SS-Y伸縮儀新型標定裝置的研制＊

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)

SS-Y伸縮儀新型標定裝置的研制＊

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定裝置,該標定裝置具有結構簡單、重復精度好、位移常數恒定等特性,并只通過更改數采軟件就能與現有伸縮儀系統的無縫結合。

伸縮儀;標定器;重復精度;位移常數;軟件

1 引言

伸縮儀的標定裝置已經廣泛應用于全國數百個臺站,其結構精密,加工精度高,制作工藝復雜。根據多個臺站的反饋意見通常在標定裝置安裝使用兩年以后,標定器由于自身結構的過于精密,使用環境和灰塵的影響使其容易出現卡死,重復精度差,位移常數不準等情況。本文研制的新標定裝置由于其結構簡單可靠,可以很好地解決這些問題。

2 現有標定裝置存在的問題

現有標定裝置的內部結構如圖 1所示。標定器內部由燕尾槽和拉簧組成,利用 50：1的斜偰塊將縱向位移轉換為橫向位移[1,2]。由標定器本身結構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,機械加工過程中的不確定性使得每一臺的標定裝置位移常數差異大;3)受山洞環境因素的影響,標定器內容易進灰等原因使得標定裝置的重復精度變差,位移常數發生變化等。

圖1 現有標定裝置內部結構圖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,安裝初期標定器工作正常,最近發現標定器發生卡死情況,其標定結果如表 1所示,標定重復性達到了 141.07%。由電壓幅度可以看出,在標定過程中,傳感器輸出電壓值的變化十分小,標定器處于卡死狀態。

檢查后發現,由于標定裝置安裝時間太長,標定器內的潤滑油已經干涸,造成燕尾槽和導軌之間黏合,步進電機所產生的推力不足以克服其黏合所產生的摩擦力導致標定器卡死。

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

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

3 新標定裝置研制及樣機

新標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,由此產生的微位移量相同。設計中采用一定厚度的不銹鋼片作為彈性體,利用重錘和護板重力的合力作為作用于彈性體上的恒定作用力,利用電機控制重錘起落來保證彈性體在彈性范圍內只處于受力或不受力工作狀態。

新標定裝置整體結構簡單,對加工精度要求低,環境適應性強,濕氣和灰塵對其影響小,有利于伸縮儀系統的長期穩定工作。

研制過程共經歷了兩個階段,研制出兩臺生產樣機。

1)初始結構設計

結構示意圖如圖 2所示。交流電機通過傳動比為 1：1的主動齒輪和從動齒輪帶動螺桿做垂直方向運動,螺桿通過吊絲與重錘連接,通過電機轉動圈數設定使得重錘在垂直方向上處于高位和低位兩種狀態。重錘通過不銹鋼護板與轉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,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：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;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板重力合力,為一恒定值。

圖2 新標定裝置初始結構Fig.2 Initial structure of novel calibration equipment

經測試,該結構在運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,當重錘通過鋼絲拉動鋼塊時,鋼塊會產生一個傾斜量,使其并非完全在水平方向運動。這使得傳感器鐵芯和線圈之間的運動產生傾角,造成檢定誤差。

②電機采用 220V交流供電,需要單獨供電,存在不確定性。

③由于交流電機尺寸的影響使得整個發生裝置太大、過重,運輸和使用不方便。

④由于以前的標定裝置采用步進電機,此結構中的可逆電機采用單片機控制,與現用數采兼容性差。

2)最終結構

通過結構調整,最終定型的標定器結構如圖 3所示。

圖3 新標定裝置最終結構Fig.3 Final structure of novel calibration equipment

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

相比試驗第一階段標定器,最終定型標定裝置優點如下：

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的運動為水平直線運動。

②采用三相步進電機控制重錘起落,與臺站正在使用的伸縮儀主機完美結合,采用 12V直流供電,傳輸、使用更加安全。

③裝置結構更加小型化,方便運輸、安裝。

④與臺站正在使用的數據采集器兼容,不需做硬件改動,重新寫入數采內程序即可直接應用于臺站。

4 新標定裝置測試

由于新標定裝置采用步進電機控制[3],所以能夠與臺站正在使用的數據采集器有機結合,只需重寫數采中控制部分的軟件,改變步進電機的轉動方式即可。控制步驟為：

控制方式的理論依據：

1)電機運動 10次,共得到 10個電壓差值,與現用標定裝置相一致,用于計算重復性。

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

3)每次電機轉動停止以后,停 60秒后開始讀數,保證傳感器處于穩定狀態。

4)重錘重量約為 1.5 kg,鋼片厚度為 3 mm,通過實驗確定電機轉動 14圈保證鋼片處于只受重力和不受力兩種狀態。

整個檢定過程由數采自動完成,檢定結果見表2。

表 2 新標定裝置標定結果Tab.2 Calibration records of novel calibration equipment

由表 2可以看出,標定裝置的標定重復性為0.09%,遠小于標準上要求的 1%。經過 5組數據測試,新標定裝置的標定重復性分別為 0.09%、0.13%、0.11%、0.13%和 0.17%,標定重復性穩定在2‰以內。

5 結論

新的標定裝置采用彈性變形的標定原理使其結構十分簡單可靠,從根源上解決了現有標定裝置存在的一系列問題。制作成本降低,能夠與現有的數據采集器完美結合,為伸縮儀長時間的形變監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.步進電動機原理及其驅動電路研究[J].電腦知識與技術,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

國家質量監督檢驗檢疫總局行業專項(2007GYB092-2);中國地震局地震研究所所長基金重點項目(IS200716003)

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

TH76.3

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