2 m 短基线水管倾斜仪的设计＊

孟丽娟，欧同庚，李 震，耿丽霞，李农发2，

（1.防灾科技学院电子科学与控制工程学院，河北 廊坊 065201；2.中国地震局地震研究所，湖北 武汉 430071；3.武汉地震科学仪器研究院有限公司，湖北 咸宁 437000；4.湖北省重大工程地震检测与预警处置技术研究中心，湖北 咸宁 437000）

水管倾斜仪是自动测量地壳倾斜变化的一种精密仪器，用来测定缓慢倾斜变化、倾斜固体潮与捕捉临震前兆信息[1]。DSQ 型水管倾斜仪在全国100 多个台站安装使用20 余年，包括玻璃和不锈钢等不同材质钵体的水管倾斜仪，对于地壳倾斜变化和固体潮汐变化观测来说，仪器观测的数据质量要高并且要长期稳定可靠。但DSQ 型水管仪所采用的差动变压器传感器分辨力为10 nm，需要较长的基线来保证观测信噪比。台站水管倾斜仪长度一般为20～30 m[2-3]。随着时间的推移，台站可放置20～30 m水管倾斜仪的山洞不断减少，然而，重新开挖纵深长的洞室成本高。因此，缩短水管倾斜仪基线是一个切实可行的方法。

1 结构设计

短基线水管倾斜仪结构示意图如图1 所示，水管倾斜仪一端钵体结构如图2 所示。该仪器呈对称结构，上下盖板之间放置内壁打磨光滑的不锈钢钵体，钵体内液面上漂浮着加入金刚石粉末的浮子，浮子连接杆安装互成120°的导向簧片和电容传感器的动片，与2个定片通过陶瓷垫块和长螺丝连接成差动电容传感器。水管倾斜仪两端钵体通过不锈钢管刚性连接。水管倾斜仪主要由两端钵体、不锈钢连接管（基线）和测量控制系统组成。

图2 水管仪钵体实物图

1.1 频带拓宽设计

新型水管倾斜仪的基线选择一根完整的不锈钢管代替原有的分节连接的玻璃管，采用不锈钢管作为基线是因为它具有使用寿命长、长期稳定和便于运输的优点。仪器的基线连通管和两端钵体采取刚性连接的方式，可以减少漏水渗水发生的可能性。

据理论分析得仪器固有周期为：

据临界阻尼状态可得连接管直径为：

式（1）（2）中：S为钵体的截面积；D为仪器基线长度；a为水管的截面积；Φ为钵体的内直径[4]；μ为液体的粘滞系数；ρ为液体密度。

考虑到仪器钵体的辅助管要与不锈钢连通管刚性连接，因此连通管直径应不超过钵体直径的1/3；水管仪的液面高程差与基线缩短长度成正比例关系，为了保证观测质量，仪器基线缩短需要更高灵敏度的传感器来测量液面高程变化，通过分析传感器的性能得出，基线长度不应小于原有长度（5～10 m）的1/5。

综上所述，确定新型水管倾斜仪钵体直径为18 cm，连通管直径为6 cm，基线长度D=183 cm。则将各个参数代入式（1）可得仪器的固有周期为5.76 s。

1.2 介质选取

传统水管倾斜仪采用蒸馏水作为工作介质容易蒸发，而新型水管倾斜仪采用差容式传感器易受湿度等环境因素影响，水蒸发会改变电容传感器的介电常数，使测量结果出现偏差。提出采用油介质代替蒸馏水介质解决工作介质易蒸发问题。

2 传感器及电路设计

位移传感器是水管倾斜仪测量电路的核心，地壳倾斜变化经过电容传感器及其信号调理电路输出直流电压信号。

2.1 传感器的选择与设计

为了清晰地观测倾斜固体潮汐的变化，并满足DB/T 31.1—2008《地震观测仪器进网技术要求 地壳形变观测仪 第1 部分：倾斜仪》规范的要求，水管仪的分辨力应优于0.000 2″。在基线长度D=1.83 m 条件下，需测量的最小液位变化差为Δhmin。

DSQ 型水管倾斜仪采用差动变压器传感器进行液面位移测量，其分辨力约为10 nm，无法满足短基线条件下的测量要求，因此需要设计分辨力更高的位移传感器。新型水管倾斜仪位移传感器的分辨力必须优于1.8 nm，因此选择较为成熟的差动电容传感器对短基线水管倾斜仪进行微位移测量。

电容传感器实物如图3 所示。差动电容位移传感器由3 块圆形铜板组成，上下两块大铜板是传感器的定片，中间小铜板为动片。电容传感器的定片面积比动片面积大时，可以减少边缘效应对测量结果的影响。差动电容传感器可以等效为2 个电容的串联，当传感器处于初始位置时，传感器动片与2 个定片的极板间距是相等的，可以计算出该传感器的初始电容值，当传感器的动片位置发生变化时，可以得到电容值的变化量。因为动片和初始位置的距离与电容传感器的输出电压的变化量成正比例关系，所以已知位移传感器输出电压的变化量，可以得到传感器动片位移的变化值。

图3 电容传感器实物图

2.2 测量电路设计

测量电路原理框图如图4 所示。该电路采用三端稳压器提供稳定电压。为保证电压波形频率和幅度具有良好的稳定性[5]，振荡电路采用CD4060B 计数器芯片和晶体震荡器组成[6]。该电路产生两个大小相等、方向相反的正弦激励信号接入电容电压转换电路。经转换电路输出的电压信号幅值较小，为了检测出有效信号，必须对前级输出信号进行放大，放大后的信号经同步检波进行电路解调，来达到准确提取信号的目的[7]。检波后的信号经二阶SK 型巴特沃斯低通滤波器输出直流分量。

图4 电路原理框图

为了验证电路的可行性，将设计的电路在Multisim 中仿真，当仿真结果与预期结果一致时，绘制电路原理图并将其制作成PCB 板进行调试，以便将其接入水管倾斜仪内实现电路测量，PCB 板如图5所示。

图5 电路板

3 搭建仪器

首先对新型水管倾斜仪的机械结构进行设计，并加工出整体机械结构的零器件，零件加工完成以后对其进行组装；其次，组装仪器时考虑电路测量部分，将机械结构和电路测量部分衔接完好，最后将液体工作介质由原来的蒸馏水替换成现在的油，从而搭建出新型短基线水管倾斜仪。新型水管倾斜仪如图6 所示。

图6 新型水管倾斜仪

4 讨论与结论

针对传统水管倾斜仪的不足，设计了一种新型短基线水管倾斜仪，短基线水管倾斜仪比传统水管倾斜仪占据的空间小，可以有效解决山洞可放置仪器位置紧缺的问题，省去了开挖山洞洞室的巨大成本。后续需研究和设计新型水管倾斜仪的标定装置，两端钵体内差动电容传感器电灵敏度调节程序，并对水管倾斜仪进行长期观测，验证仪器的可靠性。