台站形变观测.

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1、第五章 台站形变观测 5.1洞体倾斜仪与地斜观测 5.2洞体应变仪与地应变观测 5.3钻孔倾斜仪与地斜观测 5.4钻孔应变仪与地应变观测 台站形变仪器发展历史 1962年新丰江发生6.1地震 1966年邢台地震，起步，第一代仪器（金属水平摆、 目视水管仪、目视伸缩仪 1977年确定了形变观测目标（能记录到固体潮？） 第二代仪器（浮子水管仪FSQ 、石英伸缩仪、钻孔应变仪） “九五”期间，数字代改造第三代数字化仪器（DSQ型水管仪、SS- Y型应变仪、TJ-2型钻孔） “十五”期间数字化、智能化、网络化 安装在我国“九五”计划中二十个省、市、自治区的全国定点形变数字化 前兆台网和首都圈示范工程中

2、的四十多个台站，SS-Y型伸缩仪45台套， DSQ型水管倾斜仪45台套， TJ-2型体应变仪21台， DSG、DFG型断层位移 测量仪6台套，垂直摆倾斜仪20套。 在我国“十五”计划中全国定点形变数字化前兆台网中的洞体倾斜台网 在我国“十五”计划中全国定点形变数字化前兆台网中的洞体应变台网 温兴卫高级工程师与水 管倾斜仪 本仪器经国际ISO9001质量论证和湖北省计量论证 胡国庆教 授和他研制的 垂直摆倾斜仪 本仪器经国际ISO9001质量论证和湖北省计量论证 SSQ-2I型数字石英水平摆倾斜仪 固体潮观测 大潮 spring tide小潮 neap tide 5.1洞体倾斜仪 1 水管倾斜仪

3、 1弧度=180/60/60 = 206265 5-1-1 水管仪的基本原理 仪器基本原理是根据连通管内水面保持自然 水平的原理。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。设为液体密度 ，A1、A2分别为两端钵体的横截面积，h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 S1,S2分别为两个钵体的截面积，当S1=S2时，由于 倾斜变化引起的水面上升（或下降）为h/2 h L Sin 当 很小时 即： h L; h / L 2 =360 =36060

4、6012960000 每弧度等于多少角秒： 12960000 2（弧度）206265/弧度 反过来，每单位角秒等于多少弧度： 1/2062654.8510-6 （1/角秒） 如h 单位为微米（ 10-6 米），L为米，为角 秒时， 则： (弧度）= （角秒） 弧度与角度的转换： 二、差动变压器 互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将 被测位移量转换成线圈互感的变化。由于常采用两个次级线 圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。 差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表 指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动 的极性；同时，交流电压输出存在一定的零点残余电

5、压，使 活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。因此，差动变压 器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能 补偿零点残余电压的差动直流输出电路。当没有信号输入时 ，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小； 当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大 、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量 的大小和方向。 1、基本原理 当可动的铁芯移动时，相对不动的差动变压器线圈经测量 电路输出的电压与铁芯的位移成正比。差动变压器实质上是 铁芯可动的变压器 差动变压器主要由铁芯和差动线圈组成，铁芯与线圈由非磁 性的不锈钢材料制成的导管隔离，导管同时起着固定线圈位 置的作

6、用。 地形变观测技术讲座 2.DSQ水管倾斜仪的前 置 2脚为电源正极（+20V）， 1脚为电源负极（-20V ），5脚为地；若测量的电压正负极性不对，有可 能会烧坏换能器，若量出的电压不在21V18V范 围内，盒内稳压电源工作就不正常。3脚为信号正 （），7脚为信号负（）。 调试检测插座上配有插头，插头上红线为换能器 输出信号，黑线为地线，平时插头不要插入，插 头只是在调试检测时使用。 当基线L10米，要求分辨力为10-3角秒时， 则： 10-3 0.0485（微米） 这就是对传感器的最低分辨（力）要求 （ 注： hS1 hS2 Sh, S1= S2=S时， S= S 最低分辨（力）要求 5

7、-1-2 转换系数（格值） 角秒与高程位移转换 / h ; (m) 其中： h /L(弧度）=0.206265 h / L （角秒） 高程位移与电压转换 如果传感器的灵敏度为S=h / V（m/mV） =S= 0.206265 S/L (mV) 所以转换系数（格值）只与传感器的灵敏度和基线长有关 1-1-3 仪器结构 1.水管倾斜仪主机系统 2.主体结构 1.垫块 11.压圈 2.底盘 12.嘴子 3.螺杆 13.固定座 4.水槽 14.导向簧片 5.浮子 15.螺钉 6.盖板 16.压块 7.联接套 17.簧片压板 8.铁芯轴 18.簧片座 9.罩子 19. 脚螺母 10.线圈件 20.脚螺

8、丝 1-1-4校准（标定） 1.装置结构 1.底座 10.螺母 2.支杆 11.电机齿轮 3.标定棒 12.小托板 4.导轴盖 13.轴套 5.大托板 14.轴套筒 6.轴盖 15.标定杯 7.导向螺钉 16.标定托杯 8.矢轮 17.罩子 9.压环 校准器实物照片 2.原理与方法 上图是水管仪校准原理示意图。校准是为了求得 液面改变单位高度时，电信号的变化量U在数量 上是多少。对一个分量两个钵体内液面高度的变化 H可由如下计算公式确定： 式中：h为标定棒移动量（一般为20mm），d为 标定棒直径值，D1、D2分别为两个钵体内径值 选定液面变化高度 传感器灵敏度调试 校准（标定）前先进行传感器

9、灵敏度的调试 (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，调节主体中垂直微调装置，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变化量H水 ，如为50m左右(标定棒移动20mm)，传感器电压变 化量U 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U 值的平均值。 格值公式与计算： (/mV) 已知：基线LEW16.78m，LNS15.06m 510.4mV， HEW50.58m 计算 ： 传感器灵敏度

10、 n / HEW =10.09mV/ m = (/mV) 例 DSQ型水管倾斜仪格值标定记录格式 端号 衰减 倍数B 时间 h标 （mm） H水 （mm） U (mv) U （mv）(mv) (mv) (同一分量) N E2 14：0569.2 573.3573.7011.12 14：102051.62642.3573.1 14：152051.6269.2573.1 14：202051.62642.7573.5 14：252051.6269.3573.4 W2 14：05115.3 574.1 14：102051.62688.9573.6 14：152051.62114.3574.6 14：2

11、02051.62688.5574.2 14：252051.62114.7573.8 S1 14：30-93.9 1535.91532.1029.13 14：352052.601442.01535.9 14：402052.60-94.11536.1 14：452052.601441.51535.6 14：502052.60-94.31535.8 N1 14：3057.3 1528.3 14：352052.601585.71528.4 14：402052.6056.81528.9 14：452052.601584.81528.0 14：502052.6056.91527.9 主要技术指标 （1）分

12、辨力：0.0005； （2）系统稳定性：日漂移量小于0.0005 （3）基线长度：10m以内（5m），有条件大于10m更好； （4）校准精度：优于1%； （5）校准：自动化； （6）记录方式：自动数据采集 仪器的安置条件 （1）仪器安放的主墩采用坚硬岩石墩。主墩底面和洞室墩位 岩面要密合好，墩的四周和洞体地平之间设置隔震槽。 （2）两主墩顶面的相对高差不超过3mm，主墩离地平高度小 于等于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 校准装置，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厚的聚苯乙烯泡沫 板作为小腔体密封等措施。 2 垂直摆倾

13、斜仪 1-2-1原理 1. 原理公式： （） 其中l 为摆长（单位：m）; 为地倾斜角 （单位：); 为摆的 相对位移 设 l = 0.1m, = 110-3；求 则： (l ) 206265=0.48510-9 m 由此可知，不管是洞体的还是井下的，只要摆长 在10cm时，仪器的最低分辨要做到0.000485微米。 电容传感器 差动式变间隙型电容传感器差动式变间隙型电容传感器 动极板动极板 定极板定极板 定极板定极板 C1 1 C2 2 动极板上移时：动极板上移时： 初始位置时，初始位置时， 提高一倍提高一倍 减小减小 略去高次项：略去高次项： 电容量的相对变化为电容量的相对变化为 ： 非线

14、性误差为：非线性误差为： 灵敏度：灵敏度： 2. 仪器结构 1 外罩; 10绝缘块 ; 2 吊丝; 11锁摆机构; 3 动摆; 12绝缘玻璃; 4定片； 13底盘; 5主体筒; 14底脚; 6调平机构; 15垫块。 7气泡； 8 干燥袋； 9夹丝头； 3.VS垂直摆倾斜仪内部结构 VS型垂直摆倾斜仪的摆系主要由柔丝、摆杆和质量 块三部分组成，摆系采用双丝悬挂（如图所示）， 这种悬挂方式使摆系只有一个自由度。摆的质量块 为一长方体，摆重为380克，摆长为10厘米。 1-2-2 VS垂直摆倾斜仪的标定 1. 静电力标定的原理与计算公式 静电力标定的基本原理是在动片和定片之间加上一直 流电压。在静电

15、力的作用下，动片（即摆）的位置发生 偏移，这个偏移量为标定常数 。 平板电容两极板之间的静电引力Fe 为： 式中为真空的介电常数，=8.8510-12法/米；d为动片 与定片II之间的距离，单位为米；S为平板电容器的面积 ，在VS垂直摆倾斜仪中即为动片的面积，单位为平方米 ；U为动片和定片之间的电位差，单位为伏。 静电力标定原理图 在VS垂直摆倾斜仪中，标定电压加在定片上，动片 面积S(3.510-3米2)、动片与定片之间的距离d（ 0.4mm或0.38mm），在动片与定片之间所加的直 流电压U均为恒定量(2.5V)，故静电力Fe也是一个恒定 量 ，使摆有一个偏转角，输出信号就叠加了一个点 量 U。 根据静电力就可算出摆的偏移 量角，垂直摆倾斜仪在工作状 态时，摆处于铅垂状态，摆位 于位置A；当进行校准时，由于 静电力的作用使摆移动至位置B ，（d为位移）这时摆不再处于 铅垂状态，产生了一个角度变 化