银川地震台水管仪固体潮干扰分析

沈 宁

（中国宁夏回族自治区750001银川基准地震台）

银川地震台水管仪固体潮干扰分析

沈 宁

（中国宁夏回族自治区750001银川基准地震台）

采用地震前兆跟踪分析软件处理数据，发现银川地震台水管仪记录的固体潮波形异常，判定为观测系统故障造成，利用固体潮理论值对比和潮汐因子等手段，对故障原因逐一排查，确定为DSC-2A型前兆数据采集器插口模块故障，并提出解决办法，供同仁借鉴。

水管仪；固体潮；数据采集器；故障；干扰分析

0 引言

近年来，由于地震观测系统老化等原因，仪器固体潮汐记录失真等干扰事件频发。了解分析地震前兆观测仪器记录的固体潮数据及非潮汐类干扰特征，正确区分干扰事件类型，准确分析并排除各种干扰，如确定为仪器故障，找到引起故障的真正原因，是地震台站一线观测人员必须具备的专业技能。利用银川地震台DSQ水管仪记录的非正常固体潮汐资料，通过实验等手段逐一排除故障环节，寻找故障原因，为观测仪器及时恢复工作和观测资料的真实可靠提供保障。

1 观测背景

1.1 台站观测环境

银川地震台（以下简称银川台）为基岩型观测站，基础岩性为前震旦系花岗片麻岩。形变观测山洞位于贺兰山东麓断裂西侧，“之”字形，海拔1 545 m，主洞长90余米，宽1.6 m，日温差小于0.01℃，年温差小于0.1℃，温度范围12.50℃—12.60℃，相对湿度60%—70%，山洞顶部基岩覆盖层厚度大于50 m。银川台观测环境条件符合地震行业规范（中国地震局，2003）要求，距山洞西偏南沟谷中有一深井（间距270 m），井深112.58 m。降水、山洪及每年3—11月间断性抽水，均对形变观测资料造成不同程度的影响。

1.2 观测系统参数

2001年7—8月对形变仪器进行数字化改造，将原浮子水管倾斜仪（FSQ型）拆卸，在原位置组装架设新研制的浮子水管倾斜仪（DSQ型），采样率为分钟值采样，以NS向与EW向按照“L”型分布在主洞室中，NS向基线长30.32 m，EW向基线长30.39 m。2001年9月1日DSQ水管倾斜仪试记，2002年1月1日正式投入观测，仪器分辨率0.000 5″，日漂移量≤0.005″，标定精度≤1%。仪器采用DSC-2A型公用数据采集器采集数据，4套地震前兆仪器经分线箱接入公用数采，通过串口直连线接入协议转换器，实现“九五”转“十五”并网（图1）。

图1　观测系统连接示意Fig.1 Observation system connection diagram

2 干扰现象

银川台DSQ水管倾斜仪运行至今，工作稳定，资料连续可靠，能清晰记录固体潮变化，日变清晰光滑，有明显季节性变化特征。

2014年6月30日利用地震前兆跟踪分析软件分析数据时发现，水管仪观测数据存在固体潮异常现象（图2）。检查发现，W端电压值数据存在波形异常，EW向数据出现大量毛刺，认为该现象非地震异常，应为干扰因素所致。当日10：30观测人员进山洞检查仪器，发现电压值未超量程，洞室内和观测系统无明显故障，14：20调试W端磁阀体，至2014年7月2日，数据未恢复正常，且出现方波特征，再次检查仪器和线路，仍未确定数据不正常原因。7月6日水管仪固体潮波形记录表现为：出现小潮现象，潮幅未达到原有幅度，过后未恢复。计算银川台水管倾斜固体潮理论值，与实测值进行对比，发现潮幅在7月2日出现方波后，数据产出不正常（图3）。

图2　水管仪记录异常波形Fig.2 Abnormal waveform of water tube tilt meter record

图3　水管仪NS向实测值与固体潮理论值的比较Fig.3 Comparision of the theoretical and measured values of NS component of ater tube tiltmeter

3 故障排除

水管仪观测数据出现异常变化，初步排查未发现周边环境和洞室有大的干扰因素存在，认为观测系统自身出现故障，对可能出现故障的环节逐一检查。

3.1 山洞供电电源

检查山洞供电电源线路、UPS主机工作情况及稳压电源，均正常。因只有水管仪出现数据变化异常形态，其他仪器记录正常，排除供电系统故障的可能。

3.2 磁传感器调试

记录曲线不正常，日变潮汐幅度变小，可能原因是，仪器浮子竖杆和发磁体套筒管壁存在摩擦牵连，或存在絮状灰尘等异物阻碍浮子在正常工作范围浮动，因此对磁传感器部件进行多次检查。

7月1日14：20调试W端磁传感器，拨动浮子稳定簧片，用手电照射磁传感器顶端观察内部情况，未发现明显异常；7月10日09：20至09：30再次调试DSQ水管仪E端和W端磁传感器，14：30至15：20检查调试N端和S端磁传感器。将原各端点发磁体套筒和浮子稳定簧片位置重新进行调整、拆装，调整工作零位，检查浮子及发磁体套筒周围有无絮状等牵连物，以及水面高度和稳定簧片的受力度。同时，对4个端点同时调零，连续记录两日后固体潮数据仍然未恢复正常。通过调试磁传感器后固体潮记录仍不正常，说明传感器和钵体无故障。

3.3 信号前置放大器盒

在确认仪器主体正常情况下，信号输出和放大部分出现故障的可能性比较大，但前置放大器盒4个端点同时出现故障的概率较小。因此，将各端点前置放大器盒进行互换。7月10日16时将N端和W端前置放大器盒进行互换，然后用万用表测量输出电压值结果，显示电压值稳定，与信号接线箱输出电压值相吻合，可以肯定前置放大器盒无故障。

3.4 DSQ自动扩展测微仪

自动扩展测微仪是仪器系统主机，主要功能是：为差动变压器换能器提供电源，接收各路换能器的输出信号作衰减分档处理和按序分输。主机将信号经过自动调零主板单元输入自动平衡记录仪进行固体潮曲线记录，传送到前兆数采进行数据传输和联网（熊仲华等，2006）。利用万用表测量测微仪电源，重启并复位测微仪，观察发现显示面板读数与仪器输出电压值均正常，本单元工作正常。

3.5 信号接线箱及线路

信号接线箱是仪器主体与数据采集器分线输出箱，可能出现接线松动，或长时间线路老化等影响，有必要对信号接线箱和各线路进行检查，对接线柱螺丝紧固，检查结果为各线路正常。

3.6 仪器标定

标定装置位于仪器主体信号输出和数据采集器之间，主要用于检查仪器主体和输出线路的工作状态和误差值。各类地倾斜观测仪精度很大程度上取决于格值标定的准确性。观测资料的可靠性与格值常数准确测定有着密切关系（陈德福，1993）。因此，按常规标定步骤对系统进行标定，发现4个端点的标定数据均符合正常标准，格值与电压灵敏度未超差。由此进一步说明，仪器主体和线路输出部分工作状态正常。

3.7 数据采集器分量表配置

经过上述排查，固体潮畸形仍然存在，由此对DSA-2A型公用数据采集器（以下简称数采）内部进行检查。7月12日，将笔记本电脑com1口与数采RS-232C通讯口用串口线连接，启动数采通讯控制软件，显示12组命令，选择命令“1”，即调取数采分量表配置代码，将线序对照分量表排列进行逐一检查，均无异常，插口也无松动和插错现象（图4）。

图4　DSC-2A型数据采集器后面板模拟通道序号示意Fig.4 Serial number schematic of DSC-2A type data collector that analog channel of rear panel

3.8 数据采集器

将笔记本电脑与数据采集器用串口线连接，启动数采通讯控制软件，显示12组命令，选择命令“5”，即调取当前测值，显示1组共11项测量数据。用万用表测量分线箱内4个端点电压值，发现该值与电脑显示的数采当前测值不符。由此确定水管仪固体潮波形畸形的原因是数采故障。

启动数采内置按钮，将数采进行重启复位。通过多次重启，发现重启完毕后绿灯状态灯有不闪烁现象，断电等待若干分钟后，绿灯闪烁才正常。在硬件方面，继电器是影响数采器平均无故障时间的主要因素，设计时应当注意继电器老化、筛选和保护（周振安等，2002）。说明数采经长期运行，内部继电器已经老化，是故障的主要因素。经上述断电重启操作，使用数采控制软件刷新分量表，发现调取的当前测量值仍然不对。尝试将输入信号插口进行调换重新排序，将数采后面板模拟量输入通道的11个信号线插口进行调换（图4），将水管仪各端点信号线插口相互错开再插入通道口。之后，数采分量表进行重新排列（表1），可以看到调换前水管仪的S、E、W端信号线插口在相邻通道口，调换后相互隔开插入通道口，用通讯控制软件新编辑的分量表上传入数采。经过重新排列后，水管仪各端点插口间隔着气象三要素插口，避免各端点输入信号值错乱。

表1　调换前后各通道口分量代码Table 1 Changing before and after changing the channel component code

通过调换信号线插口和重新分配分量表，当前测值与分线箱内测量电压值相符，故障排除。用实测值和固体潮理论值进行比较，发现7月12日后产出实测值数据与理论值基本相符（图5）。2014年7月18日银川台水管仪再次出现相同干扰现象，采用相同方法判定干扰源，并于当日11时至15时维修数采。18时测量分线箱各测项电压值和数采输出测值均恢复正常。这次事件再次验证上述发现和排除故障的方法是正确的。

图5　水管仪东西向实测值与固体潮理论值比较Fig.5 Comparison of the theoretical and measured values of EW component of water tube tiltmeter

为了进一步验证数采故障已经排除，计算故障前后水管仪观测值潮汐因子（图6）。银川台潮汐因子年平均值NS向为0.621 7、EW向为0.668 7；数采故障期间（7—8月），潮汐因子值受到严重影响，结果显示，潮汐因子最低值NS向为0.488 2、EW向为0.548 4。故障排除后，潮汐因子值恢复正常水平，由此证明水管仪固体潮干扰原因为数采故障。

图6　2013—2014年水管仪潮汐因子曲线Fig.6 Tidal factor curve of water tube tiltmeter from the year 2013 to 2014

4 结论

通过对银川台DSQ水管仪观测资料分析，及时发现并排除固体潮受干扰记录畸变原因及故障。

（1）DSC-2A型数采器的12个输入端口，由独立集成电路部分组成，元器件老化会导致一定程度的故障。

（2）若是多个模拟量通道数据不对，且电压表检查外部输入信号正常，则可能是某个通道输入继电器损坏（触点粘连），或通道继电器驱动电路故障造成多个输入信号叠加，应更换继电器或检修驱动电路（周振安，2004），以保证数采工作的稳定性。

（3）2014年7月数采故障后出现多次类似故障，采用上述排查方法可以顺利解决。

（4）固体潮记录异常现象较难发现，需长期观测固体潮曲线，并掌握固体潮谐波规律，通过比对固体潮理论值与实测值曲线，判断仪器运行状况。同时，对仪器元器件需有所了解，以提高判断和处理故障的能力。

论文撰写得到宁夏回族自治区地震局分析预报中心曾宪伟工程师及中国地震局前兆台网中心各位专家指导，特此感谢。

陈德福.地壳形变动力学观测与研究［M］.北京：海洋出版社，1993：66-72.

熊仲华，等.地震观测技术［M］.北京：地震出版社，2006：421-422.

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中国地震局监测预报司.地形变测量［M］.北京：地震出版社，2008：174-178.

Abstract

Through processing of abnormal waveform of solid tide precursor records observed at Yinchuan Seismic Station with the trace analysis software，it is determined to be caused by the observation system failures.Using comparison of the theoretical and measured values of solid tide and tide factors，the causes of failure are analyzed and sought.It is found that the failure comes from the data socket of DSC-2A type precursory data acquisition instrument.Finally the solution method and some maintenance experiences are put forward.

Analysis of water tube tiltmeter solid tide interference at Yinchuan Seismic Station

Shen Ning
（Yinchuan Seismic Station，Ningxia Hui Autonomous Region 750001，China）

water tube tiltmeter，solid tide，data acquisition，trouble analysis

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.019

沈宁（1985—），宁夏回族自治区银川市人，本科，助理工程师，主要从事地震监测与分析工作。

E-mail： shenning_47@163.com