超短基线伸缩仪的研制

　　1　引言

　　伸缩仪是精密测量地壳岩体两点间距离相对变化的仪器,为研究地震孕育过程的应变变化规律提供数据。现有伸缩仪基线较长,不能满足较小的空间(较短硐室)和多方位(如倾斜和垂直向)使用。我国在垂直分量应变观测和研究开展较少,一方面是因为硐体存在腔体效应,更重要的原因是没有较好的观测手段。研制超短基线伸缩仪,有助于开展多方位应变观测和研究,小型化也有利于地震应急快速布设,也可在井下岩层和半地下室等环境下布设,其成本比开凿山硐的低得多,又不受地形条件限制,扩展了应用范围,与井下应变仪相比有着很好的可维护性。目前,国内外尚未有长度小于1 m的基线伸缩仪。SS-Y型短基线伸缩仪的NS向基线长度不大于6 m、EW向基线长度小于10 m[1, 2],也还达不到便携和小型化要求。本课题的主要目的是研制更高精度的位移传感器、高稳定性结构和既无污染又没有机械传动装置的微位移标定器的短基线伸缩仪,以满足小型化、便携式的需求。

　　2　仪器的结构设计与原理

　　伸缩仪主要用于硐体应变固体潮、地震前兆地应变、大型精密工程、大型建筑、大坝等监测。地应变测量是测量地壳表面两点间的基线长度的相对变化量[3, 4]。

　　2.1　基本结构

　　超短基线伸缩仪由于基线大大缩短,会带来一系列问题,如应变的机械传递量减小、对结构稳定性要求更高等;机械放大倍数减小了,采用高精度传感器与电子放大的方法来提高仪器的灵敏度;灵敏度提高了,稳定问题又突显出来。所以,解决上述问题是当今精密测量仪器发展的一个趋势。

　　USBE-1型超短基线伸缩仪机械结构主要由固定端、基线、传感器、调零装置、标定器、电子测量、控制、记录和通信等组成(图1)。

　　基线杆(130)的一端连接位移传感器(110),位移传感器(110)再通过调零装置(120)和第1基岩(310)连接;基线杆(130)的另一端连接标定器(150)后再通过固定端(160)和第2基岩(320)连接;位移传感器(110)和标定器(150)分别与测量与控制系统(200)连接。测量与控制系统包括位移测量、调零和标定控制、数据采集和网络通信[5, 6]等部分组成。与一般伸缩仪结构相比无需托架和吊丝,为一体化结构,具有安装布设灵活的特点,除了水平安装,还可进行倾斜或垂直安装。传感器(110)为一种全密封结构的差动电容传感器,分辨力优于1×10-10m,基线选用管型或棒形的石英或铟钢材料,长度不大于1 m,标定器(150)为可靠的压电标定方式,无机械传动装置,体积小可便携,适应于地震前兆的流动和应急监测,并可推广到长基线伸缩仪和其他微位移测量仪中。