VP型寬頻帶潮汐觀測儀的研制①

VP型寬頻帶潮汐觀測儀的研制①

E-mail：matianitian123@163.com。

馬武剛， 吳艷霞， 胡國慶

(中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室，湖北 武漢 430071)

摘要：擺式潮汐觀測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設備。基于VP型寬頻帶潮汐觀測儀的研制過程論述其原理及應用，得出VP型寬頻帶潮汐觀測儀具有頻帶寬、易操作、采樣率高的特點。

關鍵詞：VP型； 寬頻帶； 自動調零； VS型

收稿日期：①2014-07-04

基金項目：中國地震局地震科技星火計劃攻關項目(XH15030)；中國地震局公益性行業科研專項(201208002)；中國地震局地震科技星火計劃攻關項目(XH14034)

作者簡介：馬武剛，男，助理研究員，現主要從事寬頻帶地震儀器(垂直擺傾斜儀和相對重力儀)的研發工作。

中圖分類號:P315.62文獻標志碼：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

豎直擺式潮汐觀測儀(亦稱垂直擺傾斜儀)[1]是記錄傾斜固體潮的地形變觀測設備，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、機械結構、電路結構和運行維護等方面更簡單實用，因此它作為地形變觀測的主要設備在地震系統得到了廣泛應用[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計原理、電路結構、機械設計和應用等方面對VP型寬頻帶傾斜儀進行論述，并與同類型的傳統VS型垂直擺傾斜儀進行比較，得出VP型寬頻帶傾斜儀具有設計簡單，安裝維護方便，記錄固體潮信息更多，精度更高的結論。

1設計原理分析

儀器設計原理：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(水平而非垂直應變信號)[5]，然后通過放大、濾波、整形等信號調理電路把這種微變信號轉變為電壓信號，再通過數據采集器記錄電壓信號，還原成固體潮信息。此設計原理的核心為高精度電容式位移傳感器(圖1)。在電容測微器中采用三片式的差動位移傳感器，中間為活動板，兩邊為固定板。由于動板離零位的距離△L與傳感器的輸出電壓U3成正比，故由U3可以求出動板與零位的距離，即可根據輸出電壓的變化量求出動板位移的變化量。

圖1　電容傳感器結構圖 Fig.1　Structure of capacitance sensor

基于此設計原理，結合VS垂直擺傾斜儀使用過程中出現的問題，VP型寬頻帶傾斜儀對儀器的機械和電路等方面進行了設計，具體表現在以下四個方面。

1.1機械設計

(1) 電容位移傳感器機械設計

電容傳感器設計包括：①穩定的垂直擺懸掛機構主題支架;②高度平行的定片;③可垂直方向自由擺動的動片;④可靠的鎖擺機構。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。具體結構如圖2所示。

圖2　垂直擺機械結構圖 Fig.2　Mechanical struture of the vertical pendulum

(2) 儀器底盤設計。底盤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度，另一方面也決定了傳感器自身結構的穩定性。對于基線式觀測設備，基線越長信噪比越高，所以底盤的設計要兼顧儀器的穩定性和信噪比。VP型寬頻帶傾斜儀的底盤采取了與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的基線，但降低了少許穩定性，對此等腰直角三角形底盤通過加厚來進行彌補。圖3為投入實際觀測的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電路設計

(1) 信號調理端振蕩電路設計。

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信號又為同步檢波電路提供同步信號。

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：首先啟動程控時鐘信號發生器，送出時鐘頻率f, f推動一個順序地址發生器，產生連續變化的地址，將EPROM中存儲的正弦信號編碼內容順序讀出，然后通過鎖存器及DAC輸出正弦波形中的一個電壓點；循環進行產生一個波形輸出。其優勢在于正弦波是頻率單純的波，無高次諧波成分，因此抗干擾能力優于方波電路。

圖4　正弦波發生器 Fig.4　Sine wave generator

VP型寬頻帶傾斜儀采用方波振蕩電路，由運放和RC構成方波電路，并由4069芯片進行整形和反向，空比為1∶1的兩路大小相等、相位相反的方波。方波電路簡單，調試方便，易起振，方波形態較好，但是方波信號較容易受到干擾，不能接感性負載。

圖5中R1和C1及U1構成RC振蕩電路，振蕩信號通過芯片CD4069(圖中U2A)進行整形輸出，得到穩定的時間常數為RC的方波振蕩信號。

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計采用方波振蕩信號，該方波震蕩信號的有效值遠大于采用正弦波振蕩的VS垂直擺傾斜儀。由于振蕩信號幅度增強，所以傳感器輸出信號幅度也得到加強，從而可以降低后端放大電路的放大倍數，使得儀器的濾波常數得到降低，使儀器的頻帶寬度得到拓展。同時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) 數據采集器設計。

采樣率是指儀器提取記錄原始數據的速率。VP型采樣率為1次/秒，比VS型采樣率提高了60倍，并且相應的數據存儲空間增大為原有的30倍。通過如此改進，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更多的固體潮數據。

此外，VP型寬頻帶傾斜儀數據采集器增加了以下新的功能：遠程格值修改，單分量調零，單分量標定，單分量記錄數據屏蔽等。表1給出了VP型寬頻帶傾斜儀數據采集器性能參數表。

表 1　 VP型垂直擺傾斜儀數據采集器性能參數

1.3自動調零設計

由于儀器所處觀測環境等外因和儀器自身電子元件、機械結構等內因兩方面的綜合影響，高精度地形變觀測儀器本身都存在“零漂”現象。為了減小“零漂”對觀測數據的影響，需要人工干預把地形變觀測儀器的傳感器調整至觀測的初始狀態。

VP型垂直擺傾斜儀具有遠程自動調零功能(通過網絡指令)，能對儀器的“零位”進行遠程調整，并達到200 mV以內的調整精度；而傳統的VS型垂直擺傾斜儀采取人工調零的方式，需要工作人員進入山洞現場對儀器進行操作。這樣工作人員本身的重量和其操作熟練程度都會對儀器的調零精度產生影響，也會增加工作量。

圖6為VP型寬頻帶傾斜儀自動調零結果，并給出了VS垂直擺傾斜儀手工調零結果。由圖可以看出：VP型寬頻帶傾斜儀的調零未產生往復動作，并且東西方向儀器調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零產生了往復動作，南北向儀器調令操作使得東西向儀器記錄產生了異常。

圖6　調零曲線比較圖 Fig.6　Zeroing curves comparison between VP and VS

2應用分析

根據中國地震局前兆臺網入網儀器規范要求，VP型寬頻帶傾斜儀建立了包括出廠平臺校準和現場靜電校準等在內的完善的測試方案，因此能夠提供格值、分辨力、校準重復性等技術參數[4]，使得儀器更加規范、更適合產業化。目前該儀器已在國內50多個地震前兆臺網布設安裝，并運行良好。以下是其應用實例：

圖7是2009-10-08 瓦努阿圖7.7級地震。由圖可見，兩種儀器同一方向的記錄曲線對比，VP型比VS型記錄到了更多的地震信息,同震響應更加明顯[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三種傾斜觀測設備2009年傾斜觀測EW向潮汐因子中誤差統計。從表2中可以看出，VP型寬頻帶傾斜儀觀測的潮汐因子中誤差優于VS型垂直擺傾斜儀、水管傾斜儀，該儀器受環境干擾影響小于同類傾斜儀，穩定性較高。

表 2　觀測精度比較

3結論

結合VP寬頻帶傾斜儀的研制過程，論述其設計原理、機械電路結構、應用狀況等。與傳統垂直擺傾斜儀相比，新型的VP型寬頻帶傾斜儀的頻帶寬度可達84 s到直流頻段，能夠記錄到更多的地震前兆信息；機械電路設計合理規范使得其安裝調試方便快捷，運行維護亦可實現遠程自動調零控制功能；數據采集器采集存儲速率更快，存儲容量更大。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，與實現監測預報地震還有很大距離，所以發展新型傳感器[6]、創新設計思想應該成為廣大地震儀器工作者努力的方向。

參考文獻(References)

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