RZB型電容式多分量鉆孔應變儀主機系統的升級改造

李曉東 鄧衛平 賈鴻飛 何案華

1 新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊市科學二街338號，830011 2 中國地震局地殼應力研究所，北京市海淀區安寧莊路1號，100085

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RZB型電容式多分量鉆孔應變儀主機系統的升級改造

李曉東1，2鄧衛平2賈鴻飛2何案華2

1 新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊市科學二街338號，830011 2 中國地震局地殼應力研究所，北京市海淀區安寧莊路1號，100085

在保留RZB型電容式分量鉆孔應變儀傳感器功能不變的前提下，充分吸取了原RZB型電容式多分量鉆孔應變儀及其他前兆儀器的優點，對其主機部分進行升級改造，實現了RZB多分量的寬頻帶響應(采樣率提升為秒采樣)；采用了低功耗、高穩定性的ARM920T高速處理器內核、固化WinCE操作系統，為儀器的穩定性、連續性提供了技術保障；網絡接口板外嵌觸摸式顯示屏，極大地方便了儀器的參數配置以及現場檢修；對原供電方式進行改進，實現了集防雷、供電、充電、交直流切換于一體以及軟件的遠程更新、軟件工作的詳細日志查詢等功能。通過對新儀器數據分析發現，其連續率得到大幅提升，并記錄到分鐘采樣所記錄不到的詳細地震波響應過程。

RZB型電容式多分量鉆孔應變儀；ARM920高速處理器；WinCE操作系統

自1966年河北邢臺地震后我國開展地震前兆觀測以來，地殼形變觀測在我國已經發展成初具規模的觀測臺網。地殼形變觀測主要分為洞體應變觀測與鉆孔應變觀測。我國的鉆孔應變觀測起步于上世紀60年代中期，至80年代初、中期，在中國地震局的支持下，鉆孔觀測技術在我國形成蓬勃發展的局面，數種具有自主知識產權的觀測系統研制成功并投入使用，某些重要領域還曾躋身國際領先地位[1]。

RZB型電容式多分量鉆孔應變儀研制于1975年，1981年投入實驗觀測，1985-12通過國家地震局鑒定，被評為同類儀器的國際先進水平[2]。其井下機構見圖1，主要工作原理是在井下傳感器內水平安裝4個位移傳感器。傳感器元件采用三極板差動式電容傳感器，3塊平行金屬極板構成2個差動變化的電容器。傳感器如圖所示被安裝在鋼桶(井下探頭)內，隨著探頭外筒的壓縮、拉伸，極板間距會發生相應變化，其電容量隨之改變。通過測量電容量的差動變化，就可以精確地感知探頭外地殼的形變情況。

圖1 RZB型電容式多分量鉆孔應變儀井下結構Fig.1 Structure diagram of RZB-type capacitor borehole strainmeters

隨著RZB分量鉆孔應變儀的數字化、網絡化改造完成，以及地震預報人員對地殼形變觀測數據的需求越來越具體，原RZB分量鉆孔應變儀數據采集部分存在越來越明顯的局限性，如響應頻帶滿足不了預報人員的寬頻帶需求；儀器電源部分與主機分離的工作模式無法適應臺站觀測環境升級改造的要求；特別是原主機故障率較高等實際問題，嚴重影響了RZB型電容式多分量鉆孔應變儀數據的連續率、穩定性，影響科研人員對數據的使用。

鑒于地殼形變觀測在地震前兆觀測中的重要性，以及原RZB型電容式多分量鉆孔應變儀所面臨的技術局限，對該儀器的主機部分進行改造顯得尤為迫切。

1 主機硬件升級

RZB型電容式多分量鉆孔應變儀共有8個測項，包括5個主測項、3個輔助測項。主測項由4個分量的水平應變[3]和1個分量的懸空元件組成。5個主測項的測量電路采用井下數字化集成，通過RS485總線直接輸出測值。3個輔助測項——水溫、水位、氣壓，通過模擬電壓輸出。在保留井下傳感器功能不變的前提下，設計的主機結構見圖2。

圖2 RZB型電容式多分量鉆孔應變儀主機結構Fig.2 The host hierarchical chart of RZB-type capacitor borehole strainmeters

1.1 電源管理單元

電源管理單元主要實現在交流輸入后的儀器自身防雷、主機各部件與傳感器的供電、電瓶的浮

充電與交直流自動切換。電源管理單元采用RAL30-50系列AC-DC電源模塊，此模塊具有高可靠性、低輻射干擾、低紋波噪聲、高隔離耐壓等特性，能保證主機系統和井下傳感器正常供電。

1.2 CPU(ARM920T)

采用基于WinCE操作系統的控制平臺，擁有32位、400 MHz主頻的高速處理器內核。由于操作系統已經進行固化，所以其系統文件被損壞的可能性被降到最低。同時，該工作主板與一7 in觸摸屏相連，實現了整機的顯示與現場參數設置功能。

通過上述的硬件改造后，RZB分量式應變儀主機具有了集防雷、供電、充電于一體的智能化供電系統；主傳感器控制以及數據采集部分都使用了RS485-232轉換器，既實現了長距離信號傳輸，也方便現場對傳感器進行測試與檢查；帶觸摸功能的中央處理器實現了數據采集、網絡服務、儀器設置等多項功能。與原主機相比，整機在硬件層面智能化和集成度都更高；在儀器檢修方面，簡單、易懂的操作縮短了檢修時間。

2 軟件升級

軟件工作以WinCE操作系統為平臺[4]，更新程序會在操作系統啟動后自動加載，同時操作系統啟動時會自動加載FTP與WEB服務器。具體軟件工作流程見圖3。

圖3 主機軟件流程Fig.3 The host software flow chart

2.1 更新程序啟動

操作系統啟動后，最先引導Update.exe程序啟動。該程序的功能主要是檢查儀器是否有遠程的軟件更新，如有軟件更新，則將更新的軟件拷貝到指定的文件夾下，然后引導主程序(EXE/main.exe)啟動，完成上述工作后自動退出。

2.2 FTP與WEB服務器

FTP服務器實現了軟件的遠程更新與遠程數據下載，直接將更新的軟件上傳到Update文件夾下，儀器會自動識別更新軟件并完成程序更新。而WEB服務器則實現了儀器的網頁功能，通過網頁的交互，可遠程查詢儀器的當前工作狀態，并通過儀器網頁實現儀器的參數設置，如ID號、數據轉換參數等。

2.3 主程序啟動

主程序啟動主要完成數據文件夾的路徑檢查、對缺失的文件夾進行自動創建、儀器工作參數的讀取。讀取時如果未成功讀取到參數信息，則按默認參數進行讀取并存儲。

文件路徑定義：

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

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

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

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

GMH550-P-RAC利用各種分析、診斷策略和算法，針對水電站的每臺機組，建立功能全面、實用性強的故障診斷分析系統，提供實時監測、報警、故障診斷分析、智能診斷報告等一系列工具和手段。它強大的人機界面功能，易懂的操作，簡潔的畫面，讓各類技術人員可以根據自己的需求隨時隨地掌握各電站機組的健康狀況，為安全運行，優化調度和檢修指導提供有力的技術支持。

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

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

參數的讀取：

∥讀取儀器的經度信息，如果讀取失敗將按默認的“E116.3”進行讀取，并存儲到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(“昌平臺”));

自定義控件注冊：由于需通過網頁對儀器主機進行遠程實時交互，如查詢儀器當前工作狀態信息等，該操作將實時對主程序進行數據交互。本次升級采用COM組件技術，先行對組件進行注冊。

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

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

成功注冊后，在ASP網頁中進行組件加載，加載完成后即可實現網頁與主程序之間的實時交互。

setobj=CreateObject(“MyScripting.FileSystemObject”)

儀器網絡校時：每天通過SNTP協議進行一次網絡校時[5]。主程序內已包含5個固定的外部SNTP服務器地址，1個用戶自定義SNTP地址。其查詢順序是先查詢5個固定的SNTP是否可行，最后查詢用戶自定義地址。

SNTPServer.Add(_T(“129.6.15.28”));∥time-a.nist.gov NIST，蓋士堡，馬里蘭州

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

SNTPServer.Add(_T(“128.138.140.44”));∥tutcnist.colorado.edu 科羅拉多大學，博耳德市

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

∥網絡校時線程

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

在完成上述主程序啟動前的準備工作后，主程序進入正常工作狀態，其功能是繪制出主程序工作界面。圖4為主程序正常工作后主機觸摸屏所顯示的工作界面，主要有實時曲線的顯示及控制按鈕、基礎信息顯示等。

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

1次/s通過COM1定時向主傳感器發送數據采集命令：

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

接收到COM1返回的數據后，進行數據處理與存儲、實時繪制曲線。

∥COM1接收線程接收到數據后向主進程發送數據到達消息

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

∥主進程里對COM1返回的數據進行處理

afx_msg LRESULT ComOneDataIn(WPARAM wparam,LPARAMlparam);∥處理COM1數據到達

ON_MESSAGE(USERINFO_COMONERECV,ComOneDataIn)

最后啟動數據管理系統服務器線程：

∥開啟81端口

::AfxBeginThread(ThreadSWServer,p,THREAD_PRIORITY_LOWEST);

為了保證整機運行穩定，主程序進行了軟件看門狗設置：

EM_WTD_Start(5);boolfeeddog = true;∥設置秒鐘看門狗

if(boolfeeddog)EM_WTD_Refresh();∥每秒鐘喂狗

3 觀測結果

筆者通過在營口臺、通化臺、靈山臺、邕寧臺、榮城臺等進行實地觀測，結果表明，通過此次主機升級改造，儀器運行的穩定性、連續率等指標都較以前有較大幅度提升。以營口臺為例，2014-10數據連續率為100%。圖5為營口臺2014-10觀測數據圖。其中圖5(a)是營口臺2014-10-1～10-30鉆孔應變儀南北項秒值觀測數據；圖5(b)是營口臺2014-10-07 00:00～10-08 23:00秒數據觀測曲線；圖5(c)是營口臺2014-10-07 21:30～10-07 22:30秒數據和分鐘值數據對比曲線(藍色曲線代表分鐘值曲線,紅色代表秒值曲線),黑色箭頭所指的是2014-10-07 21:49發生在我國云南省景谷縣的6.6級地震，距營口臺約2 800 km。從圖5觀測數據曲線來看，數據曲線連續光滑，能清晰地反映出地球固體潮汐和地震信息。從圖5(c)對比數據曲線可以看出，RZB分量式鉆孔應變儀主機改為秒采樣后，能清晰地分辨出地震的詳細震相，這些是分鐘值數據無法記錄的。由此可見，利用分量應變儀秒數據進行同震研究，與分鐘值數據相比能給數據分析研究人員提供大量、可靠的同震信息。

圖5 營口臺應變儀南北項觀測數據Fig.5 North,South observation data of Yingkou station strain gauge

4 結 語

作為中國地震局地殼形變觀測的主要儀器之一，RZB型電容式多分量應變儀經過幾代更新，可較好地克服早期應變儀的不足，發揮超寬頻帶觀測優勢。而且應變儀記錄的是巖石介質變形，它與通常的擺式地震儀記錄的信號有所不同，有可能攜帶與震源應力場積累和調整過程相關的更豐富的信息。所以多分量式鉆孔應變在未來幾年可能會面臨一個重要的發展契機。此次的主機升級改造，充分吸收前人研究成果，為后續發展提供了空間與機遇。

由于該儀器還處在第一年的試驗階段，后續的一些技術缺陷與局限性將有待發現與改進。首先是電源管理方面，由于前兆儀器要求必須適應較復雜的觀測環境，對電源管理、防雷要求較為苛刻，而本次通過一些必要的改進措施后，實現了儀器主機的智能化電源管理，但其具體的實效如何還有待在實際應用中進行檢驗。其次是儀器觀測日志，是本次升級的一個亮點。對主機軟件、操作等方面進行詳細的日志記錄，可為日后進行數據異常落實工作提供強有力的依據。此外，在儀器智能化方面，通過觸摸屏不但可以顯示實時數據和一些基礎信息，而且還實現了設備的遠程監控、設置、更新等操作，在儀器的智能化、人性化方面有大幅提升。

致謝：感謝地殼應力研究所李宏研究員、陳征副研究員對本次工作的悉心指導，感謝地震地殼形變學科組專家對本次工作提出寶貴意見與建議！

[1] 邱澤華，謝富仁，蘇愷之,等.發展鉆孔應變觀測的戰略構思[J].國際地震動態 ，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] 吳立恒，李濤，陳征,等.RZB-2型電容式鉆孔應變儀研究進展[C].地殼構造與地殼應力文集，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] 蔣靖祥，尹光華，王在華,等.新疆分量式鉆孔應變階變異常的統計特征及其在地震預測中的應用研究[J].巖石力學與工程學報，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/實驗與實踐：基于S3C2410[M].北京:北京航空航天大學出版社，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 嵌入式高級編程及其實例祥解(用C++實現)[M] .北京:水利水電出版社，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

項目來源：中央級公益性科研院所基本科研業務費專項(ZDJ2014-04)。

李曉東，工程師，主要從事地震監測、前兆觀測設備的維修和維護工作,E-mail:445153288@qq.com。

10.14075/j.jgg.2016.11.016

1671-5942(2016)011-1020-05

P315

A