水管倾斜仪是一种自动测量地壳变化的高精密仪器^[1]，也是研究固体潮与地震前兆观测的地形变基本仪器之一，可应用于地球动力学与精密工程测量等方面的研究。在实际应用中，影响水管倾斜仪观测数据的因素有很多^[2]，其中蒸馏水的缺失(主要由蒸发、渗漏、变质引起)和人为影响是干扰较大且普遍存在的问题。为了解决该问题，本文提出一种基于水管倾斜仪数据采集器及减速电机的补水和调零方法。

1 水管倾斜仪补水和调零原理 1.1 水管倾斜仪基本原理

水管倾斜仪是基于连通管原理和水的不可压缩性工作的，原理如图 1所示，一端钵体在发生垂直微位移时，内部液体通过连通管流动，钵体液面会发生相对变化，最终在重力作用下静止在同一水平面上，仪器通过检测和记录两端钵体液面的变化来模拟地壳的实际运动状态。

1.2 补水和调零原理

水管倾斜仪的补水和调零实际上就是调整其注水量与电压值之间的关系，可根据水管倾斜仪的标定原理确定电压变化与水量的关系作为参考。水管倾斜仪中间部分为基于齿轮转动的步进电机自动标定装置，其标定使用的是通过控制校准棒的上升或下降距离Δh_标模拟仪器内液体量增减的静态标定法(图 2)。

已知水管倾斜仪两端钵体液面在静止状态下始终保持在同一自然水平面，因此校准棒增减液体的体积$\left(\Delta h_{\text {标 }} \times \pi\left(\frac{d}{2}\right)^{2}\right)$应等于两端钵体液体减增量的总和$\pi\left[\left(\frac{D_{1}}{2}\right)^{2}+\left(\frac{D_{2}}{2}\right)^{2}\right] \Delta H_{\text {水 }}$。液面改变量ΔH_水可用式(1)表示：

$ \Delta H_{\text {水 }}=\frac{\Delta h_{\text {标 }} \times d^{2}}{D_{1}^{2}+D_{2}^{2}} $

(1)

式中，Δh_标为校准棒的移动量，d为校准棒的直径，D₁、D₂分别为2个钵体的内径。

假设水管倾斜仪内部蒸馏水的减少量等于校准棒增减液体的标定量，则水管倾斜仪中蒸馏水的减少量ΔQ(单位ml)可用式(2)表示：

$ \begin{gathered} \Delta Q=\Delta H_{\text {水 }} \times \pi\left[\left(\frac{D_{1}}{2}\right)^{2}+\left(\frac{D_{2}}{2}\right)^{2}\right]= \\ \Delta h_{\text {标 }} \times \pi\left(\frac{d}{2}\right)^{2} \end{gathered} $

(2)

此时对应的电压变化量为$\overrightarrow{\Delta U_{C}}$，则蒸馏水的减少量或注入量与产生的电压变化的比值为：

$ \frac{\Delta Q}{\overrightarrow{\Delta U_{C}}}=\frac{\Delta H_{\text {水 }} \times \pi\left(D_{1}^{2}+D_{2}^{2}\right)}{4 \overrightarrow{\Delta U_{C}}} $

(3)

1.3 理论注水量推算

首先根据水管倾斜仪数据采集器获得当前或最近1次格值标定表，得到电压变化量与蒸馏水增减量的比值$\begin{aligned} &\overrightarrow{\Delta U_{C}} \\ &\Delta Q \end{aligned}$，然后根据目标电压值U_目标确定需要补充蒸馏水的量ΔQ_水，具体如式(4)所示：

$ \Delta Q_{\text {水 }}=\frac{U_{\text {目标 }}}{\frac{\overrightarrow{\Delta U_{C}}}{\Delta Q}} $

(4)

2 基于水管倾斜仪数据采集器和减速电机的补水调零方法 2.1 传统的补水和调零方法

传统的水管倾斜仪补水方法有2种：1)人为补水，即手动打开水管倾斜仪一端的钵体罩子，用针状管通过注水孔给其内部加水，该补水方法不仅会对观测数据产生较大干扰，还存在加水量无法控制等问题；2)通过自动补水装置进行补水，即通过单片机控制注射器补水，但补水装置的储水量有限，且不能对注水量进行实时监控，存在补水量达不到目标值的情况，对观测数据的影响较大。

传统的水管倾斜仪调零主要是通过工作人员打开钵体罩子进行人工操作，存在较大的人为干扰，且测量系统一旦超出量程则无法正常记录数据，会出现缺数的情况。

2.2 本文补水和调零的新方法

本文的补水方法是通过水管倾斜仪数据采集器设置需补水时的电压值及补水需要达到的参考电压值，确定补水量，并避开整点时刻，利用水管倾斜仪数据采集器控制减速电机，以进行高精度快速补水。

本文的调零方法充分发挥了水管倾斜仪数据采集器的作用，通过实时数据对负漂移进行监控提醒，即当水管倾斜仪钵体一端电压观测数据正常，而另一端电压值达到-2 000 mV时，避开整点时刻，利用减速电机对水管倾斜仪钵体进行注水，并实时读取电压值，以更加精准地控制液面高度，调节电压值恢复到零点值附近，达到仪器调零的目的。

3 硬件和软件设计 3.1 硬件选择

选用武汉地震科学仪器研究院有限公司研制的水管倾斜仪数据采集器，其工作电压为DC 9~18 V或AC 220 V，功耗为2.5 W左右，输出采样率为1 min、1 s及10 Hz，通过8通道同步采样，具有分辨率高、动态范围广且易于扩展和维护等优点。本文只需将计算机和数采的IP地址设置在同一网段内，并建立网络连接，就可实现仪器远程控制和信息状态的实时查看。

电机选用ASLONG-JGB37微型减速电机，工作电压为12~30 V，额定电压为24 V，转速为9 rpm，具有转速低、扭矩大、噪音小、寿命长等特点。阀门装置选用的是球阀门，用电机控制。

3.2 注水和补水装置的设计

水管倾斜仪的补水和调零装置如图 3所示，主要由对仪器进行补水和对此注水装置进行补水2个部分构成。装置采用双阀门结构，一个阀门控制注水，另一个阀门控制对注水装置进行等量程的补水，以解决仪器注水的问题。另外，阀门1前方补水管的末端应尽可能靠近钵体注水孔内壁，以减小水的冲击。对仪器进行补水的部分通过水管倾斜仪数据采集器远程控制减速电机，选用小齿轮带动大齿轮及涡轮蜗杆推动杆装置^[3]，即电机前端的齿轮1带动带有转动轴的齿轮2和带有注水杆的齿轮3转动，通过控制注水杆前进和后退的距离实现对注水量的控制。

3.3 工作流程设计

本装置实现注补水的工作流程如图 4所示，这里的补水是针对水管倾斜仪内蒸馏水缺失而言的，注水是针对水管倾斜仪负漂移调零而言的，两者工作方式一样，只是触发工作的电压值不同。当数据采集器记录到的电压负向漂移值达到需调零(或补水)的电压值时，发出提示，记录此时电压值，避开整点时刻启动工作装置。本装置的具体工作流程为：水管倾斜仪数据采集器控制电机带动球阀门顺时针转动90°，阀门1打开；完成注水后，判断当前电压值是否达到设定值，随后带动球阀门逆时针旋转90°，阀门1关闭，同时阀门2打开；控制减速电机反转带动注水活塞后退到初始位置，对补水管进行补水；补水完成后，控制电机带动阀门逆时针旋转90°，阀门2关闭，工作结束。

4 实验结果分析

从图 5(a)~5(b)可以看出，传统的补水和调零方法会对水管倾斜仪数据造成较大干扰，使其产生较大且持续时间较长的波动。而本文方法的实验结果如图 5(c)所示，实验时间为当天10:18，非整点时刻，开始时电压值为-1 995 mV，通过对水管倾斜仪数据采集器进行远程控制，启动注水调零装置，结束后水面恢复稳定大约需要4~5 h，而电压值基本稳定在0 mV。通过对比可知，本文设计的补水调零方法对观测数据的干扰远小于传统方法，水面恢复稳定所需时间也远小于人工调零方法。

5 结语

本文针对传统补水和调零方法存在的不足，通过分析水管倾斜仪补水和调零原理，设计了一种水管倾斜仪自动补水和调零方法，并通过实验验证了该方法具有可行性。本文方法从根本上解决了仪器内部缺水的问题，同时也提供了一种解决观测数据负向漂移的方法，极大减少了人为干扰，保证了水管倾斜仪记录数据的完整性，提高了观测数据的质量。

为解决注水对观测数据造成的影响，后期将在水管倾斜仪补水和调零的机械结构后侧加装蒸馏水雾化处理装置，以减小注水对水面带来的波动，另外也可对补水和调零期间的数据进行分析研究并建立模型，以提取固体潮信息。