扭杆弹簧倾斜仪相关性能的实验研究

　　倾斜仪作为一种精度较高、行之有效的变形观测仪器设备,在土木工程、地球物理和科学实验等方面有着重要的应用[1-5]。长期以来,国内外学者 孜孜不倦地研究更为精密、有效的测倾技术,追求性能更优良、实用性更强的倾斜仪[6-10]。为此,我们研制了小型化的扭杆弹簧倾斜仪,它具有结构简单、 体积小巧、灵敏度高等优点。

　　作为高精度的地面倾斜测量装置,有必要研究影响扭杆弹簧倾斜仪测量精度的因素,其中环境温度波动是主要因素之一。为此,我们对扭杆弹簧倾斜仪进 行了温度调制实验,研究其温度及温度梯度的响应特性。另一方面,在实际应用过程中应避免频繁调节倾斜仪,这就要求倾斜仪能在较长时间内稳定工作。因此,研 究扭杆弹簧倾斜仪的长时间工作性能是很有意义的。我们对扭杆弹簧倾斜仪进行了长时间记录地倾斜实验,研究其长期慢漂特性。

　　1　机械结构

　　扭杆弹簧倾斜仪的机械主体类似于ISA加速度计[11]中的加速度敏感元件,包含一个机械振子和两片电容极板。图1是机械振子的横截面图形,机 械振子是由位于中间的圆盘状检验质量块和位于外部的圆形框架组成,检验质量块通过横截面为方形的扭杆悬挂在外框下面。电容极板是在与外框形状相同的陶瓷平 板上镀银制成的,当两个电容极板与中间机械振子面对面紧贴时,构成两个电容器。检验质量块的直径D=60.0 mm,厚度h=9.8 mm,外框的厚度H=10.0mm,内外直径分别为D1=72.0 mm和D2=83.9 mm。检验质量块、圆形外框和扭杆是从一整块铝材料上线切割下来的,其主要机械参数如表1所示。

　　2　工作原理

　　图2为扭杆弹簧倾斜仪系统的示意图,包含机械振子系统和电容传感电路。在图中,两个电容敏感元件Ca, Cb和两个电阻Ra, Rb组成RC混合电桥,用于提取位移信号。一个激励信号Vp=Vp0cos(2πfpt)驱动RC电桥。当地面有一个倾斜信号θ,机械振子就会发生转动, 振子与两边电容平板间的间距发生变化,导致Ca和Cb的电容值改变。接在混合电桥后面的前置放大器放大混合电桥的输出信号,放大后的信号送入锁相放大器, 同时信号Vp= Vp0cos(2πfpt)也送入锁相放大器。放大器工作在一个较高频率(~50 kHz),因此电路中的1/f噪声能被有效地抑制。

　　3　有关实验

　　3.1　机械振子本征频率测定

　　方形截面扭杆的扭转系数kt=2cGbw3/L,b=w =1.0 mm分别代表扭杆截面长和宽,c =0.141为扭杆的截面系数,由扭杆截面长宽比决定,G为铝的剪切模量,L为单边扭杆长度。机械振子的本征频率为

　　沿机械振子的敏感轴方向轻敲倾斜仪,振子就会振动起来,得到机械振子在空气中的振动曲线,如图3所示。由此估计机械振子的本征频率和品质因数分别为f0=14 Hz和Q=5,由式(1)算得本征频率理论值为13.8 Hz,实验值与理论值符合很好。