銀川地震臺水管儀固體潮干擾分析

沈 寧

（中國寧夏回族自治區(qū)750001銀川基準地震臺）

銀川地震臺水管儀固體潮干擾分析

沈 寧

（中國寧夏回族自治區(qū)750001銀川基準地震臺）

采用地震前兆跟蹤分析軟件處理數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)銀川地震臺水管儀記錄的固體潮波形異常，判定為觀測系統(tǒng)故障造成，利用固體潮理論值對比和潮汐因子等手段，對故障原因逐一排查，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，由于地震觀測系統(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，是地震臺站一線觀測人員必須具備的專業(yè)技能。利用銀川地震臺DSQ水管儀記錄的非正常固體潮汐資料，通過實驗等手段逐一排除故障環(huán)節(jié)，尋找故障原因，為觀測儀器及時恢復工作和觀測資料的真實可靠提供保障。

1 觀測背景

1.1 臺站觀測環(huán)境

銀川地震臺（以下簡稱銀川臺）為基巖型觀測站，基礎巖性為前震旦系花崗片麻巖。形變觀測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℃，相對濕度60%—70%，山洞頂部基巖覆蓋層厚度大于50 m。銀川臺觀測環(huán)境條件符合地震行業(yè)規(guī)范（中國地震局，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，均對形變觀測資料造成不同程度的影響。

1.2 觀測系統(tǒng)參數(shù)

2001年7—8月對形變儀器進行數(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30.32 m，EW向基線長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，儀器分辨率0.000 5″，日漂移量≤0.005″，標定精度≤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，通過串口直連線接入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)“九五”轉(zhuǎn)“十五”并網(wǎng)（圖1）。

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

2 干擾現(xiàn)象

銀川臺DSQ水管傾斜儀運行至今，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)時發(fā)現(xiàn)，水管儀觀測數(shù)據(jù)存在固體潮異?，F(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，認為該現(xiàn)象非地震異常，應為干擾因素所致。當日10：30觀測人員進山洞檢查儀器，發(fā)現(xiàn)電壓值未超量程，洞室內(nèi)和觀測系統(tǒng)無明顯故障，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，潮幅未達到原有幅度，過后未恢復。計算銀川臺水管傾斜固體潮理論值，與實測值進行對比，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，認為觀測系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障，對可能出現(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，因此對磁傳感器部件進行多次檢查。

7月1日14：20調(diào)試W端磁傳感器，撥動浮子穩(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。將原各端點發(fā)磁體套筒和浮子穩(wěn)定簧片位置重新進行調(diào)整、拆裝，調(diào)整工作零位，檢查浮子及發(fā)磁體套筒周圍有無絮狀等牽連物，以及水面高度和穩(wěn)定簧片的受力度。同時，對4個端點同時調(diào)零，連續(xù)記錄兩日后固體潮數(shù)據(jù)仍然未恢復正常。通過調(diào)試磁傳感器后固體潮記錄仍不正常，說明傳感器和缽體無故障。

3.3 信號前置放大器盒

在確認儀器主體正常情況下，信號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個端點同時出現(xiàn)故障的概率較小。因此，將各端點前置放大器盒進行互換。7月10日16時將N端和W端前置放大器盒進行互換，然后用萬用表測量輸出電壓值結(jié)果，顯示電壓值穩(wěn)定，與信號接線箱輸出電壓值相吻合，可以肯定前置放大器盒無故障。

3.4 DSQ自動擴展測微儀

自動擴展測微儀是儀器系統(tǒng)主機，主要功能是：為差動變壓器換能器提供電源，接收各路換能器的輸出信號作衰減分檔處理和按序分輸。主機將信號經(jīng)過自動調(diào)零主板單元輸入自動平衡記錄儀進行固體潮曲線記錄，傳送到前兆數(shù)采進行數(shù)據(jù)傳輸和聯(lián)網(wǎng)（熊仲華等，2006）。利用萬用表測量測微儀電源，重啟并復位測微儀，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 信號接線箱及線路

信號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，或長時間線路老化等影響，有必要對信號接線箱和各線路進行檢查，對接線柱螺絲緊固，檢查結(jié)果為各線路正常。

3.6 儀器標定

標定裝置位于儀器主體信號輸出和數(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。各類地傾斜觀測儀精度很大程度上取決于格值標定的準確性。觀測資料的可靠性與格值常數(shù)準確測定有著密切關(guān)系（陳德福，1993）。因此，按常規(guī)標定步驟對系統(tǒng)進行標定，發(fā)現(xiàn)4個端點的標定數(shù)據(jù)均符合正常標準，格值與電壓靈敏度未超差。由此進一步說明，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)過上述排查，固體潮畸形仍然存在，由此對DSA-2A型公用數(shù)據(jù)采集器（以下簡稱數(shù)采）內(nèi)部進行檢查。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行逐一檢查，均無異常，插口也無松動和插錯現(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)取當前測值，顯示1組共11項測量數(shù)據(jù)。用萬用表測量分線箱內(nèi)4個端點電壓值，發(fā)現(xiàn)該值與電腦顯示的數(shù)采當前測值不符。由此確定水管儀固體潮波形畸形的原因是數(shù)采故障。

啟動數(shù)采內(nèi)置按鈕，將數(shù)采進行重啟復位。通過多次重啟，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)采器平均無故障時間的主要因素，設計時應當注意繼電器老化、篩選和保護（周振安等，2002）。說明數(shù)采經(jīng)長期運行，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)取的當前測量值仍然不對。嘗試將輸入信號插口進行調(diào)換重新排序，將數(shù)采后面板模擬量輸入通道的11個信號線插口進行調(diào)換（圖4），將水管儀各端點信號線插口相互錯開再插入通道口。之后，數(shù)采分量表進行重新排列（表1），可以看到調(diào)換前水管儀的S、E、W端信號線插口在相鄰通道口，調(diào)換后相互隔開插入通道口，用通訊控制軟件新編輯的分量表上傳入數(shù)采。經(jīng)過重新排列后，水管儀各端點插口間隔著氣象三要素插口，避免各端點輸入信號值錯亂。

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

通過調(diào)換信號線插口和重新分配分量表，當前測值與分線箱內(nèi)測量電壓值相符，故障排除。用實測值和固體潮理論值進行比較，發(fā)現(xiàn)7月12日后產(chǎn)出實測值數(shù)據(jù)與理論值基本相符（圖5）。2014年7月18日銀川臺水管儀再次出現(xiàn)相同干擾現(xiàn)象，采用相同方法判定干擾源，并于當日11時至15時維修數(shù)采。18時測量分線箱各測項電壓值和數(shù)采輸出測值均恢復正常。這次事件再次驗證上述發(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

為了進一步驗證數(shù)采故障已經(jīng)排除，計算故障前后水管儀觀測值潮汐因子（圖6）。銀川臺潮汐因子年平均值NS向為0.621 7、EW向為0.668 7；數(shù)采故障期間（7—8月），潮汐因子值受到嚴重影響，結(jié)果顯示，潮汐因子最低值NS向為0.488 2、EW向為0.548 4。故障排除后，潮汐因子值恢復正常水平，由此證明水管儀固體潮干擾原因為數(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

通過對銀川臺DSQ水管儀觀測資料分析，及時發(fā)現(xiàn)并排除固體潮受干擾記錄畸變原因及故障。

（1）DSC-2A型數(shù)采器的12個輸入端口，由獨立集成電路部分組成，元器件老化會導致一定程度的故障。

（2）若是多個模擬量通道數(shù)據(jù)不對，且電壓表檢查外部輸入信號正常，則可能是某個通道輸入繼電器損壞（觸點粘連），或通道繼電器驅(qū)動電路故障造成多個輸入信號疊加，應更換繼電器或檢修驅(qū)動電路（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)，需長期觀測固體潮曲線，并掌握固體潮諧波規(guī)律，通過比對固體潮理論值與實測值曲線，判斷儀器運行狀況。同時，對儀器元器件需有所了解，以提高判斷和處理故障的能力。

論文撰寫得到寧夏回族自治區(qū)地震局分析預報中心曾憲偉工程師及中國地震局前兆臺網(wǎng)中心各位專家指導，特此感謝。

陳德福.地殼形變動力學觀測與研究［M］.北京：海洋出版社，1993：66-72.

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

周振安.地震前兆數(shù)據(jù)采集器常見故障分析處理［J］.地震地磁觀測與研究，2004，25（5）：62-67.

周振安，郭柏林.地震前兆數(shù)據(jù)采集器的可靠性分析［J］.地震地磁觀測與研究，2002，23（4）：34-37.

中國地震局.地震行業(yè)標準（DB/T 8.1—2003）［S］.中國地震局，2003.

中國地震局監(jiān)測預報司.地形變測量［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)測與分析工作。

E-mail： shenning_47@163.com