VP型宽频带潮汐观测仪的研制①

VP型宽频带潮汐观测仪的研制①

E-mail：matianitian123@163.com。

马武刚， 吴艳霞， 胡国庆

(中国地震局地震研究所地震大地测量重点实验室，湖北 武汉 430071)

摘要：摆式潮汐观测仪是记录由天体相互作用力引起的地倾斜固体潮变化的地震前兆观测设备。基于VP型宽频带潮汐观测仪的研制过程论述其原理及应用，得出VP型宽频带潮汐观测仪具有频带宽、易操作、采样率高的特点。

关键词：VP型； 宽频带； 自动调零； VS型

收稿日期：①2014-07-04

基金项目：中国地震局地震科技星火计划攻关项目(XH15030)；中国地震局公益性行业科研专项(201208002)；中国地震局地震科技星火计划攻关项目(XH14034)

作者简介：马武刚，男，助理研究员，现主要从事宽频带地震仪器(垂直摆倾斜仪和相对重力仪)的研发工作。

中图分类号:P315.62文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0873

DevelopmentofVP-typeBroadbandTideMeter

MAWu-gang,WUYan-xia,HUGuo-qing

(Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, Wuhan 430071,Hubei,China)

Abstract：The VP-type broadband tide meter was developed by improving the circuit system, mechanical system, data acquisition system, and control system on the basis of VS vertical pendulum tiltmeter, a kind of seismological observation instrument used to record earth tides. A good design of the mode of oscillation circuit and zero circuit was needed to improve the circuit system, because it could simplify the instrument circuit, reduce the failure rate caused by electronic circuit, make the continuous operation stable. A reasonable mechanical instrument design, including the design of automatic zero adjustment mechanism and instrument chassis, can simplify the whole structure, make the weight and dimension of the instrument smaller, and easy to be transported and installed. The improvement of data acquisition system includes the improvement of sampling rate, the increase of sampling channel and data storage capacity, and the design of switch control channel. The automatic zero adjustment function was also added. Compared with traditional tiltmeters, VP-type broadband tide meter is easy to install and maintain, for it can store more data and realize remote auto zero. The most obvious advantage of it is that its response to high-frequency signal is sensitive by improving the circuit and mechanical systems, and it can record more seismic information to better service for the earthquake prediction.

Keywords：VP;broadband;auto-zeroing;VS

0引言

竖直摆式潮汐观测仪(亦称垂直摆倾斜仪)[1]是记录倾斜固体潮的地形变观测设备，是三种洞体倾斜仪(水管倾斜仪、垂直摆倾斜仪、水平摆倾斜仪)中的一种。与水管倾斜仪和石英水平摆倾斜仪相比，垂直摆倾斜仪在传感器方式、机械结构、电路结构和运行维护等方面更简单实用，因此它作为地形变观测的主要设备在地震系统得到了广泛应用[2]。VP型宽频带倾斜仪是近年新研制的垂直摆倾斜仪，本文主要从仪器的设计原理、电路结构、机械设计和应用等方面对VP型宽频带倾斜仪进行论述，并与同类型的传统VS型垂直摆倾斜仪进行比较，得出VP型宽频带倾斜仪具有设计简单，安装维护方便，记录固体潮信息更多，精度更高的结论。

1设计原理分析

仪器设计原理：先由高精度差分式电容位移传感器拾取地倾斜固体潮信号(水平而非垂直应变信号)[5]，然后通过放大、滤波、整形等信号调理电路把这种微变信号转变为电压信号，再通过数据采集器记录电压信号，还原成固体潮信息。此设计原理的核心为高精度电容式位移传感器(图1)。在电容测微器中采用三片式的差动位移传感器，中间为活动板，两边为固定板。由于动板离零位的距离△L与传感器的输出电压U3成正比，故由U3可以求出动板与零位的距离，即可根据输出电压的变化量求出动板位移的变化量。

图1　电容传感器结构图 Fig.1　Structure of capacitance sensor

基于此设计原理，结合VS垂直摆倾斜仪使用过程中出现的问题，VP型宽频带倾斜仪对仪器的机械和电路等方面进行了设计，具体表现在以下四个方面。

1.1机械设计

(1) 电容位移传感器机械设计

电容传感器设计包括：①稳定的垂直摆悬挂机构主题支架;②高度平行的定片;③可垂直方向自由摆动的动片;④可靠的锁摆机构。其中柔丝由两根0.02mm×0.5mm×100mm3J53衡弹性合金制成。加厚的传感器外屏蔽罩和双层(高强度AB胶和703防水硅橡胶)密封胶的方式，使得仪器的气密性得到显著改善。具体结构如图2所示。

图2　垂直摆机械结构图 Fig.2　Mechanical struture of the vertical pendulum

(2) 仪器底盘设计。底盘作为垂直摆倾斜仪传感器的承载体，一方面决定了传感器的基线长度，另一方面也决定了传感器自身结构的稳定性。对于基线式观测设备，基线越长信噪比越高，所以底盘的设计要兼顾仪器的稳定性和信噪比。VP型宽频带倾斜仪的底盘采取了与VS型垂直摆倾斜仪不同的形状[3]，即等腰直角三角形。这种形状使其获得了比等边三角形更长的基线，但降低了少许稳定性，对此等腰直角三角形底盘通过加厚来进行弥补。图3为投入实际观测的VP型宽频带倾斜仪外观。

图3　VP型宽频带倾斜仪本体 Fig.3　VP vertical pendulum tiltmeter

1.2电路设计

(1) 信号调理端振荡电路设计。

振荡电路通常包括正弦振荡电路和方波振荡电路。在垂直摆倾斜仪中，它的主要作用是既为电容传感器的定片提供激励信号又为同步检波电路提供同步信号。

VS型垂直摆倾斜仪采用正弦波振荡电路，具体原理如图4所示：首先启动程控时钟信号发生器，送出时钟频率f, f推动一个顺序地址发生器，产生连续变化的地址，将EPROM中存储的正弦信号编码内容顺序读出，然后通过锁存器及DAC输出正弦波形中的一个电压点；循环进行产生一个波形输出。其优势在于正弦波是频率单纯的波，无高次谐波成分，因此抗干扰能力优于方波电路。

图4　正弦波发生器 Fig.4　Sine wave generator

VP型宽频带倾斜仪采用方波振荡电路，由运放和RC构成方波电路，并由4069芯片进行整形和反向，空比为1∶1的两路大小相等、相位相反的方波。方波电路简单，调试方便，易起振，方波形态较好，但是方波信号较容易受到干扰，不能接感性负载。

图5中R1和C1及U1构成RC振荡电路，振荡信号通过芯片CD4069(图中U2A)进行整形输出，得到稳定的时间常数为RC的方波振荡信号。

图5　振荡电路 Fig.5　Oscillating circuit

由以上分析可知：VP型宽频带倾斜仪的设计采用方波振荡信号，该方波震荡信号的有效值远大于采用正弦波振荡的VS垂直摆倾斜仪。由于振荡信号幅度增强，所以传感器输出信号幅度也得到加强，从而可以降低后端放大电路的放大倍数，使得仪器的滤波常数得到降低，使仪器的频带宽度得到拓展。同时VP宽频带倾斜仪采用比例放大电路，提高了放大器的增益稳定性，减小了噪声，提高了信噪比，也拓展了仪器的频带宽度。

(2) 数据采集器设计。

采样率是指仪器提取记录原始数据的速率。VP型采样率为1次/秒，比VS型采样率提高了60倍，并且相应的数据存储空间增大为原有的30倍。通过如此改进，VP型宽频带倾斜仪能够比VS型垂直摆倾斜仪记录更多的地震信息和存储更多的固体潮数据。

此外，VP型宽频带倾斜仪数据采集器增加了以下新的功能：远程格值修改，单分量调零，单分量标定，单分量记录数据屏蔽等。表1给出了VP型宽频带倾斜仪数据采集器性能参数表。

表 1　 VP型垂直摆倾斜仪数据采集器性能参数

1.3自动调零设计

由于仪器所处观测环境等外因和仪器自身电子元件、机械结构等内因两方面的综合影响，高精度地形变观测仪器本身都存在“零漂”现象。为了减小“零漂”对观测数据的影响，需要人工干预把地形变观测仪器的传感器调整至观测的初始状态。

VP型垂直摆倾斜仪具有远程自动调零功能(通过网络指令)，能对仪器的“零位”进行远程调整，并达到200 mV以内的调整精度；而传统的VS型垂直摆倾斜仪采取人工调零的方式，需要工作人员进入山洞现场对仪器进行操作。这样工作人员本身的重量和其操作熟练程度都会对仪器的调零精度产生影响，也会增加工作量。

图6为VP型宽频带倾斜仪自动调零结果，并给出了VS垂直摆倾斜仪手工调零结果。由图可以看出：VP型宽频带倾斜仪的调零未产生往复动作，并且东西方向仪器调零操作未影响到南北方向仪器的记录；VS型垂直摆倾斜仪的调零产生了往复动作，南北向仪器调令操作使得东西向仪器记录产生了异常。

图6　调零曲线比较图 Fig.6　Zeroing curves comparison between VP and VS

2应用分析

根据中国地震局前兆台网入网仪器规范要求，VP型宽频带倾斜仪建立了包括出厂平台校准和现场静电校准等在内的完善的测试方案，因此能够提供格值、分辨力、校准重复性等技术参数[4]，使得仪器更加规范、更适合产业化。目前该仪器已在国内50多个地震前兆台网布设安装，并运行良好。以下是其应用实例：

图7是2009-10-08 瓦努阿图7.7级地震。由图可见，两种仪器同一方向的记录曲线对比，VP型比VS型记录到了更多的地震信息,同震响应更加明显[7]，而且记录的地震幅度也明显较大。

图7　仪器记录曲线 Fig.7　Comparison of the recording curves

表2为湖北省宜昌地震台三种倾斜观测设备2009年倾斜观测EW向潮汐因子中误差统计。从表2中可以看出，VP型宽频带倾斜仪观测的潮汐因子中误差优于VS型垂直摆倾斜仪、水管倾斜仪，该仪器受环境干扰影响小于同类倾斜仪，稳定性较高。

表 2　观测精度比较

3结论

结合VP宽频带倾斜仪的研制过程，论述其设计原理、机械电路结构、应用状况等。与传统垂直摆倾斜仪相比，新型的VP型宽频带倾斜仪的频带宽度可达84 s到直流频段，能够记录到更多的地震前兆信息；机械电路设计合理规范使得其安装调试方便快捷，运行维护亦可实现远程自动调零控制功能；数据采集器采集存储速率更快，存储容量更大。所以该仪器具有良好的使用前景，但目前只停留在记录固体潮层面，与实现监测预报地震还有很大距离，所以发展新型传感器[6]、创新设计思想应该成为广大地震仪器工作者努力的方向。

参考文献(References)

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