2 m 短基線水管傾斜儀的設計＊

孟麗娟，歐同庚，李 震，耿麗霞，李農發2，

（1.防災科技學院電子科學與控制工程學院，河北 廊坊 065201；2.中國地震局地震研究所，湖北 武漢 430071；3.武漢地震科學儀器研究院有限公司，湖北 咸寧 437000；4.湖北省重大工程地震檢測與預警處置技術研究中心，湖北 咸寧 437000）

水管傾斜儀是自動測量地殼傾斜變化的一種精密儀器，用來測定緩慢傾斜變化、傾斜固體潮與捕捉臨震前兆信息[1]。DSQ 型水管傾斜儀在全國100 多個臺站安裝使用20 余年，包括玻璃和不銹鋼等不同材質缽體的水管傾斜儀，對于地殼傾斜變化和固體潮汐變化觀測來說，儀器觀測的數據質量要高并且要長期穩定可靠。但DSQ 型水管儀所采用的差動變壓器傳感器分辨力為10 nm，需要較長的基線來保證觀測信噪比。臺站水管傾斜儀長度一般為20～30 m[2-3]。隨著時間的推移，臺站可放置20～30 m水管傾斜儀的山洞不斷減少，然而，重新開挖縱深長的洞室成本高。因此，縮短水管傾斜儀基線是一個切實可行的方法。

1 結構設計

短基線水管傾斜儀結構示意圖如圖1 所示，水管傾斜儀一端缽體結構如圖2 所示。該儀器呈對稱結構，上下蓋板之間放置內壁打磨光滑的不銹鋼缽體，缽體內液面上漂浮著加入金剛石粉末的浮子，浮子連接桿安裝互成120°的導向簧片和電容傳感器的動片，與2個定片通過陶瓷墊塊和長螺絲連接成差動電容傳感器。水管傾斜儀兩端缽體通過不銹鋼管剛性連接。水管傾斜儀主要由兩端缽體、不銹鋼連接管（基線）和測量控制系統組成。

圖2 水管儀缽體實物圖

1.1 頻帶拓寬設計

新型水管傾斜儀的基線選擇一根完整的不銹鋼管代替原有的分節連接的玻璃管，采用不銹鋼管作為基線是因為它具有使用壽命長、長期穩定和便于運輸的優點。儀器的基線連通管和兩端缽體采取剛性連接的方式，可以減少漏水滲水發生的可能性。

據理論分析得儀器固有周期為：

據臨界阻尼狀態可得連接管直徑為：

式（1）（2）中：S為缽體的截面積；D為儀器基線長度；a為水管的截面積；Φ為缽體的內直徑[4]；μ為液體的粘滯系數；ρ為液體密度。

考慮到儀器缽體的輔助管要與不銹鋼連通管剛性連接，因此連通管直徑應不超過缽體直徑的1/3；水管儀的液面高程差與基線縮短長度成正比例關系，為了保證觀測質量，儀器基線縮短需要更高靈敏度的傳感器來測量液面高程變化，通過分析傳感器的性能得出，基線長度不應小于原有長度（5～10 m）的1/5。

綜上所述，確定新型水管傾斜儀缽體直徑為18 cm，連通管直徑為6 cm，基線長度D=183 cm。則將各個參數代入式（1）可得儀器的固有周期為5.76 s。

1.2 介質選取

傳統水管傾斜儀采用蒸餾水作為工作介質容易蒸發，而新型水管傾斜儀采用差容式傳感器易受濕度等環境因素影響，水蒸發會改變電容傳感器的介電常數，使測量結果出現偏差。提出采用油介質代替蒸餾水介質解決工作介質易蒸發問題。

2 傳感器及電路設計

位移傳感器是水管傾斜儀測量電路的核心，地殼傾斜變化經過電容傳感器及其信號調理電路輸出直流電壓信號。

2.1 傳感器的選擇與設計

為了清晰地觀測傾斜固體潮汐的變化，并滿足DB/T 31.1—2008《地震觀測儀器進網技術要求 地殼形變觀測儀 第1 部分：傾斜儀》規范的要求，水管儀的分辨力應優于0.000 2″。在基線長度D=1.83 m 條件下，需測量的最小液位變化差為Δhmin。

DSQ 型水管傾斜儀采用差動變壓器傳感器進行液面位移測量，其分辨力約為10 nm，無法滿足短基線條件下的測量要求，因此需要設計分辨力更高的位移傳感器。新型水管傾斜儀位移傳感器的分辨力必須優于1.8 nm，因此選擇較為成熟的差動電容傳感器對短基線水管傾斜儀進行微位移測量。

電容傳感器實物如圖3 所示。差動電容位移傳感器由3 塊圓形銅板組成，上下兩塊大銅板是傳感器的定片，中間小銅板為動片。電容傳感器的定片面積比動片面積大時，可以減少邊緣效應對測量結果的影響。差動電容傳感器可以等效為2 個電容的串聯，當傳感器處于初始位置時，傳感器動片與2 個定片的極板間距是相等的，可以計算出該傳感器的初始電容值，當傳感器的動片位置發生變化時，可以得到電容值的變化量。因為動片和初始位置的距離與電容傳感器的輸出電壓的變化量成正比例關系，所以已知位移傳感器輸出電壓的變化量，可以得到傳感器動片位移的變化值。

圖3 電容傳感器實物圖

2.2 測量電路設計

測量電路原理框圖如圖4 所示。該電路采用三端穩壓器提供穩定電壓。為保證電壓波形頻率和幅度具有良好的穩定性[5]，振蕩電路采用CD4060B 計數器芯片和晶體震蕩器組成[6]。該電路產生兩個大小相等、方向相反的正弦激勵信號接入電容電壓轉換電路。經轉換電路輸出的電壓信號幅值較小，為了檢測出有效信號，必須對前級輸出信號進行放大，放大后的信號經同步檢波進行電路解調，來達到準確提取信號的目的[7]。檢波后的信號經二階SK 型巴特沃斯低通濾波器輸出直流分量。

圖4 電路原理框圖

為了驗證電路的可行性，將設計的電路在Multisim 中仿真，當仿真結果與預期結果一致時，繪制電路原理圖并將其制作成PCB 板進行調試，以便將其接入水管傾斜儀內實現電路測量，PCB 板如圖5所示。

圖5 電路板

3 搭建儀器

首先對新型水管傾斜儀的機械結構進行設計，并加工出整體機械結構的零器件，零件加工完成以后對其進行組裝；其次，組裝儀器時考慮電路測量部分，將機械結構和電路測量部分銜接完好，最后將液體工作介質由原來的蒸餾水替換成現在的油，從而搭建出新型短基線水管傾斜儀。新型水管傾斜儀如圖6 所示。

圖6 新型水管傾斜儀

4 討論與結論

針對傳統水管傾斜儀的不足，設計了一種新型短基線水管傾斜儀，短基線水管傾斜儀比傳統水管傾斜儀占據的空間小，可以有效解決山洞可放置儀器位置緊缺的問題，省去了開挖山洞洞室的巨大成本。后續需研究和設計新型水管傾斜儀的標定裝置，兩端缽體內差動電容傳感器電靈敏度調節程序，并對水管傾斜儀進行長期觀測，驗證儀器的可靠性。