1 研究背景

水管倾斜仪是我国重要的地球物理观测仪器之一, 是一种自动测量地壳倾斜变化, 进而获取固体潮信息的高精密仪器。为保证观测数据的长期有效性, 需对该仪器进行调零操作。传统调零由手工调节垂直微调装置旋钮完成（聂磊等, 1984）, 操作步骤如下: 水管倾斜仪测量数据超出量程, 观测人员进入硐室, 打开其钵体上端的罩子, 调整垂直微调装置旋钮, 带动调节线性差动变压器位置, 从而达到仪器调零的目的。此调零方式沿用至今, 在应用过程中易产生人为干扰, 而且, 若无人值守台站测量系统超出量程且未及时进行仪器调零, 若有地震发生, 则会缺失在此期间的数据记录。本文提出一种新的水管倾斜仪自动调零方法, 根据标定过程得到电压值变化与调零装置位移之间的关系, 并建立该方法的理论基础, 通过单片机控制仪器调零装置的竖直移动, 可为实现水管倾斜仪自动化远程调零提供新思路。

2 自动调零原理

水管倾斜仪自动调零原理是, 基于标定原理, 得到液面下降或上升的垂直变化量与电压的关系, 根据需调零电压值, 反推求得需垂直微调的距离, 根据所求位移值, 对减速电机进行控制, 以带动微调装置自动移动, 实现仪器的自动调零。

水管倾斜仪自动标定装置基于齿轮转动和步进电机设计, 整机装置示意见图 1。其自动标定原理是, 通过控制校准棒的上升、下降距离∆h_标以增减仪器内液体量, 完成仪器的静态标定。

根据连通管原理和水的不可压缩性, 可知水管倾斜仪两端钵体的液面始终保持在同一自然水平面上, 则校准棒增减液体的体积为

$ {V_{棒}} = \Delta {h_{标}} \times {\rm{ \mathsf{ π} }}{\left({\frac{d}{2}} \right)^2} $

(1)

式中: ∆h_标为校准棒的移动量, 单位mm；d为校准棒的直径值, 单位mm。校准棒增减液体量V_棒等于钵体两端液体变化量的和π[(D₁/2)² +(D₂/2)² ]ΔH_水, 因此, 液面改变量∆H_水（单位μm）可用下式表示

$ \Delta {H_{水}} = \frac{{\Delta {h_{标}} \times {d^2}}}{{D_1^2 + D_2^2}} $

(2)

式中: D₁、D₂分别为两端钵体的内径值, 单位mm。则水管倾斜仪两端液面变化量∆H_水与产生的电压变化量$\Delta {\vec U_{\rm{C}}}$的比值为

$ \frac{{\Delta {H_{水}}}}{{\Delta {{\vec U}_{\rm{C}}}}} = \frac{{\frac{{\Delta {h_{标}} \times {d^2}}}{{D_1^2 + D_2^2}}}}{{\Delta {{\vec U}_{\rm{C}}}}} $

(3)

式中: $\Delta {\vec U_{\rm{C}}}$为电压变化量, 单位mV。

3 装置设计

水管倾斜仪自动调零装置是利用单片机控制减速电机, 进而带动垂直微调装置移动的简单结构（胡国庆等, 1999；吴艳霞等, 2010）, 其实物见图 2所示。其工作原理是, 设计数据采集模块, 采集并判别测量电压值大小, 当该数值即将超出有效量程（测量电压有效范围为-2 000 mV — +2 000 mV）时, 触发单片机蓝牙报警模块远程自动报警, 启动电压调零装置, 经由远程单片机控制页面, 通过数据采集模块和单片机控制减速电机, 带动垂直微调装置发生竖直微位移, 进而达到对水管倾斜仪自动调零的目的。

4 结束语

人为调零操作对水管倾斜仪观测数据干扰较大, 为此提出一种基于减速电机和数据采集模块的自动调零方法, 设计自动调零装置, 利用减速电机带动垂直微调装置上下移动, 通过控制减速电机的正转和反转, 带动垂直微调装置实现对电压值的上调和下调, 从而实现对水管倾斜仪的自动零点电压调节。该机械装置结构简单, 稳定可靠, 可有效减少人为干扰, 降低对测量数据的影响, 且调零流程快捷, 便于工作人员进行管理和操作。

该装置的设计, 可为观测仪器记录实现远程自动化助力, 为实现固体潮信息不间断记录提供有力保障。

感谢防灾科技学院各位老师、同学的帮助, 感谢武汉地震科学仪器研究院有限公司科研人员的指导和帮助, 感谢导师的指导和支持。