本發(fā)明涉及測量設備技術領域，尤其涉及一種體應變動態(tài)特性測量儀器及測量方法。

背景技術：

體應變測量儀器是用于測量地殼巖石應變變化的高靈敏度儀器，是鉆孔應變觀測應用較廣泛的儀器之一。體應變測量儀器能夠很好地記錄同震地震波及其振動信號，目前國內(nèi)已開始利用體應變同震記錄進行該方面的研究。通過該測量儀器可以記錄清晰的固體潮汐信號和其他振動信號。但是，由于目前對于體應變傳感器的動態(tài)特性缺乏相應的參數(shù)，即體應變傳感器的動態(tài)特性(即傳遞函數(shù))的了解尚存在空白，使得在開展體應變信號對動態(tài)信號的研究過程中，限制了動態(tài)信號的進一步研究應用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種體應變動態(tài)特性測量儀器及測量方法，以便能夠獲得應變傳感器的動態(tài)特性。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種體應變動態(tài)特性測量儀器，包括密封保溫腔體、抽放氣口、壓力傳感器和體應變傳感器，其中，所述抽放氣口設置于密封保溫腔體上，體應變傳感器設置于密封保溫腔體內(nèi)部，所述壓力傳感器分別安裝于密封保溫腔體上且各自的傳感器探頭置于密封保溫腔體內(nèi)。

所述密封保溫腔體包括保溫蓋、保溫內(nèi)筒和保溫外筒，所述保溫內(nèi)筒與保溫外筒之間為真空隔層，且在所述保溫外筒上設置有抽氣口，所述保溫蓋安裝于所述保溫內(nèi)筒和保溫外筒上令所述密封保溫腔體內(nèi)形成一個密封的保溫腔。

所述保溫內(nèi)筒與保溫外筒分別為不銹鋼保溫內(nèi)筒和不銹鋼保溫外筒，所述保溫蓋為聚四氟乙烯保溫蓋。

還包括溫度傳感器，所述溫度傳感器的探頭置于所述密封保溫腔內(nèi)。

還包括多通道信息采集電路，各個通道分別與所述壓力傳感器、溫度傳感器和體應變傳感器連接，且還與氣壓傳感器連接。

所述多通道信息采集電路為四通道采集電路，所述四通道采集電路包括存儲卡和網(wǎng)絡接口，所述四通道采集電路為24位芯片，其采樣頻率為100次/秒。

還包括用于產(chǎn)生動態(tài)測試信號的電動閥門，所述電動閥門安裝于所述抽放氣口上。

一種體應變動態(tài)特性測量方法，該方法基于上述體應變動態(tài)特性測量儀器實現(xiàn)，包括：

獲取所述體應變動態(tài)特性測量儀器的輸入測試信號，以及檢測所述體應變動態(tài)特性測量儀器的輸出信號；

對所述輸入測試信號和所述輸出信號進行傅里葉變換處理；

基于經(jīng)過所述傅里葉變換處理后的結果計算確定所述體應變動態(tài)特性測量儀器的頻率響應函數(shù)；

根據(jù)所述頻率響應函數(shù)及傳遞函數(shù)結構確定體應變動態(tài)特性的測量結果。

計算確定所述體應變動態(tài)特性測量儀器的頻率響應函數(shù)的步驟包括：

所述頻率響應函數(shù)H的計算方式為：其中，Y為所述輸出信號的傅里葉變換處理結果，A為所述輸入測試信號的傅里葉變換處理結果。

所述確定體應變動態(tài)特性的測量結果的步驟包括：

根據(jù)所述頻率響應函數(shù)及傳遞函數(shù)結構，通過逐步迭代的方式得出誤差范圍之內(nèi)的傳遞函數(shù)系數(shù)，獲得測量結果。

由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的一種體應變動態(tài)特性測量儀器及測量方法，其可以根據(jù)測試系統(tǒng)的輸入及輸出采集信號擬合得到傳感器的傳遞函數(shù)，也就是獲得了體應變傳感器的動態(tài)特性，進而解決了現(xiàn)有技術中存在的體應變傳感器動態(tài)特性(傳遞函數(shù))缺乏了解的狀況。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的體應變動態(tài)特性測量儀器的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的體應變動態(tài)特性測量儀器的電路原理示意圖。

具體實施方式

下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術中存在的體應變傳感器動態(tài)特性(即傳遞函數(shù))缺乏了解的狀況。通常用傳遞函數(shù)來描述線性觀測系統(tǒng)的動態(tài)特性，傳遞函數(shù)是指零初始條件下線性系統(tǒng)響應(即輸出)量的拉普拉斯變換(或z變換)與激勵(即輸入)量的拉普拉斯變換之比。如何得到觀測系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，一般是系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與描述其運動規(guī)律的微分方程是對應的，可根據(jù)組成系統(tǒng)的各單元的傳遞函數(shù)和它們之間的結構關系導出整個觀測系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。理論上，任何復雜的線性系統(tǒng)可以看作由一些基本的環(huán)節(jié)組成，這些環(huán)節(jié)包括比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和延遲環(huán)節(jié)等。而如果系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)及相互關系比較復雜，很難用微分方程來描述，但可通過觀測系統(tǒng)已知輸入量和系統(tǒng)輸出量的實驗方法，確定或識別系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。由于體應變傳感器結構的特殊性和復雜性，一方面很難用微分方程來描述并將傳感器系統(tǒng)簡化，另一方面，即使得到的理論模型也需要通過實驗加以驗證和對簡化模型進行修正。

為此，本發(fā)明在分析體應變傳感器結構的基礎上，設計了體積式傳感器傳遞函數(shù)的測試儀器，結合相應的測試電路、采集電路，便可以根據(jù)測試系統(tǒng)的輸入及輸出采集信號擬合得到傳感器的傳遞函數(shù)，也就是獲得了體應變傳感器的動態(tài)特性，從而解決現(xiàn)有技術中存在的體積式傳感器動態(tài)特性(傳遞函數(shù))缺乏了解的狀況。

本發(fā)明提供的體應變動態(tài)特性測量儀器中，由于采用了氣體作為介質，階躍信號能量隨頻率衰減較快，擬合過程需要采用完整記錄輸入輸出信號，由輸入和輸出信號來擬合體應變傳感器的傳遞函數(shù)。因此，在體應變傳感器傳遞函數(shù)測試中，需要記錄體應變傳感器輸入信號和體應變傳感器對輸入信號的響應，以便后續(xù)根據(jù)輸入和輸出來得到傳遞函數(shù)。而且，由于室內(nèi)環(huán)境溫度對測試信號的影響比較大，為了減少溫度對傳感器的影響，保障測量結果的準確性，需要保證體應變傳感器處于恒溫狀態(tài)。再者，對于測試信號的選擇，宜選擇高頻成分豐富的信號，例如可以選擇水壓或氣體的加卸載來獲得高頻信號。其中，水壓的加卸載和氣壓的加卸載相比，可以得到比氣壓卸載更陡的變化，也就是高頻信息更豐富，但是，水介質不容易獲得恒溫效果，考慮到溫度因素，本發(fā)明中采用氣體加卸載，以便獲得比水介質更穩(wěn)定的效果。另外，本發(fā)明中盡可能將泄壓閥的口徑設計的大一些，并采用電動電磁閥門來進行開關的控制，以減少泄壓時間，獲得高頻信號盡可能豐富的測試信號。

為便于理解，下面將結合附圖對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。

本發(fā)明提供的一種體應變動態(tài)特性測量儀器，其具體實現(xiàn)結構如圖1所示，包括密封保溫腔體3、7、9、抽放氣口1、壓力傳感器4(或稱差壓傳感器)和體應變傳感器6，其中，所述抽放氣口1設置于密封保溫腔體3、7、9上，用于給密封保溫腔體3、7、9的內(nèi)腔(即測試腔)調(diào)整壓力(加壓或泄壓)，體應變傳感器6設置于密封保溫腔體3、7、9內(nèi)部，所述壓力傳感器4安裝于密封保溫腔體3、7、9上且各自的傳感器探頭置于密封保溫腔體3、7、9內(nèi)，其中壓力傳感器4測量所述密封保溫腔體3、7、9內(nèi)部的保溫筒內(nèi)的壓力變化。

在上述測量儀器中，所述密封保溫腔體3、7、9包括保溫蓋3、保溫內(nèi)筒7和保溫外筒9，所述保溫內(nèi)筒7與保溫外筒9之間為真空隔層8，且在所述保溫外筒9上設置有抽氣口10，所述保溫蓋3安裝于所述保溫內(nèi)筒7和保溫外筒7上令所述密封保溫腔體3、7、9內(nèi)形成一個密封的保溫腔。進一步地，在所述保溫蓋3上還設置有電纜連接口2。

其中，為減小密封保溫腔體3、7、9內(nèi)的保溫腔受外界溫度影響，保溫內(nèi)筒7和保溫外筒9中間形成的隔層可以通過抽氣口10抽成真空方式來實現(xiàn)恒溫。進一步地，所述保溫內(nèi)筒7與保溫外筒9分別可以采用不銹鋼保溫內(nèi)筒和不銹鋼保溫外筒，所述保溫蓋3可以采用聚四氟乙烯保溫蓋；即相應的保溫外筒9和保溫內(nèi)筒7可以采用不銹鋼材料制成，保溫蓋3可以采用聚四氟乙烯材料，以進一步減弱外界的溫度對內(nèi)腔的影響，減少熱傳導，實現(xiàn)密封保溫腔體3、7、9內(nèi)的保溫腔恒溫的目的。

在本發(fā)明提供的體應變動態(tài)特性測量儀器中，還可以包括溫度傳感器5，所述溫度傳感器5的探頭置于所述密封保溫腔體3、7、9的內(nèi)部保溫筒中，以檢測保溫筒內(nèi)部的溫度，便于測試過程中對保溫筒內(nèi)溫度的監(jiān)控，檢測保溫筒內(nèi)恒溫效果，進而便于調(diào)節(jié)控制保證保溫筒內(nèi)部溫度的恒定。

體應變傳感器傳遞函數(shù)測量過程需要測量傳感器的外部輸入、傳感器的輸出信號及測量儀器的內(nèi)腔溫度變化等信號。為采集相應的信號參數(shù)，上述體應變動態(tài)特性測量儀器還可以包括多通道信息采集電路，如圖2所示，多通道信息采集電路中的數(shù)據(jù)采集器的各個通道分別與所述壓力傳感器(即壓力傳感器及電路)、氣壓傳感器(即氣壓傳感器及電路)、溫度傳感器5(即溫度傳感器及電路)和體應變傳感器連接，以用于通過各個通道分別采集獲取各個傳感器采集的參數(shù)數(shù)據(jù)，并將采集的參數(shù)數(shù)據(jù)傳遞給后續(xù)的處理設備(如計算機等)進行處理。其中，壓力傳感器還包括相應的放大電路，以放大采集到的壓力參數(shù)信號；所述溫度傳感器5和氣壓傳感器為輔助測量通道，用于檢測體應變動態(tài)特性測量儀器的狀態(tài)，其中，溫度傳感器5用于測量所述密封保溫腔體3、7、9的內(nèi)腔溫度，所述氣壓傳感器用于監(jiān)測該體應變動態(tài)特性測量儀器外部大氣壓力的變化，即用于測試外部環(huán)境的大氣壓力變化；所述體應變傳感器采集的信號參數(shù)輸出到數(shù)據(jù)采集器可以接不同濾波系數(shù)的濾波電路。

進一步地，所述多通道信息采集電路可以為四通道采集電路，所述四通道采集電路包括存儲卡和網(wǎng)絡接口，所述存儲卡用于存儲通過各通道采集的參數(shù)數(shù)據(jù)，所述網(wǎng)絡接口則用于與處理設備連接通信，以便將采集的參數(shù)數(shù)據(jù)傳送給相應的處理設備。且所述四通道采集電路可以采用24位芯片實現(xiàn)，其采樣頻率可為100次/秒。

在上述體應變動態(tài)特性測量儀器，還可以包括用于產(chǎn)生動態(tài)測試信號的電動閥門，所述電動閥門安裝于所述抽放氣口1上。對抽放氣口1采用電動閥門進行控制會比手動閥門產(chǎn)生更陡的動態(tài)測試信號，進而可以獲得更佳的測試效果。

上述本發(fā)明提供的體應變動態(tài)特性測量儀器在分析體應變傳感器結構的基礎上，可以根據(jù)測試系統(tǒng)的輸入及輸出采集信號擬合得到傳感器的傳遞函數(shù)，即獲得了體應變傳感器的動態(tài)特性，解決了對體應變傳感器缺乏了解的狀況，為該傳感器資料的在動態(tài)應用提供了基礎條件。

本發(fā)明實施例還提供了一種體應變動態(tài)特性測量方法，該方法基于上述體應變動態(tài)特性測量儀器實現(xiàn)，且該方法的實現(xiàn)步驟可以包括：

(1)獲取所述體應變動態(tài)特性測量儀器的輸入測試信號，以及檢測所述體應變動態(tài)特性測量儀器的輸出信號；

(2)對所述輸入測試信號和所述輸出信號進行傅里葉變換處理；

(3)基于經(jīng)過所述傅里葉變換處理后的結果計算確定所述體應變動態(tài)特性測量儀器的頻率響應函數(shù)；

其中，計算確定所述體應變動態(tài)特性測量儀器的頻率響應函數(shù)的處理步驟包括：

所述頻率響應函數(shù)H的計算方式為：其中，Y為所述輸出信號的傅里葉變換處理結果，A為所述輸入測試信號的傅里葉變換處理結果。

(4)根據(jù)所述頻率響應函數(shù)及傳遞函數(shù)結構確定體應變動態(tài)特性的測量結果；

其中，所述確定體應變動態(tài)特性的測量結果的步驟包括：

根據(jù)所述頻率響應函數(shù)及傳遞函數(shù)結構，通過逐步迭代的方式得出誤差范圍之內(nèi)的傳遞函數(shù)系數(shù)，獲得測量結果。

也就是說，假設在體應變頻率特性測試過程中沒有噪聲的影響，則體應比的頻率特性可以簡單地由記錄信號的輸入譜除輸出譜求出。

具體地，基于上述體應變動態(tài)特性測量儀器，相應的體應變傳遞函數(shù)(即動態(tài)特性)的測試方法的實現(xiàn)過程可以包括：

設測試系統(tǒng)(即體應變動態(tài)特性測量儀器)的輸入測試信號為a，測試系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)為H，測試系統(tǒng)的輸出信號為y，且相應信號在頻率域有如下關系：

Y＝HA

則可以推導得出：

上式中，Y和A為輸出信號y和輸入測試信號a的傅里葉變換。

基于上式，在得到了頻率響應函數(shù)H后便可以確定測試系統(tǒng)的頻率特性曲線。之后，由測試系統(tǒng)的頻率特性求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以采用Levy方法，具體可以根據(jù)測試的頻率特性及具體的傳遞函數(shù)結構通過逐步迭代得出誤差范圍之內(nèi)的傳遞函數(shù)系數(shù)，進而實現(xiàn)相應的體應變動態(tài)特性的測量。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。