DSQ 水管儀簡易標定方法初探

朱宣明，岳 鵬

（陜西省地震局漢中地震臺，陜西 漢中723000）

DSQ 型水管儀目前仍是中國地震形變傾斜觀測的主要儀器，其產(chǎn)出資料的正確性及可靠性與儀器是否正常標定有著直接關系，了解儀器的標定原理，掌握標定方法對于維護形變儀器正常工作至關重要。漢中地震臺現(xiàn)架設有2 套DSQ型水管儀，分別位于南鄭區(qū)和寧強縣，在陜南地區(qū)定點形變監(jiān)測中發(fā)揮積極作用。為了保證本臺該類儀器長期觀測穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準確可靠，就需要按時、高效對儀器進行標定。以往在DSQ 型水管儀標定過程中出現(xiàn)各類問題，不僅耗時長，也嚴重影響了數(shù)據(jù)產(chǎn)出。本臺人員通過對漢中地震臺兩套DSQ型水管儀近幾年標定工作進行實驗總結(jié)，發(fā)現(xiàn)部分環(huán)節(jié)和過程可以簡化，實現(xiàn)快速標定，縮短標定時間，減少標定期間對數(shù)據(jù)的影響。

1 標定原理

DSQ 水管儀標定基本原理是根據(jù)連通管內(nèi)水面自平原理和水的不可壓縮性，通過固定大小的標定棒人為增減缽體內(nèi)液體液面高度，通過浮子、位移傳感器等位移變化，將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出，完成自動記錄，即求得液面變化單位高度（1 μm）所對應的電信號變化量（mV）。對于某一分量的兩個缽體內(nèi)液面高度變化ΔH水計算公式為：

式（1）中：△h標為標定棒垂直位移量；d為標定棒直徑；D1、D2為兩個缽體內(nèi)徑值。

一般情況下，△h標為預設值20 mm，d、D1、D2為出廠實測已知值（武漢地震科學儀器研究院，2013）。DSQ 水管儀標定原理如圖1 所示。

DSQ 型水管儀格值校準一般每年不少于2 次，2 次校準間隔不大于195 d，儀器檢修、更換部件或重新安裝后均應進行校準，格值校準精度小于等于1%，電靈敏度相對誤差小于等于1%。校準完成后，標定記錄自動生成，標定合格后，新格值直接啟用，需注意啟用新格值后數(shù)據(jù)形態(tài)是否發(fā)生較大變化，以保證資料的連續(xù)可靠。

圖1 DSQ 水管儀標定原理圖

2 標定過程

DSQ 水管儀標定前應做好各項準備工作。由于山洞內(nèi)陰暗潮濕，且標定裝置使用間隔較長，需特別注意步進電機是否工作正常，齒輪應潤滑，無卡死、生銹跡象，必要時應定期保養(yǎng)。標定前應在儀器網(wǎng)頁查看觀測端實時數(shù)據(jù)，任意一端電壓值應不超過1 V，標定狀態(tài)顯示“可以標定”，方可啟動標定。漢中地震臺為了提高標定精度和成功率，每次標定前先進行調(diào)零操作，將換能器輸出電壓值預調(diào)在±400 mV以內(nèi)，標定時間一般選在固體潮小潮期或波峰波谷時段。

2.1 傳統(tǒng)標定過程

做好標定前檢查及準備工作后：①使用筆記本電腦連接EP-Ⅲ型IP 采集控制器（即數(shù)采），按住“設置”鍵打開數(shù)采電源開關，使數(shù)采進入設置狀態(tài)；②電腦網(wǎng)頁輸入儀器初始IP，進入儀器Web 控制頁面，點擊“啟動標定”，選擇要標定的分量，點擊“確定”后儀器開始進行標定，標定時間持續(xù)約20 min；③標定完成后點擊“標定記錄查看”可查閱標定記錄情況。

漢中地震臺形變山洞水汽較大，加上儀器已運行多年，穩(wěn)定性差，往往不能一次標定成功，需進行多次調(diào)試后再標定：①調(diào)試時點擊“下降20 mm”，約5 min 后調(diào)試結(jié)束；②根據(jù)調(diào)試結(jié)果計算調(diào)節(jié)量，調(diào)節(jié)目標值U可由計算，式中U為調(diào)節(jié)后換能器的輸出電壓，為調(diào)試分量兩端電壓變化平均值，UA為待調(diào)節(jié)端換能器輸出電壓值；③然后使用萬用表連接換能器，根據(jù)計算量調(diào)節(jié)電位器，注意不是調(diào)節(jié)缽體傳感器齒盤；④調(diào)節(jié)好后等測值穩(wěn)定后，再次調(diào)試，直至同分量兩端電靈敏度相對誤差小于等于1%，注意調(diào)試時“下降20 mm”和“上升20 mm”應成對出現(xiàn)，避免調(diào)試設備卡死；⑤調(diào)試結(jié)束后，再次進行標定，根據(jù)標定結(jié)果再做精調(diào)，直至標定合格（胡寶慧，2011）。

2.2 簡易標定過程

簡易標定主要過程是在第一次標定不合格后，根據(jù)相關數(shù)據(jù)，在不進行調(diào)試操作下，直接對某一端缽體傳感器和換能器電位器做一次性調(diào)節(jié)，然后重新啟動標定，達到快速、高效完成標定工作的目的。以寧強水管儀2020-06-29 東西向標定為例，在做好標定前檢查及準備工作后，直接在儀器工作網(wǎng)頁中，點擊“啟動標定”，標定結(jié)果如表1 所示。

表1 DSQ 型水管傾斜儀格值標定表（不合格，分量為2 232、基線長度L 為30.72 m、Δh 標為20 mm、ΔH 水為48.68 μm）

表2 DSQ 型水管傾斜儀格值標定表（合格，分量為2 232、基線長度L 為30.72 m、Δh 標為20 mm、ΔH 水為48.68 μm）

由表2 可以看出，東西端標定精度及電靈敏度相對誤差均小于等于1%，滿足規(guī)范要求，標定合格。在此方法中，需特別注意準確選擇調(diào)節(jié)目標值，確保缽體傳感器和換能器電位器調(diào)節(jié)到位。同時，也注意到簡易標定法是基于水管儀各端初始與電壓變化值滿足簡單線性關系，如不滿足也可能出現(xiàn)標定不合格情況，此時將需要進一步微調(diào)后再次標定。

3 結(jié)束語

DSQ 型水管儀簡易標定方法具有流程簡單、避免多次重啟儀器、人員進洞干擾次數(shù)少等優(yōu)勢，規(guī)避了因個別不穩(wěn)定數(shù)據(jù)造成校準值計算失準，導致精調(diào)失敗，減少了標定期間數(shù)據(jù)刪除率，提高了完整率。在對漢中地震臺水管儀近幾次標定工作中，使用簡易方法僅標定了2 次就滿足規(guī)范要求，整個標定時間控制在1 h 左右，較傳統(tǒng)方法明顯縮短了標定時間。

本文通過對漢中地震臺DSQ 型水管儀多年標定工作的實操總結(jié)，發(fā)現(xiàn)更為簡易的標定流程也能起到較好的標定效果，為其他臺站同類型儀器標定工作提供參考，對水管儀穩(wěn)定、高效、完整產(chǎn)出觀測數(shù)據(jù)具有積極意義。