RZB鉆孔應(yīng)變儀量程擴(kuò)展的研究

吳立恒 熊玉珍 李 濤 陳 征

1 中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京市海淀區(qū)安寧莊路1號，100085

RZB 鉆孔應(yīng)變儀是一種記錄地殼應(yīng)力、應(yīng)變場動態(tài)變化的儀器。由于其傳感測量單元安裝在地殼鉆井中，可以顯著減弱地表巖石風(fēng)化與地形的影響，環(huán)境溫度、降雨、振動以及雷電等干擾因素均受到很好的屏蔽，有利于獲得高精度的測量結(jié)果［1］。RZB鉆孔應(yīng)變儀在系統(tǒng)靈敏度、動態(tài)范圍、安裝深度等方面具有很強(qiáng)的競爭力和優(yōu)勢。在百米井中的安裝技術(shù)已日趨成熟，近4a來分別在四川、云南、甘肅等多地開展鉆孔應(yīng)變觀測臺網(wǎng)建設(shè)任務(wù)，安裝數(shù)量達(dá)到近40套，可以記錄到清晰的固體潮汐及地震孕育過程中的地殼形變。2012－05在北京密云觀測點(diǎn)安裝深度更是達(dá)到425m，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先的水平。而在日本，到2000年為止，安裝深度為1 000～3 800m 的深井觀測站已達(dá)22所。地球深部探測是未來鉆孔類儀器的發(fā)展方向［2－4］，RZB鉆孔應(yīng)變儀也將在此方向上繼續(xù)發(fā)展。隨著安裝深度的不斷加深，RZB 鉆孔應(yīng)變儀動態(tài)范圍（10－4量級）也逐步被用到了極致，對于千米乃至幾千米的深井（預(yù)應(yīng)變達(dá)到10－3～10－2量級），目前的分量式鉆孔應(yīng)變儀就無法勝任了。

本文設(shè)計(jì)了以陶瓷馬達(dá)為核心、RS485總線為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程控制調(diào)零機(jī)構(gòu)，并將該機(jī)構(gòu)安裝至RZB型鉆孔應(yīng)變儀傳感探頭內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對測量傳感器工作零點(diǎn)的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。這樣RZB 鉆孔應(yīng)變儀的傳感器在實(shí)驗(yàn)室就能正常裝配、標(biāo)定、測試。在千米乃至幾千米的深井中，通過調(diào)零機(jī)構(gòu)就能使極板間距重新平衡，在良好的線性動態(tài)范圍內(nèi)正常工作。

1 RZB鉆孔應(yīng)變儀工作原理及問題

1.1 電容傳感器工作原理

電容傳感器采用三極差動式結(jié)構(gòu)，3 塊平行極板構(gòu)成2個差動變化的電容器。傳感器安裝在彈性鋼筒探頭壁上，通過特種水泥和大地耦合（圖1）［5］。隨著探頭在地應(yīng)力作用下發(fā)生形變，電容傳感器的極板間距會相應(yīng)變化，其電容量便隨之變化，從而建立形變與電容差動變化的聯(lián)系。

d1與d2之和是固定值，它在很大程度上決定了傳感器的靈敏度和動態(tài)范圍，是多組實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐積累下來的最優(yōu)設(shè)計(jì)。當(dāng)探頭受壓發(fā)生形變時，d1變小、d2變大；當(dāng)探頭受拉發(fā)生形變時，d1變大、d2變小。

圖1 傳感器安裝示意圖Fig.1 Sensor structure diagram

1.2 電容傳感器性能

在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用1μm 精度的微動標(biāo)定平臺對傳感器進(jìn)行線性標(biāo)定，標(biāo)定平臺每微動10μm，傳感器記錄一次讀數(shù)（圖2）。由于電容傳感器三極板的平行度以及電容的邊緣效應(yīng)等問題，電容傳感器在極板2在中間位置時線性優(yōu)，在兩端位置時線性逐步變差。因此，有效工作區(qū)域?yàn)椋?～4V，結(jié)合鋼筒尺寸計(jì)算對應(yīng)應(yīng)變?yōu)椋ǎ?.72～5.72）×10－4。

圖2 傳感器線性標(biāo)定曲線Fig.2 Sensor calibration curve

1.3 問題分析

電容傳感器在實(shí)驗(yàn)室無壓力狀態(tài)下組裝，而在有一定水壓的鉆井中長期工作。因此，為了使傳感器在工作狀態(tài)下獲得最佳的工作性能，我們在實(shí)驗(yàn)室裝配時（圖3（a）），使d1大于d2，以保證傳感器在一定水壓作用后（圖2（b）），d1與d2相近，處于最佳工作區(qū)間。此類預(yù)調(diào)整方法均適用于百米鉆井。但當(dāng)下井深度為km 級，水壓達(dá)到10 MPa時，就會出現(xiàn)如圖3（c）的情況，傳感器將無法工作，這是因?yàn)閭鞲衅魇軌旱男巫兞浚?0－3量級）已超過了其動態(tài)范圍（10－4量級）。

圖3 電容傳感器工作狀態(tài)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the working state of capacitance sensor

2 基于陶瓷馬達(dá)的量程擴(kuò)展系統(tǒng)

通過分析RZB 鉆孔應(yīng)變儀在km 深井安裝中存在的量程問題，結(jié)合電容傳感器的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了量程擴(kuò)展系統(tǒng)（圖4）。通過運(yùn)動部件及精密導(dǎo)軌的配合，使極板2能在極板1和極板3之間自由移動，使電容傳感器的工作點(diǎn)得以調(diào)節(jié)，從而使電容傳感器的量程獲得擴(kuò)展。

適合微位移控制的運(yùn)動部件常用的有步進(jìn)電機(jī)、陶瓷馬達(dá)等。雖然步進(jìn)電機(jī)的精度、線性都優(yōu)于陶瓷馬達(dá)，但是陶瓷馬達(dá)的體積遠(yuǎn)小于步進(jìn)電機(jī)，配合精密導(dǎo)軌，可以在有限的井下探頭空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)安裝使用。另一方面，陶瓷馬達(dá)的長期穩(wěn)定性也更有優(yōu)勢。

圖4 RZB鉆孔應(yīng)變儀量程擴(kuò)展系統(tǒng)框圖Fig.4 The framework to the range extension of the RZB borehole strain meter

2.1 量程擴(kuò)展系統(tǒng)的構(gòu)建

壓電陶瓷電動機(jī)是基于壓電現(xiàn)象產(chǎn)生超聲駐波的原理而開發(fā)的，應(yīng)用于運(yùn)動控制領(lǐng)域的精密電動機(jī)，給陶瓷電動機(jī)輸入驅(qū)動電壓后，壓電陶瓷產(chǎn)生壓電現(xiàn)象，同時發(fā)生的縱向延伸和橫向彎曲模式的激勵在陶瓷指尖的狹小的橢圓通道里產(chǎn)生二維聲波，壓擠靠著一個陶瓷條的陶瓷指尖產(chǎn)生一個驅(qū)動力，驅(qū)動與之接觸的陶瓷條帶動直線或旋轉(zhuǎn)平臺產(chǎn)生運(yùn)動。

與傳統(tǒng)電機(jī)相比，陶瓷馬達(dá)具有以下優(yōu)點(diǎn)：低速大力矩輸出，功率密度高，起?？刂菩院茫蓪?shí)現(xiàn)直接驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)精確定位，噪音小，無電磁干擾亦不受電磁干擾。

量程擴(kuò)展系統(tǒng)選用國產(chǎn)的HF1陶瓷馬達(dá)，并配用直線度優(yōu)于1μm 的滑塊，實(shí)現(xiàn)對電容極板2位置的精確控制。如圖5所示，陶瓷馬達(dá)的動力輸出端通過陶瓷運(yùn)動副與滑塊連接，能驅(qū)動滑塊沿導(dǎo)軌直線移位，電容極板2 與滑塊固定連接。其特點(diǎn)及性能如下：

圖5 量程擴(kuò)展系統(tǒng)的構(gòu)建Fig.5 The construction diagram of the range extension system

1）最小分辨率：50nm；

2）最小步長：0.1μm；

3）運(yùn)動速度：200mm／s；

4）最大推力：4N；

5）定位后沒有一般伺服電動機(jī)存在的晃動問題；

6）重量輕（20g），體積?。?/p>

7）行程：10mm。

2.2 量程擴(kuò)展系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制

RZB型鉆孔應(yīng)變儀一般安裝在幾十米甚至幾百米的鉆孔內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)井下量程擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場總線技術(shù)，結(jié)合低功耗單片機(jī)，完成井下通信與控制單元設(shè)計(jì)。硬件主要包括控制單元與數(shù)據(jù)采集單元兩部分。其中，控制單元由單片機(jī)、通信模塊、電機(jī)驅(qū)動器以及馬達(dá)組成，實(shí)現(xiàn)對電容傳感器中極板位移的精確控制，從而遠(yuǎn)程控制測量傳感器的工作狀態(tài)；數(shù)據(jù)采集單元由單片機(jī)、通信模塊、信號調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等組成，用于采集當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)，并通過總線發(fā)送到地面數(shù)據(jù)匯集單元。

圖6為遠(yuǎn)程控制單元的原理框圖（a）和程序流程簡圖（b）?？刂葡到y(tǒng)啟動后，單片機(jī)處于等待指令狀態(tài)，當(dāng)接收到總線的控制或者采集指令后，單片機(jī)解析指令并執(zhí)行相應(yīng)的操作，主要操作包括兩個電機(jī)位移調(diào)節(jié)和傾斜傳感器的數(shù)據(jù)讀取。

圖6 遠(yuǎn)程控制單元原理以及程序流程Fig.6 Principle diagram and program flow chart of the remote control unit

2.3 有量程擴(kuò)展系統(tǒng)的電容傳感器性能

對于裝有量程擴(kuò)展系統(tǒng)的1＃傳感器，在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用1μm 精度的微動標(biāo)定平臺對傳感器進(jìn)行線性標(biāo)定，標(biāo)定平臺每微動10μm，傳感器記錄一次讀數(shù)（圖7）。對標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，與§1.2標(biāo)定擬合結(jié)果（圖2）基本一致，說明加裝了量程擴(kuò)展系統(tǒng)對電容傳感器線性無影響。

圖7 1＃傳感器的標(biāo)定曲線Fig.7 The sensor 1＃’s calibration curve

2.4 量程擴(kuò)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

將裝有量程擴(kuò)展系統(tǒng)的1＃傳感器和不帶量程擴(kuò)展系統(tǒng)的2＃傳感器都安裝在分量式鉆孔應(yīng)變儀探頭內(nèi)并密封，將分量式鉆孔應(yīng)變儀探頭放入壓力倉內(nèi)。壓力倉、液壓泵、閥及壓力表構(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬探頭下井過程受到的水壓（圖8）。

圖8 實(shí)驗(yàn)室模擬加壓系統(tǒng)Fig.8 The simulation of pressurization system in the laboratory

實(shí)驗(yàn)開始，液壓泵以1 MPa遞增加壓，穩(wěn)定10min后同時記錄傳感器輸出及壓力倉壓力值（表1）。

表1 實(shí)驗(yàn)室加壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1Tab.1 Pressure test data 1in the laboratory

當(dāng)壓力倉壓力達(dá)到5 MPa時，1＃、2＃傳感器都超出量程，無法正常工作。此時，通過PC 機(jī)控制1＃傳感器的陶瓷馬達(dá)，使電容極板2逐步移動到電容極板1和電容極板3的中間位移，使1＃傳感器重回正常工作狀態(tài)。而2＃傳感器由于沒有量程擴(kuò)展機(jī)構(gòu)而無法實(shí)現(xiàn)調(diào)整。

對于重回正常工作狀態(tài)的1＃傳感器，繼續(xù)加壓實(shí)驗(yàn)，記錄傳感器輸出及壓力倉壓力值（表2）。

表2 實(shí)驗(yàn)室加壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2Tab.2 Pressure test data 2in the laboratory

裝有量程擴(kuò)展系統(tǒng)的1＃傳感器，在10 MPa水壓下仍能正常工作。不僅如此，我們還能繼續(xù)調(diào)整極板2的位移，使其在零點(diǎn)附近工作，以獲得最佳的工作狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)室加壓實(shí)驗(yàn)，模擬探頭下井安裝水壓對探頭傳感器的影響，以及2＃傳感器失效的過程。通過量程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，1＃傳感器能在10 MPa水壓下正常工作。該實(shí)驗(yàn)對鉆孔應(yīng)變儀千米深井安裝提供技術(shù)支持，達(dá)到了預(yù)計(jì)目標(biāo)。

3 結(jié) 語

以陶瓷馬達(dá)為核心，通過RS485總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，設(shè)計(jì)了RZB鉆孔應(yīng)變儀傳感器量程擴(kuò)展機(jī)構(gòu)。并在實(shí)驗(yàn)室采用壓力倉模擬下井水壓作用，演示了傳感器正常工作－失效－調(diào)整－重新正常工作的全過程，很好地測試了傳感器量程擴(kuò)展功能。這可作為RZB 鉆孔應(yīng)變儀實(shí)現(xiàn)km 級（10 MPa）深井安裝的技術(shù)儲備之一。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)室的測試只是階段性成果，還需要在一定條件下開展現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，才能進(jìn)一步考察該機(jī)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性等應(yīng)用指標(biāo)。

［1］歐陽祖熙.RZB型鉆孔應(yīng)變儀原位標(biāo)定技術(shù)研究［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2013，33（1）：153－156（Ouyang Zuxi.Research on In－Situ Calibration Technique of RZB Borehole Strainmeters［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2013，33（1）：153－156）

［2］謝富仁，邱澤華，王勇，等.我國地應(yīng)力觀測與地震預(yù)報［J］.國際地震動態(tài)，2005（5）：54－59（Xie Furen，Qiu Zehua，Wang Yong，et al.Earth Stress Observation and Earthquake Prediction［J］.Recent Developments in World Seismology，2005（5）：54－59）

［3］李海亮，李宏.鉆孔應(yīng)變觀測現(xiàn)狀與展望［J］.地質(zhì)學(xué)報，2010，84（6）：895－900（Li Hailiang，Li Hong.Status and Developments of Borehole Strain Observations in China［J］.Acta Geologica Sinica，2010，84（6）：895－900）

［4］唐磊，荊燕.川滇地區(qū)鉆孔四分量應(yīng)變儀記錄的同震應(yīng)變階分析［J］.震災(zāi)防御技術(shù)，2013，8（4）：370－376（Tang Lei，Jing Yan.Analysis of Coseismic Strain Step Observed by 4－Component Borehole Strain Meters in Sichuan－Yunnan Region［J］.Technology for Earthquake Disaster Prevention，2013，8（4）：370－376）

［5］李濤，陳群策，歐陽祖熙，等.RZB型鉆孔應(yīng)變儀在青藏高原東緣地應(yīng)力監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.北京大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，47（4）：677－683（Li Tao，Chen Qunce，Ouyang Zuxi，et al.The Application of the RZB Borehole Strainmeter in Crustal Stress Observation at the Eastern Margin of the Tibet Plateau［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，2011，47（4）：677－683）