0 引言

近年来，随着“十五”“十一五”计划实施，我国地震台站模拟仪器更新换代为数字地震仪，大动态、宽频带已成为当代地震观测主流技术，测震观测系统大量使用宽频带地震计和甚宽频带地震计(薛兵等，2013)。郭金华等(2003)研究发现，温度、湿度超出正常工作范围，仪器不能正常工作。王晓蕾等(2012)通过对比观测实验，总结温度对地震计各频点灵敏度、归一化幅频特性的影响曲线。孙宏志(2016)研究认为，地震计控制箱内温度高于设定上限时，启动半导体制冷系统；当控温箱内温度低于下限温度时，硅橡胶加热片自动加热装置。在实际地震观测工作中，需要更加精准地监测控制地震计温度，监测调节湿度，为适应地震台站运维的“有人看护、无人值守”新模式，实现远程监控、数据采集、存储等功能，进一步开展地震计恒温低湿智能监控仪研发。按规定要求，地震计摆房温度日变化≤0.1℃，年变化≤5℃，相对湿度≤85%(中国地震局，2001)，很多地面摆房保温隔热差，每年冷暖交替季节，地震计容易出现靠摆现象，一般通过人工断电重启数采或拆摆来解决。有些无人值守台站地震计摆房湿度常年在100%左右，长期观测影响地震计工作寿命，目前只能使用石灰、氯化钙等除湿，效果不明显。因此，将地震计局部工作环境温度、湿度控制在一定范围，即可保证其工作稳定，产出连续、可靠的数据。

1 地震计工作影响因素

温度因素对地震观测等精密测量仪器的材料性能、元件等参数的影响普遍存在，尤其当外界温度急剧变化时，拾震器内部机械结构受到一定影响，易产生靠摆或零漂等现象(孙宏志，2016)。地震计由较多高精密电子元件组成，长期在恶劣环境下工作，如温差大、湿度大等，均会影响电子元件稳定性，从而影响地震计工作性能及寿命，造成仪器标定不合格，若地震计数采板因潮湿出现霉菌，导致故障出现，记录波形不正常。因此，控制地震计工作温度和湿度，保持摆房最佳观测环境，对地震计观测质量和使用寿命至关重要。

(1) 地震计靠摆现象。受外界温度影响，地震计容易出现靠摆现象，造成机械零点朝某方向持续偏移[图 1(a)]，最终超出正常采样电压范围[图 1(b)]。靠摆现象多出现在地震计垂直或水平分量，一般地震计自身可恢复至零点，也存在持续朝一个方向不断靠摆而造成卡死的现象。靠摆电压接近零点，表明地震计工作性能好，反馈电流小，噪声低。平时巡检台站时，需要查询地震计靠摆电压值，电压过大，需启动远程调零。

以南阳地震台BBVS-120甚宽频带地震计为例，摆房温度常年保持在10℃—30℃，每年3—4月、9—10月出现2—3次靠摆现象(图 1)，远程调零不起作用，需要人工重启仪器，靠摆严重时出现卡摆现象，需要人工拆摆才能恢复正常工作，导致某些地震漏记，影响观测数据连续率。

(2) 地震计标定影响。洛阳地震台采用CTS-1EF甚宽频带地震计进行观测，2015—2016年EW分量脉冲标定阻尼变化率见图 2。洛阳台EW向脉冲标定阻尼变化率不符合规定要求[在2016年以前测震评比规范中，脉冲标定阻尼变化率小于10%符合要求，根据“测震台网运行管理细则(2015修订版)”要求阻尼不能超过5%]，CTS-1EF甚宽频带地震计需要更换或维修。由图 2中A、B、C段数据可知，2015年夏天地震计阻尼变化率约2%，冬天约10%，变化规律，与温度变化呈对应关系。由图 2中D、E段数据可知，在2016年寒冷天气使用电暖气给摆房加热，冬季仍有不合格数据，但阻尼变化率明显小于往年，可见摆房加热有一定效果，观测数据质量得到提升。

(3) 摆房湿度影响。信阳地震台摆房建在观测山洞中，冬天采用电暖器加热(图 3)，温度常年保持在17℃—19℃，使用CTS-1E甚宽频带地震计进行观测，2015年9月仪器出现故障，检查发现，数采板受潮严重并发霉，红色电容上出现较多白点(霉菌)，见图 4。该观测山洞湿度常年在95%以上，夏季达100%，已超出规范要求，长期在此环境下，严重影响地震计工作寿命。

2 工作原理

摆房温度、湿度变化对地震计工作性能影响较大，保持稳定的工作环境，对于保证地震计工作稳定，产出数据真实、可靠，具有重要意义。因此，研制一套地震计恒温低湿智能监控仪，以有效监测摆房工作环境。该仪器由温湿度传感器、恒温罩、恒温加热板、铝板、锡纸、ARM9工控板、模拟量输出采集模块、固态调压器、Wince系统、I2C转UART模块、入库通信协议等组成。

若外界温度剧烈变化，地震计容易出现靠摆、地震波形漂移等现象，设置高精度温度、湿度传感器，当温度上升或下降超过设定温度时，通过智能单项调压模块和PTC恒温发热片，自动加热具有存储热能的铝制发热体(便于恒温控制)，在4 000—20 000 μA范围内通电微调，把数字信号转化为模拟信号，精准控制加热，温度精度可达0.02℃，实现温度的远程精准控制、调节。通过远程监控，发现湿度超过地震计正常工作范围时更换吸潮剂，阻止工作人员频繁进入摆房造成干扰。通过计算机、手机登录内网进行远程监控。按照“地震前兆数据库结构规范”格式存储和入库，拓展应用领域。温湿度智能监控仪见图 5，工作原理见图 6。

2.1 地震计低湿实现

恒温罩处于相对密封空间，为更好地控制地震计湿度，在恒温罩内部增加除湿瓶(图 7)。除湿瓶由里外2个存放氯化钙的瓶子组成，瓶身以100—200个直径0.3 mm的孔与外界相连，缓慢吸收潮气，当湿度超过指定值时，及时更换氯化钙；摆墩面铺设防潮硅胶垫片，防止潮气进入恒温罩，保持低湿效果。

2.2 摆房和地震计温湿度采集存储实现

采用ARM9工控板，使用Wince 6.0系统，内置由C#编写的温湿度数据智能监控软件，通过com1和com2串口，经RS232转I2C串口扩展模块与高精度温湿度SHT21传感器相连，2个传感器分别放置在地震计恒温罩和摆房内，传感器感应的温湿度转换成电信号，经放大器和A/D转换器，转换成数字信号，通过RS232转I2C串口扩展模块转换为RS232信号，与ARM9工控板相连，进行数据、指令读取及发出，Wince 6.0系统内温湿度智能监控软件实时读取数据，并按指定的前兆通信协议格式文件保存，从而完成温度采集与存储。

2.3 地震计恒温控制实现

地震计恒温罩内温度一般设置为接近或等于摆房夏季温度，恒温仪只需对恒温罩内加热板微量加热或降热，即可确保地震计处于恒温状态。温控实现过程如下：ARM9处理器经传感器读取温度数据，与人工设定值进行对比，判断是否比设定值高或低0.03℃，若高于0.03℃，则每2 min减1热量值(1热量值实际为数字1，约等于0.001℃)，若温度继续升高且高于0.08℃，加大降温力度，每2 min减2热量值，反之则减1或2热量值，从而保证恒温罩内温度始终近似恒定值。通过RS485转4-20MA模拟量模块modbus转换器协议通信，实现数字到模拟电压的转换，通过模拟电压微量调控加热板的热量补尝，从而实现地震计恒温控制。

2.4 远程监控实现

为了更好地实现数据远程监控，利用Macromedia Dreamweaver 8网页编辑器，采用Wince 6.0系统开发Web服务器asp网页，包含用户登录、主页、技术指标、仪器状态、参数设置、设备管理等页面，通过网页实时了解仪器时间正确性及仪器网络、设备参数的配置，可实时查看当前摆房和恒温罩内的温度和湿度变化，通过设备管理远程重启数采软件和仪器，实现远程控制。地震计恒温低湿智能监控仪网页见图 8。

3 使用效果

地震计恒温低湿智能监控仪研制完成后，2017年在洛阳、信阳、南阳等地震台站进行试运行。

信阳台摆房平常湿度在100%左右，放置7盆氯化钙控湿，7个月更换4次，摆房湿度才降至85%，但仍不符合规范要求，见图 9(a)中A、B、C、D段数据。地震计安装恒温罩后，湿度控制在45%—65%，7个月仅更换2次氯化钙，湿度控制曲线见图 9(b)，由A、B段数据可知，湿度达到规范要求。

洛阳台安装恒温仪后，地震计脉冲标定后EW向阻尼变化率明显小于2015—2016年，数据处于低值且相对稳定，见图 9(c)中的A、B、C段数据。南阳台地震计在2017年前频繁靠摆，垂直向零点电压受温度影响变化大，使用恒温仪后，零点电压较小且相对稳定，未出现靠摆现象，见图 9(d)。

4 结束语

地震计恒温低湿监控仪温度范围设置较高，在洛阳、南阳、信阳等国家级甚宽频带测震台使用，实现了对地震计温度、湿度的远程监控、调节，3个测震台首次实现全年正常运行，观测数据质量和工作效率得到提升。电子设备受温湿度影响较大，在难以彻底改善观测环境的前提下，配备地震计恒温低湿监控仪，实现局部温湿度环境改善，可确保仪器设备正常工作，对于提升观测数据质量具有重要意义，值得推广使用。