0 引言

地下水动态观测是地震预报的重要途径之一，而获取连续、稳定、准确的水位观测数据，是水位数据分析和应用的基础(车用太等，2007)。

目前广泛应用于地震井水位观测的仪器有中国地震局地震预测研究所生产的LN系列水位仪、地壳应力研究所生产的WYY系列水位仪及北京中科光大自动化技术有限公司生产的ZKGD系列水位仪等。虽然仪器结构略有不同，但均采用投入式压力传感器测量水位变化，称之为投入式水位仪。这类仪器的传感器均采用扩散硅工艺的压力传感器，具有灵敏度高、响应速度快、易于集成化等特点。这种工艺造成传感器内部各个扩散电阻阻值不可能完全相等，且扩散电阻温度系数存在差异和非线性温度变化，组成桥路时会产生零位电漂移和零位温度漂移(滕敏，2011)，通常采用补偿方式减少漂移，但不能完全消除，观测结果主要表现为数据存在较为严重的零点漂移(张子广等，2003)。零漂是此类传感器的固有问题，无法通过数据分析方式去除，叠加在长趋势水位变化中，对水位年变分析产生较大影响(谷元珠等，2004)。此外，受井壁条件、使用寿命、分辨率和量程等因素影响，超声波、激光仪和光纤光栅水位仪在地震水位观测的使用上受到制约(刘敏等，2003；陈本永等，2009)。

基于传统浮子式水位仪优点，选用高分辨率的绝对值光电编码器实现浮子式水位仪数字化记录，采用基于ARM9的嵌入式数据采集器，完成嵌入式浮子式数字水位仪——JS-1数字水位仪研制工作。实验室内开展的静水位观测实验和技术测试结果显示：分辨率可达0.08 mm，相对观测精度小于0.2%FS；动态响应速度大于1 m/s；采样率大于1 s；量程大于10 m(居海华等，2013)，各项技术指示均达到或优于地震观测仪器进网技术要求(DB/T 32.1—2008)(中国地震局，2001；中国地震局，2008)。按项目规划，在苏18井开展JS-1数字水位仪动水位观测实验，以考察其在动水位观测中的观测效果。

1 工作原理

JS-1数字水位仪是由浮子感测水位，通过光电编码器进行数字化，由嵌入式主机提供存储和网络服务。浮子测量系统由浮子、软钢丝悬索、测量轮和智能光电编码器组成，测量时以浮子感测水位变化。浮子系统中浮子、平衡锤与悬索连接牢固，悬索悬挂在测量轮的“V”形槽中(图 1)。平衡锤起到拉紧悬索和平衡作用，调整浮子的配重可以使浮子在正常吃水线上工作。水位不变，浮子与平衡锤两边的力是平衡的。当水位上升时，浮子产生向上浮力，使平衡锤拉动悬索带动测量轮作逆时针方向旋转；水位下降则相反。测量轮固定在光电编码器的轴上，浮子与水位同步变化，带动测量轮和光电编码器的轴同步转动，水位在不同位置时光电编码器则输出对应编码(董莉莉等，2000)。

光电编码器是利用光栅衍射原理实现位移到数字的变换，通过光电转换，将轴上的机械几何位移量转换成脉冲数字量传感器。采用绝对值光电编码器直接读出角度坐标绝对值，无累积误差，电源切断后位置信息不会丢失。编码器支持Easypro自由协议，内部的MCU的RS485可直接输出位置信息的ASCⅡ码。

嵌入式系统采用ARM9的构架，基于WinCE开发嵌入式测控系统。采用485通讯读取光电编码器的编码信息，实时计算、记录和显示当前水位值，并实时绘制数据曲线。嵌入式测控系统兼容“十五”通讯规程，并提供秒数据文件，可以在高采样率下完整记录水震波等事件(顾申宜等，2010)。测量系统具备大容量存储、高采样率、界面友好、网络兼容性好等优点(居海华等，2010)。

2 实验条件和安装方式

选择苏18井观测站进行JS-1数字水位仪动水位观测实验。苏18井位于江苏镇江，地处茅山断裂西侧，所在地震台站具有水位、水温、气氡、气汞等综合观测手段。钻井深度366 m，井水常年自流，水位固体潮汐清晰，年变化较大，观测井井口装置适合开展浮子式水位仪观测实验。

2015年12月14日完成JS-1数字水位仪的安装工作，安装方式见图 2。其中JS-1数字水位仪安装在主观测井管内，采用支架把测量轮固定在主井管正上方，原台站动水位观测仪器LN-3A数字水位仪的传感器安装在副井管内(图 2)。JS-1数字水位仪与SZW-1A数字温度计传感器共用1个井孔，安装时温度传感器紧贴井壁，避免对浮子产生影响。主副井管和脱气装置采用三通连接。井孔上安装玻璃连通管，方便观测水位位置和校测。观测井按要求定期开展校测工作，为考察JS-1数字水位仪的零点稳定性，校测时间由原来的每季度1次增加为每月1次。

3 数据处理 3.1 数据收集

收集2015年12月15日到2016年4月30日的实验数据进行分析。通过FTP下载仪器内相应时段内分钟值数据和秒值数据，并进行检查，数据完整率达100%。绘制JS-1数字水位仪整体分钟值数据曲线及对应时段的LN-3A数字水位仪观测数据曲线，见图 3，从图中可见JS-1数字水位仪数据记录完整，水位潮汐记录清晰，同井观测的两台仪器观测曲线形态一致。其中LN-3A数字水位仪观测数据出现少量缺记和不同步阶跃变化，且出现阶跃变化前均有一段时间缺记，固体潮显记录中出现明显台阶。对比JS-1数字水位仪，同时段记录完整，固体潮汐记录清晰正常。分析认为，LN-3A数字水位仪的非同步阶跃变化受仪器电源老化等原因影响，但缺记时间较短，阶跃台阶变化幅度较小，并不影响整体观测数据的使用和分析。

3.2 校测结果分析

实验期间对仪器进行加密校测，每月月底校测，共进行5次，校测结果见表 1。从表中数值可知，JS-1与LN-3A数字水位仪校测结果均符合技术规范，但JS-1数字水位仪结果比较稳定，在误差控制方面比LN-3A数字水位仪具有一定优势。

3.3 水位潮汐因子与数据内在质量评价

每月对观测数据进行水位M₂波潮汐因子与精度计算，利用中国地震地下流体观测台网水位观测资料内在质量评分方法，对实验数据内在质量进行评价(总分25分)，结果列于表 2。从表 2可见：观测井水位潮汐变化幅度不大，潮汐因子约0.25；JS-1数字水仪位观测精度较高，相应得分也较高，观测数据质量优秀。其中2月两台仪器精度误差均较大，主要由于观测水位出现较大的阶跃变化，影响了计算结果。此外，LN-3A数据质量也受到仪器老化等原因影响。

3.4 观测精度对比

选择JS-1数字水位仪与LN-3A数字水位仪同一天观测数据进行分析，水位日变曲线见图 4，明显可见JS-1数字水位仪数据曲线更细，数据离散性小，观测精度更高。

3.5 动水位同步阶跃

JS-1数字水位仪与LN-3A数字水位仪同步记录到水位阶跃变化，表现为变化时间同步，阶跃幅度相同，气氡测项也出现同步变化，观测数据曲线见图 5。台站人员对周边环境进行巡查，未发现干扰源，排除干扰影响。由于2台数字水位仪工作原理不同，其观测结果可以互相印证，由此证实记录的水位阶跃变化来源于井水位真实变化，并非源于仪器故障。

4 结束语

在苏18井开展的为期4个月的动水位观测实验结果表明，采用浮子水位观测技术的JS-1数字水位仪在动水位观测中可行，仪器各项指标达到中国地震局地下流休学科组仪器入网要求，产出数据质量优良，并且在对零漂控制、观测数据质量、观测精度等方面具有一定优势。动水位实验观测记录打破了水位变化不会出现阶跃的思想，不应再单纯地把此变化归咎于仪器故障。探讨地震前兆同一观测手段安装2种工作原理不同仪器的意义，至少在异常落实中，对比观测具有一定价值。