RZB型电容式多分量钻孔应变仪主机系统的升级改造

李晓东 邓卫平 贾鸿飞 何案华

1 新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐市科学二街338号，830011 2 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型电容式多分量钻孔应变仪主机系统的升级改造

李晓东1，2邓卫平2贾鸿飞2何案华2

1 新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐市科学二街338号，830011 2 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

在保留RZB型电容式分量钻孔应变仪传感器功能不变的前提下，充分吸取了原RZB型电容式多分量钻孔应变仪及其他前兆仪器的优点，对其主机部分进行升级改造，实现了RZB多分量的宽频带响应(采样率提升为秒采样)；采用了低功耗、高稳定性的ARM920T高速处理器内核、固化WinCE操作系统，为仪器的稳定性、连续性提供了技术保障；网络接口板外嵌触摸式显示屏，极大地方便了仪器的参数配置以及现场检修；对原供电方式进行改进，实现了集防雷、供电、充电、交直流切换于一体以及软件的远程更新、软件工作的详细日志查询等功能。通过对新仪器数据分析发现，其连续率得到大幅提升，并记录到分钟采样所记录不到的详细地震波响应过程。

RZB型电容式多分量钻孔应变仪；ARM920高速处理器；WinCE操作系统

自1966年河北邢台地震后我国开展地震前兆观测以来，地壳形变观测在我国已经发展成初具规模的观测台网。地壳形变观测主要分为洞体应变观测与钻孔应变观测。我国的钻孔应变观测起步于上世纪60年代中期，至80年代初、中期，在中国地震局的支持下，钻孔观测技术在我国形成蓬勃发展的局面，数种具有自主知识产权的观测系统研制成功并投入使用，某些重要领域还曾跻身国际领先地位[1]。

RZB型电容式多分量钻孔应变仪研制于1975年，1981年投入实验观测，1985-12通过国家地震局鉴定，被评为同类仪器的国际先进水平[2]。其井下机构见图1，主要工作原理是在井下传感器内水平安装4个位移传感器。传感器元件采用三极板差动式电容传感器，3块平行金属极板构成2个差动变化的电容器。传感器如图所示被安装在钢桶(井下探头)内，随着探头外筒的压缩、拉伸，极板间距会发生相应变化，其电容量随之改变。通过测量电容量的差动变化，就可以精确地感知探头外地壳的形变情况。

图1 RZB型电容式多分量钻孔应变仪井下结构Fig.1 Structure diagram of RZB-type capacitor borehole strainmeters

随着RZB分量钻孔应变仪的数字化、网络化改造完成，以及地震预报人员对地壳形变观测数据的需求越来越具体，原RZB分量钻孔应变仪数据采集部分存在越来越明显的局限性，如响应频带满足不了预报人员的宽频带需求；仪器电源部分与主机分离的工作模式无法适应台站观测环境升级改造的要求；特别是原主机故障率较高等实际问题，严重影响了RZB型电容式多分量钻孔应变仪数据的连续率、稳定性，影响科研人员对数据的使用。

鉴于地壳形变观测在地震前兆观测中的重要性，以及原RZB型电容式多分量钻孔应变仪所面临的技术局限，对该仪器的主机部分进行改造显得尤为迫切。

1 主机硬件升级

RZB型电容式多分量钻孔应变仪共有8个测项，包括5个主测项、3个辅助测项。主测项由4个分量的水平应变[3]和1个分量的悬空元件组成。5个主测项的测量电路采用井下数字化集成，通过RS485总线直接输出测值。3个辅助测项——水温、水位、气压，通过模拟电压输出。在保留井下传感器功能不变的前提下，设计的主机结构见图2。

图2 RZB型电容式多分量钻孔应变仪主机结构Fig.2 The host hierarchical chart of RZB-type capacitor borehole strainmeters

1.1 电源管理单元

电源管理单元主要实现在交流输入后的仪器自身防雷、主机各部件与传感器的供电、电瓶的浮

充电与交直流自动切换。电源管理单元采用RAL30-50系列AC-DC电源模块，此模块具有高可靠性、低辐射干扰、低纹波噪声、高隔离耐压等特性，能保证主机系统和井下传感器正常供电。

1.2 CPU(ARM920T)

采用基于WinCE操作系统的控制平台，拥有32位、400 MHz主频的高速处理器内核。由于操作系统已经进行固化，所以其系统文件被损坏的可能性被降到最低。同时，该工作主板与一7 in触摸屏相连，实现了整机的显示与现场参数设置功能。

通过上述的硬件改造后，RZB分量式应变仪主机具有了集防雷、供电、充电于一体的智能化供电系统；主传感器控制以及数据采集部分都使用了RS485-232转换器，既实现了长距离信号传输，也方便现场对传感器进行测试与检查；带触摸功能的中央处理器实现了数据采集、网络服务、仪器设置等多项功能。与原主机相比，整机在硬件层面智能化和集成度都更高；在仪器检修方面，简单、易懂的操作缩短了检修时间。

2 软件升级

软件工作以WinCE操作系统为平台[4]，更新程序会在操作系统启动后自动加载，同时操作系统启动时会自动加载FTP与WEB服务器。具体软件工作流程见图3。

图3 主机软件流程Fig.3 The host software flow chart

2.1 更新程序启动

操作系统启动后，最先引导Update.exe程序启动。该程序的功能主要是检查仪器是否有远程的软件更新，如有软件更新，则将更新的软件拷贝到指定的文件夹下，然后引导主程序(EXE/main.exe)启动，完成上述工作后自动退出。

2.2 FTP与WEB服务器

FTP服务器实现了软件的远程更新与远程数据下载，直接将更新的软件上传到Update文件夹下，仪器会自动识别更新软件并完成程序更新。而WEB服务器则实现了仪器的网页功能，通过网页的交互，可远程查询仪器的当前工作状态，并通过仪器网页实现仪器的参数设置，如ID号、数据转换参数等。

2.3 主程序启动

主程序启动主要完成数据文件夹的路径检查、对缺失的文件夹进行自动创建、仪器工作参数的读取。读取时如果未成功读取到参数信息，则按默认参数进行读取并存储。

文件路径定义：

#defineDATAFOLDER_T(“(〗\)〗SDMEM(〗\)〗data”)

#defineSECDATAFOLDER_T(“(〗\)〗SDMEM(〗\)〗data(〗\)〗secdata”)

#defineLOGFOLDER_T(“(〗\)〗SDMEM(〗\)〗data(〗\)〗log”)

#defineSHIWUFOLDER_T(“(〗\)〗SDMEM(〗\)〗data(〗\)〗shiwu”)

GMH550-P-RAC利用各种分析、诊断策略和算法，针对水电站的每台机组，建立功能全面、实用性强的故障诊断分析系统，提供实时监测、报警、故障诊断分析、智能诊断报告等一系列工具和手段。它强大的人机界面功能，易懂的操作，简洁的画面，让各类技术人员可以根据自己的需求随时随地掌握各电站机组的健康状况，为安全运行，优化调度和检修指导提供有力的技术支持。

#defineWORKLOGFOLDER_T(“(〗\)〗SDMEM(〗\)〗data(〗\)〗worklog”)

#defineWEBFOLDER_T(“(〗\)〗SDMEM(〗\)〗data(〗\)〗web”)

参数的读取：

∥读取仪器的经度信息，如果读取失败将按默认的“E116.3”进行读取，并存储到LONGITUDEFILEPATH

strlongitude = ReadOneParam(LONGITUDEFILEPATH,_T(“E116.3”));

strlatitude = ReadOneParam(LATITUDEFILEPATH,_T(“N40.1”));

strelevation = ReadOneParam(ELEVATIONFILEPATH,_T(“50.4”));

strequipmentID = ReadOneParam(EQUIPMENTIDFILEPATH,_T(“X235RZB01301”));

strstationname = ReadOneParam(STATIONNAMEFILEPATH,_T(“昌平台”));

自定义控件注册：由于需通过网页对仪器主机进行远程实时交互，如查询仪器当前工作状态信息等，该操作将实时对主程序进行数据交互。本次升级采用COM组件技术，先行对组件进行注册。

HINSTANCE hInst = LoadLibrary(_T(“(〗\)〗sdmem(〗\)〗exe(〗\)〗MyScripting.dll”));

PDLLREGISTERSERVER pDllRegisterServer = PDLLREGISTERSERVER(GetProcAddress(hInst,_T(“DllRegisterServer”)));

成功注册后，在ASP网页中进行组件加载，加载完成后即可实现网页与主程序之间的实时交互。

setobj=CreateObject(“MyScripting.FileSystemObject”)

仪器网络校时：每天通过SNTP协议进行一次网络校时[5]。主程序内已包含5个固定的外部SNTP服务器地址，1个用户自定义SNTP地址。其查询顺序是先查询5个固定的SNTP是否可行，最后查询用户自定义地址。

SNTPServer.Add(_T(“129.6.15.28”));∥time-a.nist.gov NIST，盖士堡，马里兰州

SNTPServer.Add(_T(“132.163.4.101”));∥time-a.timefreq.bldrdoc.gov NIST，博耳德市，科罗拉多州

SNTPServer.Add(_T(“128.138.140.44”));∥tutcnist.colorado.edu 科罗拉多大学，博耳德市

SNTPServer.Add(_T(“192.43.244.18”));∥time.nist.gov NCAR，博耳德市，科罗拉多州

∥网络校时线程

::AfxBeginThread(ThreadNetCheckTime,(LPVOID)maindlg,THREAD_PRIORITY_LOWEST);

在完成上述主程序启动前的准备工作后，主程序进入正常工作状态，其功能是绘制出主程序工作界面。图4为主程序正常工作后主机触摸屏所显示的工作界面，主要有实时曲线的显示及控制按钮、基础信息显示等。

图4 主程序工作界面Fig.4 The working interface of host application

1次/s通过COM1定时向主传感器发送数据采集命令：

WriteFile(handlecomtwo, “AT=YB ”, 7, &dwactlen, NULL);

接收到COM1返回的数据后，进行数据处理与存储、实时绘制曲线。

∥COM1接收线程接收到数据后向主进程发送数据到达消息

pDlg->SendMessage(USERINFO_COMONERECV,(WPARAM)recvBuf,(LPARAM)strlen(recvBuf));

∥主进程里对COM1返回的数据进行处理

afx_msg LRESULT ComOneDataIn(WPARAM wparam,LPARAMlparam);∥处理COM1数据到达

ON_MESSAGE(USERINFO_COMONERECV,ComOneDataIn)

最后启动数据管理系统服务器线程：

∥开启81端口

::AfxBeginThread(ThreadSWServer,p,THREAD_PRIORITY_LOWEST);

为了保证整机运行稳定，主程序进行了软件看门狗设置：

EM_WTD_Start(5);boolfeeddog = true;∥设置秒钟看门狗

if(boolfeeddog)EM_WTD_Refresh();∥每秒钟喂狗

3 观测结果

笔者通过在营口台、通化台、灵山台、邕宁台、荣城台等进行实地观测，结果表明，通过此次主机升级改造，仪器运行的稳定性、连续率等指标都较以前有较大幅度提升。以营口台为例，2014-10数据连续率为100%。图5为营口台2014-10观测数据图。其中图5(a)是营口台2014-10-1～10-30钻孔应变仪南北项秒值观测数据；图5(b)是营口台2014-10-07 00:00～10-08 23:00秒数据观测曲线；图5(c)是营口台2014-10-07 21:30～10-07 22:30秒数据和分钟值数据对比曲线(蓝色曲线代表分钟值曲线,红色代表秒值曲线),黑色箭头所指的是2014-10-07 21:49发生在我国云南省景谷县的6.6级地震，距营口台约2 800 km。从图5观测数据曲线来看，数据曲线连续光滑，能清晰地反映出地球固体潮汐和地震信息。从图5(c)对比数据曲线可以看出，RZB分量式钻孔应变仪主机改为秒采样后，能清晰地分辨出地震的详细震相，这些是分钟值数据无法记录的。由此可见，利用分量应变仪秒数据进行同震研究，与分钟值数据相比能给数据分析研究人员提供大量、可靠的同震信息。

图5 营口台应变仪南北项观测数据Fig.5 North,South observation data of Yingkou station strain gauge

4 结 语

作为中国地震局地壳形变观测的主要仪器之一，RZB型电容式多分量应变仪经过几代更新，可较好地克服早期应变仪的不足，发挥超宽频带观测优势。而且应变仪记录的是岩石介质变形，它与通常的摆式地震仪记录的信号有所不同，有可能携带与震源应力场积累和调整过程相关的更丰富的信息。所以多分量式钻孔应变在未来几年可能会面临一个重要的发展契机。此次的主机升级改造，充分吸收前人研究成果，为后续发展提供了空间与机遇。

由于该仪器还处在第一年的试验阶段，后续的一些技术缺陷与局限性将有待发现与改进。首先是电源管理方面，由于前兆仪器要求必须适应较复杂的观测环境，对电源管理、防雷要求较为苛刻，而本次通过一些必要的改进措施后，实现了仪器主机的智能化电源管理，但其具体的实效如何还有待在实际应用中进行检验。其次是仪器观测日志，是本次升级的一个亮点。对主机软件、操作等方面进行详细的日志记录，可为日后进行数据异常落实工作提供强有力的依据。此外，在仪器智能化方面，通过触摸屏不但可以显示实时数据和一些基础信息，而且还实现了设备的远程监控、设置、更新等操作，在仪器的智能化、人性化方面有大幅提升。

致谢：感谢地壳应力研究所李宏研究员、陈征副研究员对本次工作的悉心指导，感谢地震地壳形变学科组专家对本次工作提出宝贵意见与建议！

[1] 邱泽华，谢富仁，苏恺之,等.发展钻孔应变观测的战略构思[J].国际地震动态 ，2004(1):7-14(Qiu Zehua,Xie Furen,Su Kaizhi,et al.New Era of Borehole Strain Observation[J].Recent Developments in World Seismology,2004(1):7-14)

[2] 吴立恒，李涛，陈征,等.RZB-2型电容式钻孔应变仪研究进展[C].地壳构造与地壳应力文集，2006(Wu Liheng, Li Tao, Chen Zheng,et al. Progress of Research with RZB-2 Capacitive Borehole Strainmenters[C].Bulletin of the Institute of Crustal Dynamics,2006)

[3] 蒋靖祥，尹光华，王在华,等.新疆分量式钻孔应变阶变异常的统计特征及其在地震预测中的应用研究[J].岩石力学与工程学报，2004,23(23):4 072-4 078(Jiang Jingxiang,Yin Guanghua,Wang Zaihua. et al. Statistical Character of Steping Change Anomality of Component-Type Borehole Strain and Its Application to Earthquake Prediction in Xinjiang[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(23):4 072-4 078)

[4] 周立功，ARN&WinCE/实验与实践：基于S3C2410[M].北京:北京航空航天大学出版社，2007(Zhou Ligong. ARN&WinCE/The Experiment and Practice: Based on S3C2410[M].Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2007)

[5] 汪兵.Windows CE 嵌入式高级编程及其实例祥解(用C++实现)[M] .北京:水利水电出版社，2008(Wang Bing. Windows CE Embedded Advanced Programming and Its Instance Auspicious[M].Beijing:Water Conservancy and Hydropower Press,2008)

About the first author:LI Xiaodong,engineer, majors in seismic monitoring and precursor equipment maintenance,E-mail:445153288@qq.com.

Upgrading of Mainframe of RZB-Type Capacitor Borehole Strainmenters

LIXiaodong1,2DENGWeiping2JIAHongfei2HEAnhua2

1 Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region,338 Kexueer Street,Urumqi 830011,China 2 Institute of Crustal Dynamics, CEA, 1 Anningzhuang Road,Beijing 100085,China

The mainframe of RZB borehole strainmeters has been upgraded, incorporating the core functions of original RZB borehole strainmeters and the merits of other premonition instruments, while retaining its excellent advantageous functions. The upgrades include: capabilities of responding to wide-band signals in RZB multi-component (sampling rate in second level); stabilization and continuities provided and guaranteed by an embedded low-power dissipation, high-stability and high-speed ARM920T kernel, together with customized WinCE; a touch screen on network board facilitating on-site configuration and maintenance; reinforced lightning-proof power supply and charging auto-adapt with DC/AC switching. The software has also been enhanced, with capabilities of remote upgrades and logging (detailed logs are provided for data tracking, exploring and future analysis). Using the new instrument, data analysis finds that the continuous rate has increased substantially, and the minute details of the sample is less than the recorded seismic response process.

the RZB borehole strainmeter;ARM920T processor;WinCE

Basic Research Fund for Central Public Institute,No.ZDJ2014-04.

2015-11-16

项目来源：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(ZDJ2014-04)。

李晓东，工程师，主要从事地震监测、前兆观测设备的维修和维护工作,E-mail:445153288@qq.com。

10.14075/j.jgg.2016.11.016

1671-5942(2016)011-1020-05

P315

A