0 引言

数字式水位仪具有测量分辨率较高、动态响应特性良好等特点，在地震地下井水位观测中广泛应用（石岩等，2014；居海华等，2017）。压力式水位传感器具有较高的测量精度，是数字式水位仪的重要组成部分，主要用于检测井孔中水柱的压力变化，进而转换成探头到水面的高度变化，井水位观测的测量对象是水位埋深，即地下水面相对于基准面（例如井口、泄流口）的垂直距离，水位埋深需要与水位传感器的测量值进行换算得到（中国地震局监测预报司，2007）。然而，仪器在长期观测中存在零漂等问题，影响观测资料质量（刘春国等，2018）。为了保证井水位观测数据的真实有效，根据地震行业规范的相关要求，需要定期现场校测水位，校正仪器相关参数。因此，水位校测对提高流体观测网的运行质量与监测效能具有重要意义，是规范井水位观测技术的关键环节。

水位校测可分为静水位和动水位校测，当前国内流体台站的井水位观测中，静水位观测明显多于动水位观测（冯恩国等，2012）。静水位校测的需求更加广泛，常用校测方法有测钟法和电极法。地震流体台站水位埋深从几米到几十米不等，且校测精度要达到1 mm，因此实现大量程、高精度的水位校测，存在较大难度。水位校测本质上是水位测量，测量技术发展成熟，测量装置类型多样（刘彧等，2019）。相比测钟法，电极法在测量精度上有了较大提高，且简单便携、易于操作。电极法的工作原理为，校测探头端部一般有2个探针，当探针电极接触水面时，水作为导电介质使电极之间形成闭合回路，测量仪的蜂鸣器报警、指示灯闪光。此外，其他类型的校测装置也逐步得到应用。例如，采用浮子式的测量探头，即探头内部设置磁簧开关（干簧管），并在探头前端设有一个环形磁铁浮子，浮子在一定范围内可动，接触到水面时，浮子中的磁铁吸合磁簧开关，导致测量仪报警。

使用测钟法和电极法进行静水位现场校测过程中，需要缓慢寻找测钟或探头电极触点接触水面的确切位置，人工读取刻度尺示数，对使用者的熟练程度有较高要求。钢尺水位计是一种典型的电极式水位测量装置，多应用于地下流体井、钻孔等水位测量。然而，传统的钢尺水位计通过塑胶工艺将刻度尺和导电线缆连接到水位探头，存在以下问题：①量程越大，绕线盘体积越大，操作使用不便；②钢尺电缆外侧为透明塑胶覆膜加工而成，若钢尺电缆发生弯折、老化等变形，会对测量精度产生影响，不便于维护。

文中介绍了一种基于无线模块的水位校测装置，该装置采用多电极探针的探头，通过无线传输，将电极接触水面的电信号传输到地面，触发蜂鸣器报警和指示灯显示，并设计了读数模块，研制了水位校测装置样机来开展实验研究和台站测试。

1 工作原理

地震流体井下水位校测装置总体结构主要包括探头、钢卷尺和读数模块、接收报警模块（图 1），其中探头包括探头壳体、多电极探针、无线发射模块和供电电池。

流体井下水位校测装置具体工作原理为，多电极探针的探头通过钢卷尺连接，测量时探头接触流体井中的水面。由于探针长度不同，接触水面的先后顺序不同，将探针接触水面的通断信号通过探头中的无线发射模块，先进行编码，再发射至接收模块。接收模块通过解码，对探头与水面的接触情况进行指示和报警，然后从读数模块的钢卷尺刻度上读数，记录测量值，再转换成水位埋深值，即完成水位校测工作。

多电极探针装配后长度差不大于1 mm，探头的测量精度优于1 mm。以探头采用4个电极探针（其中1个公共电极）为例，即探针P₁—P₄，探针P₁比探针P₂长，探针P₂比探针P₃长，探针P₄为公共电极，与探针P₁长度相等。相应地，在接收报警模块上设置3个指示灯L₁—L₃和1个蜂鸣器F₁。将探头各个探针与井下水面接触的通断信号通过无线发射，接收报警模块会发出报警并显示，其中探针接触水面时接收报警模块的报警提示见表 1。校测装置的钢卷尺零点从探针P₁顶端计算，探针P₁的顶端到钢卷尺连接处的距离从钢卷尺上截除。

无线数据传输技术广泛应用于车辆监控、遥控遥测、门禁系统、工业数据采集、机器人控制等领域，技术成熟，传输稳定可靠（房明明，2009）。本研究采用315 MHz无线模块，主要包括无线发射模块和无线接收模块，其中无线发射模块设置在探头内部，无线接收模块则为接收报警模块的组成部分。

在一般水位校测过程中，由于井口高度较低，超出地面较少，读数时难以保证视线与刻度尺平齐，不可避免地造成读数误差。基于错位放大原理设计的读数模块，可以减小读数误差。游标卡尺是一种典型的基于错位放大原理的量具，测量精度高，使用广泛。基于该原理设计的校测装置配有固定支座，在支座上安装读数模块。读数模块包含一个固定的游标尺，校测工具选用的钢卷尺可作为主尺，并在读数模块上确定读数基准点。测量过程中，连接探头的钢卷尺可动，游标尺相对固定，读取并记录井口到基准点的刻度值H₁和探针P₁接触水面的刻度值H₂，则水位校测的埋深值为H = H₂－H₁。

2 装置设计 2.1 探头和探针

探头是校测装置的主要组成部分，其外壳为工程塑料，各组成零件通过螺纹连接。探头的电极采用耐腐蚀的不锈钢材料，通过防水密封胶固定在探头前段。探头结构见图 2所示，探头上端连接钢卷尺，下端探测井下水面，中间部分用于安装电池，为无线发射模块供电。

多电极探针设计在机械结构上可提高探针接触井下水面探测的准确度。为保证校测装置的测量精度不低于1 mm，各电极探针装配后的长度差不高于1 mm。此外，探头上的多电极结构，需要尽可能增大电极探针的布设间距，避免电极上有水粘滞或混入铁锈等杂质，造成误导通。

2.2 无线模块

设计选用315 MHz无线模块，其无线发射模块采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度高。采用PT2262/PT2272编码、译码芯片进行电路设计。

无线发射模块结合编码芯片PT2262进行编码电路设计，见图 3(a)。经过芯片17脚串行传输的数据信号，被调制到315 MHz的高频载波上，通过天线辐射出去。接收模块通过天线接收到高频信号，经解调，通过译码芯片PT2272，电路设计见图 3(b)。数据信号从芯片14脚输入，解码后导致蜂鸣器报警或指示灯显示。

2.3 读数模块

为了减小人为读数误差，基于错位放大原理设计读数模块。该模块以钢卷尺为主尺，设有一个固定游标尺（图 4）。游标尺可选择为10、20或50个分格，钢卷尺精度为1 mm。测量过程中主尺（钢卷尺）可动，游标尺固定，读数的基准点为游标尺的零刻度线。理论上，利用该读数模块可提高测量过程中的读数精度。例如，当游标分格取为20时，读数可精确到0.05 mm。

3 实验研究 3.1 误差分析

由于钢卷尺选用工业级产品，刻线精度已通过出厂检定，因此影响测量精度的因素主要包括系统误差（例如机械结构的装配误差、探针电极的安装误差）和随机误差（例如人为操作误差）。

系统误差可通过实验分析消除，对测量值进行修正；随机误差需要增加测量次数，计算多次校测的平均值来减小。为了减小多电极探针的安装误差，可通过标定实验进行测试。具体实验方法为，将探头悬挂固定，取一个量杯，加入适量的水，将量杯固定在高精度升降台上，调整升降台的升降位移，例如每次上升或下降一定位移，根据表 1数据所示，观察各个探针接触水面以及接收报警模块的工作情况。

3.2 台站实验

基于无线数据传输原理，试制地下流体井水位校测装置样机1套，多电极探针装配后的长度差设置为1 mm，校测装置的测量精度为1 mm，开展台站测试和实验研究。按照地下流体井水位现场校测规范的要求，校测连续重复测量5次，计算平均值和平均误差，并填写水位校测记录表，实验结果见表 2。在台站实验中，与市场上商业化的水位校测产品进行比测，结果基本一致。实验结果表明，研制的水位校测装置可用于地震流体台站的静水位校测，验证了基于无线模块设计地下流体井水位校测装置的可行性。

4 结束语

基于无线模块的地下流体井水位校测装置，采用多电极探针的探头，通过无线传输，电极接触水面的电信号被传输到报警模块，触发蜂鸣器报警和指示灯显示，读数模块记录刻度值。按照水位校测规范要求，计算获得水位校测值。通过设计装置的机械结构和硬件电路等，研制水位校测装置样机开展实验和台站测试，验证了设计原理和实现方案的可行性。

本设计方案实现了水位校测功能，满足使用需求和相关规范要求，可应用于地震流体井下静水位校测。研制的实验样机采用在固定底座上安装读数模块的设计，相比传统的水位校测装置，增加了装置的复杂程度，需要进一步优化装置机械结构，以使校测装置简单便携。另外，在探头中的多电极探针结构布局和材质选型等方面需要开展更深入的研究，以进一步提高水位校测装置的测量精度。