專利名稱：數(shù)模兼容式水動(dòng)態(tài)測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及地震的探測儀器，尤其能在水位面埋藏較深的井孔(含斜井孔)中工作的一種數(shù)模兼容式水動(dòng)態(tài)測量儀(G0.1V1/00)。
目前，國內(nèi)探測地震的儀器是機(jī)械式水位儀。這種儀器的結(jié)構(gòu)是由浮漂、時(shí)鐘滾筒、配重及拉線組成。例如HCI-1型、SZ-1型、SW-40型水位儀、SWC-1型水位跟蹤器、紅旗-1型水位計(jì)、紅旗-1型展開裝置等均屬于機(jī)械式水位儀。機(jī)械式水位儀的不足之處是測量精度低(毫米級)、靈敏度差、走時(shí)誤差大、不能在斜井和水位埋藏較深的井孔中工作。北京地震儀器廠生產(chǎn)的SSI-1型數(shù)字式水位儀，其主機(jī)是機(jī)械式，水位分辨率為1mm級；兵器工業(yè)部西安212所和陜西省地震局研制的GSQ-型水位記錄儀，其傳感器仍采用浮漂法，水位分辨率為0.5mm級，且地面設(shè)備復(fù)雜、價(jià)昂，未推廣開。
本實(shí)用新型的目的在于克服以上已有技術(shù)中的不足之處，而提供一種測量精度高、靈敏度好、能在斜井中和水位埋藏較深的井孔中工作的價(jià)廉的數(shù)模兼容式水動(dòng)態(tài)測量儀。
本實(shí)用新型的任務(wù)是這樣實(shí)現(xiàn)的該儀器主要由傳感器、控制機(jī)箱、數(shù)據(jù)采集器和模擬記錄儀構(gòu)成。傳感器由水位(水壓)測量部分和水溫測量部分組成。
水位測量原理用彈性模片作為敏感體，差動(dòng)式電容器的動(dòng)片固定在彈性模片的中間部位，差動(dòng)式電容器作為兩個(gè)測量臂，與電感線圈組成差動(dòng)式電感電橋，這一電橋稱為換能器。它把彈性模片感應(yīng)出的水位位移變化轉(zhuǎn)換成電量輸出。由于采用差容式結(jié)構(gòu)和彈性模片并用，使得該儀器靈敏度高。
設(shè)差動(dòng)電容的兩個(gè)測量臂的電容量分別為C1、C2，電量輸出為
則U·=2E1jωC21jωC1+1jωC2-E-(2C1C1+C2-1)·E]]>C1=ϵ·δd1,C2=ϵ·δd2]]>式中E——電感線圈的兩端電壓ε——εo，εn極間介質(zhì)的介電常數(shù)(F/cm)εo——0.0885×10-12(F/cm)，為真空時(shí)的介電常數(shù)εn——介質(zhì)的相對介電常數(shù)d1，d2為兩電容片之間的極間距離(cm)δ——為極板間的工作面積(cm2)當(dāng)d1＝d2＝d，C1＝C2＝C時(shí)，則
當(dāng)d1＝d+Δd，d2＝d-Δd時(shí)，則U·=(2C1C1+C2-1),E=-Δdd·E]]>由此式看出換能器的輸出電壓與模片的位移成良好的線性關(guān)系。這一電壓經(jīng)過交流的前置放大器、主放大器、相敏檢波、低通慮波輸出±2伏的電壓量，接入數(shù)據(jù)采集器和模擬記錄儀即可獲得水位變化的整點(diǎn)值和模擬記錄曲線。
水溫測量原理用經(jīng)線性化處理的半導(dǎo)體熱敏電阻組成橋式放大線路，把水溫溫度變化量轉(zhuǎn)換為電量、輸出與水溫變化成比例的電壓信號，達(dá)到測量水溫的目的。
半導(dǎo)體熱敏電阻的線性化處理采用準(zhǔn)線性網(wǎng)絡(luò)。(RT1+r1)·r2RT1+r1+r2+r3=R11]]>(RT2+r1)·r2RT2+r1+r2+r3=R22]]>(RT3+r1)·r2RT3+r1+r2+r3=R33]]>式中RT1，RT2，RT3為半導(dǎo)體熱敏電阻在溫度為t1，t2，t3時(shí)的實(shí)測值。R11，R22，R33為網(wǎng)路Rab在溫度為t1、t2、t3時(shí)的值，用計(jì)算機(jī)解出的方程組，合理選出r1，r2，r3的阻值，就會使網(wǎng)絡(luò)中的等效電阻Rab隨溫度呈準(zhǔn)線性變化，這樣就能滿足深井水溫測量的精度要求。
控制機(jī)箱的功能是平衡調(diào)零裝置和儀器的±12伏電源；數(shù)據(jù)采集器選用了先進(jìn)的MCS-51系列單片機(jī)，它具有控制鍵盤、量程選擇、開關(guān)啟閉、數(shù)據(jù)采集、存儲傳輸、打印繪制曲線等功能，實(shí)現(xiàn)測量過程自動(dòng)化；模擬記錄儀的作用是對水位、水溫信號進(jìn)行連續(xù)記錄，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)臨震異常和巖體塌方征兆。該儀器是電子傳感器和數(shù)據(jù)采集智能化自動(dòng)記錄儀，既可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，又能與各類模擬記錄儀配接進(jìn)行連續(xù)的模擬記錄，故該儀器稱為數(shù)模兼容式水動(dòng)態(tài)測量儀。
本實(shí)用新型將結(jié)合附圖中實(shí)施例作進(jìn)一步說明

圖1為該儀器的傳感器結(jié)構(gòu)簡圖，圖2為該儀器的水位換能器結(jié)構(gòu)簡圖，圖3為該儀器的交流放大器工藝流程圖，圖4為該儀器的交流放大器電子線路圖，圖5為該儀器的彈性模片結(jié)構(gòu)圖，圖6為該儀器的水位換能器電路圖。
附圖中的零部件序號1、外殼，2、水位換能器，3、水溫敏感體，4、交流放大線路，5、直流放大線路，6、上端蓋，7、電纜，8、彈性模片，9、絕緣板(I)，10、電容定片(I)，11、電容動(dòng)片，12、上、下屏蔽層，13、固定螺栓，14、絕緣板(II)，15、電容定片(II)，16、螺母，17、調(diào)整墊片，18、調(diào)整管，19、滑軸，20、標(biāo)定盤(壓電陶瓷)，21、傳動(dòng)軸，22、低板。
本實(shí)用新型為數(shù)模兼容式水動(dòng)態(tài)測量儀，主要由傳感器、控制機(jī)箱、數(shù)據(jù)采集器和模擬記錄儀構(gòu)成，它的傳感器中設(shè)有水位換能器2、水溫敏感體3、交流放大線路4、直流放大線路5、其中，水位換能器由彈性模片8、絕緣板(I)9、電容定片(I)10、電容動(dòng)片11、上、下屏蔽層12、固定螺栓13、絕緣板(II)14、電容定片(II)15、螺母16、調(diào)整墊片17、調(diào)整管18、滑軸19、標(biāo)定盤20、傳動(dòng)軸21、底板22組成。
交流放大線路4由水位換能器2、電壓射隨器、交流放大器、相敏檢波器、低通慮波器以及正弦波——方波發(fā)生器組成。
彈性模片8設(shè)置在水位換能器2的底部，通過滑軸19、標(biāo)定盤20、傳動(dòng)軸21與電容動(dòng)片11連成一體。電容定片()10貼在絕緣板(I)9上，而絕緣板(I)9又貼在下屏蔽層12上。電容定片(II)15貼在絕緣板(II)14上，而絕緣板(II)14又貼在屏蔽層12上。固定螺栓(3)是把底板22與電容定片(I)10，(II)15固定在底板22的一定位置上，電容動(dòng)片11與電容定片(I)10、(II)15間有一初始間隙、螺母16是緊固用的。調(diào)整墊片17、調(diào)整管18是調(diào)整電容動(dòng)定片之間間隙用的。
水位換能器2焊接在外殼1上、交流放大線路4固定在水位換能器2上，電容定片(I)10，(II)15和電容動(dòng)片11的引出線焊接在交流放大器C7，C8端。水溫敏感體3焊接在直流放大線路5上，直流放大線路5的輸出和交流放大線路4的輸出均通過電纜7傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器和模擬記錄儀上，本實(shí)用新型研制出來后，經(jīng)內(nèi)部測試水位變化分辨率達(dá)0.075mm，水溫分辨率為0.0005℃，水溫電壓靈敏度為0.00685℃/mv，但造價(jià)低。
本實(shí)用新型的積極效果1、用彈性模片和差容式電感電橋作為水位換能器，取代浮漂法，提高了水位測量精度。
2、把熱敏電阻線性化，變非線性為準(zhǔn)線性，提高于水溫測量精度。
3、該儀器能測出參量水位(水壓)、水溫。這在地下水研究方面提供了較為全面地綜合觀測技術(shù)。
4、該儀器可在斜井中以及水位埋藏較深的井孔中進(jìn)行地下水水位(水壓)、水溫的測量。
5、該儀器安裝簡便，操作、測量都很方便。廣泛使用于觀測研究地下水在地震前的征兆反應(yīng)和礦區(qū)、水庫區(qū)地下水的動(dòng)態(tài)變化以及海洋潮汐、地下水資源評價(jià)、各種工程地質(zhì)巖體坍塌、滑坡等地質(zhì)現(xiàn)象。
參考文獻(xiàn)1、地下水位觀測儀器清理測試總結(jié)。
——地下水動(dòng)態(tài)清理攻關(guān)成果報(bào)告之一國家地震局地下水動(dòng)態(tài)清理攻關(guān)組1984.82、GSQ——型深井水位記錄儀兵器工業(yè)部212研究所研制國家地震局1986.3鑒定3、電子電路百科全書[美]R.F.格拉夫 著1986年科學(xué)出版社出版
權(quán)利要求1.一種數(shù)模兼容式水動(dòng)態(tài)測量儀，主要由傳感器、控制機(jī)箱、數(shù)據(jù)采集器、模擬記錄儀組成，其特征在于該傳感器中設(shè)有水位換能器2、水溫敏感體3、交流放大線路4、直流放大線路5，其中水位換能器由彈性模片8、絕緣板(I)9、電容定片(I)10、電容動(dòng)片11、上、下屏蔽層12、固定螺栓13、絕緣板(II)14、電容定片(III)15、螺母16、調(diào)整墊片17、調(diào)整管18、滑軸19、標(biāo)定盤20、傳動(dòng)軸21、底板22組成。交流放大線路4由水位換能器2、電壓射隨器、交流放大器、相敏檢波器、低通慮波器以及正弦波——方波發(fā)生器組成。
2.據(jù)權(quán)利要求書1所述的數(shù)模兼容式水動(dòng)態(tài)測量儀，其特征在于所說彈性模片8設(shè)置在水位換能器2的底部，通過滑軸19、標(biāo)定盤20、傳動(dòng)軸21與電容動(dòng)片11連成一體。電容定片(I)10貼在絕緣板(I)9上。而絕緣板(I)9又貼在下屏蔽層12上，電容定片(II)15貼在絕緣板(II)14上，而絕緣板(II)14又貼在上屏蔽層12上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的數(shù)模兼容式水動(dòng)態(tài)測量儀，其特征在于交流放大線路4固定在水位換能器2上，電容定片(I)10，(II)15和電容動(dòng)片11的引出線連接在交流放大器C7、C8端，水溫敏感體3連接在直流放大線路5上，直流放大線路5的輸出和交流放大線路4的輸出均通過電纜7傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器和模擬記錄儀上。
專利摘要該儀器為地震探測儀器，主要由傳感器、控制機(jī)箱、數(shù)據(jù)采集器、模擬記錄儀構(gòu)成，傳感器的水位測量用彈性模片為敏感體，和差容式電感電橋組成換能器；水溫測量用經(jīng)過線性化處理的半導(dǎo)體熱敏電阻組成橋式放大線路獲得水溫測量。該儀器在斜井中以及埋藏較深的地下水中工作，對水位的分辨率達(dá)0.075mm，水溫分辨率達(dá)0.0005℃，水溫電壓靈敏度達(dá)0.00605℃/mV。廣泛用于觀測研究地下水在地震前的征兆反應(yīng)，礦區(qū)、水庫區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)海洋潮汐、地下水資源評價(jià)、工程地質(zhì)巖體坍塌、滑坡等地質(zhì)現(xiàn)象。
文檔編號G01V9/02GK2070454SQ90217989
公開日1991年1月30日 申請日期1990年8月11日 優(yōu)先權(quán)日1990年8月11日
發(fā)明者馮先水, 李文忠, 朱云, 馬建文 申請人:河南省地震局