VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010469702.X (22)申请日 2020.05.28 (71)申请人 中国地震局地震研究所 地址 430000 湖北省武汉市武昌区洪山侧 路40号 申请人 武汉地震科学仪器研究院有限公司 (72)发明人 夏界宁林强陈志高邹彤 王嘉伟刘军耿丽霞李震 李农发陈玉秀罗松 (74)专利代理机构 武汉红观专利代理事务所 (普通合伙) 42247 代理人 陈凯 (51)Int.Cl. G05D 23/19(2006.01) G05D 23/24(2006.01) G05F 1/。

2、46(2006.01) G05F 1/56(2006.01) G01V 1/00(2006.01) G01C 9/02(2006.01) (54)发明名称 一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置 (57)摘要 本发明提供了一种VP垂直摆倾斜仪的测量 环境控制装置， 包括底座、 摆体、 第一箱体、 第二 箱体、 绝热部件和恒温模块， 摆体设置在底座上； 所述第一箱体内部中空， 第一箱体的一端具有第 一开口部； 第二箱体内部中空， 第二箱体的一端 具有第二开口部； 绝热部件具有第一端面和第二 端面， 绝热部件的第一端面与底座固定连接； 绝 热部件的第二端面与摆体固定连接； 第一箱体和 第二箱体均固。

3、定设置在底座上， 且第一箱体与底 座合围形成第一腔体， 绝热部件和摆体均位于第 一腔体内， 绝热部件与第一箱体的第一开口部密 封连接； 第二箱体与底座合围形成第二腔体， 第 一箱体位于第二腔体内； 恒温模块设置在底座 上， 并使工作状态的第一腔体内的温度保持恒 定。 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 CN 111459207 A 2020.07.28 CN 111459207 A 1.一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置， 包括底座(1)和摆体(2)， 摆体(2)设置在 底座(1)上； 其特征在于： 还包括第一箱体(3)、 第二箱体(4)、 绝热部件(5)和恒温模块(6)； 所述第一箱体。

4、(3)内部中空， 第一箱体(3)的一端具有第一开口部； 所述第二箱体(4)内部中空， 第二箱体(4)的一端具有第二开口部； 所述绝热部件(5)具有第一端面和第二端面， 绝热部件(5)的第一端面与底座(1)固定 连接； 绝热部件(5)的第二端面与摆体(2)固定连接； 其中， 第一箱体(3)和第二箱体(4)均固定设置在底座(1)上， 且第一箱体(3)与底座(1) 合围形成第一腔体， 绝热部件(5)和摆体(2)均位于第一腔体内， 绝热部件(5)与第一箱体 (3)的第一开口部密封连接； 第二箱体(4)与底座(1)合围形成第二腔体， 第一箱体(3)位于 第二腔体内； 恒温模块(6)设置在底座(1)上， 。

5、并使工作状态的第一腔体内的温度保持恒定。 2.根据权利要求1所述的一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置， 其特征在于： 所述 恒温模块(6)包括稳压电源单元、 测温元件、 信号调理单元、 MCU和温控单元； 稳压电源单元 的输出端分别与测温元件、 信号调理单元、 MCU和温控单元电性连接； 信号调理单元接收测 温元件的输出信号， 经AD转换后输出至MCU中， MCU的输出端与温控单元电性连接， MCU保持 或者切换温控单元的工作状态， 使第一腔体内的温度保持恒定。 3.根据权利要求2所述的一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置， 其特征在于： 所述 稳压电源单元包括第一双路精密运算放大器U1。

6、、 第二双路精密运算放大器U2和电加热器H； 第二双路精密运算放大器U2的正向电源端和三极管Q1的集电极均与+15V电源电性连接， 第 二双路精密运算放大器U2的反相输入端接地； 第二双路精密运算放大器U2的输出端分别与 其同相输入端和三极管Q2的基极和集电极电性连接， 三极管Q2的集电极与第一双路精密运 算放大器U1的同相输入端电性连接， 三极管Q2的基极还与第一双路精密运算放大器U1的反 相输入端电性连接， 第一双路精密运算放大器U1的输出端与三极管Q1的基极电性连接， 三 极管Q1的发射极与第二双路精密运算放大器U2的反相输入端电性连接； 第二双路精密运算 放大器U2的反相输入端与其输出。

7、端分别与电加热器H的两端并联； 第二双路精密运算放大 器U2的输出端作为稳压电源单元的输出端。 4.根据权利要求3所述的一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置， 其特征在于： 所述 稳压电源单元还包括三极管Q3和稳压管D2， 稳压管D2的负极与第二双路精密运算放大器U2 的输出端电性连接， 稳压管D2的正极与三极管Q3的基极电性连接， 三极管Q3的集电极与第 二双路精密运算放大器U2的同相输入端电性连接， 三极管Q3的发射极接地。 5.根据权利要求2所述的一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置， 其特征在于： 所述 信号调理单元包括AD转化模块U3， 测温元件的一端与分压电阻R10的一端和电容。

8、C4的一端 并联后与， AD转化模块U3的模拟信号输入端电性连接； 电阻R10的另一端和电容C4的另一端 并联后接地； AD转化模块U3的输出端与MCU的输入端电性连接。 6.根据权利要求5所述的一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置， 其特征在于： 所述 测温元件为NTC热敏电阻， 所述MCU为STM32单片机。 7.根据权利要求2所述的一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置， 其特征在于： 所述 温控单元包括H桥电路U4和半导体制冷器TEC， H桥电路U4的PMW输入端与MCU的PMW输出端电 性连接， H桥电路U4的输出端与半导体制冷器TEC电性连接； 半导体制冷器TEC固定设置在第 一。

9、箱体(3)的内表面。 权利要求书 1/2 页 2 CN 111459207 A 2 8.根据权利要求1所述的一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置， 其特征在于： 所述 第一箱体(3)与第二箱体(4)之间的第二腔体为真空。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111459207 A 3 一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置 技术领域 0001 本发明涉及垂直摆倾斜仪技术领域， 尤其涉及一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控 制装置。 背景技术 0002 倾斜仪是一种测量固体潮和地震观测的基本仪器， 也是形变仪器中使用最多的地 球物理场观测仪器。 高精度倾斜仪对地壳形变的观测资料表明， 地球具有弹性性。

10、质， 地壳形 变受到多个方面因素的影响， 主要包括固体潮汐、 海潮、 地质形变、 气象气压、 水文干扰、 以 及地球内部的作用所造成的地壳运动等。 高精度倾斜仪作为一种地球动力学仪器在观测和 研究地壳形变方面发挥着重要的作用。 0003 目前， 垂直摆倾斜仪在我国地震系统中推广应用已经达到200余套， 运行中部分台 站的仪器参数指标较好， 而有的却无法达到预期的指标。 究其原因主要是工作环境对仪器 的影响， 这些影响因素包括山体基岩的大小及完整程度， 山洞环境温度的日变化量， 以及环 境气压及湿度变化的影响。 其中山体基岩的大小及完整程度属于台站选址时早已决定的条 件， 是不可控因素， 其余环。

11、境温度、 气压和湿度的变化等因素也会直接影响仪器的性能及工 作寿命。 气压和温度变化导致仪器发生零偏漂移， 零偏稳定性变差， 以及测量误差增大； 而 湿度变高会直接导致传感器的导线腐蚀、 电容介质增大等问题， 甚至仪器发生故障。 因此测 量环境的控制是达到高精度测量的基础， 具有基础性的研究意义， 保证外界环境的变化不 会影响到摆体和传感器， 可提高垂直摆的适用范围和可靠性。 发明内容 0004 有鉴于此， 本发明提出了一种可以保持相对稳定的测量环境、 免受环境干扰的VP 垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置。 0005 本发明的技术方案是这样实现的： 本发明提供了一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境 控。

12、制装置， 包括底座(1)和摆体(2)， 摆体(2)设置在底座(1)上； 其特征在于： 还包括第一箱 体(3)、 第二箱体(4)、 绝热部件(5)和恒温模块(6)； 0006 所述第一箱体(3)内部中空， 第一箱体(3)的一端具有第一开口部； 0007 所述第二箱体(4)内部中空， 第二箱体(4)的一端具有第二开口部； 0008 所述绝热部件(5)具有第一端面和第二端面， 绝热部件(5)的第一端面与底座(1) 固定连接； 绝热部件(5)的第二端面与摆体(2)固定连接； 0009 其中， 第一箱体(3)和第二箱体(4)均固定设置在底座(1)上， 且第一箱体(3)与底 座(1)合围形成第一腔体， 绝。

13、热部件(5)和摆体(2)均位于第一腔体内， 绝热部件(5)与第一 箱体(3)的第一开口部密封连接； 第二箱体(4)与底座(1)合围形成第二腔体， 第一箱体(3) 位于第二腔体内； 恒温模块(6)设置在底座(1)上， 并使工作状态的第一腔体内的温度保持 恒定。 0010 在以上技术方案的基础上， 优选的， 所述恒温模块(6)包括稳压电源单元、 测温元 说明书 1/5 页 4 CN 111459207 A 4 件、 信号调理单元、 MCU和温控单元； 稳压电源单元的输出端分别与测温元件、 信号调理单 元、 MCU和温控单元电性连接； 信号调理单元接收测温元件的输出信号， 经AD转换后输出至 MCU。

14、中， MCU的输出端与温控单元电性连接， MCU保持或者切换温控单元的工作状态， 使第一 腔体内的温度保持恒定。 0011 进一步优选的， 所述稳压电源单元包括第一双路精密运算放大器U1、 第二双路精 密运算放大器U2和电加热器H； 第二双路精密运算放大器U2的正向电源端和三极管Q1的集 电极均与+15V电源电性连接， 第二双路精密运算放大器U2的反相输入端接地； 第二双路精 密运算放大器U2的输出端分别与其同相输入端和三极管Q2的基极和集电极电性连接， 三极 管Q2的集电极与第一双路精密运算放大器U1的同相输入端电性连接， 三极管Q2的基极还与 第一双路精密运算放大器U1的反相输入端电性连接。

15、， 第一双路精密运算放大器U1的输出端 与三极管Q1的基极电性连接， 三极管Q1的发射极与第二双路精密运算放大器U2的反相输入 端电性连接； 第二双路精密运算放大器U2的反相输入端与其输出端分别与电加热器H的两 端并联； 第二双路精密运算放大器U2的输出端作为稳压电源单元的输出端。 0012 更进一步优选的， 所述稳压电源单元还包括三极管Q3和稳压管D2， 稳压管D2的负 极与第二双路精密运算放大器U2的输出端电性连接， 稳压管D2的正极与三极管Q3的基极电 性连接， 三极管Q3的集电极与第二双路精密运算放大器U2的同相输入端电性连接， 三极管 Q3的发射极接地。 0013 更进一步优选的， 。

16、所述信号调理单元包括AD转化模块U3， 测温元件的一端与分压 电阻R10的一端和电容C4的一端并联后与， AD转化模块U3的模拟信号输入端电性连接； 电阻 R10的另一端和电容C4的另一端并联后接地； AD转化模块U3的输出端与MCU的输入端电性连 接。 0014 再进一步优选的， 所述测温元件为NTC热敏电阻， 所述MCU为STM32单片机。 0015 更进一步优选的， 所述温控单元包括H桥电路U4和半导体制冷器TEC， H桥电路U4的 PMW输入端与MCU的PMW输出端电性连接， H桥电路U4的输出端与半导体制冷器TEC电性连接； 半导体制冷器TEC固定设置在第一箱体(3)的内表面。 00。

17、16 进一步优选的， 所述第一箱体(3)与第二箱体(4)之间的第二腔体为真空。 0017 本发明提供的一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置， 相对于现有技术， 具有 以下有益效果： 0018 (1)本发明通过两个相互分离的第一箱体和第二想箱体对摆体进行隔离， 防止摆 体受到外部环境的直接影响； 另外在第一箱体内配置绝热部件和恒温模块， 使得第一箱体 内的摆体的工作环境保持相对稳定； 0019 (2)恒温模块配置有稳压电源单元， 以便对后续设备提供稳定的参考电压和工作 电压； 0020 (3)信号调理单元根据测温元件检测的温度变化信号进行AD转换后输入MCU中； 0021 (4)MCU根据AD。

18、转换的结果控制温控单元保持或者切换工作状态， 维持第一箱体内 的温度； 0022 (5)第一箱体与第二箱体之间为真空， 可以起到很好的隔热的作用。 说明书 2/5 页 5 CN 111459207 A 5 附图说明 0023 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以 根据这些附图获得其他的附图。 0024 图1为本发明一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置的半剖前视图； 0025 图2为本发明。

19、一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置的俯视图； 0026 图3为本发明一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置的恒温模块的稳压电源单 元的接线图； 0027 图4为本发明一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置的恒温模块的信号调理单 元的接线图； 0028 图5为本发明一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置的恒温模块的信号调理单 元与MCU的接线图； 0029 图6为本发明一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置的恒温模块的MCU与温控 单元的接线图。 具体实施方式 0030 下面将结合本发明实施方式， 对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、 完整地 描述， 显然， 所描述的实施方式仅仅是本发明一。

20、部分实施方式， 而不是全部的实施方式。 基 于本发明中的实施方式， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有 其他实施方式， 都属于本发明保护的范围。 0031 如图1和图2所示， 本发明提供了一种VP垂直摆倾斜仪的测量环境控制装置， 包括 底座1、 摆体2、 第一箱体3、 第二箱体4、 绝热部件5和恒温模块6阿； 摆体2设置在底座1上。 垂 直摆倾斜仪的摆体2是核心检测部件， 可通过调节底座1上的支脚来调整底座1和摆体2的姿 态。 0032 上述第一箱体3内部中空， 第一箱体3的一端具有第一开口部； 0033 上述第二箱体4内部中空， 第二箱体4的一端具有第二开口部； 003。

21、4 上述绝热部件5具有第一端面和第二端面， 绝热部件5的第一端面与底座1固定连 接； 绝热部件5的第二端面与摆体2固定连接； 0035 其中， 第一箱体3和第二箱体4均固定设置在底座1上， 且第一箱体3与底座1合围形 成第一腔体， 绝热部件5和摆体2均位于第一腔体内， 绝热部件5与第一箱体3的第一开口部 密封连接； 第二箱体4与底座1合围形成第二腔体， 第一箱体3位于第二腔体内； 恒温模块6设 置在底座1上， 并使工作状态的第一腔体内的温度保持恒定。 如图1所示， 绝热部件5设置在 摆体2与底座1之间， 并将两者形成一个整体， 并起到防止热量传递的效果。 第一箱体3的第 一开口部扣设在摆体2和。

22、绝热部件5上， 其内部形成一个密闭的第一腔体。 第二箱体4进一步 的扣设在第一箱体3外部， 对第一箱体3、 隔热部件5和摆体2进行进一步的隔热。 恒温模块6 可调节第一腔体内部的温度。 0036 本发明中， 恒温模块6包括稳压电源单元、 测温元件、 信号调理单元、 MCU和温控单 元； 稳压电源单元的输出端分别与测温元件、 信号调理单元、 MCU和温控单元电性连接； 信号 说明书 3/5 页 6 CN 111459207 A 6 调理单元接收测温元件的输出信号， 经AD转换后输出至MCU中， MCU的输出端与温控单元电 性连接， MCU保持或者切换温控单元的工作状态， 使第一腔体内的温度保持恒。

23、定。 0037 如图3所示， 具体的， 稳压电源单元包括第一双路精密运算放大器U1、 第二双路精 密运算放大器U2和电加热器H； 第二双路精密运算放大器U2的正向电源端和三极管Q1的集 电极均与+15V电源电性连接， 第二双路精密运算放大器U2的反相输入端接地； 第二双路精 密运算放大器U2的输出端分别与其同相输入端和三极管Q2的基极和集电极电性连接， 三极 管Q2的集电极与第一双路精密运算放大器U1的同相输入端电性连接， 三极管Q2的基极还与 第一双路精密运算放大器U1的反相输入端电性连接， 第一双路精密运算放大器U1的输出端 与三极管Q1的基极电性连接， 三极管Q1的发射极与第二双路精密运。

24、算放大器U2的反相输入 端电性连接； 第二双路精密运算放大器U2的反相输入端与其输出端分别与电加热器H的两 端并联； 第二双路精密运算放大器U2的输出端作为稳压电源单元的输出端； 另外， 稳压电源 单元还包括三极管Q3和稳压管D2， 稳压管D2的负极与第二双路精密运算放大器U2的输出端 电性连接， 稳压管D2的正极与三极管Q3的基极电性连接， 三极管Q3的集电极与第二双路精 密运算放大器U2的同相输入端电性连接， 三极管Q3的发射极接地。 0038 由图3可知， 第二双路精密运算放大器U2采用+15V单电源供电， 第二双路精密运算 放大器U2其输出信号一方面经过电阻R3、 R8和R4分压后输入。

25、第一双路精密运算放大器U1的 反相输入端和三极管Q2的基极， 三极管Q2导通后， 三极管Q2集电极放大信号进入第一双路 精密运算放大器U1的同相输入端， 随后第一双路精密运算放大器U1的输出信号经电阻R6和 三极管Q1放大后经电阻R1返回作为第二双路精密运算放大器U2的反相输入信号， 并且作为 负反馈信号经电容C1和电阻R5返回第一双路精密运算放大器U1的反相输入端； 电阻R2、 R7 和R9起到限流作用。 第二双路精密运算放大器U2其输出信号还经过反相设置的稳压管D2输 入三极管Q3的基极， 三极管Q3的集电极输出信号流入第二双路精密运算放大器U2的同相输 入端。 为保证第二双路精密运算放大。

26、器U2和第一双路精密运算放大器U1不发生温度漂移， 稳压电源单元自带一加热器H， 可对第二双路精密运算放大器U2和第一双路精密运算放大 器U1进行升温， 使得第二双路精密运算放大器U2稳定输出7V直流电压。 第二双路精密运算 放大器U2和第一双路精密运算放大器U1可以集成在一个LT1013电压放大器中。 在输出电压 不变情况下， 第二双路精密运算放大器U2起到电压跟随作用。 二极管D1和D3对电路起到保 护作用。 0039 如图4和图5所示， 信号调理单元包括AD转化模块U3， 测温元件的一端与分压电阻 R10的一端和电容C4的一端并联后与， AD转化模块U3的模拟信号输入端电性连接； 电阻R。

27、10 的另一端和电容C4的另一端并联后接地； AD转化模块U3的输出端与MCU的输入端电性连接。 AD转化模块U3可以采用AD7606， 这是一种8路的高速AD转换芯片。 测温元件为NTC热敏电阻， MCU为STM32单片机。 由图可知， AD转化模块U3的模拟输入端V1V8分别与测温元件的输出 端电性连接， AD转化模块U3的DB0DB15端口、 /RD/CLK端口、 /CS端口、 BUSY端口、 RESET端 口、 OS2OS0端口分别与MCU的PC0PC15端口、 PD4端口、 PD5端口、 PD6端口、 PD7端口、 PD8端 口、 PD9端口和PD10端口对应电性连接； AD转化模块。

28、U3的CONVST_A和CONVST_B均与MCU的 PD11端口电性连接。 当然， 以上端口连接方式的选择仅做参考。 0040 如图6所示， 温控单元包括H桥电路U4和半导体制冷器TEC， H桥电路U4的PMW输入端 与MCU的PMW输出端电性连接， H桥电路U4的输出端与半导体制冷器TEC电性连接； 半导体制 说明书 4/5 页 7 CN 111459207 A 7 冷器TEC固定设置在第一箱体(3)的内表面。 H桥电路U4为DRB592， 其接收MCUPB13和PA8端口 发出的PMW控制信号， 并由其OUT+和OUT-端口输出PMW信号到半导体制冷器TEC中， 电路中的 电容C6和电感。

29、L1、 电容C7和电感L2均起到选频作用。 0041 为进一步提高第二箱体4的隔热效果， 第一箱体3与第二箱体4之间的第二腔体为 真空。 当然， 也可以填充惰性气体， 此处不做赘述。 0042 以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的 精神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说明书 5/5 页 8 CN 111459207 A 8 图1 图2 说明书附图 1/5 页 9 CN 111459207 A 9 图3 说明书附图 2/5 页 10 CN 111459207 A 10 图4 说明书附图 3/5 页 11 CN 111459207 A 11 图5 说明书附图 4/5 页 12 CN 111459207 A 12 图6 说明书附图 5/5 页 13 CN 111459207 A 13 。