VP寬頻帶傾斜儀現(xiàn)場自動校準裝置設計①

馬武剛,張　肖

(1.中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室),湖北 武漢 430071;2.中國地震局地殼應力研究所武漢創(chuàng)新基地,湖北 武漢 430071;3.河北省地震局易縣地震臺,河北 保定 074211)

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VP寬頻帶傾斜儀現(xiàn)場自動校準裝置設計①

馬武剛1,2,張肖3

(1.中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室),湖北 武漢 430071;2.中國地震局地殼應力研究所武漢創(chuàng)新基地,湖北 武漢 430071;3.河北省地震局易縣地震臺,河北 保定 074211)

為了對VP寬頻帶傾斜儀進行現(xiàn)場校準,設計了一款基于單片機AT89C51的新型現(xiàn)場自動校準裝置。經(jīng)驗證該裝置在+8 V激勵電壓情況下與高精度激光干涉儀結(jié)合使用,其校準相對誤差為0.36%,滿足小于1%的校準相對誤差要求。

VP寬頻帶傾斜儀; 自動校準; 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設備,因其自動化程度高、維護方便、觀測頻帶寬的優(yōu)勢[1]逐漸被廣泛應用。隨著應用的展開,如何在現(xiàn)場盡可能不干擾儀器正常運行的情況下對儀器進行絕對校準成為困擾使用者的一個主要問題。目前在臺站工作中僅依靠觀測儀器本身所設置的靜電校準方式[2]對儀器格值進行校準,這在不具備現(xiàn)場計量/校準技術(shù)的情況下能夠部分實現(xiàn)檢測觀測儀器工作狀態(tài)的目的,但由于其仍屬于相對校準方式,未對儀器整體進行校準,因此其校準結(jié)果也是不可靠的。在保證儀器觀測連續(xù)性的基礎上,需要一種兼顧科學性、可靠性的新型現(xiàn)場絕對校準方式,實現(xiàn)對VP寬頻帶傾斜儀技術(shù)參數(shù)的現(xiàn)場校準,以彌補現(xiàn)今校準方式的不足。鑒于此,本文設計一種新型的自動現(xiàn)場絕對校準方式,以期能夠解決目前存在的現(xiàn)場較準問題。

1　擺式傾斜儀校準技術(shù)發(fā)展

格值(靈敏度)是擺式傾斜儀重要的技術(shù)指標,表征了傾斜儀測量的電壓量和實際地面傾斜量的轉(zhuǎn)換關(guān)系(精度)。校準就是為了給儀器提供可信的格值,其原理是提供一個微小的角度變化量,監(jiān)測儀器輸出端數(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。儀器出廠的同時一般會通過獨立的校準平臺(絕對校準)獲得其初始格值[3],但對于高精度傾斜儀而言,由于在使用過程中“零漂”的存在,格值會發(fā)生變化,因此需要階段性地對其進行校準。當前主要的現(xiàn)場校準方法經(jīng)歷了威爾班得脹盒法、手動驅(qū)動裝置法[4]、靜電校準法及重塊法[5]等。

由表1可知,當前現(xiàn)場校準技術(shù)較為缺乏,常用的校準方式也是不符合規(guī)范要求的相對校準,而手動微位移位移驅(qū)動方法校準又會造成測試結(jié)果的不可靠性,所以當前擺式傾斜儀校準技術(shù)急需一種穩(wěn)定可靠、易操作的現(xiàn)場校準技術(shù)。

表1　擺式傾斜儀校準技術(shù)方式

2　現(xiàn)場校準技術(shù)裝置的機械結(jié)構(gòu)設計

本文設計的現(xiàn)場自動校準系統(tǒng)為絕對校準系統(tǒng),即把被校準儀器整體作為校準對象,對其施加外力以提供微位移變化,模擬其實際工作狀態(tài)來獲取儀器的校準格值。

其設計原理是將微位移裝置置于待校準的VP寬頻帶傾斜儀底盤之下,通過控制校準裝置上馬達的轉(zhuǎn)動,帶動可調(diào)頂桿的上下移動。當頂桿接觸傾斜儀底盤后,通過控制校準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,就實現(xiàn)了對儀器的格值校準功能。

為了盡可能降低安放校準裝置對儀器觀測產(chǎn)生的影響,校準裝置的機械結(jié)構(gòu)設計必須要小,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微位移驅(qū)動法的機械設計,但針對設計中出現(xiàn)的校準過程中微位移被剛性接觸吸收掉的情況,新的機械結(jié)構(gòu)進行了重新設計。其結(jié)構(gòu)原理圖及實物圖如圖1。

對儀器進行現(xiàn)場較準時，將該機械裝置置于儀器底盤之下，位于調(diào)零馬達腳對向腳旁，在可調(diào)頂桿上方粘貼敷銅絕緣面板即可。

3　現(xiàn)場校準技術(shù)裝置電路設計

電路設計核心為AT89S51單片機，是新型現(xiàn)場校準方式與手動微位移現(xiàn)場校準方式的主要區(qū)別之一。該電路主要優(yōu)勢體現(xiàn)在:(1)實現(xiàn)了現(xiàn)場校準過程的自動化，大大降低校準人員的工作量;(2)提高了校準時間間隔精度，將每次校準時間間隔精確到毫秒。圖2為設計的部分控制電路。

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

圖2　馬達控制電路Fig.2　Motor control circuit

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

單片機發(fā)出校準指令后,先由馬達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。當校準完成后,同樣由P1.4口輸出低電平,斷開繼電器,壓電陶瓷恢復原來長度,再由馬達控制電路使壓電陶瓷接觸不到儀器底盤,校準結(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)場較準裝置的應用及結(jié)果分析

現(xiàn)場校準裝置系統(tǒng)由洞外控制單元、現(xiàn)場校準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控制電路兩部分。其應用過程包括垂直向位移(傾斜角度)的產(chǎn)生和測量兩部分。

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,電壓的變化將會導致壓電陶瓷長度變化,而校準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)動電壓的不同,在納米和微米量級之間。校準裝置通過程序控制可以每隔五分鐘對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)垂直向位移的測量

為了測得這種微小位移變化,校準系統(tǒng)使用激光干涉儀進行測量。激光干涉儀作為精密位移測量儀器,其測量端設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為校準過程中各組件相對位置圖。

圖4　現(xiàn)場校準示意圖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用該現(xiàn)場校準技術(shù)裝置對正在運行的VP寬頻帶傾斜儀進行了校準(圖5)。校準過程如下:

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

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

圖5　測試現(xiàn)場Fig.5　Test site

(3)啟動自動校準裝置,進行自動校準操作。

其中干涉儀初始位移是未對壓電陶瓷施加驅(qū)動電壓時所測得的VP寬頻帶傾斜儀底腳垂直位移變化量。壓電陶瓷施加驅(qū)動電壓后,測得的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寬頻帶傾斜儀校準測試結(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,與其出廠平臺測試格值0.053×10-3″/mV基本一致,并且:

隨后,對儀器分別用+6 V、+10 V、+12 V、+14 V、+16 V和+20 V壓電陶瓷激勵電壓進行了校準測試,所得格值均值及標準差如表3所列。

由表3可知,激勵電壓大于12 V以后,其校準格值標準差成倍加大,雖然其格值校準相對誤差仍在允許的范圍內(nèi),但不建議采用高電壓對傾斜儀進行校準。

5　討論

由以上應用過程及結(jié)果可以看出,與傳統(tǒng)的現(xiàn)場校準方式相比,基于單片機的新型現(xiàn)場校準方式有以下優(yōu)勢:

表2　校準測試結(jié)果

表3　不同電壓條件的格值

(1)實現(xiàn)了現(xiàn)場絕對校準,避免了傳統(tǒng)人工現(xiàn)場校準方式對儀器工作連續(xù)性及精度的影響。

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

(3)校準裝置良好的通用性使得儀器也可對石英水平擺等傾斜儀進行校準。

鑒于裝置仍處于試驗階段,存在校準電壓范圍較窄、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)

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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)

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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劃攻關(guān)項目(XH15030);中國地震局公益性行業(yè)科研專項(201208002);中國地震局地震科技星火計劃攻關(guān)項目(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