TJ-Ⅱ型钻孔应变仪维护技术

全建军， 方传极， 郑永通， 郑志泓， 刘水莲， 刘礼诚， 陈美梅， 龚 薇

(1.福建省地震局永安地震台，福建，永安 366000；2.福建省地震局南平仪器维修分中心，福建 南平 363000；3.福建省地震局泉龙岩地震台，福建 龙岩 364000； 4.福建省地震局邵武地震台，福建 邵武 354000)

技术交流

TJ-Ⅱ型钻孔应变仪维护技术

全建军1，2， 方传极2， 郑永通3， 郑志泓4， 刘水莲1， 刘礼诚1， 陈美梅1， 龚 薇2

(1.福建省地震局永安地震台，福建，永安 366000；2.福建省地震局南平仪器维修分中心，福建 南平 363000；3.福建省地震局泉龙岩地震台，福建 龙岩 364000； 4.福建省地震局邵武地震台，福建 邵武 354000)

介绍TJ-Ⅱ型钻孔应变仪的基本原理与系统构成，着重介绍仪器常见故障的现象与原因，以及检修方法与流程。

钻孔应变仪； 日常检查； 故障检修

0 引言

TJ-Ⅱ型钻孔应变仪是一种观测地壳应变，研究地球物理学和地球动力学的动态观测仪器[1]。仪器安装在钻孔内，使用特种水泥作为耦合介质，具有较高的观测精度和稳定性，可以记录到清晰的固体潮汐和地震孕育过程中地壳的伸缩变形，适用于观测地壳应变和固体潮汐的连续变化，为研究地震孕育过程的应变变化规律提供数据，也为地球弹性研究提供重要参数指标[2]。通过钻孔应变仪精密观测地壳内部的应变状态，熟悉地震应变前兆的短、中、长期，临震与震后调整的时空分布和变化发展规律，为探索地震学以及防震减灾工程建设提供基础性研究数据[3]。

我国是最早对地应力(应变)进行连续监测并将其用于地震分析预报的国家，从1962年广东新丰江水库6.1级地震发生后中国就开始新建新丰江试验应力观测站。经过“九五”、“十五”和“十一五”三个期间地震前兆观测台网的建设与优化，目前我国已有100多套TJ-Ⅱ型钻孔应变仪投入运行。仪器在运行过程中，无法避免会发生故障，导致观测数据的连续率或观测精度降低，影响观测数据的质量[4]。因此对仪器进行细致维护和及时检修可以有效提高形变观测数据质量。日常的维护和及时检修，要求工作人员不但需要具有基本的维修技能，还要了解系统的测量原理、仪器的组成和结构、测量过程及产出数据，这样才能合理分析，及时发现干扰源或找到仪器的故障点。

1 基本原理与系统构成

1.1 基本原理

钻孔体应变仪是将探头置于岩石钻孔中，用黏接剂(特种水泥)与岩石刚性联结，岩石的应变变化作用于探头，使探头的体积产生相应的变化，于是探头内的油液产生压力变化，再由探头中的压力传感器将该压力变化变为电信号输出，经探头内的前置放大电路后，通过电缆送往地面电子仪器[5]。

地面电子仪器将井下送上来的电信号进行滤波后送给外接数据采集器进行记录，同时滤波后的信号经阻抗变换后送给一级加法器，为适应用电子差位计进行记录时，调整记录曲线在纸面上的位置。经阻抗变换后的信号除了送给加法器外，还送给自动开阀电路，使信号在接近±2 V时井下电磁阀自动短暂打开，卸掉探头所积累的应变(不是岩石)，重新开始积累，以达到保护传感器、扩展量程的功效。

此外地面电子仪器还能产生一个2 s的恒流信号(标定信号)送给井下探头中的一个电阻丝，电阻丝发热使硅油产生微小膨胀，以检查整个测量系统的灵敏度。地面电子仪器输出的电信号与井下探头感受的应变信号有明确的对应关系，这一对应关系由灵敏系数或格值给出。

1.2 系统构成

TJ-Ⅱ型钻孔应变仪测量系统由钻孔应变仪主机、探头以及相应的连接线路构成。

(1) 主机部分

TJ-Ⅱ型钻孔应变仪主机主要由变压器、电源模块、模拟模块、采集模块、避雷模块以及嵌入式控制模块等组成。

电源模块：由变压器或电瓶12 V进入电源板，生成：①显示使用的5 V；②供标定开阀的可调电压±10 V，供信号电路及井下传感部分用电±9 V；③还有一组整流、滤波输出给小电源板，在小电源板生成两组5 V，供A/D采集模块、控制模块使用。

模拟模块：包含传感器信号放大电路、传感器调零控制电路及传感器标定控制电路，主要实现体应变井下信号、辅助气压信号、水位信号及温度信号的集合，为各电路提供电源，同时设计有专供体应变井下部分的避雷系统，一旦遭遇雷电侵袭，能及时阻断高压、大电流通向探头，有效保护仪器和探头不受损坏。

采集模块：A/D采集模块将输出的体应变井下信号、辅助气压信号、水位信号及温度信号做A/D转换后通过RS232口送给控制板。本机A/D转换芯片采用了凌特(Linear)公司的LTC2400数据转换器。LTC2400是一种微功耗、高精度的24位A/D转换器，芯片内部集成了振荡器，工作电压范围为2.7～5.5 V，积分线性误差(INL)为4 ppm。通过对LTC2400芯片F0脚的设置，可以对输入信号中的50 Hz或60 Hz干扰进行大于110 dB的抑制，或采用片外的振荡器输入抑制范围1～120 Hz中的干扰信号。芯片采用△一∑技术及独特的体系结构，建立时间为单周期，消除了数字滤波器达到稳定状态的等待时间，供电电流仅为200 μA(待机时为20 μA)。

嵌入式控制模块：控制模块采用SB-810C主板，该主板是一款面向工业自动化领域的高性价比嵌入式网络模块，能与一般的PC机完全兼容，支持Linux和WindowsCE操作系统。控制模块通过RS232串行接口与A/D采集板相连接，通过RJ45网络接口与外部网络相连，主要实现数据的采集、存储、远程传输以及远程控制等功能。

(2) 探头部分

TJ-Ⅱ型钻孔应变仪探头部分是由一个长约1 000～3 000 mm、外径约100～120 mm的长圆形弹性钢筒组成。长圆形钢筒内有一个隔板，将钢筒分为上下腔室。下腔室又称感受腔，其内充满硅油并设有金属芯柱，金属芯柱可使探头的灵敏度提高，同时加大探头自身的比重，使探头在井下安装时能自行沉入孔底的水泥中。上腔室内装有差压传感器、备用传感器、电磁阀以及标定电阻丝，也充有硅油，但在硅油的上方充有氩气。由于氩气的存在，上腔的压力基本恒定，但在下腔只要外力使得腔室的体积有微量变化，由于硅油难以压缩，硅油的压力P即会产生明显变化，差压传感器就能感受到上腔室与下腔室的压力差。备用传感器是为了延长探头的使用寿命，一旦主体传感器损坏(例如遭雷击)，可以将备用传感器接替运行。

2 常见故障与维修

地下探头、地面主机、交换机、宽带通信及计算机等一起构成体应变仪观测系统。系统的主要组成部分都是集成的，任何一个环节发生故障都会对整个系统产生影响，导致地震前兆数据丢失。本文以几次典型的故障现象为例，详细分析和论述故障产生的原因和具体的解决办法。

2.1 数据类故障

(1) 观测数据噪声变大、观测曲线变粗

TJ-Ⅱ型钻孔应变仪在运行过程中有时会出现数据噪声变大、观测曲线变粗，但数据曲线形态基本正常的现象(图1)。根据以往维修经验判断，这种情况一般是没有良好的接地，采集数据引入了50 Hz电源干扰噪声造成的。当仪器的交流电线路与信号线相距较近时，交流干扰信号会通过信号线耦合到仪器中，如果仪器没有进行良好的接地，就会造成观测数据的噪声变大。解决办法：台站维修人员可以用导线(地线)将TJ-Ⅱ型钻孔应变仪主机上的接地柱与打入地下的导体相连接，使高频干扰噪声消失，地面仪器记录波形恢复正常。

图1 永安地震台体应变仪接地不良的数据曲线Fig.1 Data curve affected by bad grounding of strain gauge in Yong’an seismic station

钻孔应变仪地线的可靠接入是防雷与抗干扰的首要保障，接地质量的好坏直接影响采集数据的好坏。合格的地线要满足两个条件：①有独立架设的地线，接地电阻不大于5 Ω；②系统地线分工作地和保护地，采用单点接地方式，不能与水管、钢筋等土建“地”连为一体。

值得注意的是气象因素和周边环境也可能影响仪器的工作状态，导致输出曲线噪声变大，但这种随气象要素、周边环境的变化而形成的噪声不需要任何维修就会自行恢复。

(2) 仪器未停电或重启却有丢失数据现象

TJ-Ⅱ型钻孔应变仪在运行过程中未曾停电或通过网络发布重启命令，但仪器接收到的数据却有丢失现象。此类数据故障主要是由校对时钟引起的，如果日常工作中通过计算机命令校对了系统时钟，而系统连接的计算机又有若干台，计算机与计算机之间的时钟存在差异，多台计算机校对后有可能出现仪器丢失数据现象。此类问题的解决办法是：采用SNTP(Simple Network Time Protocol)标准网络授时校对系统时钟。由于TJ-Ⅱ型钻孔应变仪自身会在9时22分采用SNTP标准网络授时协议启动进程来校对系统时钟，该进程1分钟后终止，所以工作人员尽量不要采用计算机命令校对系统时钟。

(3) 仪器不稳定导致观测数据突跳、不规则台阶

仪器的不稳定指的是在时间因素作用下，观测系统各个部件性能的量变或者质变等造成的测值变动[6]，使得测值中偶尔出现不明原因的不规则台阶、突跳。2007—2013年永安台体应变所记录到的这一现象超过40次。但有一些记录是有原因的，如2007年1月2-3日永安地区连续降雨，3日体应变及辅助测项同时出现电信号干扰引起突跳(图2)。

图2 永安地震台体应变突跳与预处理曲线对比图Fig.2 Comparison of sudden jump curve and pretreatment curve of body strain at Yong’an seismic station

实际上，仪器的不稳定性主要表现为电路的某些故障[7](接触不良、漏电、地电流干扰及电磁干扰等)；岩体的不稳定在新打的钻孔上更明显，如钻孔岩面开挖后的自然崩落、井孔附近作业造成井内岩石小碎块的掉落,这些影响需要观测人员的细心谨慎，详细记录每一个观测环境的变化事件，否则会使得许多台阶、突跳无法找到原因，也无法判断其是否为地震前兆信息。

2.2 电源故障

(1) 显示屏无法正常显示，但输出信号(电压)正常。故障处理：当主机前面板的显示屏不亮时，应检查仪器面板上的通道按钮是否开启，仪器的交流保险丝是否完好(交流保险丝为1 A)，开盖检查仪器内主板至显示屏的线路及其接插件是否松动、氧化或 断路接触不良。若以上都正常，则应检查交流电是否已停电、直流电压是否已降至11 V以下，因为在交流供电正常时，只有电瓶未接或严重缺电，同时交流保险丝烧断，才可能导致开机后显示屏无法正常显示。若不是以上原因，考虑到显示屏上的5 V电源是变压器送出的AC 8 V经整流滤波后，再经7805稳压后供给，所以也有可能是主机运行时间过长，而出现电源线接触不良或主板故障，此时可以将数采打开，重新固定电源线或联系厂家更换主板。

(2) 数采器收不到信号或信号不稳定。故障分析：两个交流12 V经整流滤波后分别送给7809和7909稳压，提供给放大电路和井下前级电路±9 V恒定的电压。若测量系统出现问题，例如数采器收不到信号或信号不稳定等，应首先检查这±9 V电源是否稳定,其次应检查电缆插头与地面仪器的插座是否接触良好，如果接触不良也会导致井下信息的传送受阻，或是井下前级电路不能得到供电。解决办法:若7809或7909稳压器出现故障应进行更换；若与地面仪器接触不良应重新拔插电缆插头。

(3) 在日常观测过程中，电源不稳导致观测曲线出现畸变异常，且这种畸变图像是多式多样的。2013年6月14日永安台体应变曲线多次出现突跳(图3)，经检查为市电电源电压不稳定导致。2013年7月12日8：40及23∶10，出现2次类似标定的阶跃(图3)。解决办法：钻孔应变仪最好配备UPS以提供稳定的电源电压，UPS电池每年充放电一次，发现问题及时更换处理(电池为每三年进行一次更换)，保证UPS设备可靠工作。电源干扰现象在实际观测中是非常常见的，当发现曲线出现畸变时，应首先对电源进行排查。

图3 永安台体应变仪受电源影响的数据曲线Fig.3 The data curve affected by power at Yong’an station

2.3 通讯类故障

工作机有时无法正常连接到体应变仪下载观测数据，主要表现为仪器IP无法PING通，网页查看仪器工作状态无法登陆页面。钻孔应变仪通讯连接出现中断的的主要原因可归纳为2大类：网络链路故障和网络通信工控板系统故障。前者的原因较多，有路由器故障、交换机故障、路由器或交换机与仪器连接的双绞线断线、RJ45插头与接口接触不实等。后者主要是工控机开关电源损坏、程序存储卡损坏、SB-810C工控板损坏等。

2.3.1 网络链路故障

永安地震台TJ-Ⅱ型钻孔应变仪维护过程中出现的通讯故障大多是网络链路故障引起的。因此在进行通讯故障排查时，应首先排查是否属于网络通讯链路故障。永安台体应变仪网络进行过防雷优化改造，在体应变仪通信单元端用网线与光猫连接，再通过光纤传输至台站办公楼与另一台光猫连接，然后该光猫通过网线与一小交换机连接再将数据传输至信息节点机房的核心路由器与省局内网连接。这样的连接方式较为复杂，因此网络故障判断要逐一排查，首先检查网线或光线头是否接触不实或断线，具体可以观察路由交换机或光猫的端口状态灯是否正常。如果传输链路中有交换机或者光猫死机故障等则可以用笔记本进行网络测试，将笔记本的网段设置成与仪器IP同网段，然后将网线插入笔记本使用PING命令看是否连通，这样逐级排查就可以发现是从哪一级开始就无法连通的。再观察该设备状态是否正常，进行断电重启看是否恢复，如仍无法恢复则应更换该设备检查是否设备故障直到网络连通恢复[7]。

2.3.2 网络通信工控机系统故障

若进行了上述方法排查后仍无法解决通讯故障，则应考虑是否为源头的网络通信工控板系统故障。

(1) 工控板开关电源损坏。SB-810C工控板是整个网络通信工控板系统中最重要的元器件，其正常工作需要5 V的直流电压，这就需要将220 V的交流输入转换成5 V直流输出为其供电，通过网络通信工控板系统内部的开关电源可以实现电压转换操作。在网络通信工控机系统内部邻近供电电源输入接口位置有一个长方体模块，即开关电源，其作用是将220 V交流电压转换成5 V直流电压。开关电源故障的主要现象是：可以正常输入220 V交流电压，但电源降压输出端输出的电压不是直流5 V或没有电压输出，同时SB-810C工控板上的电源指示灯一般不亮。通过检查SB-810C工控板上的电源指示灯是否点亮即可判定是否属于此类故障，但为保险起见，在电源指示灯灭的情况下也要检查一下开关电源的输出电压是否为直流5 V，以避免误判。此类故障可以通过更换同类开关电源来排除。该种故障在实践中是极易出现的，而且同类开关电源在市场上较容易购到，建议台站提前选配优质的同类开关电源以备用。

(2) 工控机程序或程序存储卡损坏。工控机程序或程序存储卡有时也会发生损坏，导致TJ-Ⅱ型钻孔应变仪不能正常通讯，该类型故障较难判定，一般采用替换法来判定和排除。

具体做法是：①将工控机程序预先复制到通用存储器中，以备工控机程序故障或程序存储卡损坏时所需；②在发生通讯故障怀疑是工控机程序或程序存储卡损坏时，将通用存储器中备份的工控机程序复制到工控机适用的存储卡中；③将工控机的程序存储卡取出(SB-810C工控板上)，将装有完好程序的新存储卡插入，然后检测通讯故障是否排除，如排除则属于该类故障，如未排除则需进一步检查故障原因；④如果通讯故障通过第③步已经排除，则重新在取出的存储卡上复制完好的工控机程序，然后替换掉先前更换的存储卡，如此时仪器能够正常通讯，则故障原因仅为程序故障，原存储卡可用；若仪器不能正常通讯，则可以断定原存储卡已经损坏，需要将损坏的存储卡取出后重新插人带有完好程序的可用的程序存储卡。

(3) SB-810C工控板损坏。一般是在更换完好的装有程序的网络通讯接口存储卡仍无法恢复仪器通讯时可怀疑是SB-810C工控板损坏。判定此类故障的最简单的方法是听声音：将网络通讯接口断电重启，在网络通讯接口重新上电后几秒钟内能听到“嘀”的一声，一般表明该通讯接口的SB-810C工控板工作正常。当然通过替换法，更换一台完好的SB-810C工控板来判定故障原因的方法更准确、可靠。实践中，SB-810C工控板损坏导致仪器通讯故障极少遇到。

(4) 工控机RS-232通讯芯片损坏。工控机内部有用于支持RS-232接口通讯的芯片，这种芯片也会发生损坏，特别是仪器受到雷击时。如果在雷电后发生通讯故障，采用其他方式无法排除故障时，可以采用断开仪器主机的电源后更换新的RS-232通讯芯片的方式尝试解决。

2.4 开阀故障

电磁阀开启电路主要由施密特电路和继电器组成，当岩石的体应变变化达到6×10-6量级时，地面电子线路能自动开启电磁阀一次使压差传感器的工作点恢复到零位(上腔室压力≈下腔室压力，电子线路的零位输出近于零伏)。此外，该仪器安装了手动开阀按钮，必要时可手动打开阀门。

2012年4月18日永安台体应变曲线出现了“几”字形台阶，幅度达52 980×10-9(图4)。观测人员首先检查仪器面板、接线，发现一切正常后排除了天气干扰，最后查询18日并无地震记录，因此也排除了地震引起的体应变自动开阀，把这一现象当成仪器不稳定造成的。但随后的19—22日，永安体应变依旧出现“几”字形台阶，值班人员经分析发现这些台阶存在一定规律，即出现时间集中在3-7时、16-20时。经缺数处理、显现正常曲线形态后，发现这两个时间段正是固体潮波峰时段，同时体应变这几日的测值在波谷处约为5 500×10-9，产生台阶处即近波峰处为5 700×10-9，说明波峰处测值有可能已超过钻孔体应变仪的最大量程6×10-6。在波峰处超出量程，应当自动开阀，但仪器故障，自动开阀失败，测值限幅导致了这一异常台阶现象。随后采取了以下措施：

图4 永安地震台体应变开阀失败曲线图Fig.4 Curve of body strain affected by open valve failure in Yong’an seismic station

(1) 按动前面板开阀按钮后，体应变前面板显示数据没有恢复到零毫伏(小于50 mV称之为零毫伏)附近，手动开阀失败，为保护探头，值班员关闭体应变测量仪。

(2) 如果在手动开阀动作前后，仪器的应变读数没有改变，最大的可能是此时开阀的电压不够高，导致电磁阀门未能开启。值班员打开机箱，用万用表测量手动开阀时刻的电压值，发现过低，仅有+7 V；

(3) 两名观测人员配合，一面旋转电源板上电位器的螺母调整电压值，一面通过手动开阀并测量此开阀电压值，使它增大1～2 V，当其达到9 V时则开阀成功。

2.5 雷击故障

雷电具有极大的破坏性，它不仅给室内设备带来威胁，而且也会对室外观测设备带来威胁，轻则对信号造成干扰，重则损坏仪器、中断记录[8]。地震台站所在构筑物应安装避雷带、避雷网，接地电阻必须小于10 Ω[9]。永安地震台地势较高，周围没有更高的建筑，当雷电与接闪器、建筑物、山体及其他物体感应放电后，导体上的感应电荷经接地装置不能迅速流入地下，将会形成地电位的急剧升高，有时会产生高达几万伏的电位差，强雷电时甚至可能击坏仪器。2008年8月9日永安出现短时的强对流天气，开始打雷闪电，在此次强雷电天气过程中，体应变的数据曲线出现突跳和较大的台阶，雷击过后数据曲线不正常。图5(a)为永安台体应变仪在雷击前后的连续数据曲线。这次雷击为感应雷击，直接造成体应变仪数据前置盒放大模块损坏,仪器所收取的数据失真、错误。

2013年5月7日16时5分至17时永安出现雷暴雨天气，有强雷，体应变的数据曲线在同一时间出现脉冲式畸变现象，雷击过后数据曲线开始恢复正常。图5(b)为永安台体应变仪在雷击时的连续数据曲线。这次雷击为感应雷击，未造成体应变仪数据模块的损坏[10]。

图5 永安台体应变仪受雷击影响的数据曲线Fig.5 The data curve affected by lightning strike

钻孔应变观测不同于其他前兆观测仪器，在钻孔施工过程中不同的钻孔安装了不同深度的套管，钻孔套管决不可与防雷用的地线或其他地线相连。套管是很好的导体，雷电引入台站避雷网时，很容易通过套管引入探头，击坏钻孔应变探头和辅助探头，所以观测室尽量不要安装避雷装置，同时观测室距钻孔一般不超过20 m。探头与仪器之间的电缆长度不宜过长，电缆的地面段应埋设铁管，同时钻孔应变台站还需要用防雷地线作为钻孔体应变仪机壳的接地体。雷雨季节，即将出现雷雨时应主动及时地断开市电电源，改为电瓶供电或不间断电源供电。永安地震台在2010年1月陆续开始了台站的防雷改造，通过对电源、仪器传感器、通信线路、地网、仪器排插等部分的防雷改造，大大减少了雷击损坏仪器的几率。2010年1月—2013年10月间体应变仪未出现因雷击造成的仪器故障，可见台站进行防雷改造可以提高仪器工作的安全性，进而提高仪器观测资料的质量。

3 结语

台站工作人员可以根据现象分析故障点，进行相应处理，包括网络恢复参数、更换简单元器件、排查探头线、更换电源模块、更换网线和更换工控机等。台站工作人员在准确判断出故障点后,大部分故障可以在厂家的技术支持下自行解决，缩短维修时间，从而提高资料的连续率。

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Maintenance Technology for TJ-II Borehole Strain Meters

QUAN Jian-jun1, 2, FANG Chuan-ji2, ZHENG Yong-tong3, ZHENG Zhi-hong4， LIU Shui-lian1, LIU Li-cheng1, CHEN Mei-mei1, GONG Wei2

(1.YonganSeismicStation,EarthquakeAdministrationofFujianProvince,Yongan366000,Fujian,China; 2.NanpingEquipmentMaintenanceSub-center,EarthquakeAdministrationofFujianProvince,Nanping353000,Fujian,China; 3.LongyanSeismicStation,EarthquakeAdministrationofFujianProvince,Longyan364000,Fujian,China; 4.ShaowuSeismicStation,EarthquakeAdministrationofFujianProvince,Shaowu354000,Fujian,China)

This paper introduces the basic principles and system structure of a TJ-II borehole strain meter, the common causes of instrument failure, and maintenance methods and procedures. At present, in China, more than 100 sets of TJ-II borehole strain meters are in use. Failure cannot be avoided during operation, resulting in a reduction in the continuous gathering and accuracy of observation data, which eventually affects its quality. Carefully maintenance and timely repair of the instruments can effectively improve the quality of deformation observation data. For daily maintenance and timely repairs, station staff are required not only to have basic maintenance skills, but also to understand the measurement principles of the system, composition and structure of the equipment, measurement process, and output data, enabling them to make rational analysis and timely detection of any interference source. A underground probe, ground host computer, switch, broadband communication, computer, etc., constitute the observation system. The main components of the system are integrated, so any link failures affect the entire system resulting in the loss of seismic precursor data. This paper takes five typical categories of failure as examples: data, power, communication, open valve, and lightning, analyzes the details, then discusses the cause of these failures and specific solutions. According to the failure phenomena, station staff can analyze the failure and handle the problems effectively; most of the problems can then be solved with the manufacturer's technical support and the repair times can be effectively shortened, thus a continuous data rate can be maintained.

borehole strain meter; daily check; trouble shooting

2015-09-07 基金项目：2013年中国地震局“地震监测、预报、科研三结合”课题《福建省定点形变干扰因素综合查询系统》；2013年福建省地震局科研项目基金《永安台钻孔体应变畸变及映震能力分析》

全建军(1984-)男，福建永安人，工程师，主要从事台站电磁、形变观测和信息节点、地震仪器维护管理工作。 E-mail:qjjkt@163.com。

P315.727

A

1000-0844(2016)06-0997-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0997