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(tái)項(xiàng)目建設(shè)完成后，安徽省內(nèi)地震前兆儀器數(shù)量已達(dá)一百多套，且類型眾多，儀器運(yùn)維壓力逐年增大?？捎脗錂C(jī)備件少、數(shù)字化設(shè)備故障率高等問題，進(jìn)一步增加了運(yùn)維難度[1-3]。同時(shí)，運(yùn)維人員新手多、經(jīng)驗(yàn)積累不足，無法滿足當(dāng)前工作需要。為解決儀器運(yùn)維困局[4]，李軍等[5]結(jié)合Socket技術(shù)和多線程技術(shù)，使用Java語言設(shè)計(jì)開發(fā)了一套教學(xué)和培訓(xùn)模擬系統(tǒng)，為人員交流培訓(xùn)提供平臺(tái)；王秀英等[6]設(shè)計(jì)的地震前兆設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了前兆設(shè)備監(jiān)控管理，有效提高了儀器運(yùn)維智能化。雖然在前兆儀器運(yùn)維軟件方面成果豐碩，但硬件方面研究較少。

參考單片機(jī)最小工作系統(tǒng)原理，對(duì)前兆儀器最小工作系統(tǒng)進(jìn)行研究，以獲得能實(shí)現(xiàn)儀器基本功能的最少硬件結(jié)構(gòu)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(xùn)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(gòu)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(duì)觀測裝置和測量系統(tǒng)進(jìn)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(zhǔn)確可靠的重要工作。對(duì)測量系統(tǒng)的檢定，一般稱為標(biāo)定，多數(shù)成套的前兆儀器設(shè)備都集成了測量系統(tǒng)和標(biāo)定系統(tǒng)。

2 前兆儀器最小工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一套完整的前兆儀器最小工作系統(tǒng)，應(yīng)包含測量系統(tǒng)和標(biāo)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(hào)采集流程；標(biāo)定系統(tǒng)硬件則包含標(biāo)定電源、標(biāo)定電機(jī)和線路等要件，可完成系統(tǒng)標(biāo)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(shù)和基本的電子電路知識(shí)。其次，對(duì)搭建完成的最小工作系統(tǒng)，要具有零部件檢測、檢查維護(hù)能力，能夠通過故障現(xiàn)象準(zhǔn)確判斷故障部位。

前兆學(xué)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(jī)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(jī)運(yùn)行試驗(yàn)。

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(jī)、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(gè)色環(huán)電阻（3kΩ±30Ω）并聯(lián)組成，使用開關(guān)控制其中一個(gè)電阻，替代了儀器原配的二線制水位傳感器。系統(tǒng)工作時(shí)，可通過自制探頭內(nèi)部開關(guān)通斷改變水位測量數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。儀器維護(hù)過程中，可將在網(wǎng)運(yùn)行的同型號(hào)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(guān)閉合前后的數(shù)據(jù)變化，以判斷儀器主機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果截圖Fig.3 Test result screenshot of system work test

對(duì)SWY-II水位儀最小工作系統(tǒng)做測試實(shí)驗(yàn)，主機(jī)屏幕截圖如圖3所示。圖3（a）是在自制探頭開關(guān)未閉合情況下的測量數(shù)據(jù)，測量電壓為0.4686 V，對(duì)應(yīng)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(guān)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(duì)應(yīng)所測物理量為6.028 m，埋深1.972 m，實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見表1。另外，在開關(guān)未閉合時(shí)使用熱吹風(fēng)對(duì)自制探頭加熱，測得一組數(shù)據(jù)，與圖3（a）結(jié)果有所變化。

表1 系統(tǒng)工作測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示最小工作系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，自制探頭開關(guān)閉合前后，實(shí)驗(yàn)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(guān)閉合前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算閉合后理論數(shù)據(jù)，并與表1實(shí)際測量值對(duì)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(shè)開關(guān)閉合前測量電壓為UX1，虛線框內(nèi)等效電阻值為R1；開關(guān)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出供電電壓U：

將公式（1）帶入開關(guān)閉合后測量電壓UX2計(jì)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(jì)算可得，UX2的理論計(jì)算值是0.9131 V。表1中實(shí)際測量數(shù)據(jù)為0.8628 V，與理論值之間絕對(duì)誤差0.05 V，相對(duì)誤差5.5%?？紤]到溫度因素（表1），實(shí)驗(yàn)結(jié)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(gè)觀測分量，為簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)只考慮一個(gè)信號(hào)及標(biāo)定分量。該儀器最小工作系統(tǒng)由主機(jī)、數(shù)采、前置放大盒、探頭、標(biāo)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(biāo)定器和探頭分別固定在水平堅(jiān)固地面上，步進(jìn)電機(jī)和鐵芯安裝固定在標(biāo)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(hào)連接線將前置放大盒、主機(jī)和數(shù)采連接起來，搭建完成。在紫蓬山地震臺(tái)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(shí)物如圖5所示。系統(tǒng)開機(jī)實(shí)驗(yàn)，挪動(dòng)圖中傳感器中間金屬棒，在主機(jī)端可以觀測到-8 V～+8 V輸出信號(hào)電壓，而數(shù)采可識(shí)別電壓為±2 V，超出后顯示為一條直線。儀器標(biāo)定要求電壓信號(hào)在±400 mV以內(nèi)，調(diào)整后系統(tǒng)標(biāo)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(yùn)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(shí)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(gè)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集、調(diào)零和儀器標(biāo)定測試。測試完成后，可將待檢測主機(jī)、數(shù)采、前置放大盒、探頭、標(biāo)定電機(jī)等設(shè)備，接入并替換系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)設(shè)備，每次更換檢測一個(gè)，檢測完成后將系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。該系統(tǒng)也可作為儀器維護(hù)培訓(xùn)操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以提高參訓(xùn)人員對(duì)該儀器工作原理和檢測方法的認(rèn)識(shí)。

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(jī)、WL6B穩(wěn)流電源、兩個(gè)大功率琺瑯電阻（200W40RJ）組成的負(fù)載板、顯示器、鼠標(biāo)鍵盤及各類信號(hào)連接線，如圖7所示。圖中，負(fù)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(fù)載板，將采購的琺瑯電阻、瓷片電容和色環(huán)電阻按照?qǐng)D7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(fù)極采用兩個(gè)柱狀接頭；然后將負(fù)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(jī)后，連接電源和網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)搭建完畢。使用筆記本電腦通過網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)主機(jī)測數(shù)工作，主機(jī)控制穩(wěn)流電源供電，負(fù)載板模擬外線路承載穩(wěn)流電源輸出的直流電，當(dāng)主機(jī)面板顯示的正負(fù)供電電壓和電流與穩(wěn)流電源儀表盤顯示一致時(shí)系統(tǒng)工作正常。該儀器測數(shù)普遍采用2 A供電，兩個(gè)琺瑯電阻串聯(lián)共80 Ω，穩(wěn)流電源輸出電壓為160V，工作時(shí)功率約320 W。而兩個(gè)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(yùn)行時(shí)發(fā)熱較多，應(yīng)盡量縮短系統(tǒng)測試時(shí)間，并多備份幾塊負(fù)載板。另外，可將穩(wěn)流電源與負(fù)載板單獨(dú)相連，穩(wěn)流電源控制模式采用手動(dòng)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(fù)載板已制作了若干塊，分發(fā)到省內(nèi)各觀測臺(tái)站，為主機(jī)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(gòu)成：主機(jī)、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(gè)船型開關(guān)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(jī)后面板。接通電源和網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)啟動(dòng)工作，液晶屏可實(shí)時(shí)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?dú)鉁刈兓?，通過電橋?qū)⑿盘?hào)傳輸至主機(jī)，氣壓傳感器由高靈敏度壓力傳感器構(gòu)成，雨量傳感器則由手動(dòng)控制船型開關(guān)輸出脈沖信號(hào)至主機(jī)，三路信號(hào)經(jīng)主機(jī)AD板采樣后變成數(shù)字信號(hào)，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(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測試，首先等系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，測得一組數(shù)據(jù)；然后對(duì)系統(tǒng)做以下操作：用熱吹風(fēng)機(jī)對(duì)溫度傳感器加熱，向氣壓傳感器窗口內(nèi)吹風(fēng)，雨量開關(guān)通斷5次，再測得一組數(shù)據(jù)。測試結(jié)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(fēng)機(jī)的熱量傳遞給氣溫傳感器導(dǎo)致了氣溫上升，對(duì)氣壓傳感器吹氣引起風(fēng)擾使氣壓變大，雨量開關(guān)通斷5次相當(dāng)于發(fā)送5個(gè)脈沖信號(hào)，而每個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)0.1 mm雨量，結(jié)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(yùn)行的傳感器，觀察一段時(shí)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(chǔ)。

3 結(jié)語

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