SSY-Ⅱ的基线是石英管。熔融石英(SiO₂)的膨胀系数小于10^-6/℃。硅砂在2 000 ℃温度下熔化,石英结晶构造被破坏,冷却后就得到玻璃状物质,各向同性。石英管在很宽的温度范围(0 ℃～1 000 ℃)内具有很小的热温度系数。

SS-Y的基线是含铌特种因瓦棒,其膨胀系数比石英还要小。SS-Y的基线长度在10 m以内就能记录到明显的应变固体潮。

SSY-Ⅱ使用日本SONY公司生产的磁传感器,它由发磁体、检测头及检测器3部分组成。发磁体是永久磁铁,检测头有两组线圈,振荡器产生激励脉冲提供给检测头。当发磁体与检测头产生相对位移时,检测头中的两组线圈的磁场强度发生变化,得到直流电压输出。磁传感器原理如图2a所示。

图2 磁传感器原理图(a)和差动变压器结构原理图(b)
Fig.2 Schematic diagrams of magnetic sensor(a)and differential transformer's structure(b)

表1 SSY-Ⅱ与SS-Y的换能系统主要技术指标对比
Tab.1 Contrast of the main technical indexes of transducer

技术指标 SSY-Ⅱ SS-Y分辨率 0.01 mm 优于0.01 mm量 程 250 μm >100 μm非线性度 ≤±0.1% ≤1%

SSY-Ⅱ采用的是胀盒法对仪器进行格值标定。胀盒标定系统包括胀盒、水银杯、尼龙管、立杆、水银等。具体原理为胀盒内装有密度大的水银液体,当液面的高度发生变化时,胀盒壁所受的压力也相应变化。在弹性范围内胀盒壁的变化应为线性的,此变化可作为人为附加已知位移,以确定被测物理量与观测系统输出量间的比值。

SSY-Ⅱ的格值计算公式为

η=0.004000(AΔHK)/(ΔUL)×10^-6(1/mm).(2)

式中,A为记录量程; ΔH为水银杯升降量; K为胀盒常数; ΔU为水银杯升降1 000 mm时整机输出变化值; L为石英基线长度。

SS-Y的检定器依据斜楔块原理产生微位移。步进电机转动,带动弹性连轴使测微头随之转动,从而使斜楔块产生X方向位移,进而使滑块产生Y方向微位移。探头座与滑块连接,因而步进电机转动时,使传感器的探头产生一定的微位移量,从而达到检定目的。

SS-Y的检定公式为

η'=(Δl)/(ΔU^-·L)×10^-6(1/mV).(3)

式中,Δl为检定器位移常数,单位为μm,其值由厂家提供; L为基线长度,单位为m; ΔU^-为电压差的绝对值均值,单位为mV。

由于2007年12月SS-Y的数采器寄往武汉维修,至2008年1月10日恢复工作,故本文选用的资料是从2008年1月10日至2008年12月31日。

由图4可以看出,2008年两套仪器的NS和EW分量的年变化趋势均是向负漂移。SSY-Ⅱ的NS分量的年漂移量为-2 769.3×10^-10,EW分量

图4 SSY-Ⅱ型石英伸缩仪和SS-Y型伸缩仪2008年日均值曲线对比图
(a)SS-Y 仪 NS分量;(b)SSY-Ⅱ仪NS分量;
(c)SS-Y仪EW分量;(d)SSY-Ⅱ仪EW分量
Fig.4 Contrast of the curves of daily mean value of SSY-Ⅱ and SS-Y extensometers in 2008 (a)NS component of SS-Y;(b)NS component of SSY-II; (c)EW component of SS-Y;(d)EW component of SSY-Ⅱ

我们对2008年SSY-Ⅱ和SS-Y的观测资料进行调和分析,获得了两台仪器的潮汐参数——潮汐因子和相位滞后(表2)。

从表2可以看出,SS-Y观测到的潮汐振幅是SSY-Ⅱ的近2倍,说明SS-Y记录固体潮的能力比SSY-Ⅱ强。

从绝对误差可以看出,SSY-Ⅱ的观测精度明显优于SS-Y。

从相对误差上看,SSY-Ⅱ和SS-Y的相对误差相差不大,SSY-Ⅱ的EW分量的精度较好,SS-Y的NS分量的精度较好。

从相位滞后来看,SS-Y的观测相位与其理论相位相差较大,而SSY-Ⅱ的观测相位与其理论相位相接近。SS-Y从2008年3月起相位滞后出现了明显的变化,4～12月相位误差变稳定,但是与理论相位相差更大了。造成这一现象的原因有待进一步研究。

从相位误差上看,SSY-Ⅱ和SS-Y相差不大,SSY-Ⅱ的EW分量较好,SS-Y的NS分量较好。

2008年9月4～6日工作人员在台站山洞架设实验仪器时,对SSY-Ⅱ和SS-Y产生了一定的干扰(图5)。由图5可知:SS-Y受到的干扰明显大于SSY-Ⅱ,最大干扰出现在5日11时04分,幅度为598.1,是日均值的0.14%,并对曲线的变化趋势产生了较大的影响。9月4日11时43分EW分量形成了幅度达1 018.7的台阶; SSY-Ⅱ的最大干扰于5日的12时01分出现在NS分量,干扰幅度为327.6,是日均值的0.13%,对曲线的变化趋势无较大影响。

2008年,SSY-Ⅱ共记录到22次地震,SS-Y共记录到28次地震,比SSY-Ⅱ多6个,SSY-Ⅱ记录到的地震SS-Y都已记录到,并且SS-Y记录到的地震振幅比SSY-Ⅱ要大,例如:2008年5月12日汶川8.0级地震时,SS-Y的EW分量的振幅达400,NS振幅达394,而SSY-Ⅱ的EW分量振幅只有74,NS分量振幅是256(图6)。这说明SSY-Ⅱ的抗干扰能力优于SS-Y。

表2 SSY-Ⅱ与SS-Y调和分析结果的对比表
Tab.2 Contrast of the results from the harmonic analysis of the recordings of SSY-Ⅱ and SS-Y extensometers

注:SSY-Ⅱ仪NS分量的放大盒在3、4月份多次发生故障,缺数较多,无法进行调和分析。

图5 SSY-Ⅱ型石英伸缩仪和SS-Y型伸缩仪2008年9月4～6日日均值曲线对比
(a)SS-Y仪NS分量;(b)SS-Y仪EW分量;
(c)SSY-Ⅱ仪NS分量;(d)SSY-Ⅱ仪EW分量
Fig.5 Contrast of the curves of daily mean value of SSY-Ⅱ and SS-Y extensometers in September 4-6, 2008 (a)NS component of SS-Y;(b)EW component of SS-Y; (c)NS component of SSY-Ⅱ;(d)EW component of SSY-Ⅱ

图6 2008年5月12日SSY-Ⅱ石英伸缩仪和SS-Y伸缩仪分钟值曲线图
(a)SS-Y仪NS分量;(b)SS-Y仪EW分量;
(c)SSY-Ⅱ仪NS分量;(d)SSY-Ⅱ仪EW分量
Fig.6 Minute-value curves of SSY-Ⅱ and SS-Y extensometers on May 12, 2008 (a)NS component of SS-Y;(b)EW component of SS-Y; (c)NS component of SSY-Ⅱ;(d)EW component of SSY-Ⅱ

(1)优点

① SSY-Ⅱ的基线石英管的稳定性极好,这与SSY-Ⅱ运行时间较长有一定关系。仪器抗干扰能力强,在同等条件下,SSY-Ⅱ的抗干扰能力强于SS-Y。

② SSY-Ⅱ的观测精度优于SS-Y。

(2)缺点

① SSY-Ⅱ的基线石英管易破裂。不论是在运输、安装,还是在后期的维护上,石英管的破裂现象一直是制约石英管基线推广的主要因素。

② SSY-Ⅱ使用的磁传感器由于发磁体和检测头之间的间距不同,其灵敏度也不同,在仪器运行当中,发磁体和检测头之间的间距易发生微小的变化,从而造成仪器格值的变化。

③ SSY-Ⅱ的标定系统使用水银胀盒,导致山洞受到水银的污染; 标定仪器时,必须有人在仪器旁边手动升降水银杯,这容易对仪器产生人为影响。

(1)优点

① SS-Y的基线是因瓦棒,在不大于10 m时,就能记录到明显的应变固体潮汐,而且在运输、安装、维护等方面极为简便。

② SS-Y的换能器采用了高精度的电涡流或差动变压器位移传感器,其输出只与被测位移方向的位移量有关,而与另外两个方向的位移无关,从而提高了仪器格值的稳定性。

③ SS-Y的标定系统是依据斜楔块原理产生微位移来进行标定的,具有远程遥控标定的功能,避免了人为的进洞干扰和水银的污染问题。

(2)缺点

① SS-Y的抗干扰能力较弱,易受到空气流动和人为进洞的干扰。

② 标定仪器时,SS-Y的标定系统有标定不到位的情况发生,需要再次标定。