DSQ型水管倾斜仪说明书AA4.docx
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DSQ型水管倾斜仪说明书AA4.docx
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DSQ型水管倾斜仪说明书AA4
1、概述
1.1引言
DSQ型水管倾斜仪是自动测量地壳倾斜变化的一种精密仪器,除用来测定缓慢倾斜变化、倾斜固体潮与捕捉临震前兆信息外,还可用于地球动力学与精密工程测量等方面。
该仪器采用差动变压器式位移传感器,并结合应用现代微电子技术的一些新成就设计而成,具有结构合理、性能稳定可靠、功能全、使用范围广等特点。
1.2主要技术指标
分辨力:
0.0005角秒
系统稳定性:
日漂移量小于0.005角秒
基线长度:
10米以内(>5米),按需要大于10米更好
标定精度:
优于1%
标定:
自动化
记录:
数据采集和网络通讯
1.3仪器整体结构
仪器由主机和电子记录两大系统组成。
主机系统由主体、标定装置、管路系统组成。
电子记录系统由差动变压器式位移传感器、DSQ测微仪、EP-Ⅲ型IP采集控制器组成。
仪器整体结构见照片1。
a、主机系统
b、记录系统
仪器整体结构照片1。
2、仪器基本工作原理
仪器基本原理是根据连通管内水面保持自然水平的原理(见图1)。
当连通管两端地基出现相对垂直位移时,两端液面便会相对于仪器钵体发生变化,这种变化,通过浮子、位移传感器等变成电信号输出自动记录。
设ρ为液体密度,A1、A2分别为两端钵体的横截面积,Δh为两端相对高差变化量,h1、h2分别为两端钵体内液面的变化量。
根据液体的不可压缩性得:
从而得
液面的变化使固定在浮子上的差动变压器的铁芯相对于固定在盖板上的线圈作垂直移动,这个相对移动借助于位移换能器输出一个模拟电信号,这个电信号由电缆传输到一定距离的测微仪器中,然后按需要分别进入前兆数采仪或模拟记录系统,这样将东、西、南、北四端的液面变化和“东—西”、“北—南”两分量的高差变化以数采记录出来。
将自动记录出来的Δh就可化算成相应的地倾斜角
(式中L为仪器两端点的跨距)。
图1DSQ型水管倾斜仪基本工作原理示意图
3、仪器的结构及组成部分
仪器由主机和电子记录两大系统组成。
主机系统由主体、标定装置、管路系统组成。
仪器的主机系统见图2。
电子记录系统由差动变压器式位移传感器、DSQ测微仪、EP-Ⅲ型IP采集控制器组成。
图2DSQ型水管倾斜仪主机系统
结构相同的两个主体安放在山洞洞室基岩主墩上,两主墩中央安置标定装置,用玻璃管一根接一根的衔接,接头用硅胶管使它们连通。
该仪器一般由正EW、正NS的正交的两个分量组成。
也可采用三边布设观测法来安放水管仪。
主机是以蒸馏水作工作介质。
电子记录系统除位移传感器装在主体上,换能器置于主体旁边外,其余安放在仪器记录室内。
3.1主机系统结构
3.1.1主体结构
用三根均分布在圆周上的不锈钢支柱将上盖板和底座稳固地连成一体,中间放置内壁经磨砂抛光的玻璃钵体上、上盖板面上装设有调整、固定位移传感器的线圈件的垂直向微调装置,还装有浮子的导向装置。
导向装置是由三条具有圆孤的平薄簧片、簧片夹头、簧片固定块组成。
它是使放置在钵体水中漂浮的浮子在中心定向垂直位移。
三条簧片相互夹角均成120°,其平面端集中在中心,用簧片夹头夹紧,其近圆弧处的另一端用簧片固定块固定在上盖板面上、浮子顶端固定竖直装上的差动变压器铁芯棒,通过簧片夹头与其连接夹紧,该浮子的垂直位移全靠这簧片导向装置精确而几乎无摩擦导向。
3.1.2标定装置
标定装置主要由内部充满水的标定筒和通过螺旋机构可以上下运动的标定棒组成。
为进行自动标定,还装有一对齿轮传动和步进电机。
步进电机由电缆线连接到DSQ型水管倾斜仪上实现自动标定。
图3仪器标定原理示意图
图3是仪器标定原理示意图。
采用标定棒增减液体体积、人为改变液面变化来进行静态标定是该仪器的标定方法,通过标定是为了求得液面改变单位高度时,电信号的变化量ΔU在数量上是多少。
根据水的不可压缩特性,对一个分量两个钵体内液面高度的变化ΔH水可由如下计算公式确定:
式中:
Δh标为标定棒移动量,d为标定棒直径值,D1、D2分别为两个钵体内径值。
Δh标是预先给出,如20mm、d、D1、D2在仪器出厂时给出实测值。
标定装置见照片2
照片2
3.2电子记录系统
3.2.1位移传感器及其换能电路
1、位移传感器
本仪器选用非接触测量的线性差动变压器(LVDT)把位移量变成电信号,其主要技术性能为:
(1)测程:
±100μm
(2)直线度:
<1%
(3)分辩力:
0.01μm
它的工作原理实质上是铁芯可动的变压器,原理如图4所示:
当铁芯在线圈内移动等,改变了磁通的空间分布,改变了初、次级之间的互感量。
当适当频率的电压激励初级绕组时,次级线圈就产生电动势。
随着铁芯位置的不同,互感也不同,次级产生的感应电动势也不同。
这样就把铁芯的位移变成了电压信号输出。
若按两个次级线圈组反向串接,其输出便是差动方式。
2、换能电路
位移换能器(LVDT)的工作原理参见方框图图5。
图5LVDT换能器工作原理方框图
位移换能器电路的作用是将位移量转换成相应关系的电信号输出。
稳幅振荡器提供高稳定的正弦激励电压给传感器,传感器输出与位移有关的信号,经前置放大后,进行同步解调、低通滤波,得到与位移成线性关系的直流电压,规定液面升高、电压增大。
位移换能器放置于塑料盒中,它需置于主体附近较为干燥处。
其前、后面板参见图6。
图6DSQ位移换能器前(左)、后(右)面板
换能器盒有三个插座:
五芯插座连接传感器、七芯插座为供电和信号输出插座,四芯插座为调试检测插座。
还为调试检测插座配有插头,插头上红线为换能器输出信号,黑线为信号地线。
平时插头不能旋入,只是在用数字电压表调试仪器灵敏度和检测时才旋入使用。
七芯插座用五芯屏蔽电缆线连接DSQ测微仪,其相配插头:
1脚—-20V电源,2脚—+20V电源,5脚—电源地(0V),3脚—信号输出,7脚—信号地(⊥)。
安装时需注意:
电源信号插头旋入换能器之前需用数字电压表检查插头相应各脚的电压,是否正常:
“2-5”脚间为+20V,2脚为正极,“1-5”脚间为-20V,1脚为负极,若量的电压,正负极性不对,就会烧坏换能器,若量出的电压不在18V~21V范围内,盒内稳定电源工作就不正常。
换能器上的实芯电位器是用来调节换能器的输出信号放大倍数的。
以使仪器一个分量两端电灵敏度n(mv/1μm)调成一致。
位移传感器及位移换能器见照片3
照片3
3.2.2DSQ测微仪
它主要由变压器、电源板、标定器、前面板、后面板组成。
电源板主要提供传感器换能器±20V电源和交直流自动转换。
测微仪引入
,50HZ的交流电源经变压器降至AC20V,再由桥式电路进行全波整流,然后由三端稳压器组成的稳压电路得到一个±20V的直流稳压电流提供位移换能器。
当交流供电停电时,通过交直流自动转换,外接的±24V直流电源(台站自备±24V电瓶)与测微仪接通,供DSQ水管倾斜仪能正常工作。
通过EP-Ⅲ型IP采集控制器控制测微仪标定器进行自动标定。
还提供前兆数采仪各端信号值,并具测量选择功能。
测微仪的前面板见图7。
图7DSQ测微仪的前面板
测量选择波段开关:
指要选择那一路测量信号,如:
要测量E路信号,只将波段开关指向E。
用电表读取各路信号时,只要将电表正、负极接在“测量”、“+”、“-”极上就可读取。
图8DSQ测微仪后面板接线图
测微仪的后面板交流电源与220交流电连接,直流电源与±24直流电连接,控制、信号输出与EP-Ⅲ型IP采集控制器连接,东、西、南、北输入与山洞换能器连接,步进电机插座与山洞标定器步进电机连接。
测微仪的后面板接线图由图8、附图ⅡDSQ电气接线图示。
4、仪器的安置条件
4.1环境要求
1、仪器应安放在岩石坚硬完整的山洞体内。
要求水平坑道观测室的顶部、旁测覆盖一般应大于40米,黄土覆盖岩洞为20米。
洞体顶部最好有植被。
2、洞体内温度日变幅度小于0.03℃,年变幅度小于0.5℃。
3、本仪器要求安放洞室独立,易于密闭,不要兼作走廊过道。
4、仪器记录室可建在山洞口处,记录室年温差要小,湿度不大于90%,记录室距仪器一般应小于200米。
5、要避开周围较大震动或大载荷源区,如应远离大的工厂、矿山、采石场、河流、湖泊、水库及抽(注)水井等。
6、雷击区一定要设置完善可靠的避雷设施,仪器方可架设使用。
7、要求电力供应正常,以确保资料连续。
8、仪器安装完毕后,洞内各分量应装设2~3个小功率日光灯(3W),平时关闭,以减少温度影响。
9、仪器洞室外的走道洞口应设三道以上船舱水密门。
4.2仪器墩与密封体布设
DSQ型水管仪单独设置的仪器墩位布设及其几何尺寸和采取的封闭措施见附图Ⅰ(本说明书后)。
其技术要求有:
1、仪器安放的主墩采用坚硬岩石块体(外加工或在山洞开凿时留凿成)。
主墩底面和洞室墩位岩面要密合好(用水泥砂浆充填孔隙),墩的四周和洞体地平设置隔震槽。
2、两主墩顶面的相对高差不超过3mm,主墩面离地平高≤0.3M。
3、两主墩之间布设一道顶面平直的砖墙,以放玻璃水管及标定装置,砖墙顶面要高于两主墩顶面50mm。
4、一般采用四周围砌砖墙,再用50mm厚的聚笨乙烯硬泡沫板作小腔体密封等措施。
5、仪器安装和调试
5.1安装仪器前的准备
1、检查主墩顶面水平、两主墩间以及中间砖墙间的高差是否合乎要求。
2、检查主墩面上的地脚螺钉预埋孔位置、尺寸是否合乎要求。
3、清扫洞壁、地面灰尘,擦净墩面。
4、准备好的蒸馏水静置在洞中仪器安放处需3天以上,以使蒸馏水与洞内温度相同。
否则钵体,管路内壁易存气泡。
总之要使水温不低于仪器安装处的温度。
5、在溶化的肥皂粉水中,用捆有长毛刷或纱布球的铁丝插入玻璃管内来回移动清洗玻璃管,然后用洁净的流水冲洗干净。
紧接着用酒精一一冲荡过。
待酒精挥发尽后再移置于山洞内。
钵体同样用洗净剂、清水、酒精清洗干净,并用白绸覆盖好,硅胶管接头剪裁成长约80mm的小段,先用清水洗,然后用蒸馏水洗净。
6、金属件表面用酒精擦洗油污灰尘,待酒精挥发尽后也移置于洞中,覆盖上白绸。
擦洗洁净的零部件,不要用手直接取拿,要戴上手套。
安装过程中始终要注意这点。
7、量取各仪器安装墩位到记录室的距离。
按此长度截取五芯屏蔽电缆(RVVP5×16),每端需五芯屏蔽电缆一根,每个标定装置需一根四芯电缆线(非屏蔽)。
两个分量共计4根五芯屏蔽电缆线和2根四芯电缆线,每根两端用医用胶布(或其它方法)编写好相应的标志、序号,以防混乱。
5.2仪器安装步骤
1、在各主墩顶面上仪器安放处放置三个垫块,供主体放置底座脚螺旋。
见图9。
2、将主体置于主墩上,拿开上盖板,取编好号的玻璃钵体置于同一分量上,用白丝绸覆盖好;中间砖墙上一一摆放玻璃管;居中处置放标定装置,注意标定棒要取出,让标定杯口敝开。
玻璃管每一接头处用已洗净的硅胶管套接好,管头端面接触,不留空隙,如图10示。
图9主体结构
1.垫块;2.底盘;3.螺杆;4.水槽;5.浮子;6.盖板;7.联接套;8.铁芯轴;9.罩子;10.线圈件;11.压圈;12.嘴子;13.固定座;14.导向簧片;15.螺钉;16.压块;17.簧片压板;18.簧片座;19.脚螺母;20.脚螺丝
图10玻璃管连接示意图
对最后不足一根管长处,需按空长横截玻璃管补装成。
具体作法是:
用手弓锯条反上在锯弓架上,在截断处一面来回拉锯,一面不停用浇上水拌金刚砂。
片刻即可“磨割”断。
图11浮子调直方法
3、从一端钵体沿内壁徐徐注入已在洞中静置过的蒸馏水。
注意:
水流不得直冲水面。
4、排除管中所有大小气泡。
把管内所有大小气泡赶到两管端接头处,再用竹杄沿玻璃管外表面和硅胶管内表面之间徐徐插入,把气泡排放干净。
5、调整位移传感器铁芯位于铅垂面内,将铁芯装在浮子顶端孔内。
手拿浮子轻敲,使浮子内的配重物大致平聚后,又能自由漂浮。
待稳静后用铅垂线视其铁芯歪斜方向,用手指轻敲浮子上锥面的对径处(如图13示),直到铁芯轴线位于铅垂面内为止,转动浮子90℃,照前述调整另一个方向。
两方向调整好后,再检查两向。
此法可在任一盛水桶中进行。
6、摆直玻璃管,移动管端套接硅胶管,使各两两管端接触无空隙(如图12左图示),调整钵体中水位到所需高度,规定从钵体底面量起为90~95mm。
7、调节标定装置底座上的三个螺钉,以改变标定杯高度使标定杯内的水面与标定杯水银槽顶面大致相平,然后将标定棒(上装有马达、齿轮、套筒等)轻轻插入标定杯内,以避免有气泡,再将套筒从下端侧面用三个螺钉固定在标定杯金属轴套上,最后在标定装置水银槽中用滴管注入一层水银。
检查标定棒移动是否灵活:
先用手转动大齿轮,若发现转动不灵活,原因有2个:
一个是步进马达轴上的小齿轮与大齿轮啮合过紧,这时松动步进马达四个固定螺钉,将小齿轮拉开一点,若还不行,则另一个原因是标定棒螺母与标定棒轴套两者中心线不在一条直线上。
这时要调节大齿轮下面的三个梅花沉头螺钉,先将它们松开,调至大齿轮转动灵活,然后逐一轮流压紧这三个螺钉直至转动灵活为止。
8、盖上盖板,旋紧三根支柱上的螺母,将铁芯杆穿簧片夹头中心固定于浮子上,然后旋紧簧片夹头紧定螺钉,使导向支承弹簧和浮子连成一体。
9、利用管状水准器在上盖板上表面两垂直方向交替放置,反复调节脚螺旋,使上盖板上表面水平,以满足仪器的几何安装要求。
10、将位移传感器线圈装入固定在微调装置上。
注意引线端朝上,调整微调装置使铁芯置于线圈中央,不得擦碰,然后固定微调装置。
再在盖板上将传感器引线压紧。
11、在盖板上园槽处压入软垫圈,然后罩上玻璃罩子,并用带弯压块、螺钉加以压紧。
12、将地脚螺钉用混凝土埋设在仪器主墩的预埋孔内,埋设深度以能压紧主体底座为宜。
5.3电气部分安装
电气接线图见附图Ⅱ(说明书后)示。
换能器与测微仪主机间的接线——五芯屏蔽电缆,如需接长,其接头处,要求五芯线长短错开相接,以防短路。
希望接头尽可能地少。
洞内走线要选择干燥,人不易碰及处。
走线要整齐、美观。
每个插头的焊接应无虚焊。
每个插头插脚的焊点均加套塑料套管,以防相碰短路。
所有插头焊毕后,应对每根线进行检查,无误后方可一端一端分别进行通电检查。
如:
先检查东端,确认电源信号插头“2-5”脚为+20V,“1-5”脚为-20V无误后,在主体附近的换能器上旋入电源信号插头、传感器插头和调试检测插头。
微调东端主体上的垂直微调装置,使线圈相对于铁芯作垂直平行运动,用数字电压表测量差动变压器输出信号。
此时可测得从-13V左右到+13V左右的对称的输出特性曲线。
(这亦是换能器工作是否正常的检查方法)。
用同样方法,分别通电检查西、北、南端的换能器。
(已检查无误的可不断电)四端调毕即呈工作状态,便可进行整机调试。
用非屏蔽的四芯电缆线分别接通标定步进电机与DSQ型水管倾斜仪后面板步进电机插座。
5.4电灵敏度的调试与标定格值
5.4.1电灵敏度的调试
此工作的目的在于保证仪器的精度,使得钵体中水位变化1μm时,得到传感器输出电讯号是多少mv,即为了求得电灵敏度n。
具体调试步骤如下:
首先参照EP-Ⅲ型IP采集控制器用户手册里的3.3仪器启动这节。
1、将标定棒旋至高端某处,用数字电压表检测传感器输出信号,调节各主体上的垂直微调装置,使输出信号约为0mv(罩上罩子后的数值)时,停止调节,立即罩上罩子。
(罩子拿下来后,在主体部分调节完毕,应立即罩上罩子,以保护局部)。
2、调节标定棒,人为造成钵体内一水位变化量ΔH水如为50μm左右,(标定棒移动20mm)传感器电压变化量ΔU应在预定范围内,否则应调换能器电位器。
3、继续改变水位(上升、下降)4次,取每次测得ΔU的平均值
。
4、求出电灵敏度
,同一分量两端电灵敏度要求一致,其相对误差应≤1%,具体操作是微调换能器的电位器,使其达到一致。
5、具体调试方法为:
(1)调节标定棒,用数字电压表量调试检测插头上的信号线和地线,读取差动变压器换能器输出电压UA。
此时,UA要大,不能在0mv,便于精调。
(2)通过公式
,算出UB——调节后的差动变压器换能器输出电压。
式中
为所要调的比例电压,
为所测到的平均值,举例:
东端
,西端
。
可见东端和西端的电灵敏度相对误差为1.5%(即
,分母为974.7为两端
的平均数),超限故必须进行电灵敏度微调。
倘若要使东端调得和西端一样(即向西端看齐)。
微调时只需东端换能器放大倍数增大一点就可与西端一致了。
具体微调按下式进行:
,假设调节前东端换能器的输出电压读数为UA=1006.6mv,接着按上式算出:
。
然后,微调东端换能器电位器,使其输出读数变为1022.2mv,为了可靠起见,精调完后还需进行标定,并视标定结果作进一步精调,以确保同一分量两端的电灵敏度相对误差≤1%。
6、将标定后的同分量两端
取平均数算出电灵敏度n(mv/μm),然后代入格值公式可算出格值η。
5.4.2标定格值
为使仪器的灵敏度保持一致,以保证仪器的长期工作精度,必须对仪器的格值定期进行自动标定
DSQ水管倾斜仪自动标定具体操作见EP-Ⅲ型IP采集控制器说明书。
6、仪器格值的计算
从两端钵体水位变化测得的垂直高差,令为Δh,其相应地倾斜角Δψ为:
式中:
Δh——测得的垂直高差,单位μm
L——两端钵体中心距离,单位:
M
在采用前兆数采仪记录情况下,地倾斜角Δψ的计算公式为:
式中:
η为仪器的格值(″/mv),n为电灵敏度,单位为mv/μm,V为观测数据,单位mv。
这时仪器的格值用上式计算便得:
。
电灵敏度n调试在仪器信号输入,一般在仪器安装长度L=10M以内,EW、SN分量调至30mv/μm左右,在L=10m以上,两分量n调至20mv/μm左右。
因E-W分量固体潮幅度较大,L≥30m。
举例:
新疆乌鲁木齐地震台DSQ型水管倾斜仪遥测标定记录及其结果。
1、已知:
(1)LEW=30.12m,LNS=10.34m
(2)水槽直径:
(mm为单位)
DE=167.02DW=167.04
DS=165.55DN=165.36
(3)标定棒直径d=12mm
(4)
从而算出水位变化:
2、格值标定记录格式详见表1。
3、同分量两端输出电压差相对误差计算,其限差应小于1%
EW:
NS:
4、各个分量的电灵敏n计算
5、数采格值计算
以上仪器格值的计算以后不用人工计算,实际仪器标定是通过计算机控制全自动标定和格值的计算,只要在计算机上输入水槽直径、仪器长度等有关参数,在计算机上点击标定,过20分钟左右后仪器标定结束,仪器格值就自动生成。
具体操作见EP-Ⅲ型IP采集控制器说明书。
7、常见故障排除
1、如果东、西、北、南端信号都为零;a、先检查仪器电源插座里的保险管是否断了。
b、检查仪器机箱输出是否有±20V(在前置放大器7芯插头上量5-1是-20V,5-2是20V)。
2、如果有雷电过后要及时检查仪器是否被雷电击坏;a、如果所有信号都为零也是先检查电源输出±20V,b、如果只有某端点信号不正常,可能这个端点前置放大器坏了,换上备用前置放大器。
如没有备用,先断开前置放大器电源,打开前置放大器,换电路板上的芯片,先换OP07芯片(一般雷击都是击坏最后一级输出芯片)。
如果还不正常再换其它芯片。
3、如果标定数据重复精度很差,可能是标定装置齿轮转动不到位,松开大齿轮下面3个螺钉,转动大齿轮再慢慢上紧3个螺钉。
4如果标定时数据稳定很慢,是仪器安装时间过久,仪器里的蒸馏水长霉等使仪器数据稳定慢,仪器就需换蒸馏水。
5、如果某个方向两端点曲线出现同步,高差曲线有固体潮,那就是蒸馏水里有上气泡,需要排出。
表1DSQ型水管倾斜仪格值标定记录格式
端号
衰减
倍数B
时间
Δh标
(mm)
ΔH水
(mm)
U
(mv)
ΔU
(mv)
(mv)
(mv)
(同一分量)
N
E
2
14:
05
69.2
573.3
573.70
11.12
14:
10
20
51.62
642.3
573.1
14:
15
20
51.62
69.2
573.1
14:
20
20
51.62
642.7
573.5
14:
25
20
51.62
69.3
573.4
W
2
14:
05
115.3
574.1
14:
10
20
51.62
688.9
573.6
14:
15
20
51.62
114.3
574.6
14:
20
20
51.62
688.5
574.2
14:
25
20
51.62
114.7
573.8
S
1
14:
30
-93.9
1535.9
1532.10
29.13
14:
35
20
52.60
1442.0
1535.9
14:
40
20
52.60
-94.1
1536.1
14:
45
20
52.60
1441.5
1535.6
14:
50
20
52.60
-94.3
1535.8
N
1
14:
30
57.3
1528.3
14:
35
20
52.60
1585.7
1528.4
14:
40
20
52.60
56.8
1528.9
14:
45
20
52.60
1584.8
1528.0
14:
50
20
52.60
56.9
1527.9
附图Ⅰ
附图ⅡDSQ电气接线图
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