一种全封闭半罐式宽频带短基线水管倾斜仪
阅读说明：本技术 一种全封闭半罐式宽频带短基线水管倾斜仪 (Totally-enclosed half-tank type broadband short-baseline water pipe inclinometer ) 是由 欧同庚 李农发 余剑锋 关伟智 陈志高 耿丽霞 张吉庆 于 2020-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种全封闭半罐式宽频带短基线水管倾斜仪,包括两个罐体,两罐体的下部通过水管连通,罐体内均设置有漂浮于液体上的浮体,所述罐体为全封闭式结构,水管的长度为2～3m,罐体内液体的液面高度位于水管的中线处；浮体的顶部设置有连接杆,连接杆通过罐体内所设置的导向机构进行水平方向的限位；该水管倾斜仪为全密封式并填充惰性气体,解决蒸馏水易蒸发易变质需补充、更换的问题,可实现永久不更换、不补充液体介质；缩短了基线(水管)长度使安装成本大幅降低,同时降低了仪器的固有周期,拓展了仪器的观测频带,提高了仪器关键特性参数,保证仪器在清晰记录固体潮信息的同时获取短周期异常信息。(The invention provides a totally-enclosed half-tank type broadband short-baseline water pipe inclinometer, which comprises two tank bodies, wherein the lower parts of the two tank bodies are communicated through a water pipe, floating bodies floating on liquid are arranged in the tank bodies, the tank bodies are of a totally-enclosed structure, the length of the water pipe is 2-3 m, and the liquid level of the liquid in the tank bodies is positioned at the center line of the water pipe; the top of the floating body is provided with a connecting rod which carries out horizontal limit through a guide mechanism arranged in the tank body; the water pipe inclinometer is fully sealed and filled with inert gas, solves the problems that distilled water is easy to evaporate and deteriorate and needs to be supplemented and replaced, and can realize permanent replacement and non-supplement of liquid medium; the length of a base line (water pipe) is shortened, so that the installation cost is greatly reduced, the inherent period of the instrument is reduced, the observation frequency band of the instrument is expanded, key characteristic parameters of the instrument are improved, and the instrument is ensured to obtain short-period abnormal information while clearly recording the information of the solid tide.)
技术领域
本发明提供了一种全封闭半罐式宽频带短基线水管倾斜仪，尤其涉及一种基于平板式电容传感器进行高精度检测的短基线水管倾斜仪，属于地震前兆监测技术领域。
背景技术
倾斜仪是一种而且至今仍然是研究固体潮与地震前兆观测的地形变基本仪器。倾斜仪用于长期测量混凝土大坝、面板坝、土石坝等水工建筑物的倾斜变化量，同样适用于工民用建筑、道路、桥梁、隧道、路基、土建基坑等的倾斜测量，并可方便实现倾斜测量的自动化。
水管倾斜仪是最常见的倾斜仪的类型。与工民用水管仪不同，传统的长基线水管倾斜仪用于自动测量地壳倾斜变化，在我国地震前兆监测台网中安装使用多年。它的优点是长基线水管倾斜仪使两端水位测量的精确度要求较低，容易实现，并采用差分测量，降低共模干扰的影响，系统稳定性好，受环境干扰小，所以广泛应用到地球动力学、大地倾斜、固体潮观测、断层形变等观测中；在长期的使用中，工作人员发现其存在以下缺点：一是传统的长基线水管倾斜仪采用连通管满灌式原理，使用水介质，其基线较长，基线须大于5m才有稳定数据产出，才能对固体潮、地壳形变进行有效观测；二是水流动的阻尼增大，自振周期较大，频带较窄，仅能测量较大范围地倾斜运动的平均效应，而对特定点的倾斜运动观测无能为力。对地壳长期变化和潮汐变化的观测而言，仪器观测要求精度高且长期稳定。但仪器对70s以内短周期地壳形变无法响应，特别是震前短、临高频异常信息缺失严重，这对用于地震预报的地震前兆观测仪器来说有较大的不足。三是受气压及人员巡检干扰较大，水管倾斜仪中容器渗漏、液体腐化和水管两端的温度差异等都是造成测量误差的主要来源；须频繁补充蒸发的蒸馏水，数据容易产生突跳；更换变质蒸馏水会导致仪器数据短期不稳定；安装时需要开挖较长的洞体，安装成本高。
发明内容
本发明提供了一种全封闭半罐式宽频带短基线水管倾斜仪，解决了现有技术中的不足，该水管倾斜仪为全密封式并填充惰性气体，解决蒸馏水易蒸发易变质需补充、更换的问题，可实现永久不更换、不补充液体介质；缩短了基线(水管)长度使安装成本大幅降低，同时降低了仪器的固有周期，拓展了仪器的观测频带，提高了仪器关键特性参数，保证仪器在清晰记录固体潮信息的同时获取短周期异常信息。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种全封闭半罐式宽频带短基线水管倾斜仪，至少包括两个罐体，罐体内盛放有液体，两罐体的下部通过水管连通，罐体内均设置有漂浮于液体上的浮体，其特征在于：所述罐体为全封闭式结构，所述水管为水平方向的直管，水管的长度为2～3m，罐体内液体的液面高度位于水管内高度的1/3～2/3处；浮体的顶部设置有一根竖直方向的连接杆，连接杆通过罐体内所设置的导向机构进行水平方向的限位且连接杆能够沿竖向上下滑动；所述水管倾斜仪中还设置有将电容变化数据处理转化为位移数据的平板式电容位移传感器，平板式电容位移传感器中的金属片位于罐体内，包括相互平行设置的动片和定片，定片包括上定片和下定片，动片位于上定片和下定片之间，动片安装于连接杆的顶端，下定片的中心处设置有供连接杆穿过的通孔，定片通过支架固定于罐体的内部，动片和定片上均连接有导线，所述导线从罐体内穿出并与平板式电容位移传感器相连；
当安装倾斜仪的台基出现相对垂直位移Δd时，水管两端的罐体中的液面相对本体发生变化，此变化传给漂浮在液面上的浮子带动连接杆上下滑动，动片在连接杆的带动下与定片之间的距离产生变化从而导致电容发生变化，这个位移量经三片式的电容位移传感器转换成电容量的变化ΔC，可以得到线性关系为：传感器检测电路将变化的电容ΔC转换为变化的电压ΔU，输出到单片机中进行分析和处理，由传感器的输出电压ΔU，即可以得出动片位移的变化量Δd。
所述液体为粘滞系数100～150cP的硅油，罐体的内部充填氩气。
所述上定片、动片和下定片相互平行且三者均连接有导线。
导向机构由三根导向簧片组成，三根导向簧片以连接杆为原点且夹角互为120度，导向机构对连接杆进行水平定位牵引使连接杆在水平方向定位，同时在垂直方向不对连接杆进行约束限制。
所述支架包括支撑板以及立柱，支撑板水平放置固定于罐体的内部，且支撑板的中部设置有供连接杆穿过的通孔，立柱设置有三根以上，立柱的底端固定于支撑板上，立柱的上部与定片固定连接；导向机构安装于支撑板上。
所述罐体由上罐体和下罐体组成，两者在连接处通过密封条密封，上罐体的顶部设置有进出气口和密封过线孔，导线从密封过线孔中穿出，且进出气口上安装有密封盖。
与现有技术相比，本发明提供的全封闭半罐式宽频带短基线水管倾斜仪具有以下优点：
一是本发明中采用连通管半罐式填充，填充的液体为硅油，并用氩气填充密封，可实现永久不更换、不补充液体介质，解决蒸馏水易蒸发易变质需补充、更换的问题。
二是本发明中短基线倾斜仪的基线长度可做到2～3m，适合空间狭小不适合安装传统水管倾斜仪的洞体，可大大减少在山洞中开挖长距离洞室的成本。
三是仪器基线长度缩短后可实现整体密封，极大的减少温度、气压的因素带来的干扰，提升仪器的观测质量。
四是本发明采用平板式电容位移传感器进行位移监测，测量精度高，能够满足固体潮观测的需求，同时能够通过调整仪器的基线长度、钵体和水管的直径，实现降低水管倾斜仪的固有周期、拓宽其观测频带的目的。
附图说明
图1为本发明的全封闭半罐式宽频带短基线水管倾斜仪的整体结构示意图；
图2为罐体及罐体内部的结构示意图；
图中：1-上罐体，2-下罐体，3-进出气口，4-密封过线孔，5-密封盖，6-液体，7-水管，8-浮体，9-连接杆，10-平板式电容位移传感器，11-上定片，12-下定片，13-动片，14-导线，15-导向簧片，16-支撑板，17-立柱。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。
本实施例所提供的一种全封闭半罐式宽频带短基线水管倾斜仪，其整体结构如图1和图2所示，包括两个罐体，罐体内盛放有液体6，两罐体的下部通过水管7连通，所述水管为水平方向的直管，水管的长度为2～3m，适合空间狭小不适合安装传统水管倾斜仪的洞体，可大大减少在山洞中开挖长距离洞室的成本。罐体内液体的液面高度位于水管内高度的1/3～2/3处。罐体为全封闭式结构，能够极大的减少温度、气压的因素带来的干扰，提升仪器的观测质量。罐体由上罐体1和下罐体2组成，两者在连接处通过密封条密封，上罐体的顶部设置有进出气口3和密封过线孔4，导线14从密封过线孔中穿出，且进出气口上安装有密封盖5。罐体内液体为粘滞系数100～150cP的特种硅油，罐体的内部充填氩气。本发明中采用连通管半罐式填充，并用氩气填充密封，可实现永久不更换、不补充液体介质，解决蒸馏水易蒸发易变质需补充、更换的问题。在安装时，首先打开上罐体，将硅油加入至罐体内部，加入至硅油的液面到达水管的水平中心线时，停止加油，然后盖上上罐体。接下来将两个罐体上的进出气口打开，从其中的一个进出气口中通入氩气，另一个用于排出罐体及水管内部的空气。待氩气充满后，关闭两个罐体上的进出气口。
罐体内均设置有漂浮于液体上的浮体8，浮体的顶部设置有一根竖直方向的连接杆9，连接杆通过罐体内所设置的导向机构进行水平方向的限位且连接杆能够沿竖向上下滑动；所述导向机构由三根导向簧片15组成，三根导向簧片以连接杆为原点且夹角互为120度，导向机构对连接杆进行水平定位牵引使连接杆在水平方向定位，同时在垂直方向不对连接杆进行约束限制。所述支架包括支撑板16以及立柱17，支撑板水平放置固定于罐体的内部，且支撑板的中部设置有供连接杆穿过的通孔，导向机构安装于支撑板上。立柱设置有三根以上，立柱的底端固定于支撑板上，立柱的上部与定片固定连接。
所述水管倾斜仪中还设置有将电容变化数据处理转化为位移数据的平板式电容位移传感器10，平板式电容位移传感器中的金属片位于罐体内，包括相互平行设置的动片和定片，定片通过支架固定于罐体的内部，动片安装于连接杆的顶端，动片和定片上均连接有导线，所述导线从罐体内穿出并与平板式电容位移传感器相连；所述定片包括上定片11和下定片12，动片13位于上定片和下定片之间，上定片、动片和下定片由三块圆形铜板组成，且下定片的中心处设置有供连接杆穿过的通孔，上定片、动片和下定片相互平行且三者均连接有导线14，在装配时上定片、动片和下定片三者应严格保持平行。本发明采用这种三极板电容传感器，提高了分辨力，满足仪器测量需求同时，使线性、量程、频响等基本参数能够得到进一步优化。
具体的检测方法如下：根据连通管内水面保持自然水平的原理，当安装仪器主体的台基出现相对垂直位移Δd时，水管两端的罐体中的液面便会相对本体发生变化，此变化传给漂浮在液面上的浮子带动连接杆上下滑动，动片在连接杆的带动下与定片之间的距离产生变化从而导致电容发生变化，这个位移量经三片式的电容位移传感器转换成电容量的变化ΔC。可以得到近似的线性关系为：传感器检测电路将变化的电容ΔC转换为变化的电压ΔU，输出到单片机中进行分析和处理，由于动片离零位的距离Δd与传感器的输出电压ΔU成正比，故由传感器的输出电压ΔU，就可以求出动片位移的变化量。
水管倾斜仪频带拓展方法：
因地壳形变缓慢，且变化量极小，故仪器内液体流速很小，流程呈层流状态，因此，根据理想流体欧拉动力学方程在无外力作用下液面在水管倾斜仪中的运动方程为：
式中：8πμ/ρa＝2βω0；
因此：
仪器固有周期：
其中，β为液面振动的阻尼常数，ω0为液面振动的固有频率，h为液面偏离平衡位置的距离，μ为液体粘滞系数，g为重力加速度，S为钵体截面积，D为仪器基线长度，ρ为液体密度，a为水管截面积。因此，降低水管倾斜仪的固有周期，可拓宽其观测频带，通过调整仪器的基线长度、钵体和水管的直径即可满足设计需求。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。