具有量程擴展和原位標定功能的RZB鉆孔應變儀傳感器穩定性研究

吳立恒 李 宏 陳 征 王文博 董云開

1 應急管理部國家自然災害防治研究院，北京市安寧莊路1號，100085

目前鉆孔應變儀技術已經進入到深鉆井、多分量、寬頻帶的發展時期[1]。2012年在北京密云投入運行的RZB-3型鉆孔應變觀測系統安裝深度為425 m，使得密云成為目前我國全孔基巖鉆孔中最深的一個地殼應變連續觀測點。為解決深井觀測系統儀器無法同時滿足大量程和高精度的問題，本課題組早前研發了基于陶瓷馬達的量程擴展系統，并在系統上集成光柵傳感器，解決了系統原位標定的問題。量程擴展系統[2]和原位標定系統[3]如圖1所示，即通過微位移機構使極板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得以調節。高精度的微位移機構集成光柵傳感器又為RZB鉆孔應變儀提供了原位線性標定功能，高效解決了量程和原位標定問題，為RZB鉆孔應變儀向千米深井應用的推進提供了技術支撐。

圖1 量程擴展和原位標定系統原理Fig.1 Principle of measuring range extension and in-situ calibration system

本套微位移系統與傳感器集成后可調量程為20 mm、標定精度為±0.1 μm、線性度為0.17 %，這些指標都通過了中國計量研究院校準。但鉆孔應變儀長期連續地觀測數據，會受到觀測區域應力場和儀器自身漂移的影響，表現出趨勢性變化[4]。而隨著時間的推移，該趨勢性變化必然會超出量程，導致數據丟失，應對措施是通過調節電容傳感器極板2的工作點(零點)來擴展量程。后續微位移機構自鎖穩定性的維持、系統漂移量的測定都需要按照DB/T31.2-2008規范[5]的應變儀漂移量測試方法展開實驗，從而判定具有量程擴展和原位標定功能的RZB鉆孔應變儀的進網可行性。

1 漂移量對比觀測實驗

地應變的實際觀測數據中包含了區域構造運動、儀器漂移、儀器安裝基礎變化、有用信號和外界干擾等信息，因此以實驗設備觀測期內日均值漂移量的加權平均值作為儀器漂移的參考指標[6]。實驗設備中包含1個具有量程擴展和原位標定功能的RZB鉆孔應變儀傳感器及3個常規傳感器，常規傳感器選用的是已在臺站穩定工作、能清晰記錄固體潮、為分鐘值輸出的同類型傳感器。目前具有量程擴展和原位標定功能的RZB鉆孔應變儀還沒有臺站應用數據，因此用此設備在山洞內開展對比觀測實驗，可初步了解RZB鉆孔應變儀的穩定性和漂移量性能。

為了解微動機構對傳感器漂移量和穩定性的影響，對2019-10-12河北崇禮地震臺山洞儀器墩上放置19-06#探頭的RZB鉆孔應變儀展開傳感器對比觀測實驗，其探頭中安裝了具有量程擴展和原位標定功能的1號傳感器和3個(2號～4號)常規傳感器。此外，還安裝了氣壓和溫度傳感器用來觀測山洞環境參數。

2 定性對比分析

對比實驗記錄了2019-10-12安裝RZB鉆孔應變儀后連續7 個月的觀測數據(圖2)。

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

1)架設觀測前期。1號傳感器漂移量明顯大于2～4號傳感器，可能是微動機構元部件較多、熱膨脹系數略大、材質各不相同所致。因此，在架設初期，1號傳感器對山洞環境(特別是溫度)的調節幅度較大。

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

3)架設觀測穩定期。1號傳感器漂移量極小，曲線近乎水平，而2～4號傳感器都存在小曲率的弧形變化，可能是由于1號傳感器微動機構的蠕變小、自鎖性優良、集成結構穩定可靠。

4)穩定期分鐘值。取架設觀測穩定期2020-04-01～07的分鐘數據(圖3、圖4)，由圖可見，4個傳感器具有同步的周期性變化，記錄到的信號存在日波和半日波，1號傳感器似乎還含有1/3日波。周期成分一般是巖層固體潮和大氣潮對儀器探頭共同作用的結果，由于該應變儀的測試探頭只與大氣密切接觸，并沒有接觸到巖石，所以此應變觀測曲線并不包含固體潮信息，只受到大氣潮或風、溫度和水位的影響。根據經驗可知，正常的臺站鉆孔應變記錄中固體潮和大氣潮的變化幅度相當，并不影響實驗設計的合理性與結果的正確性。

圖3 RZB鉆孔應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探頭是否合格，即在正式包裝前觀察大氣壓力波動和室溫起伏對探頭輸出的干擾情況。該技術的原理為大氣壓力波動對彈性筒產生的面應變與應變固體潮汐對鉆孔內應變儀產生的面應變為同一量級，因此具有量程擴展和原位標定功能的1號傳感器與RZB鉆孔應變儀常規傳感器一樣，能穩定記錄到氣壓的微小波動，驗證了其高穩定、高精度性能。

基于上述對比觀測實驗及分析可知，具有量程擴展和原位標定功能的RZB鉆孔應變儀傳感器在觀測穩定期漂移量優于其他3個傳感器，且分鐘值數據質量優良。

3 日漂移量計算

根據DB/T31.2-2008規范[5]應變儀漂移量測試步驟，對架設觀測穩定期2019-10～2020-05的觀測數據進行日漂移量計算，結果如表1和圖5所示，其中10月數據時間為2019-10-12～31。

表1 日漂移量計算值

圖5 RZB鉆孔應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，具有量程擴展和原位標定功能的RZB鉆孔應變儀傳感器在架設前期漂移量較大(10-7應變量級)，隨后各月日漂移量逐漸減小至10-8應變量級，數據趨于穩定，與常規RZB鉆孔應變儀傳感器日漂移量量級一致且數值更小，符合儀器進網要求。

4 結 語

通過對具有量程擴展和原位標定功能的RZB鉆孔應變儀傳感器進行山洞連續觀測實驗，完成漂移量定性對比和日漂移量定量計算，證明該傳感器具有高精度和穩定性，初步確定了其進網的可行性。