張西蘋 歐同庚 李 震 張 璐

1 防災(zāi)科技學(xué)院，河北省三河市學(xué)院街465號(hào)，0652012 中國地震局地震研究所，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，4300713 武漢地震科學(xué)儀器研究院有限公司，湖北省咸寧市青龍路11號(hào)，4370004 湖北省重大工程地震檢測與預(yù)警處置技術(shù)研究中心，湖北省咸寧市青龍路11號(hào)，4370005 陜西省地震局，西安市水文巷4號(hào)，710068

水管傾斜儀是一種自動(dòng)測量地殼變化的高精密儀器[1]，也是研究固體潮與地震前兆觀測的地形變基本儀器之一，可應(yīng)用于地球動(dòng)力學(xué)與精密工程測量等方面的研究。在實(shí)際應(yīng)用中，影響水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)的因素有很多[2]，其中蒸餾水的缺失(主要由蒸發(fā)、滲漏、變質(zhì)引起)和人為影響是干擾較大且普遍存在的問題。為了解決該問題，本文提出一種基于水管傾斜儀數(shù)據(jù)采集器及減速電機(jī)的補(bǔ)水和調(diào)零方法。

1 水管傾斜儀補(bǔ)水和調(diào)零原理

1.1 水管傾斜儀基本原理

水管傾斜儀是基于連通管原理和水的不可壓縮性工作的，原理如圖1所示，一端缽體在發(fā)生垂直微位移時(shí)，內(nèi)部液體通過連通管流動(dòng)，缽體液面會(huì)發(fā)生相對(duì)變化，最終在重力作用下靜止在同一水平面上，儀器通過檢測和記錄兩端缽體液面的變化來模擬地殼的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖1 水管傾斜儀工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principleof water tube tiltmeter

1.2 補(bǔ)水和調(diào)零原理

水管傾斜儀的補(bǔ)水和調(diào)零實(shí)際上就是調(diào)整其注水量與電壓值之間的關(guān)系，可根據(jù)水管傾斜儀的標(biāo)定原理確定電壓變化與水量的關(guān)系作為參考。水管傾斜儀中間部分為基于齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)標(biāo)定裝置，其標(biāo)定使用的是通過控制校準(zhǔn)棒的上升或下降距離Δh標(biāo)模擬儀器內(nèi)液體量增減的靜態(tài)標(biāo)定法(圖2)。

圖2 水管傾斜儀標(biāo)定原理Fig.2 Calibration schematic diagramof water tube tiltmeter

(1)

式中，Δh標(biāo)為校準(zhǔn)棒的移動(dòng)量，d為校準(zhǔn)棒的直徑，D1、D2分別為2個(gè)缽體的內(nèi)徑。

假設(shè)水管傾斜儀內(nèi)部蒸餾水的減少量等于校準(zhǔn)棒增減液體的標(biāo)定量，則水管傾斜儀中蒸餾水的減少量ΔQ(單位ml)可用式(2)表示：

(2)

(3)

1.3 理論注水量推算

(4)

2 基于水管傾斜儀數(shù)據(jù)采集器和減速電機(jī)的補(bǔ)水調(diào)零方法

2.1 傳統(tǒng)的補(bǔ)水和調(diào)零方法

傳統(tǒng)的水管傾斜儀補(bǔ)水方法有2種：1)人為補(bǔ)水，即手動(dòng)打開水管傾斜儀一端的缽體罩子，用針狀管通過注水孔給其內(nèi)部加水，該補(bǔ)水方法不僅會(huì)對(duì)觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大干擾，還存在加水量無法控制等問題；2)通過自動(dòng)補(bǔ)水裝置進(jìn)行補(bǔ)水，即通過單片機(jī)控制注射器補(bǔ)水，但補(bǔ)水裝置的儲(chǔ)水量有限，且不能對(duì)注水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，存在補(bǔ)水量達(dá)不到目標(biāo)值的情況，對(duì)觀測數(shù)據(jù)的影響較大。

傳統(tǒng)的水管傾斜儀調(diào)零主要是通過工作人員打開缽體罩子進(jìn)行人工操作，存在較大的人為干擾，且測量系統(tǒng)一旦超出量程則無法正常記錄數(shù)據(jù)，會(huì)出現(xiàn)缺數(shù)的情況。

2.2 本文補(bǔ)水和調(diào)零的新方法

本文的補(bǔ)水方法是通過水管傾斜儀數(shù)據(jù)采集器設(shè)置需補(bǔ)水時(shí)的電壓值及補(bǔ)水需要達(dá)到的參考電壓值，確定補(bǔ)水量，并避開整點(diǎn)時(shí)刻，利用水管傾斜儀數(shù)據(jù)采集器控制減速電機(jī)，以進(jìn)行高精度快速補(bǔ)水。

本文的調(diào)零方法充分發(fā)揮了水管傾斜儀數(shù)據(jù)采集器的作用，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)負(fù)漂移進(jìn)行監(jiān)控提醒，即當(dāng)水管傾斜儀缽體一端電壓觀測數(shù)據(jù)正常，而另一端電壓值達(dá)到-2 000 mV時(shí)，避開整點(diǎn)時(shí)刻，利用減速電機(jī)對(duì)水管傾斜儀缽體進(jìn)行注水，并實(shí)時(shí)讀取電壓值，以更加精準(zhǔn)地控制液面高度，調(diào)節(jié)電壓值恢復(fù)到零點(diǎn)值附近，達(dá)到儀器調(diào)零的目的。

3 硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件選擇

選用武漢地震科學(xué)儀器研究院有限公司研制的水管傾斜儀數(shù)據(jù)采集器，其工作電壓為DC 9～18 V或AC 220 V，功耗為2.5 W左右，輸出采樣率為1 min、1 s及10 Hz，通過8通道同步采樣，具有分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍廣且易于擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。本文只需將計(jì)算機(jī)和數(shù)采的IP地址設(shè)置在同一網(wǎng)段內(nèi)，并建立網(wǎng)絡(luò)連接，就可實(shí)現(xiàn)儀器遠(yuǎn)程控制和信息狀態(tài)的實(shí)時(shí)查看。

電機(jī)選用ASLONG-JGB37微型減速電機(jī)，工作電壓為12～30 V，額定電壓為24 V，轉(zhuǎn)速為9 rpm，具有轉(zhuǎn)速低、扭矩大、噪音小、壽命長等特點(diǎn)。閥門裝置選用的是球閥門，用電機(jī)控制。

3.2 注水和補(bǔ)水裝置的設(shè)計(jì)

水管傾斜儀的補(bǔ)水和調(diào)零裝置如圖3所示，主要由對(duì)儀器進(jìn)行補(bǔ)水和對(duì)此注水裝置進(jìn)行補(bǔ)水2個(gè)部分構(gòu)成。裝置采用雙閥門結(jié)構(gòu)，一個(gè)閥門控制注水，另一個(gè)閥門控制對(duì)注水裝置進(jìn)行等量程的補(bǔ)水，以解決儀器注水的問題。另外，閥門1前方補(bǔ)水管的末端應(yīng)盡可能靠近缽體注水孔內(nèi)壁，以減小水的沖擊。對(duì)儀器進(jìn)行補(bǔ)水的部分通過水管傾斜儀數(shù)據(jù)采集器遠(yuǎn)程控制減速電機(jī)，選用小齒輪帶動(dòng)大齒輪及渦輪蝸桿推動(dòng)桿裝置[3]，即電機(jī)前端的齒輪1帶動(dòng)帶有轉(zhuǎn)動(dòng)軸的齒輪2和帶有注水桿的齒輪3轉(zhuǎn)動(dòng)，通過控制注水桿前進(jìn)和后退的距離實(shí)現(xiàn)對(duì)注水量的控制。

圖3 水管傾斜儀的補(bǔ)水和調(diào)零裝置Fig.3 Diagram of water filling and zero settingdevice of water tube tiltmeter

3.3 工作流程設(shè)計(jì)

本裝置實(shí)現(xiàn)注補(bǔ)水的工作流程如圖4所示，這里的補(bǔ)水是針對(duì)水管傾斜儀內(nèi)蒸餾水缺失而言的，注水是針對(duì)水管傾斜儀負(fù)漂移調(diào)零而言的，兩者工作方式一樣，只是觸發(fā)工作的電壓值不同。當(dāng)數(shù)據(jù)采集器記錄到的電壓負(fù)向漂移值達(dá)到需調(diào)零(或補(bǔ)水)的電壓值時(shí)，發(fā)出提示，記錄此時(shí)電壓值，避開整點(diǎn)時(shí)刻啟動(dòng)工作裝置。本裝置的具體工作流程為：水管傾斜儀數(shù)據(jù)采集器控制電機(jī)帶動(dòng)球閥門順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，閥門1打開；完成注水后，判斷當(dāng)前電壓值是否達(dá)到設(shè)定值，隨后帶動(dòng)球閥門逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，閥門1關(guān)閉，同時(shí)閥門2打開；控制減速電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)注水活塞后退到初始位置，對(duì)補(bǔ)水管進(jìn)行補(bǔ)水；補(bǔ)水完成后，控制電機(jī)帶動(dòng)閥門逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，閥門2關(guān)閉，工作結(jié)束。

圖4 水管傾斜儀補(bǔ)水調(diào)零工作流程Fig.4 Water supply and zero adjustment process of water tube tiltmeter

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖5(a)～5(b)可以看出，傳統(tǒng)的補(bǔ)水和調(diào)零方法會(huì)對(duì)水管傾斜儀數(shù)據(jù)造成較大干擾，使其產(chǎn)生較大且持續(xù)時(shí)間較長的波動(dòng)。而本文方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5(c)所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為當(dāng)天10:18，非整點(diǎn)時(shí)刻，開始時(shí)電壓值為-1 995 mV，通過對(duì)水管傾斜儀數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，啟動(dòng)注水調(diào)零裝置，結(jié)束后水面恢復(fù)穩(wěn)定大約需要4～5 h，而電壓值基本穩(wěn)定在0 mV。通過對(duì)比可知，本文設(shè)計(jì)的補(bǔ)水調(diào)零方法對(duì)觀測數(shù)據(jù)的干擾遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法，水面恢復(fù)穩(wěn)定所需時(shí)間也遠(yuǎn)小于人工調(diào)零方法。

圖5 不同情況數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Data curve under different conditions

5 結(jié) 語

本文針對(duì)傳統(tǒng)補(bǔ)水和調(diào)零方法存在的不足，通過分析水管傾斜儀補(bǔ)水和調(diào)零原理，設(shè)計(jì)了一種水管傾斜儀自動(dòng)補(bǔ)水和調(diào)零方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法具有可行性。本文方法從根本上解決了儀器內(nèi)部缺水的問題，同時(shí)也提供了一種解決觀測數(shù)據(jù)負(fù)向漂移的方法，極大減少了人為干擾，保證了水管傾斜儀記錄數(shù)據(jù)的完整性，提高了觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

為解決注水對(duì)觀測數(shù)據(jù)造成的影響，后期將在水管傾斜儀補(bǔ)水和調(diào)零的機(jī)械結(jié)構(gòu)后側(cè)加裝蒸餾水霧化處理裝置，以減小注水對(duì)水面帶來的波動(dòng)，另外也可對(duì)補(bǔ)水和調(diào)零期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究并建立模型，以提取固體潮信息。