JZDC-A型大地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

宋美萍,張彩艷，張文慧，范 磊，陳軍紅

(1.山西省地震局大同中心地震臺(tái)，山西 大同 037000；2.甘肅省地震局嘉峪關(guān)地震臺(tái)，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；3.山西省地震局太原基準(zhǔn)地震臺(tái)，山西 太原 030025；4.山西晉震科技有限公司，山西 太原 030000；5.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

JZDC-A型大地電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)觀測(cè)系統(tǒng)主要用于地震前大地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化異常的捕捉，為地震短臨預(yù)報(bào)提供依據(jù)和研究資料。該設(shè)備具有測(cè)量精度高、工作性能穩(wěn)定、性?xún)r(jià)比高和有人無(wú)人值守可選等特點(diǎn)，最大優(yōu)點(diǎn)是全面實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)數(shù)據(jù)的共享。設(shè)備研制標(biāo)準(zhǔn)符合中國(guó)地震局“十五”前兆數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)用戶需求采用以太網(wǎng)、本地電纜直接傳輸和無(wú)線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還可通過(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)儀器主頁(yè)并對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程控制。JZDC-A型大地電場(chǎng)測(cè)量?jī)x具有高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍等性能特點(diǎn)及良好的抗干擾能力和較高的可靠性等，主要用于觀測(cè)地電場(chǎng)強(qiáng)度及其時(shí)空變化，為地球物理場(chǎng)研究和地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)。

1 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 使用條件

工作環(huán)境溫度為-20 ℃～50 ℃，相對(duì)濕度不大于80%，電源為AC100 V～240 V 50 Hz交流電源、DC 5 V直流電源。

1.2 地電場(chǎng)儀主要性能指標(biāo)

測(cè)量準(zhǔn)確度在±0.005%FS，最大±0.02%FS，噪聲±0.002%FS；測(cè)量分辨力10 μV；頻帶范圍DC～0.005 Hz；測(cè)量范圍±1 000.000 mV；共模抑制(CMR)為120 dB(1 kΩ Source Imbalance @ 50/60 Hz)；常模抑制(NMR)為60 dB(1 kΩ Source Imbalance @ 50/60 Hz)；測(cè)量通道4個(gè)；采樣率1次/(分鐘·通道)；通訊接口有兩個(gè)計(jì)算機(jī)串口通訊，一個(gè)為調(diào)試串口，另一個(gè)為數(shù)據(jù)通訊串口。調(diào)試串口通訊參數(shù)為波特率115 200，N無(wú)校驗(yàn),8位數(shù)據(jù)位,1個(gè)停止位。數(shù)據(jù)通訊串口通訊參數(shù)為9 600，N，8，1；一個(gè)網(wǎng)口(10/100自適應(yīng))。符合中國(guó)地震局前兆設(shè)備通訊規(guī)程。儀器觀測(cè)代碼X341,測(cè)量代碼3411,3412,3421,3422。儀器編號(hào)X341SXJZ+4位順序號(hào)。傳感器接口為高抗干擾設(shè)計(jì)，±15 kV ESD保護(hù)，模塊內(nèi)部有瞬態(tài)抑制二極管，可以有效抑制各種浪涌脈沖，保護(hù)模塊，內(nèi)部的數(shù)字濾波也可以很好地抑制來(lái)自電網(wǎng)的工頻干擾。提供WEB頁(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)下載，F(xiàn)TP程序更新服務(wù)，TELNET控制服務(wù)，具有遠(yuǎn)程服務(wù)器自動(dòng)校時(shí)功能。

2 觀測(cè)方法

2.1 測(cè)量原理

地電場(chǎng)強(qiáng)度矢量是重要的地球物理常量之一(見(jiàn)第35頁(yè)圖1)。目前，在進(jìn)行地電場(chǎng)觀測(cè)時(shí)，按照分量測(cè)量、矢量合成的方法，對(duì)地表地電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)測(cè)量得到至少兩個(gè)(正交)分量以后，由如下的式1和式2可以計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)O的平均地電場(chǎng)強(qiáng)度值E和方位角α。

在進(jìn)行地電場(chǎng)分量值測(cè)量時(shí)，一般情況下測(cè)量(磁)南北和(磁)東西兩個(gè)正交分量；也可以根據(jù)觀測(cè)場(chǎng)地條件，在平行和垂直于斷層走向方向進(jìn)行測(cè)量[1]。

圖1 地電場(chǎng)矢量示意圖Fig.1 Schematic diagram of geoelectric field vector

(1)

(2)

2.2 地電場(chǎng)電極布設(shè)方法

在實(shí)際應(yīng)用中，一般按照“多方向、多極距”觀測(cè)方法布設(shè)測(cè)量線路，即在2個(gè)以上的觀測(cè)方向進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)測(cè)向布設(shè)2個(gè)以上極距的測(cè)量線路。通過(guò)對(duì)同一測(cè)向不同測(cè)道觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域相關(guān)分析研究，可以驗(yàn)證觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，檢驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果的內(nèi)在質(zhì)量[2-3]。根據(jù)不同的觀測(cè)場(chǎng)地條件，即觀測(cè)場(chǎng)地和觀測(cè)室的不同位置，可以采用如圖2所示的任一種方式布設(shè)測(cè)量裝置，其目的是使觀測(cè)室能夠盡可能靠近公共電極(O電極)，便于施工和管理。也可以采用其他方式進(jìn)行觀測(cè)裝置布設(shè)，如十字交叉或平行測(cè)道方式等。

圖2 測(cè)量裝置布設(shè)圖Fig.2 Layout of measuring device

3 軟件系統(tǒng)功能

系統(tǒng)運(yùn)行主界面、主要功能分別如圖3、圖4所示。

圖3 大地電場(chǎng)測(cè)量?jī)x客戶端系統(tǒng)主窗口Fig.3 Main window of client system of geoelectric field measuring instrument

圖4 系統(tǒng)主要功能Fig.4 Main functions of the system

4 軟件系統(tǒng)主要功能菜單

4.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集為系統(tǒng)的主要功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)儀參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、通訊日志填報(bào)的功能，通過(guò)該功能完成對(duì)觀測(cè)儀的設(shè)置。設(shè)置項(xiàng)目有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、表述參數(shù)、測(cè)量參數(shù)，同時(shí)還可對(duì)儀器直接控制，如，重啟、校時(shí)等。這些參數(shù)直接影響儀器產(chǎn)出的數(shù)據(jù)大小。根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)連接方式不同，需在不同的窗口中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。在菜單“串口觀測(cè)儀數(shù)據(jù)采集”窗口中，以串口直連方式的參數(shù)設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)方式的觀測(cè)點(diǎn)，需在服務(wù)器上的TCP/IP通訊單元中進(jìn)行設(shè)置(見(jiàn)第36頁(yè)圖5)。

圖5 數(shù)據(jù)采集設(shè)置界面Fig.5 Data acquisition setting interface

4.2 數(shù)據(jù)顯示

觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示分圖形方式與數(shù)據(jù)方式(見(jiàn)第36頁(yè)圖6、圖7)。圖形方式是在坐標(biāo)上以折線圖形顯示觀測(cè)值，可同時(shí)顯示北南長(zhǎng)、北南短、東西長(zhǎng)、東西短4個(gè)值的折線圖；數(shù)據(jù)方式是將窗口分為兩部分，上部分以

圖6 圖形顯示窗口Fig.6 Graphic display window

圖7 數(shù)據(jù)顯示窗口Fig.7 Data display window

折線圖顯示，下部分以表格形式顯示。該方式只能顯示1個(gè)數(shù)值，不能同時(shí)顯示4個(gè)值。不論是圖形方式還是數(shù)據(jù)方式顯示，都需選擇進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)，選擇觀測(cè)點(diǎn)、數(shù)據(jù)日期范圍、數(shù)據(jù)種類(lèi)(分鐘值、時(shí)均值、日均值)。

5 實(shí)際應(yīng)用

該系統(tǒng)已在靈石縣、交口縣、文水縣地震局等單位安裝觀測(cè)。十年來(lái)，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)較少；觀測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)、完整率高。如圖8所示，為該系統(tǒng)產(chǎn)出的靈石縣和文水縣地震局觀測(cè)數(shù)據(jù)波形。

圖8 系統(tǒng)產(chǎn)生的觀測(cè)數(shù)據(jù)波形Fig.8 Data wave of the system

6 結(jié)語(yǔ)

JZDC-A型大地電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)觀測(cè)系統(tǒng)研發(fā)完成后，分別在山西省和遼寧省等地進(jìn)行安裝、運(yùn)行。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、性能穩(wěn)定、良好的抗干擾能力和有人無(wú)人值守可選等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)共享。研制標(biāo)準(zhǔn)符合中國(guó)地震局“十五”前兆數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)用戶需求采用以太網(wǎng)、本地電纜直接傳輸和無(wú)線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)儀器主頁(yè)并可對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。操作系統(tǒng)人性化、功能強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單，可自動(dòng)生成各類(lèi)圖件、報(bào)表。目前，為地方地震區(qū)域監(jiān)測(cè)已提供近十年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用效果良好。