SS-Y伸缩仪新型标定装置的研制＊

杨 江 徐春阳 吴 涛 周云耀 杜为民

(中国地震局地震研究所,武汉 430071)

SS-Y伸缩仪新型标定装置的研制＊

杨 江 徐春阳 吴 涛 周云耀 杜为民

(中国地震局地震研究所,武汉 430071)

介绍一种伸缩仪新型标定装置,该标定装置具有结构简单、重复精度好、位移常数恒定等特性,并只通过更改数采软件就能与现有伸缩仪系统的无缝结合。

伸缩仪;标定器;重复精度;位移常数;软件

1 引言

伸缩仪的标定装置已经广泛应用于全国数百个台站,其结构精密,加工精度高,制作工艺复杂。根据多个台站的反馈意见通常在标定装置安装使用两年以后,标定器由于自身结构的过于精密,使用环境和灰尘的影响使其容易出现卡死,重复精度差,位移常数不准等情况。本文研制的新标定装置由于其结构简单可靠,可以很好地解决这些问题。

2 现有标定装置存在的问题

现有标定装置的内部结构如图 1所示。标定器内部由燕尾槽和拉簧组成,利用 50：1的斜偰块将纵向位移转换为横向位移[1,2]。由标定器本身结构可知它存在以下几个问题：1)使用时间长了以后由于油凝固、进灰等原因使得燕尾槽卡死;2)50：1的斜偰块加工精度要求高,机械加工过程中的不确定性使得每一台的标定装置位移常数差异大;3)受山洞环境因素的影响,标定器内容易进灰等原因使得标定装置的重复精度变差,位移常数发生变化等。

图1 现有标定装置内部结构图Fig.1 Internal structure of available calibration equipment

例如 2007年 3月在江西九江地震台安装的两套伸缩仪,安装初期标定器工作正常,最近发现标定器发生卡死情况,其标定结果如表 1所示,标定重复性达到了 141.07%。由电压幅度可以看出,在标定过程中,传感器输出电压值的变化十分小,标定器处于卡死状态。

检查后发现,由于标定装置安装时间太长,标定器内的润滑油已经干涸,造成燕尾槽和导轨之间黏合,步进电机所产生的推力不足以克服其黏合所产生的摩擦力导致标定器卡死。

此种情况已在多个台站出现,目前尚无太好的解决方法,需要定期往标定器内加油、清灰。积灰后清理工作十分麻烦,需要拆掉整个标定器内芯进行清洗,清洗后的复原安装难度也较大,十分不利伸缩仪系统长期稳定工作。

表 1 2009年 3月 26日九江地震台伸缩仪标定记录Tab.1 The calibration record of extensometer at Jiujiang station on 2009-03-26

3 新标定装置研制及样机

新标定装置的工作原理为：恒定的力作用于弹性体上,弹性体每次的变形量相同,由此产生的微位移量相同。设计中采用一定厚度的不锈钢片作为弹性体,利用重锤和护板重力的合力作为作用于弹性体上的恒定作用力,利用电机控制重锤起落来保证弹性体在弹性范围内只处于受力或不受力工作状态。

新标定装置整体结构简单,对加工精度要求低,环境适应性强,湿气和灰尘对其影响小,有利于伸缩仪系统的长期稳定工作。

研制过程共经历了两个阶段,研制出两台生产样机。

1)初始结构设计

结构示意图如图 2所示。交流电机通过传动比为 1：1的主动齿轮和从动齿轮带动螺杆做垂直方向运动,螺杆通过吊丝与重锤连接,通过电机转动圈数设定使得重锤在垂直方向上处于高位和低位两种状态。重锤通过不锈钢护板与转轮配合使得铟钢丝只在水平方向处于受力或不受拉状力状态,从而拉动不锈钢膜片做弹性变化。在整个工作过程中只有两种工作状态：一是重锤处于高位时,铟钢丝完全不受力,不锈钢膜片处于自由状态;二是重锤处于低位时,吊丝完全不受力,铟钢丝受力绷紧,此时不锈钢膜片所受拉力为重锤和不锈钢护板重力合力,为一恒定值。

图2 新标定装置初始结构Fig.2 Initial structure of novel calibration equipment

经测试,该结构在运用过程中存在以下问题：

①在检定原理上存在漏洞。由于采用长方形小钢块作为弹性膜片,当重锤通过钢丝拉动钢块时,钢块会产生一个倾斜量,使其并非完全在水平方向运动。这使得传感器铁芯和线圈之间的运动产生倾角,造成检定误差。

②电机采用 220V交流供电,需要单独供电,存在不确定性。

③由于交流电机尺寸的影响使得整个发生装置太大、过重,运输和使用不方便。

④由于以前的标定装置采用步进电机,此结构中的可逆电机采用单片机控制,与现用数采兼容性差。

2)最终结构

通过结构调整,最终定型的标定器结构如图 3所示。

图3 新标定装置最终结构Fig.3 Final structure of novel calibration equipment

利用步进电机代替交流电机,底板开槽,整个装置尺寸缩小约为初始结构的三分之二。增加膜片座,使得膜片受拉位置处于膜片正中心。

相比试验第一阶段标定器,最终定型标定装置优点如下：

①解决了检定原理方面的问题。弹性膜片采用正方形大钢片,重锤通过钢丝拉动膜片中心位置,使得每次膜片中心点的运动为水平直线运动。

②采用三相步进电机控制重锤起落,与台站正在使用的伸缩仪主机完美结合,采用 12V直流供电,传输、使用更加安全。

③装置结构更加小型化,方便运输、安装。

④与台站正在使用的数据采集器兼容,不需做硬件改动,重新写入数采内程序即可直接应用于台站。

4 新标定装置测试

由于新标定装置采用步进电机控制[3],所以能够与台站正在使用的数据采集器有机结合,只需重写数采中控制部分的软件,改变步进电机的转动方式即可。控制步骤为：

控制方式的理论依据：

1)电机运动 10次,共得到 10个电压差值,与现用标定装置相一致,用于计算重复性。

2)伸缩仪工作状态时,重锤处于高位,使得钢片处于不受力状态,避免钢片和钢丝长时间受力发生非弹性变形。

3)每次电机转动停止以后,停 60秒后开始读数,保证传感器处于稳定状态。

4)重锤重量约为 1.5 kg,钢片厚度为 3 mm,通过实验确定电机转动 14圈保证钢片处于只受重力和不受力两种状态。

整个检定过程由数采自动完成,检定结果见表2。

表 2 新标定装置标定结果Tab.2 Calibration records of novel calibration equipment

由表 2可以看出,标定装置的标定重复性为0.09%,远小于标准上要求的 1%。经过 5组数据测试,新标定装置的标定重复性分别为 0.09%、0.13%、0.11%、0.13%和 0.17%,标定重复性稳定在2‰以内。

5 结论

新的标定装置采用弹性变形的标定原理使其结构十分简单可靠,从根源上解决了现有标定装置存在的一系列问题。制作成本降低,能够与现有的数据采集器完美结合,为伸缩仪长时间的形变监测提供了良好的保证。

1 吕宠吾,等.SS-Y型短基线伸缩仪及其标定装置[J].地壳形变与地震,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 杜为民,高平,吕宠吾.新型的自动标定器[J].地壳形变与地震,2000,(3)：94-97.(Du Weimin,Gao Ping and Lu Chongwu.A novel calibrator[J].Crustal Deformation and Earthquake,2000,(3)：94-97)

3 华大龙,杨晔,潘汉怀.步进电动机原理及其驱动电路研究[J].电脑知识与技术,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

国家质量监督检验检疫总局行业专项(2007GYB092-2);中国地震局地震研究所所长基金重点项目(IS200716003)

杨江,男,硕士,工程师,从事形变观测技术的研究.E-mail：meblor@gmail.com

TH76.3

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