JZDC-A型大地电场观测系统研发与应用

宋美萍,张彩艳，张文慧，范 磊，陈军红

(1.山西省地震局大同中心地震台，山西 大同 037000；2.甘肃省地震局嘉峪关地震台，甘肃 嘉峪关 735100；3.山西省地震局太原基准地震台，山西 太原 030025；4.山西晋震科技有限公司，山西 太原 030000；5.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

JZDC-A型大地电场场强观测系统主要用于地震前大地电场观测数据变化异常的捕捉，为地震短临预报提供依据和研究资料。该设备具有测量精度高、工作性能稳定、性价比高和有人无人值守可选等特点，最大优点是全面实现了观测数据的共享。设备研制标准符合中国地震局“十五”前兆数字化网络观测设备行业标准，可根据用户需求采用以太网、本地电缆直接传输和无线传输方式进行数据采集，还可通过以太网访问仪器主页并对设备远程控制。JZDC-A型大地电场测量仪具有高灵敏度、大动态范围等性能特点及良好的抗干扰能力和较高的可靠性等，主要用于观测地电场强度及其时空变化，为地球物理场研究和地震监测预报服务。

1 系统主要技术指标

1.1 使用条件

工作环境温度为-20 ℃～50 ℃，相对湿度不大于80%，电源为AC100 V～240 V 50 Hz交流电源、DC 5 V直流电源。

1.2 地电场仪主要性能指标

测量准确度在±0.005%FS，最大±0.02%FS，噪声±0.002%FS；测量分辨力10 μV；频带范围DC～0.005 Hz；测量范围±1 000.000 mV；共模抑制(CMR)为120 dB(1 kΩ Source Imbalance @ 50/60 Hz)；常模抑制(NMR)为60 dB(1 kΩ Source Imbalance @ 50/60 Hz)；测量通道4个；采样率1次/(分钟·通道)；通讯接口有两个计算机串口通讯，一个为调试串口，另一个为数据通讯串口。调试串口通讯参数为波特率115 200，N无校验,8位数据位,1个停止位。数据通讯串口通讯参数为9 600，N，8，1；一个网口(10/100自适应)。符合中国地震局前兆设备通讯规程。仪器观测代码X341,测量代码3411,3412,3421,3422。仪器编号X341SXJZ+4位顺序号。传感器接口为高抗干扰设计，±15 kV ESD保护，模块内部有瞬态抑制二极管，可以有效抑制各种浪涌脉冲，保护模块，内部的数字滤波也可以很好地抑制来自电网的工频干扰。提供WEB页观测数据下载，FTP程序更新服务，TELNET控制服务，具有远程服务器自动校时功能。

2 观测方法

2.1 测量原理

地电场强度矢量是重要的地球物理常量之一(见第35页图1)。目前，在进行地电场观测时，按照分量测量、矢量合成的方法，对地表地电场强度进行测试。当测量得到至少两个(正交)分量以后，由如下的式1和式2可以计算得到测点O的平均地电场强度值E和方位角α。

在进行地电场分量值测量时，一般情况下测量(磁)南北和(磁)东西两个正交分量；也可以根据观测场地条件，在平行和垂直于断层走向方向进行测量[1]。

图1 地电场矢量示意图Fig.1 Schematic diagram of geoelectric field vector

(1)

(2)

2.2 地电场电极布设方法

在实际应用中，一般按照“多方向、多极距”观测方法布设测量线路，即在2个以上的观测方向进行测量，每个测向布设2个以上极距的测量线路。通过对同一测向不同测道观测数据进行时域相关分析研究，可以验证观测数据的可靠性，检验观测结果的内在质量[2-3]。根据不同的观测场地条件，即观测场地和观测室的不同位置，可以采用如图2所示的任一种方式布设测量装置，其目的是使观测室能够尽可能靠近公共电极(O电极)，便于施工和管理。也可以采用其他方式进行观测装置布设，如十字交叉或平行测道方式等。

图2 测量装置布设图Fig.2 Layout of measuring device

3 软件系统功能

系统运行主界面、主要功能分别如图3、图4所示。

图3 大地电场测量仪客户端系统主窗口Fig.3 Main window of client system of geoelectric field measuring instrument

图4 系统主要功能Fig.4 Main functions of the system

4 软件系统主要功能菜单

4.1 数据采集

数据采集为系统的主要功能，实现对观测仪参数设置、数据采集、通讯日志填报的功能，通过该功能完成对观测仪的设置。设置项目有网络参数、表述参数、测量参数，同时还可对仪器直接控制，如，重启、校时等。这些参数直接影响仪器产出的数据大小。根据观测点连接方式不同，需在不同的窗口中进行参数设置。在菜单“串口观测仪数据采集”窗口中，以串口直连方式的参数设置，网络方式的观测点，需在服务器上的TCP/IP通讯单元中进行设置(见第36页图5)。

图5 数据采集设置界面Fig.5 Data acquisition setting interface

4.2 数据显示

观测数据显示分图形方式与数据方式(见第36页图6、图7)。图形方式是在坐标上以折线图形显示观测值，可同时显示北南长、北南短、东西长、东西短4个值的折线图；数据方式是将窗口分为两部分，上部分以

图6 图形显示窗口Fig.6 Graphic display window

图7 数据显示窗口Fig.7 Data display window

折线图显示，下部分以表格形式显示。该方式只能显示1个数值，不能同时显示4个值。不论是图形方式还是数据方式显示，都需选择进行数据查询，选择观测点、数据日期范围、数据种类(分钟值、时均值、日均值)。

5 实际应用

该系统已在灵石县、交口县、文水县地震局等单位安装观测。十年来，仪器运行稳定，维护较少；观测数据真实、完整率高。如图8所示，为该系统产出的灵石县和文水县地震局观测数据波形。

图8 系统产生的观测数据波形Fig.8 Data wave of the system

6 结语

JZDC-A型大地电场场强观测系统研发完成后，分别在山西省和辽宁省等地进行安装、运行。结果表明，该系统具有高灵敏度、大动态范围、性能稳定、良好的抗干扰能力和有人无人值守可选等特点，能实现观测数据共享。研制标准符合中国地震局“十五”前兆数字化网络观测设备行业标准，可根据用户需求采用以太网、本地电缆直接传输和无线传输方式进行数据采集，通过以太网访问仪器主页并可对设备进行远程控制。操作系统人性化、功能强、操作简单，可自动生成各类图件、报表。目前，为地方地震区域监测已提供近十年的观测数据，运用效果良好。