VP型寬頻帶潮汐觀測(cè)儀的研制①

E-mail：matianitian123@163.com。

馬武剛， 吳艷霞， 胡國(guó)慶

(中國(guó)地震局地震研究所地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071)

摘要：擺式潮汐觀測(cè)儀是記錄由天體相互作用力引起的地傾斜固體潮變化的地震前兆觀測(cè)設(shè)備。基于VP型寬頻帶潮汐觀測(cè)儀的研制過(guò)程論述其原理及應(yīng)用，得出VP型寬頻帶潮汐觀測(cè)儀具有頻帶寬、易操作、采樣率高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：VP型； 寬頻帶； 自動(dòng)調(diào)零； VS型

收稿日期：①2014-07-04

基金項(xiàng)目：中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃攻關(guān)項(xiàng)目(XH15030)；中國(guó)地震局公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201208002)；中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃攻關(guān)項(xiàng)目(XH14034)

作者簡(jiǎn)介：馬武剛，男，助理研究員，現(xiàn)主要從事寬頻帶地震儀器(垂直擺傾斜儀和相對(duì)重力儀)的研發(fā)工作。

中圖分類(lèi)號(hào):P315.62文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0873

DevelopmentofVP-typeBroadbandTideMeter

MAWu-gang,WUYan-xia,HUGuo-qing

(Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, Wuhan 430071,Hubei,China)

Abstract：The VP-type broadband tide meter was developed by improving the circuit system, mechanical system, data acquisition system, and control system on the basis of VS vertical pendulum tiltmeter, a kind of seismological observation instrument used to record earth tides. A good design of the mode of oscillation circuit and zero circuit was needed to improve the circuit system, because it could simplify the instrument circuit, reduce the failure rate caused by electronic circuit, make the continuous operation stable. A reasonable mechanical instrument design, including the design of automatic zero adjustment mechanism and instrument chassis, can simplify the whole structure, make the weight and dimension of the instrument smaller, and easy to be transported and installed. The improvement of data acquisition system includes the improvement of sampling rate, the increase of sampling channel and data storage capacity, and the design of switch control channel. The automatic zero adjustment function was also added. Compared with traditional tiltmeters, VP-type broadband tide meter is easy to install and maintain, for it can store more data and realize remote auto zero. The most obvious advantage of it is that its response to high-frequency signal is sensitive by improving the circuit and mechanical systems, and it can record more seismic information to better service for the earthquake prediction.

Keywords：VP;broadband;auto-zeroing;VS

0引言

豎直擺式潮汐觀測(cè)儀(亦稱(chēng)垂直擺傾斜儀)[1]是記錄傾斜固體潮的地形變觀測(cè)設(shè)備，是三種洞體傾斜儀(水管傾斜儀、垂直擺傾斜儀、水平擺傾斜儀)中的一種。與水管傾斜儀和石英水平擺傾斜儀相比，垂直擺傾斜儀在傳感器方式、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)和運(yùn)行維護(hù)等方面更簡(jiǎn)單實(shí)用，因此它作為地形變觀測(cè)的主要設(shè)備在地震系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用[2]。VP型寬頻帶傾斜儀是近年新研制的垂直擺傾斜儀，本文主要從儀器的設(shè)計(jì)原理、電路結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)計(jì)和應(yīng)用等方面對(duì)VP型寬頻帶傾斜儀進(jìn)行論述，并與同類(lèi)型的傳統(tǒng)VS型垂直擺傾斜儀進(jìn)行比較，得出VP型寬頻帶傾斜儀具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便，記錄固體潮信息更多，精度更高的結(jié)論。

1設(shè)計(jì)原理分析

儀器設(shè)計(jì)原理：先由高精度差分式電容位移傳感器拾取地傾斜固體潮信號(hào)(水平而非垂直應(yīng)變信號(hào))[5]，然后通過(guò)放大、濾波、整形等信號(hào)調(diào)理電路把這種微變信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集器記錄電壓信號(hào)，還原成固體潮信息。此設(shè)計(jì)原理的核心為高精度電容式位移傳感器(圖1)。在電容測(cè)微器中采用三片式的差動(dòng)位移傳感器，中間為活動(dòng)板，兩邊為固定板。由于動(dòng)板離零位的距離△L與傳感器的輸出電壓U3成正比，故由U3可以求出動(dòng)板與零位的距離，即可根據(jù)輸出電壓的變化量求出動(dòng)板位移的變化量。

圖1　電容傳感器結(jié)構(gòu)圖 Fig.1　Structure of capacitance sensor

基于此設(shè)計(jì)原理，結(jié)合VS垂直擺傾斜儀使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，VP型寬頻帶傾斜儀對(duì)儀器的機(jī)械和電路等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具體表現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

1.1機(jī)械設(shè)計(jì)

(1) 電容位移傳感器機(jī)械設(shè)計(jì)

電容傳感器設(shè)計(jì)包括：①穩(wěn)定的垂直擺懸掛機(jī)構(gòu)主題支架;②高度平行的定片;③可垂直方向自由擺動(dòng)的動(dòng)片;④可靠的鎖擺機(jī)構(gòu)。其中柔絲由兩根0.02mm×0.5mm×100mm3J53衡彈性合金制成。加厚的傳感器外屏蔽罩和雙層(高強(qiáng)度AB膠和703防水硅橡膠)密封膠的方式，使得儀器的氣密性得到顯著改善。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　垂直擺機(jī)械結(jié)構(gòu)圖 Fig.2　Mechanical struture of the vertical pendulum

(2) 儀器底盤(pán)設(shè)計(jì)。底盤(pán)作為垂直擺傾斜儀傳感器的承載體，一方面決定了傳感器的基線長(zhǎng)度，另一方面也決定了傳感器自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對(duì)于基線式觀測(cè)設(shè)備，基線越長(zhǎng)信噪比越高，所以底盤(pán)的設(shè)計(jì)要兼顧儀器的穩(wěn)定性和信噪比。VP型寬頻帶傾斜儀的底盤(pán)采取了與VS型垂直擺傾斜儀不同的形狀[3]，即等腰直角三角形。這種形狀使其獲得了比等邊三角形更長(zhǎng)的基線，但降低了少許穩(wěn)定性，對(duì)此等腰直角三角形底盤(pán)通過(guò)加厚來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)。圖3為投入實(shí)際觀測(cè)的VP型寬頻帶傾斜儀外觀。

圖3　VP型寬頻帶傾斜儀本體 Fig.3　VP vertical pendulum tiltmeter

1.2電路設(shè)計(jì)

(1) 信號(hào)調(diào)理端振蕩電路設(shè)計(jì)。

振蕩電路通常包括正弦振蕩電路和方波振蕩電路。在垂直擺傾斜儀中，它的主要作用是既為電容傳感器的定片提供激勵(lì)信號(hào)又為同步檢波電路提供同步信號(hào)。

VS型垂直擺傾斜儀采用正弦波振蕩電路，具體原理如圖4所示：首先啟動(dòng)程控時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，送出時(shí)鐘頻率f, f推動(dòng)一個(gè)順序地址發(fā)生器，產(chǎn)生連續(xù)變化的地址，將EPROM中存儲(chǔ)的正弦信號(hào)編碼內(nèi)容順序讀出，然后通過(guò)鎖存器及DAC輸出正弦波形中的一個(gè)電壓點(diǎn)；循環(huán)進(jìn)行產(chǎn)生一個(gè)波形輸出。其優(yōu)勢(shì)在于正弦波是頻率單純的波，無(wú)高次諧波成分，因此抗干擾能力優(yōu)于方波電路。

圖4　正弦波發(fā)生器 Fig.4　Sine wave generator

VP型寬頻帶傾斜儀采用方波振蕩電路，由運(yùn)放和RC構(gòu)成方波電路，并由4069芯片進(jìn)行整形和反向，空比為1∶1的兩路大小相等、相位相反的方波。方波電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，易起振，方波形態(tài)較好，但是方波信號(hào)較容易受到干擾，不能接感性負(fù)載。

圖5中R1和C1及U1構(gòu)成RC振蕩電路，振蕩信號(hào)通過(guò)芯片CD4069(圖中U2A)進(jìn)行整形輸出，得到穩(wěn)定的時(shí)間常數(shù)為RC的方波振蕩信號(hào)。

圖5　振蕩電路 Fig.5　Oscillating circuit

由以上分析可知：VP型寬頻帶傾斜儀的設(shè)計(jì)采用方波振蕩信號(hào)，該方波震蕩信號(hào)的有效值遠(yuǎn)大于采用正弦波振蕩的VS垂直擺傾斜儀。由于振蕩信號(hào)幅度增強(qiáng)，所以傳感器輸出信號(hào)幅度也得到加強(qiáng)，從而可以降低后端放大電路的放大倍數(shù)，使得儀器的濾波常數(shù)得到降低，使儀器的頻帶寬度得到拓展。同時(shí)VP寬頻帶傾斜儀采用比例放大電路，提高了放大器的增益穩(wěn)定性，減小了噪聲，提高了信噪比，也拓展了儀器的頻帶寬度。

(2) 數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)。

采樣率是指儀器提取記錄原始數(shù)據(jù)的速率。VP型采樣率為1次/秒，比VS型采樣率提高了60倍，并且相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間增大為原有的30倍。通過(guò)如此改進(jìn)，VP型寬頻帶傾斜儀能夠比VS型垂直擺傾斜儀記錄更多的地震信息和存儲(chǔ)更多的固體潮數(shù)據(jù)。

此外，VP型寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)采集器增加了以下新的功能：遠(yuǎn)程格值修改，單分量調(diào)零，單分量標(biāo)定，單分量記錄數(shù)據(jù)屏蔽等。表1給出了VP型寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)采集器性能參數(shù)表。

表 1　 VP型垂直擺傾斜儀數(shù)據(jù)采集器性能參數(shù)

1.3自動(dòng)調(diào)零設(shè)計(jì)

由于儀器所處觀測(cè)環(huán)境等外因和儀器自身電子元件、機(jī)械結(jié)構(gòu)等內(nèi)因兩方面的綜合影響，高精度地形變觀測(cè)儀器本身都存在“零漂”現(xiàn)象。為了減小“零漂”對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，需要人工干預(yù)把地形變觀測(cè)儀器的傳感器調(diào)整至觀測(cè)的初始狀態(tài)。

VP型垂直擺傾斜儀具有遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)零功能(通過(guò)網(wǎng)絡(luò)指令)，能對(duì)儀器的“零位”進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)整，并達(dá)到200 mV以?xún)?nèi)的調(diào)整精度；而傳統(tǒng)的VS型垂直擺傾斜儀采取人工調(diào)零的方式，需要工作人員進(jìn)入山洞現(xiàn)場(chǎng)對(duì)儀器進(jìn)行操作。這樣工作人員本身的重量和其操作熟練程度都會(huì)對(duì)儀器的調(diào)零精度產(chǎn)生影響，也會(huì)增加工作量。

圖6為VP型寬頻帶傾斜儀自動(dòng)調(diào)零結(jié)果，并給出了VS垂直擺傾斜儀手工調(diào)零結(jié)果。由圖可以看出：VP型寬頻帶傾斜儀的調(diào)零未產(chǎn)生往復(fù)動(dòng)作，并且東西方向儀器調(diào)零操作未影響到南北方向儀器的記錄；VS型垂直擺傾斜儀的調(diào)零產(chǎn)生了往復(fù)動(dòng)作，南北向儀器調(diào)令操作使得東西向儀器記錄產(chǎn)生了異常。

圖6　調(diào)零曲線比較圖 Fig.6　Zeroing curves comparison between VP and VS

2應(yīng)用分析

根據(jù)中國(guó)地震局前兆臺(tái)網(wǎng)入網(wǎng)儀器規(guī)范要求，VP型寬頻帶傾斜儀建立了包括出廠平臺(tái)校準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)靜電校準(zhǔn)等在內(nèi)的完善的測(cè)試方案，因此能夠提供格值、分辨力、校準(zhǔn)重復(fù)性等技術(shù)參數(shù)[4]，使得儀器更加規(guī)范、更適合產(chǎn)業(yè)化。目前該儀器已在國(guó)內(nèi)50多個(gè)地震前兆臺(tái)網(wǎng)布設(shè)安裝，并運(yùn)行良好。以下是其應(yīng)用實(shí)例：

圖7是2009-10-08 瓦努阿圖7.7級(jí)地震。由圖可見(jiàn)，兩種儀器同一方向的記錄曲線對(duì)比，VP型比VS型記錄到了更多的地震信息,同震響應(yīng)更加明顯[7]，而且記錄的地震幅度也明顯較大。

圖7　儀器記錄曲線 Fig.7　Comparison of the recording curves

表2為湖北省宜昌地震臺(tái)三種傾斜觀測(cè)設(shè)備2009年傾斜觀測(cè)EW向潮汐因子中誤差統(tǒng)計(jì)。從表2中可以看出，VP型寬頻帶傾斜儀觀測(cè)的潮汐因子中誤差優(yōu)于VS型垂直擺傾斜儀、水管傾斜儀，該儀器受環(huán)境干擾影響小于同類(lèi)傾斜儀，穩(wěn)定性較高。

表 2　觀測(cè)精度比較

3結(jié)論

結(jié)合VP寬頻帶傾斜儀的研制過(guò)程，論述其設(shè)計(jì)原理、機(jī)械電路結(jié)構(gòu)、應(yīng)用狀況等。與傳統(tǒng)垂直擺傾斜儀相比，新型的VP型寬頻帶傾斜儀的頻帶寬度可達(dá)84 s到直流頻段，能夠記錄到更多的地震前兆信息；機(jī)械電路設(shè)計(jì)合理規(guī)范使得其安裝調(diào)試方便快捷，運(yùn)行維護(hù)亦可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)零控制功能；數(shù)據(jù)采集器采集存儲(chǔ)速率更快，存儲(chǔ)容量更大。所以該儀器具有良好的使用前景，但目前只停留在記錄固體潮層面，與實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)地震還有很大距離，所以發(fā)展新型傳感器[6]、創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想應(yīng)該成為廣大地震儀器工作者努力的方向。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]馬武剛,胡國(guó)慶，譚業(yè)春.新型寬頻帶垂直擺傾斜儀設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].測(cè)繪信息與工程,2010(5):28-30.

MA Wu-gang,HU Guo-qing，TAN Ye-chun.Design & Application of New Wide Frequency Band Vertical Pendulum Tiltmeter[J].Journal of Geomatics,2010(5):28-30.(in Chinese)

[2]肖峻,莫易敏，胡國(guó)慶.基于固體潮觀測(cè)的高精度垂直擺傾斜儀[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2004,29(11):973-976.

XIAOJun,MO Yi-min,HU Guo-qing.High Precision Vertical Pendulum Tiltmeter for Measuring Earth Tide[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2004,29(11):973-976.(in Chinese)

[3]胡國(guó)新,李樹(shù)德，杜瑞林,等.傾斜儀調(diào)平平臺(tái)的誤差分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2012,32(4):156-159.

HU Guo-xin,LI Shu-de,DU Rui-lin.Error Analysis of Tiltmeter Level Platform[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2012,32(4):156-159.(in Chinese)

[4]馬武剛，盧海燕，胡國(guó)慶，等.VP型垂直擺傾斜儀校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2012,32(4):152-155.

MA Wu-gang，LU Hai-yan，HU Guo-qing，et al.Design of Calibration Device for VP Vertical Pendulum Tiltmeter[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2012,32(4):152-155.(in Chinese)

[5]楊江,杜為民.垂直應(yīng)變的研究意義及模型分析[J].西北地震學(xué)報(bào),2012,34(4):355-358.

YANG Jiang,DU Wei-ming.The Research Significance and Model Analysis of Vertical Strain[J].Northwestern Seismological Journal,2012,34(4):355-358.(in Chinese)

[6]楊江,王平.基于CCD的高精度水管傾斜儀研制[J].西北地震學(xué)報(bào),2011,33(4):359-362.

YANG Jiang,WANG Ping.Development of High Precision Water Pipe Inclinometer Based on CCD[J].Northwestern Seismological Journal，2011,33(4):359-362.(in Chinese)

[7]方燕勛,卞根發(fā),惠若愚.湖州臺(tái)高采樣率傾斜儀同震響應(yīng)初析[J].地震工程學(xué)報(bào)，2014,36(1):628-633.

FANG Yan-xun,BIAN Geng-fa,HUI Ruo-yu.Preliminary Analysis of Coseismic Response of Tiltmeters with High Sampling Rate Used at Huzhou Seismostation[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(1):628-633.(in Chinese)