀靜電標(biāo)定方法的研究[J].測(cè)控技術(shù),2005,24(8):10-15.

XIAO Jun,WU Yan-xia,HU Huo-qing,et al.Research on Electrostatic Calibration of High Precision Vertical Pendulum Inclinometer[J].Measurement & Control Technology,2005,24(8):10-15.(in Chinese)

[3]馬武剛,盧海燕,胡國慶,等.VP型垂直擺傾斜儀校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2012,32(4):152-155.MA Wu-gang,LU Hai-yan,HU Guo-qing,et al.Design of Calibration Device for VP Vertical Pendulum Tiltmeter[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2012,32(4):152-155.(in Chinese)

[4]鄒舟,杜瑞林,盧海燕,等.高精度傾斜儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)微傾斜發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2014,34(4):172-174.

ZOU Zhou,DU Rui-lin,LU Hai-yan,et al.Design of Slight Tilt Generate Using in High Precision Tiltmeters' Calibration[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2014,34(4):172-174.(in Chinese)

[5]肖峻,吳艷霞,莫易敏.高精度垂直擺傾斜儀重塊標(biāo)定方法的研究[J].測(cè)控技術(shù),2004,23(7):11-14.

XIAO Jun,WU Yan-xia,MO Yi-min.Research on Heavy Block Calibration of High Precision Vertical Pendulum Inclinnmeter[J].Measurement & Control Technology,2004,23(7):11-14.(in Chinese)

[6]施志龍,吳書朝.垂直擺傾斜儀靈敏度標(biāo)定方法研究[J].測(cè)繪科學(xué),2007,32(4):63-64.

SHI Zhi-long,WU Shu-chao.Research of Calibration Method in Vertical Pendulum Tiltmeter[J].Science of Surveying and Mapping,2007,32(4):63-64.(in Chinese)

Design of an On-site Automatic Calibration Device for the Vertical Pendulum Broadband Tiltmeter

MA Wu-gang1,2,ZHANG Xiao3

(1.Key Laboratory of Earthquake Geodesy,Institute of Seismology,CEA,Wuhan 430071,Hubei,China;2.Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics,CEA,Wuhan 430071,Hubei,China;3.Yixian Seismic Station,Earthquake Administration of Hebei Province,Baoding 074211,Hebei,China)

The vertical pendulum (VP)broadband tiltmeter is a type of earthquake precursor observation equipment that records the inclined earth tide.The scale value represents the relationship between the measured physical quantity and the output voltage.Its accuracy plays a key role in data reliability.The calibration process provides the scale value for the instrument.Most traditional calibration methods,e.g.,plat calibrations in the laboratory and manual calibrations on site,cannot satisfy the accuracy levels required in scientific applications,or might affect the continuity of observations.In this study,we investigate an on-site automatic calibration device,in which small-scale shifts are introduced by a piezoelectric ceramic under the control of a single chip microcomputer AT89C51.The device then calculates the scale values from serial corresponding values of the outputs of the VP broadband tiltmeter and a laser interferometer.This device could realize the automatic operation of calibration,and its relative calibration accuracy is 0.36% when the excitation voltage is adjusted to +8 V,and meets the requirement of a relative error of less than 1%.

VP broadband tiltmeter; automatic calibration; scale value; micro-displacement

2015-05-10

中國地震局地震科技星火計(jì)劃攻關(guān)項(xiàng)目(XH15030);中國地震局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201208002);中國地震局地震科技星火計(jì)劃攻關(guān)項(xiàng)目(XH14034);中國地震局地震研究所所長基金(201506030)

馬武剛,男,助理研究員,現(xiàn)主要從事寬頻帶地震儀器(垂直擺傾斜儀和相對(duì)重力儀)的研發(fā)工作。E-mail:matianitian123@163.com。

TH762

A

1000-0844(2016)04-0658-05

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0658