地震前兆儀器最小工作系統(tǒng)研究

趙希磊，周 志，陳 勝，陶方宇，尹曉明

（安徽省地震局，安徽 合肥 230031）

0 引言

在“十五”數(shù)字化改造和“十二五”一縣一臺項目建設完成后，安徽省內(nèi)地震前兆儀器數(shù)量已達一百多套，且類型眾多，儀器運維壓力逐年增大。可用備機備件少、數(shù)字化設備故障率高等問題，進一步增加了運維難度[1-3]。同時，運維人員新手多、經(jīng)驗積累不足，無法滿足當前工作需要。為解決儀器運維困局[4]，李軍等[5]結合Socket技術和多線程技術，使用Java語言設計開發(fā)了一套教學和培訓模擬系統(tǒng)，為人員交流培訓提供平臺；王秀英等[6]設計的地震前兆設備動態(tài)監(jiān)控報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了前兆設備監(jiān)控管理，有效提高了儀器運維智能化。雖然在前兆儀器運維軟件方面成果豐碩，但硬件方面研究較少。

參考單片機最小工作系統(tǒng)原理，對前兆儀器最小工作系統(tǒng)進行研究，以獲得能實現(xiàn)儀器基本功能的最少硬件結構為目的。通過系統(tǒng)搭建，為儀器快速檢測維修[7]、人員交流培訓提供便利。

1 地震前兆儀器觀測系統(tǒng)工作原理

觀測系統(tǒng)一般由裝置系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和檢定系統(tǒng)構成，如圖1所示。

圖1 地震前兆儀器觀測系統(tǒng)示意圖Fig.1 A schematic diagram of an earthquake precursor instrument observation system

地震前兆信息最先被觀測裝置感受到，經(jīng)固定在觀測裝置上的測量系統(tǒng)采集和處理后，產(chǎn)出觀測數(shù)據(jù)。對觀測裝置和測量系統(tǒng)進行檢定，是判斷觀測系統(tǒng)工作是否正常、產(chǎn)出數(shù)據(jù)是否準確可靠的重要工作。對測量系統(tǒng)的檢定，一般稱為標定，多數(shù)成套的前兆儀器設備都集成了測量系統(tǒng)和標定系統(tǒng)。

2 前兆儀器最小工作系統(tǒng)設計

一套完整的前兆儀器最小工作系統(tǒng)，應包含測量系統(tǒng)和標定系統(tǒng)。測量系統(tǒng)硬件一般包含傳感器、數(shù)據(jù)采集器和傳輸線路，可完成信號采集流程；標定系統(tǒng)硬件則包含標定電源、標定電機和線路等要件，可完成系統(tǒng)標定過程。搭建儀器最小工作系統(tǒng)，首先要熟悉儀器工作原理，掌握儀器所有零部件功能和接頭定義，擁有過硬的焊接技術和基本的電子電路知識。其次，對搭建完成的最小工作系統(tǒng)，要具有零部件檢測、檢查維護能力，能夠通過故障現(xiàn)象準確判斷故障部位。

前兆學科有流體、形變、電磁和輔助四大類儀器，每類選取1種儀器具體說明如何搭建最小工作系統(tǒng)。系統(tǒng)搭建過程是：備機備件收集檢測、自制傳感器及連接線制作、系統(tǒng)各模塊相連接和系統(tǒng)安裝固定、調(diào)試及開機運行試驗。

2.1 SWY-II水位儀

SWY-II型數(shù)字水位儀最小工作系統(tǒng)由主機、自制探頭、電源線和網(wǎng)線組成，如圖2所示。其中，自制探頭由兩個色環(huán)電阻（3kΩ±30Ω）并聯(lián)組成，使用開關控制其中一個電阻，替代了儀器原配的二線制水位傳感器。系統(tǒng)工作時，可通過自制探頭內(nèi)部開關通斷改變水位測量數(shù)據(jù)，實驗結果如圖3所示。儀器維護過程中，可將在網(wǎng)運行的同型號水位儀傳感器替換為自制探頭，通過儀器屏幕觀察自制探頭開關閉合前后的數(shù)據(jù)變化，以判斷儀器主機是否存在故障。

圖2 SWY-II型數(shù)字水位儀最小工作系統(tǒng)Fig.2 Minimum working system of SWY-II

圖3 系統(tǒng)工作測試實驗結果截圖Fig.3 Test result screenshot of system work test

對SWY-II水位儀最小工作系統(tǒng)做測試實驗，主機屏幕截圖如圖3所示。圖3（a）是在自制探頭開關未閉合情況下的測量數(shù)據(jù)，測量電壓為0.4686 V，對應所測物理量（探頭入水深度）為2.086 m，埋深5.914 m（工作參數(shù)：靜水位，井口至探頭距離8 m）。系統(tǒng)工作參數(shù)不變，使自制探頭開關閉合，測量數(shù)據(jù)變化如圖3（b）所示。測量電壓變?yōu)?.8628 V，對應所測物理量為6.028 m，埋深1.972 m，實驗結果詳見表1。另外，在開關未閉合時使用熱吹風對自制探頭加熱，測得一組數(shù)據(jù)，與圖3（a）結果有所變化。

表1 系統(tǒng)工作測試實驗結果

實驗結果顯示最小工作系統(tǒng)反應靈敏，自制探頭開關閉合前后，實驗數(shù)據(jù)發(fā)生很大變化，是否符合正常觀測要求，還需與理論計算結果進行對比。

圖4 最小工作系統(tǒng)等效原理框圖Fig.4 The block diagram of the equivalent principle of the minimum working system

根據(jù)表1自制探頭開關閉合前實驗數(shù)據(jù)推算閉合后理論數(shù)據(jù)，并與表1實際測量值對比。依據(jù)儀器說明書，系統(tǒng)工作原理等效框圖如圖4所示，其中U為測量端供電電壓（固定值），I為供電電流，RX為測量采樣電阻（62.5 Ω），UX為測量電壓，R為自制探頭虛線框內(nèi)等效電阻。設開關閉合前測量電壓為UX1，虛線框內(nèi)等效電阻值為R1；開關閉合后，測量電壓為UX2，虛線框內(nèi)等效電阻值為R2。根據(jù)閉合前實驗數(shù)據(jù)計算出供電電壓U：

將公式（1）帶入開關閉合后測量電壓UX2計算公式：

式中，已知UX1為0.4686 V，RX為62.5 Ω。使用萬用表測得R1阻值為2.974 kΩ，R2阻值為1.4958 kΩ。

代入計算可得，UX2的理論計算值是0.9131 V。表1中實際測量數(shù)據(jù)為0.8628 V，與理論值之間絕對誤差0.05 V，相對誤差5.5%。考慮到溫度因素（表1），實驗結果基本符合要求，表明該最小工作系統(tǒng)工作正常。

2.2 SSY伸縮儀

伸縮儀有多個觀測分量，為簡化系統(tǒng)設計只考慮一個信號及標定分量。該儀器最小工作系統(tǒng)由主機、數(shù)采、前置放大盒、探頭、標定器及各類連接線組成。系統(tǒng)搭建過程是：選擇較為安靜的場地，用膠將標定器和探頭分別固定在水平堅固地面上，步進電機和鐵芯安裝固定在標定器上，調(diào)整鐵芯位置使其位于探頭圓心，使用自制的各類信號連接線將前置放大盒、主機和數(shù)采連接起來，搭建完成。在紫蓬山地震臺地下室測震擺房內(nèi)搭建了一套SSY伸縮儀最小工作系統(tǒng)，實物如圖5所示。系統(tǒng)開機實驗，挪動圖中傳感器中間金屬棒，在主機端可以觀測到-8 V～+8 V輸出信號電壓，而數(shù)采可識別電壓為±2 V，超出后顯示為一條直線。儀器標定要求電壓信號在±400 mV以內(nèi)，調(diào)整后系統(tǒng)標定成功，數(shù)據(jù)曲線顯示出清晰的鋸齒波。系統(tǒng)調(diào)試完成后，截取了五天的觀測數(shù)據(jù)曲線，如圖6所示。圖中，可明確區(qū)分每日的固體潮汐，但由于裝置系統(tǒng)簡陋，無法呈現(xiàn)在網(wǎng)運行儀器中常見的正弦型固體潮波形。

圖5 SSY伸縮儀最小工作系統(tǒng)實物圖Fig.5 The physical diagram of the minimum working system of SSY

圖6 SSY伸縮儀五天測試數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Test data curve for five days of SSY

在一個區(qū)域型維修中心，可按照上述方法搭建一套簡易的伸縮儀最小工作系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行信號采集、調(diào)零和儀器標定測試。測試完成后，可將待檢測主機、數(shù)采、前置放大盒、探頭、標定電機等設備，接入并替換系統(tǒng)中對應設備，每次更換檢測一個，檢測完成后將系統(tǒng)恢復正常工作狀態(tài)。該系統(tǒng)也可作為儀器維護培訓操作實驗平臺，以提高參訓人員對該儀器工作原理和檢測方法的認識。

2.3 ZD8M地電阻率儀

ZD8M地電阻率最小工作系統(tǒng)包含ZD8M主機、WL6B穩(wěn)流電源、兩個大功率琺瑯電阻（200W40RJ）組成的負載板、顯示器、鼠標鍵盤及各類信號連接線，如圖7所示。圖中，負載板內(nèi)瓷片電容可吸收供電端尖峰電壓并起到隔直作用，色環(huán)電阻則起阻尼作用避免引起震蕩。系統(tǒng)搭建過程：首先制作負載板，將采購的琺瑯電阻、瓷片電容和色環(huán)電阻按照圖7焊接好，使用螺絲固定在一塊絕緣的聚乙烯板上，輸出端正負極采用兩個柱狀接頭；然后將負載板接到穩(wěn)流電源的輸出端，穩(wěn)流電源供電控制接在ZD8M主機后，連接電源和網(wǎng)絡，系統(tǒng)搭建完畢。使用筆記本電腦通過網(wǎng)絡啟動主機測數(shù)工作，主機控制穩(wěn)流電源供電，負載板模擬外線路承載穩(wěn)流電源輸出的直流電，當主機面板顯示的正負供電電壓和電流與穩(wěn)流電源儀表盤顯示一致時系統(tǒng)工作正常。該儀器測數(shù)普遍采用2 A供電，兩個琺瑯電阻串聯(lián)共80 Ω，穩(wěn)流電源輸出電壓為160V，工作時功率約320 W。而兩個琺瑯電阻額定功率為400 W，能夠承載供電電流不超過的系統(tǒng)測數(shù)工作。然而，該系統(tǒng)運行時發(fā)熱較多，應盡量縮短系統(tǒng)測試時間，并多備份幾塊負載板。另外，可將穩(wěn)流電源與負載板單獨相連，穩(wěn)流電源控制模式采用手動控制，上電后調(diào)節(jié)電源后面板電位器，通過電源電壓表及電流表觀察兩者是否呈線性變化，可直觀判斷穩(wěn)流電源是否故障。該負載板已制作了若干塊，分發(fā)到省內(nèi)各觀測臺站，為主機和電源檢測提供便利。

圖7 ZD8M地電阻率儀最小工作系統(tǒng)Fig.7 Minimum working system of ZD8M

2.4 WYY-1型氣象綜合儀

WYY-1型氣象綜合儀最小工作系統(tǒng)主要由四部分構成：主機、雨量傳感器、氣壓傳感器和氣溫傳感器，如圖8所示。系統(tǒng)搭建過程較為簡單：氣壓和氣溫傳感器均來自更新淘汰的儀器，雨量傳感器則由一個船型開關替代；雨量、氣壓和氣溫傳感器航空插頭分別為3芯、4芯和5芯，連接在主機后面板。接通電源和網(wǎng)絡，系統(tǒng)啟動工作，液晶屏可實時顯示分鐘值數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的工作原理是：氣溫傳感器采用PT100鉑電阻變化感知氣溫變化，通過電橋將信號傳輸至主機，氣壓傳感器由高靈敏度壓力傳感器構成，雨量傳感器則由手動控制船型開關輸出脈沖信號至主機，三路信號經(jīng)主機AD板采樣后變成數(shù)字信號，顯示在液晶屏上。

圖8 WYY-1型氣象綜合儀最小工作系統(tǒng)Fig.8 Minimum working system of WYY-1

對該系統(tǒng)進行測試，首先等系統(tǒng)穩(wěn)定運行一段時間后，測得一組數(shù)據(jù)；然后對系統(tǒng)做以下操作：用熱吹風機對溫度傳感器加熱，向氣壓傳感器窗口內(nèi)吹風，雨量開關通斷5次，再測得一組數(shù)據(jù)。測試結果顯示氣溫上升，氣壓變大，雨量從0 mm變?yōu)?.5 mm。分析可知，熱吹風機的熱量傳遞給氣溫傳感器導致了氣溫上升，對氣壓傳感器吹氣引起風擾使氣壓變大，雨量開關通斷5次相當于發(fā)送5個脈沖信號，而每個脈沖信號對應0.1 mm雨量，結果表明系統(tǒng)工作正常。日常工作中，遇到觀測數(shù)據(jù)突變等異常情況，可使用最小工作系統(tǒng)的傳感器替代在網(wǎng)運行的傳感器，觀察一段時間數(shù)據(jù)變化，以盡快確定故障位置，為下一步維修打下基礎。

3 結語

地震前兆儀器最小工作系統(tǒng)，為儀器運維人員提供了儀器檢測平臺，豐富了技術人員培訓內(nèi)容，并為將來開展儀器維修實驗提供硬件基礎。文中部分成果可推廣至省屬臺站和市縣臺，以提高整體運維水平。