吴立恒 熊玉珍 李 涛 陈 征

1 中国地震局地壳应力研究所，北京市海淀区安宁庄路1号，100085

RZB 钻孔应变仪是一种记录地壳应力、应变场动态变化的仪器。由于其传感测量单元安装在地壳钻井中，可以显著减弱地表岩石风化与地形的影响，环境温度、降雨、振动以及雷电等干扰因素均受到很好的屏蔽，有利于获得高精度的测量结果［1］。RZB钻孔应变仪在系统灵敏度、动态范围、安装深度等方面具有很强的竞争力和优势。在百米井中的安装技术已日趋成熟，近4a来分别在四川、云南、甘肃等多地开展钻孔应变观测台网建设任务，安装数量达到近40套，可以记录到清晰的固体潮汐及地震孕育过程中的地壳形变。2012－05在北京密云观测点安装深度更是达到425m，达到国内领先的水平。而在日本，到2000年为止，安装深度为1 000～3 800m 的深井观测站已达22所。地球深部探测是未来钻孔类仪器的发展方向［2－4］，RZB钻孔应变仪也将在此方向上继续发展。随着安装深度的不断加深，RZB 钻孔应变仪动态范围（10－4量级）也逐步被用到了极致，对于千米乃至几千米的深井（预应变达到10－3～10－2量级），目前的分量式钻孔应变仪就无法胜任了。

本文设计了以陶瓷马达为核心、RS485总线为基础的远程控制调零机构，并将该机构安装至RZB型钻孔应变仪传感探头内，实现对测量传感器工作零点的远程调节。这样RZB 钻孔应变仪的传感器在实验室就能正常装配、标定、测试。在千米乃至几千米的深井中，通过调零机构就能使极板间距重新平衡，在良好的线性动态范围内正常工作。

1 RZB钻孔应变仪工作原理及问题

1.1 电容传感器工作原理

电容传感器采用三极差动式结构，3 块平行极板构成2个差动变化的电容器。传感器安装在弹性钢筒探头壁上，通过特种水泥和大地耦合（图1）［5］。随着探头在地应力作用下发生形变，电容传感器的极板间距会相应变化，其电容量便随之变化，从而建立形变与电容差动变化的联系。

d1与d2之和是固定值，它在很大程度上决定了传感器的灵敏度和动态范围，是多组实验和实践积累下来的最优设计。当探头受压发生形变时，d1变小、d2变大；当探头受拉发生形变时，d1变大、d2变小。

图1 传感器安装示意图Fig.1 Sensor structure diagram

1.2 电容传感器性能

在实验室条件下，采用1μm 精度的微动标定平台对传感器进行线性标定，标定平台每微动10μm，传感器记录一次读数（图2）。由于电容传感器三极板的平行度以及电容的边缘效应等问题，电容传感器在极板2在中间位置时线性优，在两端位置时线性逐步变差。因此，有效工作区域为－4～4V，结合钢筒尺寸计算对应应变为（－5.72～5.72）×10－4。

图2 传感器线性标定曲线Fig.2 Sensor calibration curve

1.3 问题分析

电容传感器在实验室无压力状态下组装，而在有一定水压的钻井中长期工作。因此，为了使传感器在工作状态下获得最佳的工作性能，我们在实验室装配时（图3（a）），使d1大于d2，以保证传感器在一定水压作用后（图2（b）），d1与d2相近，处于最佳工作区间。此类预调整方法均适用于百米钻井。但当下井深度为km 级，水压达到10 MPa时，就会出现如图3（c）的情况，传感器将无法工作，这是因为传感器受压的形变量（10－3量级）已超过了其动态范围（10－4量级）。

图3 电容传感器工作状态示意图Fig.3 Schematic diagram of the working state of capacitance sensor

2 基于陶瓷马达的量程扩展系统

通过分析RZB 钻孔应变仪在km 深井安装中存在的量程问题，结合电容传感器的自身结构特点，设计了量程扩展系统（图4）。通过运动部件及精密导轨的配合，使极板2能在极板1和极板3之间自由移动，使电容传感器的工作点得以调节，从而使电容传感器的量程获得扩展。

适合微位移控制的运动部件常用的有步进电机、陶瓷马达等。虽然步进电机的精度、线性都优于陶瓷马达，但是陶瓷马达的体积远小于步进电机，配合精密导轨，可以在有限的井下探头空间内实现安装使用。另一方面，陶瓷马达的长期稳定性也更有优势。

图4 RZB钻孔应变仪量程扩展系统框图Fig.4 The framework to the range extension of the RZB borehole strain meter

2.1 量程扩展系统的构建

压电陶瓷电动机是基于压电现象产生超声驻波的原理而开发的，应用于运动控制领域的精密电动机，给陶瓷电动机输入驱动电压后，压电陶瓷产生压电现象，同时发生的纵向延伸和横向弯曲模式的激励在陶瓷指尖的狭小的椭圆通道里产生二维声波，压挤靠着一个陶瓷条的陶瓷指尖产生一个驱动力，驱动与之接触的陶瓷条带动直线或旋转平台产生运动。

与传统电机相比，陶瓷马达具有以下优点：低速大力矩输出，功率密度高，起停控制性好，可实现直接驱动，可实现精确定位，噪音小，无电磁干扰亦不受电磁干扰。

量程扩展系统选用国产的HF1陶瓷马达，并配用直线度优于1μm 的滑块，实现对电容极板2位置的精确控制。如图5所示，陶瓷马达的动力输出端通过陶瓷运动副与滑块连接，能驱动滑块沿导轨直线移位，电容极板2 与滑块固定连接。其特点及性能如下：

图5 量程扩展系统的构建Fig.5 The construction diagram of the range extension system

1）最小分辨率：50nm；

2）最小步长：0.1μm；

3）运动速度：200mm／s；

4）最大推力：4N；

5）定位后没有一般伺服电动机存在的晃动问题；

6）重量轻（20g），体积小；

7）行程：10mm。

2.2 量程扩展系统的远程控制

RZB型钻孔应变仪一般安装在几十米甚至几百米的钻孔内，为实现井下量程扩展，设计了基于现场总线技术，结合低功耗单片机，完成井下通信与控制单元设计。硬件主要包括控制单元与数据采集单元两部分。其中，控制单元由单片机、通信模块、电机驱动器以及马达组成，实现对电容传感器中极板位移的精确控制，从而远程控制测量传感器的工作状态；数据采集单元由单片机、通信模块、信号调理模块、模数转换模块等组成，用于采集当前传感器数据，并通过总线发送到地面数据汇集单元。

图6为远程控制单元的原理框图（a）和程序流程简图（b）。控制系统启动后，单片机处于等待指令状态，当接收到总线的控制或者采集指令后，单片机解析指令并执行相应的操作，主要操作包括两个电机位移调节和倾斜传感器的数据读取。

图6 远程控制单元原理以及程序流程Fig.6 Principle diagram and program flow chart of the remote control unit

2.3 有量程扩展系统的电容传感器性能

对于装有量程扩展系统的1＃传感器，在实验室条件下，采用1μm 精度的微动标定平台对传感器进行线性标定，标定平台每微动10μm，传感器记录一次读数（图7）。对标定数据进行线性拟合，与§1.2标定拟合结果（图2）基本一致，说明加装了量程扩展系统对电容传感器线性无影响。

图7 1＃传感器的标定曲线Fig.7 The sensor 1＃’s calibration curve

2.4 量程扩展室内实验

将装有量程扩展系统的1＃传感器和不带量程扩展系统的2＃传感器都安装在分量式钻孔应变仪探头内并密封，将分量式钻孔应变仪探头放入压力仓内。压力仓、液压泵、阀及压力表构成实验系统，模拟探头下井过程受到的水压（图8）。

图8 实验室模拟加压系统Fig.8 The simulation of pressurization system in the laboratory

实验开始，液压泵以1 MPa递增加压，稳定10min后同时记录传感器输出及压力仓压力值（表1）。

表1 实验室加压实验数据1Tab.1 Pressure test data 1in the laboratory

当压力仓压力达到5 MPa时，1＃、2＃传感器都超出量程，无法正常工作。此时，通过PC 机控制1＃传感器的陶瓷马达，使电容极板2逐步移动到电容极板1和电容极板3的中间位移，使1＃传感器重回正常工作状态。而2＃传感器由于没有量程扩展机构而无法实现调整。

对于重回正常工作状态的1＃传感器，继续加压实验，记录传感器输出及压力仓压力值（表2）。

表2 实验室加压实验数据2Tab.2 Pressure test data 2in the laboratory

装有量程扩展系统的1＃传感器，在10 MPa水压下仍能正常工作。不仅如此，我们还能继续调整极板2的位移，使其在零点附近工作，以获得最佳的工作状态。

实验室加压实验，模拟探头下井安装水压对探头传感器的影响，以及2＃传感器失效的过程。通过量程调节机构，1＃传感器能在10 MPa水压下正常工作。该实验对钻孔应变仪千米深井安装提供技术支持，达到了预计目标。

3 结 语

以陶瓷马达为核心，通过RS485总线实现远程控制，设计了RZB钻孔应变仪传感器量程扩展机构。并在实验室采用压力仓模拟下井水压作用，演示了传感器正常工作－失效－调整－重新正常工作的全过程，很好地测试了传感器量程扩展功能。这可作为RZB 钻孔应变仪实现km 级（10 MPa）深井安装的技术储备之一。当然，实验室的测试只是阶段性成果，还需要在一定条件下开展现场实验，才能进一步考察该机构的可靠性、稳定性等应用指标。

［1］欧阳祖熙.RZB型钻孔应变仪原位标定技术研究［J］.大地测量与地球动力学，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）

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