具有量程擴(kuò)展和原位標(biāo)定功能的RZB鉆孔應(yīng)變儀傳感器穩(wěn)定性研究

吳立恒 李 宏 陳 征 王文博 董云開

1 應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，北京市安寧莊路1號(hào)，100085

目前鉆孔應(yīng)變儀技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到深鉆井、多分量、寬頻帶的發(fā)展時(shí)期[1]。2012年在北京密云投入運(yùn)行的RZB-3型鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng)安裝深度為425 m，使得密云成為目前我國全孔基巖鉆孔中最深的一個(gè)地殼應(yīng)變連續(xù)觀測點(diǎn)。為解決深井觀測系統(tǒng)儀器無法同時(shí)滿足大量程和高精度的問題，本課題組早前研發(fā)了基于陶瓷馬達(dá)的量程擴(kuò)展系統(tǒng)，并在系統(tǒng)上集成光柵傳感器，解決了系統(tǒng)原位標(biāo)定的問題。量程擴(kuò)展系統(tǒng)[2]和原位標(biāo)定系統(tǒng)[3]如圖1所示，即通過微位移機(jī)構(gòu)使極板2能在極板1和極板3之間自由移動(dòng)，使電容傳感器的工作點(diǎn)得以調(diào)節(jié)。高精度的微位移機(jī)構(gòu)集成光柵傳感器又為RZB鉆孔應(yīng)變儀提供了原位線性標(biāo)定功能，高效解決了量程和原位標(biāo)定問題，為RZB鉆孔應(yīng)變儀向千米深井應(yīng)用的推進(jìn)提供了技術(shù)支撐。

圖1 量程擴(kuò)展和原位標(biāo)定系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of measuring range extension and in-situ calibration system

本套微位移系統(tǒng)與傳感器集成后可調(diào)量程為20 mm、標(biāo)定精度為±0.1 μm、線性度為0.17 %，這些指標(biāo)都通過了中國計(jì)量研究院校準(zhǔn)。但鉆孔應(yīng)變儀長期連續(xù)地觀測數(shù)據(jù)，會(huì)受到觀測區(qū)域應(yīng)力場和儀器自身漂移的影響，表現(xiàn)出趨勢性變化[4]。而隨著時(shí)間的推移，該趨勢性變化必然會(huì)超出量程，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，應(yīng)對(duì)措施是通過調(diào)節(jié)電容傳感器極板2的工作點(diǎn)(零點(diǎn))來擴(kuò)展量程。后續(xù)微位移機(jī)構(gòu)自鎖穩(wěn)定性的維持、系統(tǒng)漂移量的測定都需要按照DB/T31.2-2008規(guī)范[5]的應(yīng)變儀漂移量測試方法展開實(shí)驗(yàn)，從而判定具有量程擴(kuò)展和原位標(biāo)定功能的RZB鉆孔應(yīng)變儀的進(jìn)網(wǎng)可行性。

1 漂移量對(duì)比觀測實(shí)驗(yàn)

地應(yīng)變的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)中包含了區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、儀器漂移、儀器安裝基礎(chǔ)變化、有用信號(hào)和外界干擾等信息，因此以實(shí)驗(yàn)設(shè)備觀測期內(nèi)日均值漂移量的加權(quán)平均值作為儀器漂移的參考指標(biāo)[6]。實(shí)驗(yàn)設(shè)備中包含1個(gè)具有量程擴(kuò)展和原位標(biāo)定功能的RZB鉆孔應(yīng)變儀傳感器及3個(gè)常規(guī)傳感器，常規(guī)傳感器選用的是已在臺(tái)站穩(wěn)定工作、能清晰記錄固體潮、為分鐘值輸出的同類型傳感器。目前具有量程擴(kuò)展和原位標(biāo)定功能的RZB鉆孔應(yīng)變儀還沒有臺(tái)站應(yīng)用數(shù)據(jù)，因此用此設(shè)備在山洞內(nèi)開展對(duì)比觀測實(shí)驗(yàn)，可初步了解RZB鉆孔應(yīng)變儀的穩(wěn)定性和漂移量性能。

為了解微動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)傳感器漂移量和穩(wěn)定性的影響，對(duì)2019-10-12河北崇禮地震臺(tái)山洞儀器墩上放置19-06#探頭的RZB鉆孔應(yīng)變儀展開傳感器對(duì)比觀測實(shí)驗(yàn)，其探頭中安裝了具有量程擴(kuò)展和原位標(biāo)定功能的1號(hào)傳感器和3個(gè)(2號(hào)～4號(hào))常規(guī)傳感器。此外，還安裝了氣壓和溫度傳感器用來觀測山洞環(huán)境參數(shù)。

2 定性對(duì)比分析

對(duì)比實(shí)驗(yàn)記錄了2019-10-12安裝RZB鉆孔應(yīng)變儀后連續(xù)7 個(gè)月的觀測數(shù)據(jù)(圖2)。

圖2 RZB鉆孔應(yīng)變儀各傳感器山洞觀測曲線對(duì)比Fig.2 The observation curve of the RZB-type borehole strain by sensors in the cave

1)架設(shè)觀測前期。1號(hào)傳感器漂移量明顯大于2～4號(hào)傳感器，可能是微動(dòng)機(jī)構(gòu)元部件較多、熱膨脹系數(shù)略大、材質(zhì)各不相同所致。因此，在架設(shè)初期，1號(hào)傳感器對(duì)山洞環(huán)境(特別是溫度)的調(diào)節(jié)幅度較大。

2)架設(shè)觀測穩(wěn)定初期。1號(hào)傳感器漂移量逐步減小，與2～4號(hào)傳感器變化基本一致，可能是由于山洞中溫度、濕度等非常穩(wěn)定，儀器逐漸完成熱平衡調(diào)整，漂移量逐步減少后趨于穩(wěn)定。此外，4個(gè)傳感器還記錄到了同步的干擾信號(hào)。

3)架設(shè)觀測穩(wěn)定期。1號(hào)傳感器漂移量極小，曲線近乎水平，而2～4號(hào)傳感器都存在小曲率的弧形變化，可能是由于1號(hào)傳感器微動(dòng)機(jī)構(gòu)的蠕變小、自鎖性優(yōu)良、集成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

4)穩(wěn)定期分鐘值。取架設(shè)觀測穩(wěn)定期2020-04-01～07的分鐘數(shù)據(jù)(圖3、圖4)，由圖可見，4個(gè)傳感器具有同步的周期性變化，記錄到的信號(hào)存在日波和半日波，1號(hào)傳感器似乎還含有1/3日波。周期成分一般是巖層固體潮和大氣潮對(duì)儀器探頭共同作用的結(jié)果，由于該應(yīng)變儀的測試探頭只與大氣密切接觸，并沒有接觸到巖石，所以此應(yīng)變觀測曲線并不包含固體潮信息，只受到大氣潮或風(fēng)、溫度和水位的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，正常的臺(tái)站鉆孔應(yīng)變記錄中固體潮和大氣潮的變化幅度相當(dāng)，并不影響實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性與結(jié)果的正確性。

圖3 RZB鉆孔應(yīng)變儀各傳感器及溫度分鐘值Fig.3 The minute data curve of the RZB-type borehole strain by sensors and the temperature

圖4 RZB鉆孔應(yīng)變儀各傳感器及氣壓分鐘值Fig.4 The minute data curve of the RZB-type borehole strain by sensors and the air pressure

蘇愷之[6]提出，可用告別性的定性觀察來檢驗(yàn)探頭是否合格，即在正式包裝前觀察大氣壓力波動(dòng)和室溫起伏對(duì)探頭輸出的干擾情況。該技術(shù)的原理為大氣壓力波動(dòng)對(duì)彈性筒產(chǎn)生的面應(yīng)變與應(yīng)變固體潮汐對(duì)鉆孔內(nèi)應(yīng)變儀產(chǎn)生的面應(yīng)變?yōu)橥涣考?jí)，因此具有量程擴(kuò)展和原位標(biāo)定功能的1號(hào)傳感器與RZB鉆孔應(yīng)變儀常規(guī)傳感器一樣，能穩(wěn)定記錄到氣壓的微小波動(dòng)，驗(yàn)證了其高穩(wěn)定、高精度性能。

基于上述對(duì)比觀測實(shí)驗(yàn)及分析可知，具有量程擴(kuò)展和原位標(biāo)定功能的RZB鉆孔應(yīng)變儀傳感器在觀測穩(wěn)定期漂移量優(yōu)于其他3個(gè)傳感器，且分鐘值數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)良。

3 日漂移量計(jì)算

根據(jù)DB/T31.2-2008規(guī)范[5]應(yīng)變儀漂移量測試步驟，對(duì)架設(shè)觀測穩(wěn)定期2019-10～2020-05的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行日漂移量計(jì)算，結(jié)果如表1和圖5所示，其中10月數(shù)據(jù)時(shí)間為2019-10-12～31。

表1 日漂移量計(jì)算值

圖5 RZB鉆孔應(yīng)變儀各傳感器日漂移量Fig.5 The daily drift curves of the RZB-type borehole strain by sensors

由表1和圖5可見，具有量程擴(kuò)展和原位標(biāo)定功能的RZB鉆孔應(yīng)變儀傳感器在架設(shè)前期漂移量較大(10-7應(yīng)變量級(jí))，隨后各月日漂移量逐漸減小至10-8應(yīng)變量級(jí)，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，與常規(guī)RZB鉆孔應(yīng)變儀傳感器日漂移量量級(jí)一致且數(shù)值更小，符合儀器進(jìn)網(wǎng)要求。

4 結(jié) 語

通過對(duì)具有量程擴(kuò)展和原位標(biāo)定功能的RZB鉆孔應(yīng)變儀傳感器進(jìn)行山洞連續(xù)觀測實(shí)驗(yàn)，完成漂移量定性對(duì)比和日漂移量定量計(jì)算，證明該傳感器具有高精度和穩(wěn)定性，初步確定了其進(jìn)網(wǎng)的可行性。