沈 寧

（中國(guó)寧夏回族自治區(qū)750001銀川基準(zhǔn)地震臺(tái)）

銀川地震臺(tái)水管儀固體潮干擾分析

沈 寧

（中國(guó)寧夏回族自治區(qū)750001銀川基準(zhǔn)地震臺(tái)）

采用地震前兆跟蹤分析軟件處理數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)銀川地震臺(tái)水管儀記錄的固體潮波形異常，判定為觀測(cè)系統(tǒng)故障造成，利用固體潮理論值對(duì)比和潮汐因子等手段，對(duì)故障原因逐一排查，確定為DSC-2A型前兆數(shù)據(jù)采集器插口模塊故障，并提出解決辦法，供同仁借鑒。

水管儀；固體潮；數(shù)據(jù)采集器；故障；干擾分析

0 引言

近年來(lái)，由于地震觀測(cè)系統(tǒng)老化等原因，儀器固體潮汐記錄失真等干擾事件頻發(fā)。了解分析地震前兆觀測(cè)儀器記錄的固體潮數(shù)據(jù)及非潮汐類干擾特征，正確區(qū)分干擾事件類型，準(zhǔn)確分析并排除各種干擾，如確定為儀器故障，找到引起故障的真正原因，是地震臺(tái)站一線觀測(cè)人員必須具備的專業(yè)技能。利用銀川地震臺(tái)DSQ水管儀記錄的非正常固體潮汐資料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)等手段逐一排除故障環(huán)節(jié)，尋找故障原因，為觀測(cè)儀器及時(shí)恢復(fù)工作和觀測(cè)資料的真實(shí)可靠提供保障。

1 觀測(cè)背景

1.1 臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境

銀川地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱銀川臺(tái)）為基巖型觀測(cè)站，基礎(chǔ)巖性為前震旦系花崗片麻巖。形變觀測(cè)山洞位于賀蘭山東麓斷裂西側(cè)，“之”字形，海拔1 545 m，主洞長(zhǎng)90余米，寬1.6 m，日溫差小于0.01℃，年溫差小于0.1℃，溫度范圍12.50℃—12.60℃，相對(duì)濕度60%—70%，山洞頂部基巖覆蓋層厚度大于50 m。銀川臺(tái)觀測(cè)環(huán)境條件符合地震行業(yè)規(guī)范（中國(guó)地震局，2003）要求，距山洞西偏南溝谷中有一深井（間距270 m），井深112.58 m。降水、山洪及每年3—11月間斷性抽水，均對(duì)形變觀測(cè)資料造成不同程度的影響。

1.2 觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)

2001年7—8月對(duì)形變儀器進(jìn)行數(shù)字化改造，將原浮子水管傾斜儀（FSQ型）拆卸，在原位置組裝架設(shè)新研制的浮子水管傾斜儀（DSQ型），采樣率為分鐘值采樣，以NS向與EW向按照“L”型分布在主洞室中，NS向基線長(zhǎng)30.32 m，EW向基線長(zhǎng)30.39 m。2001年9月1日DSQ水管傾斜儀試記，2002年1月1日正式投入觀測(cè)，儀器分辨率0.000 5″，日漂移量≤0.005″，標(biāo)定精度≤1%。儀器采用DSC-2A型公用數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)，4套地震前兆儀器經(jīng)分線箱接入公用數(shù)采，通過(guò)串口直連線接入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)“九五”轉(zhuǎn)“十五”并網(wǎng)（圖1）。

圖1　觀測(cè)系統(tǒng)連接示意Fig.1 Observation system connection diagram

2 干擾現(xiàn)象

銀川臺(tái)DSQ水管傾斜儀運(yùn)行至今，工作穩(wěn)定，資料連續(xù)可靠，能清晰記錄固體潮變化，日變清晰光滑，有明顯季節(jié)性變化特征。

2014年6月30日利用地震前兆跟蹤分析軟件分析數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)存在固體潮異常現(xiàn)象（圖2）。檢查發(fā)現(xiàn)，W端電壓值數(shù)據(jù)存在波形異常，EW向數(shù)據(jù)出現(xiàn)大量毛刺，認(rèn)為該現(xiàn)象非地震異常，應(yīng)為干擾因素所致。當(dāng)日10：30觀測(cè)人員進(jìn)山洞檢查儀器，發(fā)現(xiàn)電壓值未超量程，洞室內(nèi)和觀測(cè)系統(tǒng)無(wú)明顯故障，14：20調(diào)試W端磁閥體，至2014年7月2日，數(shù)據(jù)未恢復(fù)正常，且出現(xiàn)方波特征，再次檢查儀器和線路，仍未確定數(shù)據(jù)不正常原因。7月6日水管儀固體潮波形記錄表現(xiàn)為：出現(xiàn)小潮現(xiàn)象，潮幅未達(dá)到原有幅度，過(guò)后未恢復(fù)。計(jì)算銀川臺(tái)水管傾斜固體潮理論值，與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)潮幅在7月2日出現(xiàn)方波后，數(shù)據(jù)產(chǎn)出不正常（圖3）。

圖2　水管儀記錄異常波形Fig.2 Abnormal waveform of water tube tilt meter record

圖3　水管儀NS向?qū)崪y(cè)值與固體潮理論值的比較Fig.3 Comparision of the theoretical and measured values of NS component of ater tube tiltmeter

3 故障排除

水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化，初步排查未發(fā)現(xiàn)周邊環(huán)境和洞室有大的干擾因素存在，認(rèn)為觀測(cè)系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障，對(duì)可能出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)逐一檢查。

3.1 山洞供電電源

檢查山洞供電電源線路、UPS主機(jī)工作情況及穩(wěn)壓電源，均正常。因只有水管儀出現(xiàn)數(shù)據(jù)變化異常形態(tài)，其他儀器記錄正常，排除供電系統(tǒng)故障的可能。

3.2 磁傳感器調(diào)試

記錄曲線不正常，日變潮汐幅度變小，可能原因是，儀器浮子豎桿和發(fā)磁體套筒管壁存在摩擦牽連，或存在絮狀灰塵等異物阻礙浮子在正常工作范圍浮動(dòng)，因此對(duì)磁傳感器部件進(jìn)行多次檢查。

7月1日14：20調(diào)試W端磁傳感器，撥動(dòng)浮子穩(wěn)定簧片，用手電照射磁傳感器頂端觀察內(nèi)部情況，未發(fā)現(xiàn)明顯異常；7月10日09：20至09：30再次調(diào)試DSQ水管儀E端和W端磁傳感器，14：30至15：20檢查調(diào)試N端和S端磁傳感器。將原各端點(diǎn)發(fā)磁體套筒和浮子穩(wěn)定簧片位置重新進(jìn)行調(diào)整、拆裝，調(diào)整工作零位，檢查浮子及發(fā)磁體套筒周圍有無(wú)絮狀等牽連物，以及水面高度和穩(wěn)定簧片的受力度。同時(shí)，對(duì)4個(gè)端點(diǎn)同時(shí)調(diào)零，連續(xù)記錄兩日后固體潮數(shù)據(jù)仍然未恢復(fù)正常。通過(guò)調(diào)試磁傳感器后固體潮記錄仍不正常，說(shuō)明傳感器和缽體無(wú)故障。

3.3 信號(hào)前置放大器盒

在確認(rèn)儀器主體正常情況下，信號(hào)輸出和放大部分出現(xiàn)故障的可能性比較大，但前置放大器盒4個(gè)端點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)故障的概率較小。因此，將各端點(diǎn)前置放大器盒進(jìn)行互換。7月10日16時(shí)將N端和W端前置放大器盒進(jìn)行互換，然后用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓值結(jié)果，顯示電壓值穩(wěn)定，與信號(hào)接線箱輸出電壓值相吻合，可以肯定前置放大器盒無(wú)故障。

3.4 DSQ自動(dòng)擴(kuò)展測(cè)微儀

自動(dòng)擴(kuò)展測(cè)微儀是儀器系統(tǒng)主機(jī)，主要功能是：為差動(dòng)變壓器換能器提供電源，接收各路換能器的輸出信號(hào)作衰減分檔處理和按序分輸。主機(jī)將信號(hào)經(jīng)過(guò)自動(dòng)調(diào)零主板單元輸入自動(dòng)平衡記錄儀進(jìn)行固體潮曲線記錄，傳送到前兆數(shù)采進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和聯(lián)網(wǎng)（熊仲華等，2006）。利用萬(wàn)用表測(cè)量測(cè)微儀電源，重啟并復(fù)位測(cè)微儀，觀察發(fā)現(xiàn)顯示面板讀數(shù)與儀器輸出電壓值均正常，本單元工作正常。

3.5 信號(hào)接線箱及線路

信號(hào)接線箱是儀器主體與數(shù)據(jù)采集器分線輸出箱，可能出現(xiàn)接線松動(dòng)，或長(zhǎng)時(shí)間線路老化等影響，有必要對(duì)信號(hào)接線箱和各線路進(jìn)行檢查，對(duì)接線柱螺絲緊固，檢查結(jié)果為各線路正常。

3.6 儀器標(biāo)定

標(biāo)定裝置位于儀器主體信號(hào)輸出和數(shù)據(jù)采集器之間，主要用于檢查儀器主體和輸出線路的工作狀態(tài)和誤差值。各類地傾斜觀測(cè)儀精度很大程度上取決于格值標(biāo)定的準(zhǔn)確性。觀測(cè)資料的可靠性與格值常數(shù)準(zhǔn)確測(cè)定有著密切關(guān)系（陳德福，1993）。因此，按常規(guī)標(biāo)定步驟對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)4個(gè)端點(diǎn)的標(biāo)定數(shù)據(jù)均符合正常標(biāo)準(zhǔn)，格值與電壓靈敏度未超差。由此進(jìn)一步說(shuō)明，儀器主體和線路輸出部分工作狀態(tài)正常。

3.7 數(shù)據(jù)采集器分量表配置

經(jīng)過(guò)上述排查，固體潮畸形仍然存在，由此對(duì)DSA-2A型公用數(shù)據(jù)采集器（以下簡(jiǎn)稱數(shù)采）內(nèi)部進(jìn)行檢查。7月12日，將筆記本電腦com1口與數(shù)采RS-232C通訊口用串口線連接，啟動(dòng)數(shù)采通訊控制軟件，顯示12組命令，選擇命令“1”，即調(diào)取數(shù)采分量表配置代碼，將線序?qū)φ辗至勘砼帕羞M(jìn)行逐一檢查，均無(wú)異常，插口也無(wú)松動(dòng)和插錯(cuò)現(xiàn)象（圖4）。

圖4　DSC-2A型數(shù)據(jù)采集器后面板模擬通道序號(hào)示意Fig.4 Serial number schematic of DSC-2A type data collector that analog channel of rear panel

3.8 數(shù)據(jù)采集器

將筆記本電腦與數(shù)據(jù)采集器用串口線連接，啟動(dòng)數(shù)采通訊控制軟件，顯示12組命令，選擇命令“5”，即調(diào)取當(dāng)前測(cè)值，顯示1組共11項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)。用萬(wàn)用表測(cè)量分線箱內(nèi)4個(gè)端點(diǎn)電壓值，發(fā)現(xiàn)該值與電腦顯示的數(shù)采當(dāng)前測(cè)值不符。由此確定水管儀固體潮波形畸形的原因是數(shù)采故障。

啟動(dòng)數(shù)采內(nèi)置按鈕，將數(shù)采進(jìn)行重啟復(fù)位。通過(guò)多次重啟，發(fā)現(xiàn)重啟完畢后綠燈狀態(tài)燈有不閃爍現(xiàn)象，斷電等待若干分鐘后，綠燈閃爍才正常。在硬件方面，繼電器是影響數(shù)采器平均無(wú)故障時(shí)間的主要因素，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意繼電器老化、篩選和保護(hù)（周振安等，2002）。說(shuō)明數(shù)采經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行，內(nèi)部繼電器已經(jīng)老化，是故障的主要因素。經(jīng)上述斷電重啟操作，使用數(shù)采控制軟件刷新分量表，發(fā)現(xiàn)調(diào)取的當(dāng)前測(cè)量值仍然不對(duì)。嘗試將輸入信號(hào)插口進(jìn)行調(diào)換重新排序，將數(shù)采后面板模擬量輸入通道的11個(gè)信號(hào)線插口進(jìn)行調(diào)換（圖4），將水管儀各端點(diǎn)信號(hào)線插口相互錯(cuò)開(kāi)再插入通道口。之后，數(shù)采分量表進(jìn)行重新排列（表1），可以看到調(diào)換前水管儀的S、E、W端信號(hào)線插口在相鄰?fù)ǖ揽?，調(diào)換后相互隔開(kāi)插入通道口，用通訊控制軟件新編輯的分量表上傳入數(shù)采。經(jīng)過(guò)重新排列后，水管儀各端點(diǎn)插口間隔著氣象三要素插口，避免各端點(diǎn)輸入信號(hào)值錯(cuò)亂。

表1　調(diào)換前后各通道口分量代碼Table 1 Changing before and after changing the channel component code

通過(guò)調(diào)換信號(hào)線插口和重新分配分量表，當(dāng)前測(cè)值與分線箱內(nèi)測(cè)量電壓值相符，故障排除。用實(shí)測(cè)值和固體潮理論值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)7月12日后產(chǎn)出實(shí)測(cè)值數(shù)據(jù)與理論值基本相符（圖5）。2014年7月18日銀川臺(tái)水管儀再次出現(xiàn)相同干擾現(xiàn)象，采用相同方法判定干擾源，并于當(dāng)日11時(shí)至15時(shí)維修數(shù)采。18時(shí)測(cè)量分線箱各測(cè)項(xiàng)電壓值和數(shù)采輸出測(cè)值均恢復(fù)正常。這次事件再次驗(yàn)證上述發(fā)現(xiàn)和排除故障的方法是正確的。

圖5　水管儀東西向?qū)崪y(cè)值與固體潮理論值比較Fig.5 Comparison of the theoretical and measured values of EW component of water tube tiltmeter

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)采故障已經(jīng)排除，計(jì)算故障前后水管儀觀測(cè)值潮汐因子（圖6）。銀川臺(tái)潮汐因子年平均值NS向?yàn)?.621 7、EW向?yàn)?.668 7；數(shù)采故障期間（7—8月），潮汐因子值受到嚴(yán)重影響，結(jié)果顯示，潮汐因子最低值NS向?yàn)?.488 2、EW向?yàn)?.548 4。故障排除后，潮汐因子值恢復(fù)正常水平，由此證明水管儀固體潮干擾原因?yàn)閿?shù)采故障。

圖6　2013—2014年水管儀潮汐因子曲線Fig.6 Tidal factor curve of water tube tiltmeter from the year 2013 to 2014

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)銀川臺(tái)DSQ水管儀觀測(cè)資料分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除固體潮受干擾記錄畸變?cè)蚣肮收稀?/p>

（1）DSC-2A型數(shù)采器的12個(gè)輸入端口，由獨(dú)立集成電路部分組成，元器件老化會(huì)導(dǎo)致一定程度的故障。

（2）若是多個(gè)模擬量通道數(shù)據(jù)不對(duì)，且電壓表檢查外部輸入信號(hào)正常，則可能是某個(gè)通道輸入繼電器損壞（觸點(diǎn)粘連），或通道繼電器驅(qū)動(dòng)電路故障造成多個(gè)輸入信號(hào)疊加，應(yīng)更換繼電器或檢修驅(qū)動(dòng)電路（周振安，2004），以保證數(shù)采工作的穩(wěn)定性。

（3）2014年7月數(shù)采故障后出現(xiàn)多次類似故障，采用上述排查方法可以順利解決。

（4）固體潮記錄異?，F(xiàn)象較難發(fā)現(xiàn)，需長(zhǎng)期觀測(cè)固體潮曲線，并掌握固體潮諧波規(guī)律，通過(guò)比對(duì)固體潮理論值與實(shí)測(cè)值曲線，判斷儀器運(yùn)行狀況。同時(shí)，對(duì)儀器元器件需有所了解，以提高判斷和處理故障的能力。

論文撰寫(xiě)得到寧夏回族自治區(qū)地震局分析預(yù)報(bào)中心曾憲偉工程師及中國(guó)地震局前兆臺(tái)網(wǎng)中心各位專家指導(dǎo)，特此感謝。

陳德福.地殼形變動(dòng)力學(xué)觀測(cè)與研究［M］.北京：海洋出版社，1993：66-72.

熊仲華，等.地震觀測(cè)技術(shù)［M］.北京：地震出版社，2006：421-422.

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中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.地形變測(cè)量［M］.北京：地震出版社，2008：174-178.

Abstract

Through processing of abnormal waveform of solid tide precursor records observed at Yinchuan Seismic Station with the trace analysis software，it is determined to be caused by the observation system failures.Using comparison of the theoretical and measured values of solid tide and tide factors，the causes of failure are analyzed and sought.It is found that the failure comes from the data socket of DSC-2A type precursory data acquisition instrument.Finally the solution method and some maintenance experiences are put forward.

Analysis of water tube tiltmeter solid tide interference at Yinchuan Seismic Station

Shen Ning
（Yinchuan Seismic Station，Ningxia Hui Autonomous Region 750001，China）

water tube tiltmeter，solid tide，data acquisition，trouble analysis

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.019

沈?qū)帲?985—），寧夏回族自治區(qū)銀川市人，本科，助理工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)與分析工作。

E-mail： shenning_47@163.com