2 m 短基線水管傾斜儀的設(shè)計(jì)＊

孟麗娟，歐同庚，李 震，耿麗霞，李農(nóng)發(fā)2，

（1.防災(zāi)科技學(xué)院電子科學(xué)與控制工程學(xué)院，河北 廊坊 065201；2.中國(guó)地震局地震研究所，湖北 武漢 430071；3.武漢地震科學(xué)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(cè)與預(yù)警處置技術(shù)研究中心，湖北 咸寧 437000）

水管傾斜儀是自動(dòng)測(cè)量地殼傾斜變化的一種精密儀器，用來測(cè)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(guó)100 多個(gè)臺(tái)站安裝使用20 余年，包括玻璃和不銹鋼等不同材質(zhì)缽體的水管傾斜儀，對(duì)于地殼傾斜變化和固體潮汐變化觀測(cè)來說，儀器觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量要高并且要長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠。但DSQ 型水管儀所采用的差動(dòng)變壓器傳感器分辨力為10 nm，需要較長(zhǎng)的基線來保證觀測(cè)信噪比。臺(tái)站水管傾斜儀長(zhǎng)度一般為20～30 m[2-3]。隨著時(shí)間的推移，臺(tái)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(zhǎng)的洞室成本高。因此，縮短水管傾斜儀基線是一個(gè)切實(shí)可行的方法。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

短基線水管傾斜儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，水管傾斜儀一端缽體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該儀器呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，上下蓋板之間放置內(nèi)壁打磨光滑的不銹鋼缽體，缽體內(nèi)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(dǎo)向簧片和電容傳感器的動(dòng)片，與2個(gè)定片通過陶瓷墊塊和長(zhǎng)螺絲連接成差動(dòng)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(cè)量控制系統(tǒng)組成。

圖2 水管儀缽體實(shí)物圖

1.1 頻帶拓寬設(shè)計(jì)

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(jié)連接的玻璃管，采用不銹鋼管作為基線是因?yàn)樗哂惺褂脡勖L(zhǎng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定和便于運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。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(fā)生的可能性。

據(jù)理論分析得儀器固有周期為：

據(jù)臨界阻尼狀態(tài)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(zhǎng)度；a為水管的截面積；Φ為缽體的內(nèi)直徑[4]；μ為液體的粘滯系數(shù)；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(yīng)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(zhǎng)度成正比例關(guān)系，為了保證觀測(cè)質(zhì)量，儀器基線縮短需要更高靈敏度的傳感器來測(cè)量液面高程變化，通過分析傳感器的性能得出，基線長(zhǎng)度不應(yīng)小于原有長(zhǎng)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(zhǎng)度D=183 cm。則將各個(gè)參數(shù)代入式（1）可得儀器的固有周期為5.76 s。

1.2 介質(zhì)選取

傳統(tǒng)水管傾斜儀采用蒸餾水作為工作介質(zhì)容易蒸發(fā)，而新型水管傾斜儀采用差容式傳感器易受濕度等環(huán)境因素影響，水蒸發(fā)會(huì)改變電容傳感器的介電常數(shù)，使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。提出采用油介質(zhì)代替蒸餾水介質(zhì)解決工作介質(zhì)易蒸發(fā)問題。

2 傳感器及電路設(shè)計(jì)

位移傳感器是水管傾斜儀測(cè)量電路的核心，地殼傾斜變化經(jīng)過電容傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路輸出直流電壓信號(hào)。

2.1 傳感器的選擇與設(shè)計(jì)

為了清晰地觀測(cè)傾斜固體潮汐的變化，并滿足DB/T 31.1—2008《地震觀測(cè)儀器進(jìn)網(wǎng)技術(shù)要求 地殼形變觀測(cè)儀 第1 部分：傾斜儀》規(guī)范的要求，水管儀的分辨力應(yīng)優(yōu)于0.000 2″。在基線長(zhǎng)度D=1.83 m 條件下，需測(cè)量的最小液位變化差為Δhmin。

DSQ 型水管傾斜儀采用差動(dòng)變壓器傳感器進(jìn)行液面位移測(cè)量，其分辨力約為10 nm，無法滿足短基線條件下的測(cè)量要求，因此需要設(shè)計(jì)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(yōu)于1.8 nm，因此選擇較為成熟的差動(dòng)電容傳感器對(duì)短基線水管傾斜儀進(jìn)行微位移測(cè)量。

電容傳感器實(shí)物如圖3 所示。差動(dòng)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(dòng)片。電容傳感器的定片面積比動(dòng)片面積大時(shí)，可以減少邊緣效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。差動(dòng)電容傳感器可以等效為2 個(gè)電容的串聯(lián)，當(dāng)傳感器處于初始位置時(shí)，傳感器動(dòng)片與2 個(gè)定片的極板間距是相等的，可以計(jì)算出該傳感器的初始電容值，當(dāng)傳感器的動(dòng)片位置發(fā)生變化時(shí)，可以得到電容值的變化量。因?yàn)閯?dòng)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(guān)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(dòng)片位移的變化值。

圖3 電容傳感器實(shí)物圖

2.2 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

測(cè)量電路原理框圖如圖4 所示。該電路采用三端穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定電壓。為保證電壓波形頻率和幅度具有良好的穩(wěn)定性[5]，振蕩電路采用CD4060B 計(jì)數(shù)器芯片和晶體震蕩器組成[6]。該電路產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、方向相反的正弦激勵(lì)信號(hào)接入電容電壓轉(zhuǎn)換電路。經(jīng)轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號(hào)幅值較小，為了檢測(cè)出有效信號(hào)，必須對(duì)前級(jí)輸出信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)經(jīng)同步檢波進(jìn)行電路解調(diào)，來達(dá)到準(zhǔn)確提取信號(hào)的目的[7]。檢波后的信號(hào)經(jīng)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(yàn)證電路的可行性，將設(shè)計(jì)的電路在Multisim 中仿真，當(dāng)仿真結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致時(shí)，繪制電路原理圖并將其制作成PCB 板進(jìn)行調(diào)試，以便將其接入水管傾斜儀內(nèi)實(shí)現(xiàn)電路測(cè)量，PCB 板如圖5所示。

圖5 電路板

3 搭建儀器

首先對(duì)新型水管傾斜儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并加工出整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的零器件，零件加工完成以后對(duì)其進(jìn)行組裝；其次，組裝儀器時(shí)考慮電路測(cè)量部分，將機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路測(cè)量部分銜接完好，最后將液體工作介質(zhì)由原來的蒸餾水替換成現(xiàn)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(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)水管傾斜儀的不足，設(shè)計(jì)了一種新型短基線水管傾斜儀，短基線水管傾斜儀比傳統(tǒng)水管傾斜儀占據(jù)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(xù)需研究和設(shè)計(jì)新型水管傾斜儀的標(biāo)定裝置，兩端缽體內(nèi)差動(dòng)電容傳感器電靈敏度調(diào)節(jié)程序，并對(duì)水管傾斜儀進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，驗(yàn)證儀器的可靠性。