高精度垂直摆倾斜仪重块标定方法的研究

　　高精度垂直摆倾斜仪是我国自行设计的一种新型地倾斜固体潮观测仪器,已在我国地震前兆观测台网投入使用,其传感器分辨率达10-10m。在长期的观测过程中,由于仪器机械部分和电路部分均会产生漂移,因此,仪器记录曲线的格值必须定期进行标定。事实上绝大多数地形变观测仪器都会面临这个问题,特别是在仪器本体的安装初期,通常仪器的稳定时间少则几天,多则十天、半个月,甚至更长。尽管优化机械设计可以大大缩短仪器的稳定时间,然而由于仪器测量的绝对范围小、精度高,同时考虑到被测量长期积累变化或偶然性突变(如地质断裂或地震)造成的测量值偏离线性范围,因此,需要设计倾斜仪的调摆机构,将动极板调整在零位附近,以保证测量值的线性。另一方面,为了检验仪器的稳定性和校核稳定性变化后仪器的测量值,需要对倾斜仪的测量进行定期标定。

　　垂直摆倾斜仪作为高分辨率的观测仪器,其观测精度的提高除仪器设计、使用环境和设备管理外,在很大程度上还取决于格值标定的准确性。由于地倾斜固体潮变化量极其微小,这给标定工作带来一定的困难。传统的倾斜仪有间接标定和直接标定两种办法,如水平摆倾斜仪的格值标定采用“周期测定法”和“胀盒标定法”。在垂直摆倾斜仪的标定研究中,也采用了间接标定和直接标定两种标定方法,它们之间相互校核,互为补充。

　　1　重块标定方法

　　1.1　重块标定方法的提出

　　传统的水平摆倾斜仪采用维尔班得胀盒直接标定方法。它利用一种能膨胀的支撑板,通过在其内腔注入一定压力的水银,引起力学弹性变形,可以精确地标定仪器。国际固体潮中心(ICET)曾制作了大批不同材料的胀盒,并用干涉仪对其进行精确标定。

　　通过长期的观测实验,其结论为(P.Melchior, 1978):胀盒标定方法的线性很好,胀盒的转移系数(胀盒的膨胀与水银液面高度差之间的关系)随时间没有变化,温度对胀盒的影响不大。但长期以来,水平摆倾斜仪在使用胀盒标定方法时仍存在一些问题,如水银的挥发和污染、胀盒长期处于受压力状态所产生的材料的蠕变和非线性弹性变形等。另外,绝对重力值的改变也会对倾斜仪的标定造成影响。

　　在垂直摆倾斜仪的标定方式上,笔者继承了胀盒直接标定方法的基本原理,即利用材料的力学弹性变形原理,在标定装置的结构和标定工作方式上进行了改进,提出了重块标定方法。重块标定方法利用底板支撑杆和垫块受压后产生弹性变形的原理。考虑到标定过程的暂时性,标定装置只在标定时才对倾斜仪施加力的作用,而在长期的观测过程中不对仪器的工作造成影响。与胀盒标定方法一样,重块标定方法使材料产生的弹性变形范围一般在微米级,在这样小的范围内,即使是板壳形变的胀盒都有很好的线性(较大范围的板壳弹性变形为非线性),因此,重块标定方法中支撑杆和垫块的弹性变形具有更好的线性。