馮瓊松李 鵬李思瑤趙 琴

1） 中國云南650204昆明基準(zhǔn)地震臺(tái)

2） 中國貴州550018貴陽基準(zhǔn)地震臺(tái)

地震臺(tái)站定點(diǎn)形變觀測(cè)儀器標(biāo)定

馮瓊松1）李 鵬2）李思瑤1）趙 琴1）

1） 中國云南650204昆明基準(zhǔn)地震臺(tái)

2） 中國貴州550018貴陽基準(zhǔn)地震臺(tái)

地震臺(tái)站形變儀器標(biāo)定精度和標(biāo)定誤差的準(zhǔn)確與否，直接影響觀測(cè)質(zhì)量和數(shù)據(jù)的真實(shí)性。對(duì)昆明地震臺(tái)定點(diǎn)形變儀器近幾年的標(biāo)定經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，以便更好地提高形變資料觀測(cè)質(zhì)量，對(duì)同類儀器標(biāo)定提供參考。

形變儀器；標(biāo)定；精度；誤差；觀測(cè)質(zhì)量

0 引言

隨著地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化水平的不斷提高，地形變與地震活動(dòng)的短臨異常變化被地震專家認(rèn)可，定點(diǎn)形變觀測(cè)越來越普及，對(duì)資料的觀測(cè)質(zhì)量提出更高要求，其中儀器格值常數(shù)的正確與否是影響資料可靠性的重要因素（蔡莉等，2012；馮瓊松等，2016）。昆明地震臺(tái)是云南省地震局Ⅰ類觀測(cè)臺(tái)站，現(xiàn)有2套“十五”期間建設(shè)的數(shù)字化形變觀測(cè)儀器，分別是DSQ型水管儀和SS-Y型伸縮儀。要保證定點(diǎn)形變儀器觀測(cè)的長期穩(wěn)定性、可靠性和工作精度，需保證儀器格值常數(shù)的穩(wěn)定、準(zhǔn)確，因?yàn)閮x器格值常數(shù)的真實(shí)是日常觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量保證的有效手段（聶磊等，2001；吳濤等，2010）。多年格值常數(shù)標(biāo)定過程中出現(xiàn)的問題不斷增加，要求我們深入了解標(biāo)定的重要性和難度，熟練掌握標(biāo)定程序，以保證儀器正常工作。本文從筆者對(duì)昆明地震臺(tái)定點(diǎn)形變儀器近幾年的標(biāo)定要求、標(biāo)定過程、標(biāo)定調(diào)節(jié)及標(biāo)定時(shí)出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行分析探討，以供其他臺(tái)站人員借鑒。

1 標(biāo)定原理

DSQ型水管儀標(biāo)定原理是，利用連通原理和水的不可壓縮性，采用標(biāo)定棒增減液體體積，人為改變液面高度進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定是該儀器的標(biāo)定方法，通過標(biāo)定求得液面高度改變值，即為電信號(hào)變化量ΔUc在單位數(shù)量上的變化值。根據(jù)水的不可壓縮性，一個(gè)分量兩缽體內(nèi)液面的高度變化ΔH水可由公式確定：，其中Δh標(biāo)為標(biāo)定棒移動(dòng)量，D為標(biāo)定棒直徑，D1、D2分別為2個(gè)缽體直徑。水管儀標(biāo)定規(guī)范要求，格值常數(shù)校準(zhǔn)每年4次以上，同一分量兩端的電靈敏度相對(duì)誤差≤1%，精度≤1%。DSQ型水管儀格值標(biāo)定要在小潮時(shí)即圖像的線性區(qū)域或平緩部分時(shí)進(jìn)行，且儀器檢修時(shí)須重新進(jìn)行格值標(biāo)定（國家地震局，1986）。

SS-Y型伸縮儀標(biāo)定器是依據(jù)斜塊原理產(chǎn)生位移量，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)彈性連軸使測(cè)微頭隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使斜塊方向位移，進(jìn)而使滑塊產(chǎn)生方向位移量，探頭座與滑塊連接，因而步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使傳感器的探頭產(chǎn)生一定的微位移量，從而達(dá)到檢定目的。標(biāo)定格值可由以下公式確定：（單位1/mV），其中ΔL為檢定器位移常數(shù)，單位μm；L為基線長度，單位m；為電壓差的絕對(duì)值均值，單位mV。伸縮儀規(guī)范要求格值標(biāo)定每年不少于2次，標(biāo)定靈敏度優(yōu)于0.2 μm，標(biāo)定精度不大于1%。SS-Y型伸縮儀由于標(biāo)定時(shí)間短，可以不在小潮時(shí)進(jìn)行，但儀器檢修時(shí)需重新進(jìn)行格值標(biāo)定（國家地震局科技監(jiān)測(cè)司，1995）。

2 標(biāo)定過程

2.1 標(biāo)定前準(zhǔn)備工作

DSQ型水管儀和SS-Y型伸縮儀格值標(biāo)定前需檢查標(biāo)定裝置，確定其正常，因標(biāo)定時(shí)用電量較大，需確保交流電源供電正常，不能在停電狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定。

DSQ型水管儀啟動(dòng)標(biāo)定前需查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，任何一端讀數(shù)超1 V，電腦自動(dòng)提示無法標(biāo)定，此時(shí)必須進(jìn)行電靈敏度微調(diào)，使兩分量換能器輸出電壓控制在1 V范圍內(nèi)，且單邊標(biāo)定啟動(dòng)不了，只能兩個(gè)分量一起標(biāo)定。昆明地震臺(tái)為了提高標(biāo)定精度，把換能器輸出電壓（電靈敏度）微調(diào)在200 mV內(nèi)。需注意：水管儀調(diào)節(jié)電靈敏度是調(diào)節(jié)水槽上的卡齒，且順時(shí)針調(diào)卡齒換能器輸出電壓減小，逆時(shí)針調(diào)卡齒換能器輸出電壓增大，調(diào)節(jié)穩(wěn)定后實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在200 mV內(nèi)即可同時(shí)啟動(dòng)兩分量標(biāo)定，此時(shí)標(biāo)定精度一般較高。SS-Y型伸縮儀標(biāo)定前也要查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，若讀數(shù)超過0.4 V，電腦自動(dòng)提示無法標(biāo)定，啟動(dòng)調(diào)零使系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)零后再啟動(dòng)標(biāo)定。若實(shí)時(shí)讀數(shù)未超限（0.4 V），多次標(biāo)定不成功，需查看標(biāo)定電機(jī)是否正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 儀器自動(dòng)標(biāo)定

DSQ型水管儀和SS-Y型伸縮儀格值標(biāo)定均啟動(dòng)標(biāo)定后系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定。做好標(biāo)定準(zhǔn)備工作后，進(jìn)入水管儀和伸縮儀EP-111型IP采集控制器數(shù)采設(shè)置狀態(tài)主頁頁面，選擇“控制狀態(tài)”下的“啟動(dòng)標(biāo)定”項(xiàng)，啟動(dòng)儀器標(biāo)定，選擇需標(biāo)定分量，點(diǎn)擊“確定”啟動(dòng)儀器格值標(biāo)定，標(biāo)定過程需10—20 min。選擇“標(biāo)定狀態(tài)查看”，可以查看標(biāo)定進(jìn)行狀態(tài)，以確定是否可以進(jìn)行標(biāo)定或標(biāo)定是否完成，選擇“標(biāo)定記錄查看”，以核實(shí)電靈敏度相對(duì)誤差是否≤1%。對(duì)于長度30 m的水管儀，靈敏度一般約20 mV/μm；對(duì)于長度20 m的水管儀，靈敏度一般約30 mV/μm。

2.3 標(biāo)定后調(diào)節(jié)

（1）DSQ型水管儀標(biāo)定調(diào)節(jié)。昆明臺(tái)山洞由于濕氣嚴(yán)重，影響儀器穩(wěn)定性，所以形變儀器標(biāo)定一般需啟動(dòng)多次才能成功。需注意：若DSQ型水管儀兩端多次標(biāo)定后電靈敏度相對(duì)誤差≥1%，無需進(jìn)行電靈敏度微調(diào)，將萬用表接入換能器電位器接口，微調(diào)電位器旋鈕，使被調(diào)端與要靠攏端輸出電壓值一致即可。微調(diào)電位器時(shí)需注意，約 1 000 mV精度較高，應(yīng)從精度低端向高端靠攏，輸出電壓順時(shí)針調(diào)增大，逆時(shí)針調(diào)減小，與調(diào)電靈敏度相反。以昆明臺(tái)DSQ型水管儀NS分量標(biāo)定記錄為例，具體標(biāo)定結(jié)果見表1，表中N端和S端不一致，兩端電靈敏度相對(duì)誤差13.8%≥1%，標(biāo)定不合格，電位器需微調(diào)后重新啟動(dòng)標(biāo)定。此時(shí)NS向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)為：(Uc)N=163.4 mV，(Uc)S=184.5 mV。由表1可知，，可見S端精度更高，N端需向S端微調(diào)，微調(diào)數(shù)值可按下式計(jì)算：，在此只需將N端數(shù)據(jù)微調(diào)至約187.6 mV即可。

表1 昆明地震臺(tái)DSQ型水管儀NS分量標(biāo)定不合格記錄Table1 List of NS Component calibration unqualifed record of DSQ type instrument at Kunming Seismic Station

為了可靠起見，DSQ型水管儀微調(diào)后需重新標(biāo)定。根據(jù)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)一步精調(diào)，以確保同一分量兩端電靈敏度相對(duì)誤差≤1%。表2為NS分量換能器電位器精調(diào)后重新標(biāo)定記錄表，可見標(biāo)定精度和標(biāo)定誤差均小于1%，標(biāo)定成功，無需重新啟動(dòng)標(biāo)定。DSQ型水管儀位移換能器的調(diào)節(jié)是儀器是否正常工作、標(biāo)定是否成功的關(guān)鍵因素。因換能器電位器的調(diào)整旋鈕無標(biāo)準(zhǔn)刻度，且觀測(cè)數(shù)據(jù)本身時(shí)刻發(fā)生變化，調(diào)整幅度大小難以掌握，需認(rèn)真細(xì)致地對(duì)待。

表2 昆明地震臺(tái)DSQ型水管儀NS分量標(biāo)定合格記錄Table 2 List of NS Component calibration qualifed record of DSQ type instrument at Kunming Seismic Station

（2）SS-Y型伸縮儀標(biāo)定調(diào)節(jié)。SS-Y型伸縮儀標(biāo)定沒有水管儀標(biāo)定復(fù)雜，只要實(shí)時(shí)讀數(shù)不超過0.4 V，一般均能標(biāo)定成功。如果多次標(biāo)定后精度仍不合格，需查看標(biāo)定電機(jī)是否正常轉(zhuǎn)動(dòng)，或者標(biāo)定儀器前對(duì)標(biāo)定電機(jī)進(jìn)行手動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，使各部件靈活后再進(jìn)行標(biāo)定。SS-Y型伸縮儀既支持各分量的同時(shí)標(biāo)定，也支持單獨(dú)標(biāo)定。

3 結(jié)束語

地震臺(tái)站必須按觀測(cè)規(guī)范要求加強(qiáng)儀器格值校準(zhǔn)（標(biāo)定）工作，以使觀測(cè)儀器產(chǎn)出資料正確反映背景物理場(chǎng)的變化（蘇愷之等，1997）。標(biāo)定格值常數(shù)的正確與否是影響觀測(cè)資料可靠性的重要因素，定點(diǎn)形變儀器的正確標(biāo)定是提高儀器維護(hù)水平和觀測(cè)資料質(zhì)量的有效保證。地震臺(tái)站可以觀測(cè)日變幅作為自查標(biāo)準(zhǔn)，一般臺(tái)站（非海潮臺(tái)站）傾斜和應(yīng)變觀測(cè)的日變幅應(yīng)為幾十毫秒（或10-10）。日變幅和標(biāo)定前后資料對(duì)比檢查，可以較快查出使用的格值是否正確。啟用新格值后，需要密切關(guān)注觀測(cè)曲線形態(tài)，出現(xiàn)問題及時(shí)解決。在實(shí)際工作中，出現(xiàn)一次標(biāo)定不達(dá)標(biāo)，不代表儀器出現(xiàn)故障，需進(jìn)行多次標(biāo)定，判斷并解決問題。格值標(biāo)定可以保障觀測(cè)儀器正常、穩(wěn)定工作，產(chǎn)出符合要求的真實(shí)、連續(xù)、完整、可靠的觀測(cè)資料，為地震研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

蔡莉，王宗平，張周術(shù)，等.地震前兆觀測(cè)儀器的校準(zhǔn)與標(biāo)定辨析[J].華北地震科學(xué)，2012，30（2）：28-31.

國家地震局.地傾斜臺(tái)站觀測(cè)規(guī)范[S].北京：地震出版社，1986.

國家地震局科技監(jiān)測(cè)司.地震地形變觀測(cè)技術(shù)[M].北京：地震出版社，1995.

馮瓊松，楊仁華，鄧存華，等.昆明地震臺(tái)前兆儀器雷害故障分析與檢修[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，2016，32（2）：83-86.

聶磊，溫興衛(wèi)，易治春，等.DSQ型短基線水管傾斜儀及標(biāo)定裝置的研制[J].地殼形變與地震，2001，21（3）：74-81.

蘇愷之，劉瑞民.地震前兆觀測(cè)儀器標(biāo)定問題的探討[J].地震地磁觀測(cè)與研究，1997，18（5）：87-89.

吳濤，周云耀，楊江，等.SS-Y伸縮儀標(biāo)定裝置的標(biāo)定測(cè)試[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，30（17）：136-137.

Discussion on calibration of fxed point deformation instrument for seismic station

Feng Qiongsong1)，Li Peng2)，Li Siyao1)and Zhao Qin1)
1)Kunming Seismic Station,Yunnan Province650204,China
2)Guiyang Seismic Station,Guizhou Province550018,China

In order to ensure the stability and reliability of the instrument, it is necessary to keep instrument sensitivity consistency and is particularly important to keep instrument calibration accuracy.In the paper, the experience of the calibration of the fxed point deformation instrument of Kunming Seismic Station in the past several years are analyzed and summarized, in order to improve the quality of regular calibration.This work will be useful for reference in the calibration of similar instruments.

deformation instrument，calibration，precision，error，quality of observation

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.021

馮瓊松（1976—），女，本科，工程師，主要從事地震前兆形變觀測(cè)技術(shù)研究工作。

E-mail：779773296@qq.com

地震行業(yè)科研專項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)：201208018）

本文收到日期：2015-09-10