“地面倾斜及位移速度记录仪”设计构想

范雷彪，李 南

(包头市地震局，内蒙古 包头 014010)

0 引言

防灾减灾理念已逐步融入社会进而已形成一项学科，但是任何一个学科的发展完善都需要有相应的技术手段的支撑。现如今我们面对火山喷发、地质滑坡的预警预测以及大型水坝安全监测等灾害预防工作中专用的仪器设备较少，主要依赖的是地震前兆仪器以及大地测量技术中仪器设备。这些仪器设备虽然能发挥出一定的作用，但必定不属专用设备在效果上与理想需求必然存有不小的差距，因为不同的仪器在设计时均有针对性(有环境和用途的特殊考虑)。能否根据火山运动和地质灾害发生的特征需求设计出一款价格低廉、性能稳定、操纵简介方便、便于携带安装，观测效果明显的仪器?笔者基于这一想法提出了“地面倾斜及位移速度记录仪”的设计。

1 仪器的工作原理及结构

1.1 工作原理

仪器的工作原理可由一个小实验清楚的表现出来，在一个平底的托盘上面放个乒乓球双手端起托盘当一端被轻微抬起时乒乓球会产生滚动变化;当双手突然间对托盘产生水平运动，乒乓球就会朝着反方向运动。从这个实验中可知如果知道了乒乓球的运动就能够测定出地表变化，但是这里需要考虑的关键问题是摩擦系数的掌握，如果摩擦系数过小，就像托盘与乒乓球的摩擦阻力系数那样太小，乒乓球的平衡稳定性差难以把握。如果为托盘盛上水结果摩擦阻力系数过大又反应不出运动效果，因此找到合适的阻力系数是决定该方案能否被应用的关键所在。

1.2 基本结构

设制一个直径为1.5 m，高6cm的玻璃盘(图1)，玻璃盘被安放在三角形的不锈钢底座上(底座上有保护支架固定玻璃盘)，底座的三个角上分别安有水平调节旋扭。在盘中盛满水银(选用水银是因为水银的浮力大，温度系数小)，水银面上先垫一块玻璃板，再在玻璃板上铺一层用两层玻璃纸薄膜叠合成的覆盖层。在盘的中心点处放一个直径为12 cm的空心合金钢球(要求导电性能及抗腐性好，钢球壁厚由工艺要求决定越薄越好)，对球的内腔和局部侧壁处有些特殊要求，首先在内腔的中心位置，设置有四周镶有反光镜片的正方体的，正方体通过上下端的连杆与球体两端连接。其次在球的中心位以东、西、南、北四个对应方位分别开出宽2 mm，高20 mm的缝隙槽(光束从此进入并反射)。之后对整个玻璃盘加个塑料盖罩，在罩的顶部有“十”型中心标志作为钢球的中心位置点的调节点。为了防止水银外漏，水银的密封采用弹性橡胶圈加密封油的方法(图2)。

图1 仪器整体结构Fig．1 Instrument overall structure1—玻璃盘;2—发射器及接收器;3—触电碰珠;4—正方形反射体;5—发射器及接收器;6—玻璃纸薄膜;7—弱磁铁。

设置两层玻璃纸薄膜有两重目的，一是为钢球与滚动面间找到一个合适的摩擦系数;二是为安装循环导线起阻隔作用。在第一层玻璃纸薄膜的上面呈同心圆状布设有一环环间隔的闭合导线，同心环状闭合导线是由铜镍合金纸制成，其厚度0.2 mm;宽50.0 mm，每一环的间隔距离为2.5 mm。在两层玻璃纸薄膜中间是对应布设有每一环的引出线，每条引出线在接点处与同心环进行焊接(将接口处玻璃纸破开小排孔)，这样在接线时要求循环圈 1、3、5、7、9…接正;2、4、6、8…接负，电源与电子计数器及数采器相连(图3)。在布好环形导线及引线后将未布导线的其余地方用相同厚度的绝缘纸填补铺平，以保证两玻璃纸薄膜的平整度及表面的光滑，同时对两层玻璃纸薄膜边沿进行封口。这样设计涉及到一个工艺精度问题，即要保证表面光滑度最大限度的减少凸沿阻力问题。因此仪器中所涉及到得所有同心环均需采用冲压工艺生产，好的冲压设备的加工精度可达0.1 mm以内，而且钢球的直径较大这样就可消除凸沿阻力问题。

图2 密封结构Fig．2 nermetic structure1—玻璃盘;2—密封油;3—柔性橡胶;4—玻璃纸薄膜。

图3 循环电路示意图Fig．3 Cycling circuit

在盘的外沿边以东西南北四个方位分别布设有四个光点测微发生器，其位置与钢球的直径处于同一个水平线(图1)。

对盘面以5°的扇面进行等份分隔共有72等分，在每个等分点处安装一个触点碰珠，再对每个碰珠点的位置进行编号及有1、2、3、…72共有72个号位。

2 位移速度变化量的测量

2.1 位移加速度的确定

当有地震发生时钢球先是沿着起始方向运动一下，随后会向着反方向运动，我们依据钢球的这一反向运动速度的变化来判定地表的变化。

具体方法:由于在玻璃纸薄膜上布有环形闭合导线圈，当钢球在运动时必然将每个导线圈逐个形成回路，既N1—N2接通;N3—N4接通;依据循环闭合导线被接通时间以及间隔时间就可知道钢球在整个运动过程的运动速度及加速度。在计算前需对钢球运动的阻尼情况在实验室做出测定，在计算分析时加入此数据就可准确的反推算出地表的实际运动情况。

2.2 方向的确定

由于在盘的内沿壁处装有触点碰珠以及对每个碰珠位进行了相应的编号，依据编号所在的位置就知道每个碰珠点所代表的一个方位角度。当钢球运动时碰到盘壁必然触动碰珠。与环形闭合导线一样也设计一套循环电路，碰珠的1号位点接电源的正极，其余各点均接电源的负极，在正常状态时电路是处于断开状态，只有当钢球接触到碰珠并将其向里推进时电路才被导通，并在电子计数器上有所记录。根据这个记录知道了某个碰珠被触发以及事先为其定的方位就知道了地表的运动方向。

3 地表倾斜变化量的测量

测量地面的倾斜变化是由光电测微技术来实现的，既由盘沿上的东西南北四个光束发射器与接收器定时间隔发射、接收光束(每隔3 h发射一次)，每次发射的时间为2～3 s。光束的接收器是由单晶硅体条(光电感应材料)逐个排列构成，每个单硅晶体条的宽度2.5 mm，其阻值为R，当光束打射到单晶硅面时会产生电流［1］，导通该电流并对其进行阻值测定就知道光束点的不同位置。在初始状态时地面没有发生倾斜变化光束是直接打到在钢球的直径处进行反射，此时在接收器的位置对应是零点区域，同时对接收器进行正负设定，上为正下为负。当地面出现倾斜变化时支座与盘面也跟着倾斜使光束的发射器的位置跟着改变，而水银面是不会倾斜的(就像水桶里盛满水后在其上放一木板，不论水桶怎样倾斜木板始终保持水平)，于是光束带有角度，进而导致反射角度也随之变化。此时光束会射到单晶硅面的点位随地面倾斜量的大小而变化，倾斜量越大其反射角度越大，光束反射到单晶硅面的位置就会越向下(或向上)，产生的导出电流其阻值就增大，我们可依据阻值的不同就可知道光束的位置，进而推算到角度的大小，最终测算到地表倾斜量的变化。

该仪器所能测量到的形变量可用个简单的计算来说明，假设地面出现倾斜反射角达到1°，那么 tg1=0.017×750=525 mm，由这个值可以看出该方法即使1/100度的变化也能体现出。因为一度(1°)=60分=3600角秒，1/100度及36角秒，对应在接收器上的距离量是5.25 mm.，由此可见，在正常情况下大地形变年变化量由几十到几百角秒的变化量足以在接受器的面板上反映到［2-3］。

应用该仪器主要测量到的是地面缓慢中产生的倾斜变化量，同时该方法是在东、西、南、北四个方向上同时测量，各点的观测数值是不同的，不仅有量的差别还有正负方向上的区分，此时配合上专用软件就可描绘出该地区前后地形貌变化过程，可获得的是一个二维的连续的整体形变特征，这对地形变研究来讲有着非常重要的意义，也可为地震预报能提供出一种参考信息。

4 辅助设施

4.1 观测室的建造

水银的电阻率在0℃和20℃度的值分别是94.08和95.8，可见其值变化非常小温度系数仅为0.99，因此只要观测房屋的年温差不大于10℃就不会影响仪器的观测，这样建一个普通地下室就可以满足观测要求(建一个4 m×4 m高3 m的地下室，附带地表房屋有2～3万的投入元即可完成)。

4.2 无线电信号发射与接收装置

由于该仪器属预警类型仪器，它所记录到的信息特别钢球运动所反应出的地面运动是随时、瞬息的，而此信息对我们又非常重要因此需要配置一套无线电发射与接收装置及时掌握此信息的发生，当钢球碰到触点碰珠后不仅记录器要有记录而且我们也能及时了解便于分析数据。

4.3 仪器的抗干扰性能的保证

一般性的干扰钢球是不会产生整盘运动，只会在限定其在第一个循环闭合导线圈直径范围内活动(第一个循环闭合导线圈的直径设为10 cm)，最终要求钢球必须回到中心圆的位置。

为此提出以下两项保障措施:①在空心钢球内再放置一个实心小钢球起到增大起始阻尼和自动回位调整作用，由于钢球的起始阻尼值较大，有了实心钢球后空心钢球的运动加大了钢球的回弹力度，易使空心钢球回到起始位。②在玻璃薄膜纸的下面放一个较弱的磁铁片，对钢球产生一定的吸附力，当遇较弱的干扰振动它起到时时调整钢球回位的作用，出现大的振动如地震弱磁力不足以影响钢球的滚动。

5 仪器的用途及作用

5.1 火山活动的监测

用“地面倾斜及位移速度记录仪”监测火山活动要比用地震前兆仪器更合理更理想，因为地震前兆仪器灵敏度高、价格高，对环境要求苛刻，仪器需要的稳定时间较长，投入成本及维护成本均较大，有这些因素的存在导致人们放弃了对许多隐患火山的监测活动，这无疑是加重灾害损失。由于“地倾斜及位移速度变化记录仪”具有低成本、适中的灵敏度、较好的稳定性，用其监测火山活动是种非常理想的仪器。

具体观测方法:沿火山体周围等水平位布设三台仪器，然后也可在山体外再布设一、二台仪器。

观测结果分析:如果三台等水平位仪器出现倾斜变化一致性，说明火山体与周围成一体变化应该属正常现象;如果三台仪器出现倾斜变化各异，说明是在山体内部产生了运动，应引起注意，为了验证此判断这时就需要观察山体外仪器的变化与山体内仪器变化特征，来近一步证实。如果外部没有大的变化特征，而内部变化量明显说明三台仪器的记录结果是可信的。

5.2 对地质滑坡的预测与预警

每次大的山体滑坡都会有一定的征兆，会出现小幅度的向下突变，这种突变人是感觉不到的(即陂体面突然斜向运动从几厘米到十几厘米不等)［3］，这是我们判定山体是否出现滑坡的一项重要依据，为此在仪器的布设上应该采用的是径向直线法。

具体做法:沿山陂走向至上而下布设3、4台仪器，当坡体出现突变时是属瞬间的振动，反应到仪器上是液面出现倾斜变化的同时也使钢球产生滚动。对于整个坡体出现突变变化量是呈梯度变化的，因此各仪器记录到的钢球运动速度也是不同的(接近突变点的仪器变化量大，距离远则小)，由此我们可以依据发生突跳的频次、振幅量的大小这些特征来做出该地区是否会发生山体滑坡以及大致发生的时间这样的一些基本结论。

6 结束语

关于仪器中水银的使用是权宜之策，笔者设计的初衷是想用一种不挥发、无腐蚀、粘性阻力小、温度系数低、价格低廉的理想液体与亚克力板结合应用，而且其比重需达到2.0以上(因为亚克力的比重为1.2)，可目前还没有找到合适的液体只能用水银与玻璃板结构的形式来展示其作用过程。

“地面倾斜及位移速度记录仪”是一款将地形变观测与地振动参数记录于一体的综合仪器，该仪器的优点:单台成本造价低、加工工艺要求不高抗干扰性强，对环境要求低不需架设专用电源，有一个蓄电瓶的电量即可满足要求易于实现广泛推广，这些特征非常适合灾害观测的要求短时性、低成本、便携移动性。同时仪器的日常维护简单台站人员只需定时更换电瓶、采集数据，有变化后及时调整钢球的中心位置即可。

［1］杨永才.光电信息技术［M］.上海:东华大学出版社，2002.YANG Yongcai.Shanghai:Donghua University press，2002.

［2］中国地震局监测预报司.大地测量与形变［M］.北京:地震出版社，2007.Monitoring and ForecastingDepartmentofChina Earthquake Administration. Geodetic survey and deformation［M］.Beijing:Earthquake Press，2007.

［3］田启文.工程地震学基础［M］.北京:地震出版社，2010.TIAN Qiwen. Engineering seismology foundation［M］.Beijing:Seismological Press，2010.