高精度倾斜仪研究进展

　　一、引言

　　众所周知，地球是个弹性体，固体潮汐、海潮、地质地形、气象气压、水文干扰以及地球内部作用造成的地壳运动等都会引起地壳形变，这种地壳形变呈现明显的周期性潮波。通过比较固体潮理论值和观测值的幅值和相位关系，人们可以知晓海潮对观测点处地壳形变的具体影响，得到观测点处地倾斜潮汐因子γ[1-2]。通过观测和分析固体潮在地面上的空间分布特点，人们可以研究海潮结构、地壳和上地幔构造以及地壳的构造运动[3-6]。另一方面，震前潮汐异常的观测可以为地震和火山爆发等灾害的预报提供重要的参考依据[7]。

　　地壳形变通常依赖高精度倾斜仪去观测。高精度倾斜仪在地下不同深度和不同地点的观测实验表明，气

　　象层会引起地壳形变并导致倾斜[8]，长周期性的倾斜分量往往与当地水文干扰有关;而非周期性的倾斜分量被认为是地壳的非弹性形变。对于长臂激光干涉引力波天线而言，地面的倾斜振动对引力波天线的检验质量产生不良影响，需要对地面倾斜震动噪声加以隔离，一种可行的办法就是同步监测地面的倾斜运动，然后对隔振系统的支撑框架进行倾斜伺服控制，在这种方法中最为关键的是研高精度的倾斜仪[9]。

　　在长期的地倾斜观测中，高精度倾斜仪也经历了自身的发展过程，出现了一系列基于不同原理的倾斜仪类型，关键技术与仪器性能得以不断发展和提高。一方面，传统形式的倾斜仪不断采用新技术进行升级改造，实现传统倾斜仪的数字化、智能化。另一方面，结构新颖、性能优良的倾斜仪持续涌现。本文着重介绍这些新一代高精度倾斜仪的工作原理、微位移检测技术以及灵敏度的标定等方面的研究进展，并对高精度倾斜仪的发展趋势进行分析。

　　二、倾斜仪概述

　　目前地倾斜观测一般采用两种观测技术，一种是以铅垂线为基准，通过一个摆测量地壳相对于铅垂线的偏移;另一种是以水平面为基准通过在一定跨度内测量地壳在铅垂方向上的相对位移。按仪器基线的长度来分，地倾斜固体潮的观测仪器有长基线倾斜仪(LBTs)和短基线倾斜仪(SBTs)两大类。不管是哪一类倾斜仪，由于地倾斜固体潮日变化幅度约为 0.05〞，测量地倾斜的仪器分辨率需达到 0.0001〞，对倾斜仪的测量灵敏度、观测精度以及稳定性的要求很高。

　　1、长基线倾斜仪

　　长基线倾斜仪是为了克服短基线倾斜仪的长期稳定性较差、对倾斜仪机械本体及其连接的稳定性要求高等缺点而制作的，最常见的长基线倾斜仪是水管倾斜仪[10-12]。水管倾斜仪是一种利用自由水面作为基准测量相隔一定距离的两个观测点之间相对高程变化的长基线倾斜仪。其基本结构是用一根水管的两端连接两个钵体，中间为定标装置，如图 1 所示。当连通管两端地基有相对垂直位移时，倾斜仪钵体中的液体会从相对抬高的一端流向相对降低的一端，于是两端液面与钵体的相对位置发生变化，用位移传感器检测这种位置变化就可得到沿水管方向的地倾斜信号。还有一种水管倾斜仪，它不是检测两边液面的水位变化，而是通过探测水管中点处两端液体的压力差来检测地壳的倾斜。长期实践证明，水管倾斜仪具有工作稳定、易于安装、数据可靠、