泉州地震臺DSQ水管傾斜儀標定中的問題小結

陳珊樺，蔡佩蕊，林立峰，尤宇星，黃圣棕

（1.福建省地震局泉州基準地震臺，福建 泉州362000；2.福建省地震局莆田地震臺，福建 莆田351100；3.福建省地震局廈門地震臺，福建 廈門361000）

DSQ水管傾斜儀廣泛應用于地震臺站的傾斜觀測，除用來測定緩慢傾斜變化、傾斜固體潮與捕捉臨震前兆信息外，還可用于地球動力學與精密工程測量等方面[1]。儀器觀測精度很大程度上取決于儀器格值標定的準確性，為使儀器的靈敏度保持一致，保證儀器的長期工作精度[2]，必須對儀器的格值定期進行自動標定，通過標定對儀器的工作狀態是否正常進行判斷，及時對儀器進行調整，保證觀測資料長期穩定、可靠。根據《地震監測臺網傾斜應變觀測與運行管理工作細則》（中國地震局，2015）每半年（間隔≤195天）或者在進行維修時均需進行標定。

選用合適的方法調整儀器，用盡可能少的次數完成標定，可以減少對儀器的影響，提高數據的完整率和連續率，本文總結了泉州地震臺DSQ水管傾斜儀2015年1月1日正式運行以來儀器標定中遇到的問題和解決的方法，以及標定中的注意事項進行小結，可以為其他臺站提高標定效率提供參考。

1 泉州地震臺DSQ水管傾斜儀觀測概況

泉州地震臺DSQ水管傾斜儀安裝于福建省泉州市豐澤區清源山人防1號洞形變觀測區內，山洞地處長樂-詔安斷裂帶中段，洞體基巖為新鮮花崗巖，巖體完整致密。洞口坐標東經118.6°、北緯24.9°，海拔高程約78m，洞頂覆蓋厚52.5-95.5m。觀測環境優良無干擾，洞內安裝有多道不銹鋼隔門，可以防止空氣對流，洞內溫度極為恒定，水管傾斜觀測區位于山洞內段進深108m左右，水管儀基線長度為23.18m，儀器槽用泡沫板和塑料布覆蓋，槽內年溫差約0.1℃，日溫差約0.01℃，相對濕度大于90%。泉州地震臺DSQ水管傾斜儀臺2015年1月1日正式運行以來工作穩定，固體潮清晰，數據連續、可靠，多次在省內評比中獲獎。

2儀器標定的原理及相關規范要求

DSQ水管傾斜儀采用標定棒增減液體體積、人為改變液面變化來進行靜態標定，通過標定是為了求得液面改變單位高度時，電信號的變化量ΔU在數量上是多少。根據水的不可壓縮特性，對一個分量兩個缽體內液面高度的變化ΔH水可由如下計算公式確定[3]：

式中：Δh標為標定棒移動量，d為標定棒直徑值，D1、D2分別為兩個缽體內徑值。

Δh標是預先給出，本臺儀器數值為20mm、d、D1、D2在儀器出廠時給出實測值。標定結果儀器會自動計算給出標定中的數值和結果。

根據中國地震局形變學科規范要求，需在小潮期間選擇波峰或者波谷啟動標定，啟動標定20分鐘后可在儀器網頁上得到標定結果，當次標定結果需滿足標定精度≤l%，同時相對誤差≤1%。

圖1 標定中相對誤差超標的例子

圖2 調整后相對誤差合格

若儀器標定格值較原使用格值變化≥±2%時，應重新標定并檢查確認儀器工作狀態正常、標定裝置系統工作正常且操作無誤，當日或次日連續2次標定的格值之間的相對誤差＜2%，方可啟用新的格值。格值誤差計算公式：

3 標定中的注意事項和若干問題

3.1 標定前的準備工作

標定工作一般每半年進行一次或者在進行維修之后。水管儀安裝在潮濕的山洞內，因此標定器較長時間不用時內部的旋轉齒輪有時會出現轉動不靈、卡頓等現象，導致主機發出標定信號后，標定裝置齒輪轉動不到位，標定數據重復精度很差。根據本臺的標定經驗，在每次標定前最好將標定器的不銹鋼蓋取下，將標定大齒輪輕輕順時針轉動3圈——回到原位——逆時針轉動3圈——回到原位，如此反復操作幾次，使其能夠順暢的轉動，如果依舊存在轉動不順暢的現象，則需考慮在螺栓上加一些潤滑油。

根據規范要求，標定過程中電壓讀數不得超過量程的90%，水管傾斜儀量程為±2V量程，標定過程中的電壓讀數不得大于1.8V或小于-1.8V。在標定前，應檢查儀器數值，泉州臺水管儀東端、西端、南端、北端在標定時數值會增大1040mV左右，因此需預估儀器各端點在標定中可能達到的數值，做好標定前各端點的調零工作。

3.2 標定結果出現相對誤差不符合要求

以泉州地震臺2020年12月的標定結果為例（圖1），相對誤差為2.63%大于規范所要求的1%，根據經驗需調整儀器前置放大盒中位移換能器上的實芯電位器，以使儀器同一分量兩端電靈敏度調成一致，即使同一分量兩個端點值，盡可能一致，以圖1的標定結果為例，選擇調節北端，在調節前，查看當前北端數值為UN=-428mV，計算最終北端要調節到的值U，具體公式如下：

圖3 標定中精度超標的例子

圖4 調整后標定精度合格

旋開放大盒上電位器的緊固螺絲，輕輕調節，使北端當前值從-428mV調整為-439.4mV，等待幾分鐘穩定后，再次進行標定，相對誤差變為0.63%（圖2），符合規范要求。

3.3 標定結果出現標定精度不符合要求

標定中有時候會出現標定精度一欄不符合規范即數值大于1%，這種情況一般是由于水質問題。儀器安裝在山洞內，隨著觀測時間的增長，長水管內的水可能會出現一些霉變或者絮狀物等，影響日常觀測，同時在啟動標定后，標定棒運動時，水在流動過程中會受到這些異物的阻礙，導致水位變化不穩定，影響標定輸出的電壓值，最終體現在標定精度超標。出現這種情況時，可先嘗試利用撈網對缽體內的水進行清理后再進行標定，若標定結果依舊不理想，水質變質較為嚴重，則需考慮更換水管中的蒸餾水。

以泉州臺2018年6月21日的標定結果為例（圖3），多次標定中均出現標定精度大于2%，請教廠家技術人員后于2018年7月11日用撈網清理缽體水中絮狀物后進行標定，標定精度小于1%，符合要求（圖4）。

4 結束語

根據泉州地震臺水管傾斜儀的工作特性及近幾年的標定經驗，出現標定不合格的情況一般是相對誤差和標定精度超標，如果經過調整使相對誤差和標定精度合格，再啟動第二次標定時，相對誤差和標定精度一般不會有太大變化，也能在規范要求的范圍內，兩次標定的格值誤差也能符合規范要求，因此水管傾斜儀標定的重點在調整相對誤差和標定精度。

通過上文的方法，在標定前活動標定裝置、對各端點進行調零；在結果出現相對誤差超標時，根據公式計算前置放大盒電位器調整量進行調整；在結果出現標定精度超標時檢查水質，一般就能較為快速地完成DSQ水管傾斜儀的標定工作，減少對數據的影響，提高工作效率。