本實用新型涉及地震前兆預警觀測技術，尤其涉及一種基于靜電力平衡反饋控制的固體潮汐觀測裝置。

背景技術：

地震前兆預測地震是地震研究工作重大課題之一。成功預測地震發(fā)生的時間、地點、大小也是世界性的難題，很大程度上是與不能獲得全面的、足夠精度和數量的與地震前兆相聯系的信息有關。地殼形變測量是地震前兆預測地震的主要手段之一，物理概念清晰，直接反映地殼變化的情況，解釋地殼受力與變形乃至斷裂發(fā)生地震的過程和終結。

進入21世紀后，國家對地震前兆儀器又有了更高更明確的要求，在儀器的參數、技術指標中，形變儀器這一塊也有了相應的入網標準。明確地要求了傾斜類儀器分辨力為萬分之二角秒，相對分辨力為10^-9量級，同時在頻帶上也有了新的要求。

在國家地震前兆臺網中傾斜類觀測儀器目前在網納入管理的臺站有184個，主要測項為水平擺傾斜觀測、垂直擺傾斜觀測、水管傾斜觀測和鉆孔傾斜觀測，觀測儀器有280套。以上除了部分垂直擺傾斜儀是二十一世紀以后研發(fā)的儀器，其他的儀器都是上個世紀的產物，最老的儀器研發(fā)于50年前。隨著年限的增長，很多老儀器都出現了維修困難等情況，嚴重的甚至停止觀測。因此，現在迫切需要一款新的儀器對我國地震前兆臺網進行補充。

目前，現有的在網觀測傾斜類儀器都是開環(huán)的儀器。然而，我們應該注意到傳感器質量塊的運動是地動加速度引起的，因此，儀器測量的物理量應為加速度量。而開環(huán)的儀器檢測的是質量塊的傾斜角度，也就是位移量。只有閉環(huán)反饋的儀器檢測的是加速度量。因此，反饋式儀器對地震前兆觀測是必要的補充。

長期以來，地震科研人員希望從地球固體潮的變化，或異常中探索臨震預報的可能。然而，研究表明固體潮的變化或異常暫時只能為地震中期、中長期預報服務。在2008年汶川地震后，研究人員發(fā)現，超寬頻帶地震儀能夠監(jiān)測到高頻的信息，有可能觀測到臨震信息（張燕，超寬頻帶地震計觀測到的汶川地震震前異常，2011，大地測量與地球動力學）由于現有的擺式儀器是開環(huán)的儀器，它受限于擺長固有周期的限制，幾乎不可能將觀測頻率提高到1Hz以上。而閉環(huán)的儀器，由于反饋力的存在，將開環(huán)增益提高，提高儀器固有頻率，可以做到10Hz，這比現有儀器最高1分鐘的頻率提高了兩個數量級。

在世界范圍內，地球重力場的科學研究、衛(wèi)星對地觀測技術和物理探測技術等的發(fā)展也是日新月異。空間衛(wèi)星對地觀測技術中，靜電加速度計是這一技術的主要載荷，它在衛(wèi)星對地觀測中起到了核心作用。將空間技術引入到地殼形變儀器的研究，這本身就是一種新的思想。通過靜電加速度計原理、機械和電路等的研究，以及以此為技術基礎，把該技術用在本實用新型的研制上，這種包含了靜電反饋在內的觀測儀器必將具有著重要的現實和科學意義，必將帶動地震前兆儀器的發(fā)展。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種基于靜電力平衡反饋控制的固體潮汐觀測裝置，從而能夠精確地測出微小的位移，并能夠檢測到直流至10Hz的高頻振動位移，進而提高微位移的檢測精度和范圍。

本實用新型的目的是這樣實現的：

在差動電容傳感器的動極板上，接入穩(wěn)定的直流偏置信號和穩(wěn)定的交流激勵信號，并將差動電容傳感器的三塊極板與閉環(huán)靜電力反饋控制系統(tǒng)相接，使得定極板能夠在感應電容差的同時可以對動極板施加一個靜電力，平衡動極板水平方向傾斜分量，使得動極板回歸至差動電容傳感器的中心位置。當差動式電容傳感器響應到位移變化時，由差動電容與對稱分布電容構成的電橋響應此變化帶來的電容變化，經過電容電橋電路、交流放大電路、交流放大電路、同步解調電路、低通濾波電路、PID調節(jié)電路和靜電力驅動電路后，向定極板上反饋兩個大小相同，方向相反的電壓。使得兩塊定極板對動極板施加一個與動極板運動方向相反的差分靜電力，靜電力為動極板補償重力加速度的水平分量，使動極板回到零位。

具體地說，本裝置包括主體、電容檢測電路、PID控制電路、靜電力驅動電路、電壓饋入電路和電源；

主體、電容檢測電路、PID控制電路、靜電力驅動電路和主體依次連接組成一閉環(huán)系統(tǒng)，電壓饋入電路和主體連接，檢測輸入的固體潮汐信號，獲得輸出的固體潮汐信號；

電源分別與其它電路連接供電。

本實用新型具有下列優(yōu)點和積極效果：

①運用靜電力作為力平衡反饋的儀器，觀測頻帶廣，動態(tài)范圍大，線性度好；

②既可反映固體潮的變化，也能反映地殼形變高頻變化；

③能有效地填補我國地動觀測沒有高頻儀器的空白，而且有望基于其高頻觀測的特點尋找地震前兆相關的有用信息；

④適用于地震前兆預警。

附圖說明

圖1 是本裝置的結構方框圖；

圖2 是主體的結構示意圖；

圖3 是電容檢測電路的結構方框圖。

圖中：

10—主體，

11—基座，

121—第1支撐腳，122—第2支撐腳，123—第3支撐腳，

13—動極板，

141—第1定極板，142—第2定極板，

15—懸絲，

16—支架，

17—外殼；

20—電容檢測電路，

21—電容電橋電路，

22—電流放大電路，

23—交流電壓放大電路，

24—同步解調電路，

25—低通濾波電路，

26—直流補償放大電路；

30—PID控制電路；

40—靜電力驅動電路；

50—電壓饋入電路；

60—電源；

A—固體潮汐信號，B—固體潮汐電壓信號。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本裝置詳細說明：

1、總體

如圖1，本裝置包括主體10、電容檢測電路20、PID控制電路30、靜電力驅動電路40、電壓饋入電路50和電源60；

主體10、電容檢測電路20、PID控制電路30、靜電力驅動電路40和主體10依次連接組成一閉環(huán)系統(tǒng)，電壓饋入電路50和主體10連接，檢測輸入的固體潮汐信號A，獲得輸出的固體潮汐信號B；

電源60分別與其它電路連接供電。

2、功能部件

1）主體10

如圖2，主體10包括基座11、第1支撐腳121、第2支撐腳122、第3支撐腳123、動極板13、第1定極板141、第2定極板142、懸絲15、支架16和外殼17；

外殼17和基座11上下連接組成一封閉的整體，在基座11下面設置有呈等腰直角三角形排列的第1支撐腳121、第2支撐腳122、第3支撐腳123；

在外殼17內壁設置有支架16，在支架16的兩邊分別設置有互為平行的第1定極板141和第2定極板142，在支架16的頂部中央設置有上下連接的懸絲15和動極板13，動極板13在第1定極板141和第2定極板142之間，均和基座11的等腰邊平行。

*基座11

基座11是一種等腰直角三角形的金屬塊，并在3個角處設置有3個固定螺紋孔；腰邊600mm，厚度30mm；

使其有足夠的強度保證觀測的穩(wěn)定性。

*第1支撐腳121、第2支撐腳122、第3支撐腳123

每個支撐腳包括依次連接的手輪、螺桿和腳墊；

3個腳墊分別設計成點、線、面的形狀，基座11的直角固定螺紋孔對應于點形狀的腳墊，和動極板13平行的固定螺紋孔對應于線形狀的腳墊，和動極板13垂直（敏感方向）的固定螺紋孔對應于面形狀的腳墊。

*動極板13

動極板13是一種銅質長方體。

*第1定極板141、第2定極板142

第1定極板141、第2定極板142是由K9光學玻璃做成的平板，其表面為鍍金層，厚度不大于1μm。

*懸絲15

懸絲15材料為恒彈合金3J53，與支架16頂部相連，懸掛動極板13，使之能在水平面內平動。

*支架16

支架16為一體式對稱性金屬結構，滿足裝置的機械穩(wěn)定性；高度對稱性的設計，有利于消除溫度給裝置帶來的誤差。

*外殼17

外殼17是一種有蓋的金屬圓筒；

起到保護、屏蔽和防潮的作用。

2）電容檢測電路20

電容檢測電路20包括電容電橋電路21、電流放大電路22、交流電壓放大電路23、同步解調電路24、低通濾波電路25、直流補償放大電路26；

第1定極板141和第2定極板142、電容電橋電路21、電流放大電路22、交流電壓放大電路23、同步解調電路24、低通濾波電路25和直流補償放大電路26依次連接。

*電容電橋電路21

電容電橋電路21是一種通用電路，其電容是由第1定極板141和第2定極板142分別與動極板13形成的。

*電流放大電路22、交流電壓放大電路23、同步解調電路24、低通濾波電路25、直流補償放大電路26均為通用電路。

3）PID控制電路30

PID控制電路30是一種通用的比例、積分、微分電路；

調理整個裝置的幅頻響應和相頻響應，使得整個裝置的信號輸出更加穩(wěn)定。

4）靜電力驅動電路40

靜電力驅動電路40是一種通用的信號調理電路；

提供足夠功率的大小相等、方向相反的兩路反饋驅動電壓，分別加載到第1定極板141和第2定極板142上，使其與動極板13上的直流偏置電壓形成靜電力。

5）電壓饋入電路50

電壓饋入電路50是一種交直流疊加電路；

其直流偏置電壓與交流激勵電壓疊加后饋入動極板13，直流偏置電壓給靜電力驅動電路40提供基準電壓，交流激勵電壓為固體潮汐信號A的載波信號。

6）電源60

電源60提供整個裝置各部分所需電壓。

3、工作機理

本裝置主體10響應固體潮汐信號A，動極板13將其轉化為位移變化，動極板13與第1定極板141和第2定極板142之間有相對位移；使得二者構成的差動電容的電容值實時發(fā)生變化；該變化通過電容檢測電路20、PID控制電路30和靜電力驅動電路40的調理，將大小相等、方向相反的兩路反饋電壓加載到第1定極板141和第2定極板142上，使其與動極板13上的直流偏置電壓形成靜電力；靜電力與固體潮汐信號A的大小相等，方向相反，使動極板13達到動態(tài)的平衡，其中PID控制電路30輸出的信號即為固體潮汐信號B。