具有量程扩展和原位标定功能的RZB钻孔应变仪传感器稳定性研究

吴立恒 李 宏 陈 征 王文博 董云开

1 应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京市安宁庄路1号，100085

目前钻孔应变仪技术已经进入到深钻井、多分量、宽频带的发展时期[1]。2012年在北京密云投入运行的RZB-3型钻孔应变观测系统安装深度为425 m，使得密云成为目前我国全孔基岩钻孔中最深的一个地壳应变连续观测点。为解决深井观测系统仪器无法同时满足大量程和高精度的问题，本课题组早前研发了基于陶瓷马达的量程扩展系统，并在系统上集成光栅传感器，解决了系统原位标定的问题。量程扩展系统[2]和原位标定系统[3]如图1所示，即通过微位移机构使极板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。高精度的微位移机构集成光栅传感器又为RZB钻孔应变仪提供了原位线性标定功能，高效解决了量程和原位标定问题，为RZB钻孔应变仪向千米深井应用的推进提供了技术支撑。

图1 量程扩展和原位标定系统原理Fig.1 Principle of measuring range extension and in-situ calibration system

本套微位移系统与传感器集成后可调量程为20 mm、标定精度为±0.1 μm、线性度为0.17 %，这些指标都通过了中国计量研究院校准。但钻孔应变仪长期连续地观测数据，会受到观测区域应力场和仪器自身漂移的影响，表现出趋势性变化[4]。而随着时间的推移，该趋势性变化必然会超出量程，导致数据丢失，应对措施是通过调节电容传感器极板2的工作点(零点)来扩展量程。后续微位移机构自锁稳定性的维持、系统漂移量的测定都需要按照DB/T31.2-2008规范[5]的应变仪漂移量测试方法展开实验，从而判定具有量程扩展和原位标定功能的RZB钻孔应变仪的进网可行性。

1 漂移量对比观测实验

地应变的实际观测数据中包含了区域构造运动、仪器漂移、仪器安装基础变化、有用信号和外界干扰等信息，因此以实验设备观测期内日均值漂移量的加权平均值作为仪器漂移的参考指标[6]。实验设备中包含1个具有量程扩展和原位标定功能的RZB钻孔应变仪传感器及3个常规传感器，常规传感器选用的是已在台站稳定工作、能清晰记录固体潮、为分钟值输出的同类型传感器。目前具有量程扩展和原位标定功能的RZB钻孔应变仪还没有台站应用数据，因此用此设备在山洞内开展对比观测实验，可初步了解RZB钻孔应变仪的稳定性和漂移量性能。

为了解微动机构对传感器漂移量和稳定性的影响，对2019-10-12河北崇礼地震台山洞仪器墩上放置19-06#探头的RZB钻孔应变仪展开传感器对比观测实验，其探头中安装了具有量程扩展和原位标定功能的1号传感器和3个(2号～4号)常规传感器。此外，还安装了气压和温度传感器用来观测山洞环境参数。

2 定性对比分析

对比实验记录了2019-10-12安装RZB钻孔应变仪后连续7 个月的观测数据(图2)。

图2 RZB钻孔应变仪各传感器山洞观测曲线对比Fig.2 The observation curve of the RZB-type borehole strain by sensors in the cave

1)架设观测前期。1号传感器漂移量明显大于2～4号传感器，可能是微动机构元部件较多、热膨胀系数略大、材质各不相同所致。因此，在架设初期，1号传感器对山洞环境(特别是温度)的调节幅度较大。

2)架设观测稳定初期。1号传感器漂移量逐步减小，与2～4号传感器变化基本一致，可能是由于山洞中温度、湿度等非常稳定，仪器逐渐完成热平衡调整，漂移量逐步减少后趋于稳定。此外，4个传感器还记录到了同步的干扰信号。

3)架设观测稳定期。1号传感器漂移量极小，曲线近乎水平，而2～4号传感器都存在小曲率的弧形变化，可能是由于1号传感器微动机构的蠕变小、自锁性优良、集成结构稳定可靠。

4)稳定期分钟值。取架设观测稳定期2020-04-01～07的分钟数据(图3、图4)，由图可见，4个传感器具有同步的周期性变化，记录到的信号存在日波和半日波，1号传感器似乎还含有1/3日波。周期成分一般是岩层固体潮和大气潮对仪器探头共同作用的结果，由于该应变仪的测试探头只与大气密切接触，并没有接触到岩石，所以此应变观测曲线并不包含固体潮信息，只受到大气潮或风、温度和水位的影响。根据经验可知，正常的台站钻孔应变记录中固体潮和大气潮的变化幅度相当，并不影响实验设计的合理性与结果的正确性。

图3 RZB钻孔应变仪各传感器及温度分钟值Fig.3 The minute data curve of the RZB-type borehole strain by sensors and the temperature

图4 RZB钻孔应变仪各传感器及气压分钟值Fig.4 The minute data curve of the RZB-type borehole strain by sensors and the air pressure

苏恺之[6]提出，可用告别性的定性观察来检验探头是否合格，即在正式包装前观察大气压力波动和室温起伏对探头输出的干扰情况。该技术的原理为大气压力波动对弹性筒产生的面应变与应变固体潮汐对钻孔内应变仪产生的面应变为同一量级，因此具有量程扩展和原位标定功能的1号传感器与RZB钻孔应变仪常规传感器一样，能稳定记录到气压的微小波动，验证了其高稳定、高精度性能。

基于上述对比观测实验及分析可知，具有量程扩展和原位标定功能的RZB钻孔应变仪传感器在观测稳定期漂移量优于其他3个传感器，且分钟值数据质量优良。

3 日漂移量计算

根据DB/T31.2-2008规范[5]应变仪漂移量测试步骤，对架设观测稳定期2019-10～2020-05的观测数据进行日漂移量计算，结果如表1和图5所示，其中10月数据时间为2019-10-12～31。

表1 日漂移量计算值

图5 RZB钻孔应变仪各传感器日漂移量Fig.5 The daily drift curves of the RZB-type borehole strain by sensors

由表1和图5可见，具有量程扩展和原位标定功能的RZB钻孔应变仪传感器在架设前期漂移量较大(10-7应变量级)，随后各月日漂移量逐渐减小至10-8应变量级，数据趋于稳定，与常规RZB钻孔应变仪传感器日漂移量量级一致且数值更小，符合仪器进网要求。

4 结 语

通过对具有量程扩展和原位标定功能的RZB钻孔应变仪传感器进行山洞连续观测实验，完成漂移量定性对比和日漂移量定量计算，证明该传感器具有高精度和稳定性，初步确定了其进网的可行性。