影響攀枝花仁和臺YRY-4鉆孔應變儀觀測精度原因及改進方法

付再云，張世鳳,伍永秀,徐靜,周定林,羅玉來

(攀枝花地震基準臺,四川 攀枝花 617061)

影響攀枝花仁和臺YRY-4鉆孔應變儀觀測精度原因及改進方法

付再云，張世鳳,伍永秀,徐靜,周定林,羅玉來

(攀枝花地震基準臺,四川 攀枝花 617061)

調整YRY-4鉆孔應變儀傳感器的電零點，可以改變其機械零點，使儀器在無干擾區間內工作，消除觀測數據中存在的干擾并記錄到正常的應變曲線。

傳感器；脈沖干擾；故障排除；電零點；機械零點

攀枝花仁和臺站在區域構造上處于川滇南北向構造帶中南段。區域構造上以南北向構造為主，以安寧河斷裂、昔格達斷裂帶為代表，安寧河斷裂帶是川滇南北向構造帶的主體，是一條具有繼承性活動特征的多期活動性斷裂，在西昌-德昌以南地帶屬于弱活動帶；昔格達斷裂第四系變形強烈，是一條中強活動性斷裂，距臺站較遠，臺站處于受區域地質影響相對較弱的區域。臺站周圍 1 000 m內未發現滑坡、泥石流等不良地質作用跡象，無不良地質作用的影響。水文地質條件主要為第四系松散層孔隙水，地下水主要接受大氣降水補給，沿坡面徑流向溝谷中排泄，無大型的含水結構體。臺站周圍 1 000 m以內無大型的工廠、礦山和高壓電線傳輸，遠離高速公路等干擾源。鉆孔從地面10 m以下巖性是花崗巖和石英閃長巖，風化程度較弱，巖基完整無破碎、裂隙，未遇到斷層，也未遇到裂隙地下水。攀枝花仁和安裝的儀器是“十五”建設項目YRY-4數字化鉆孔應變觀測儀器。這臺儀器安裝在仁和街北東的油房溝和雙龍溝之間的山埡處。

1 儀器故障

自2007年4月5日投入運行以來，YRY-4數字化鉆孔應變觀測儀器4個分量工作都正常，能夠記錄到的固體潮汐波、地震波，波形清晰和完整，但從2007年9月17日開始，該儀器的第3通道觀測數據曲線出現“脈沖”干擾現象。這些“脈沖”是單邊向上，并且由小到大逐步變成等輻的脈沖或臺階(參見圖1)，其幅度是記錄到的固體潮汐日變幅的5～6倍，完全將潮汐波和地震波信號淹沒，嚴重影響了正常觀測記錄。從前面介紹的鉆孔周圍環景情況來看，這些“脈沖”與外部環境無關。從記錄到的“脈沖”現象來看也不符合四分量應變“鉆孔加襯模型”的理論。簡言之，與地殼形變、地震波信號疊加無關，判斷這些脈沖信號應屬儀器自身產生的。在4個分量中只有其中的1個分量有干擾，在計算內精度時每個分量都要參加計算，就是說一個分量的精度差，會影響到整個儀器系統的精度。所以，從2007年以來該儀器在全國形變學科鉆孔應變臺網運行質量評價報告中觀測質量都處在靠后幾名的位置。因該儀器探頭深埋于地下60余米處的井孔內，要取出儀器探頭解決這個問題是有相當難度的，于是解決這個問題成了地震臺站工作人員遇到的一個難題。

圖1 YRY-4鉆孔應變儀第3通道觀測數據的“脈沖”干擾

2 故障分析與排除

2.1 儀器工作原理與結構

圖2 鉆孔應變儀的布置方式

攀枝花仁和地震臺YRY-4型鉆孔應變儀為長圓筒徑向位移式儀器。在圓筒中部位置安裝了“南-北”“東北-西南”“東-西”“西北-東南”四個方向的四組徑向測微傳感器，測量這四個方向圓筒直徑的微小變化(參見圖2)。將圓筒探頭放入地層鉆孔，并用耦合介質將探頭與地層連為一體后，通過儀器測量系統就能獲得地層鉆孔四個方向的鉆孔孔壁徑向位移。YRY-4型鉆孔應變儀則將四個徑向位移傳感器按照米字型4等分布置，相鄰兩傳感器方向相差45度。從四個傳感器的測值除了可確定平面中的三個應變量外，還能提供一組校核條件，用以檢查測值的可靠性。

圖3 電容徑向測微裝置原理結構示意

攀枝花仁和地震臺YRY-4型鉆孔應變儀徑向電容測微傳感器中，由長度基準桿支撐的電容極片分為動片與定片組，分別固定在直徑相對方向的筒壁上，鉆孔孔徑的變化使極片的間隙變化，引起電容量改變。測量電路將電容量的變化轉換成電壓值并通過電纜傳送到地面記錄儀器。為了減小連接傳感電容與測量線路間的導線分布電容帶來的誤差，YRY-4型探頭的測量線路采用微型集成組件，與傳感電容一起共同組成一個整體。并用彈性波紋管連接密封，使得儀器既能將測量電路固定，又不影響彈性應力環變形。在形成的密封空腔中則充以硅油，以保護傳感電容。YRY-4型壓容式鉆孔應變儀的動態范圍達到90 dB，由于儀器長期工作后，應變儀的動態范圍仍可能超出量程。YRY-4型鉆孔應變儀的4個徑向測微傳感器上都有可調整基準桿長度的機械調零裝置，可以調整儀器工作零點(參見圖3)。安裝成功并正常工作的YRY-4型壓容式鉆孔應變儀的調零操作是由地面儀器的數采部分與控制機箱程序運行完成的。工作人員只需輸入調零指令，儀器就通過控制機箱程序運行自動完成調零操作。每個傳感器設有獨立的調節電容間隙的機械裝置，可供隨時調節電容測微傳感器橋路的工作點。這樣YRY-4型壓容式鉆孔應變儀調零就實現了遙控操作。

2.2 故障現象

對于鉆孔應變儀器來說，最不愿意看到的就是深埋在井下幾十米的探頭出故障，如果是這樣的話，幾乎可以判定這臺儀器就無法修復了，僅是一個分量有故障，倘若淘井重新安裝新的探頭，成本太高。因此在查找故障的部位時，主要精力都放在檢查儀器的地面部分上，比如檢查電源、接線插頭、插座、各個元件的接觸情況，用示波器查看各信道的噪聲，監測電源的波動情況，設法降溫，甚至將原來配置的機械隔離電源更換成雙電瓶切換并且加裝DC—DC片的電源，但這些都沒能解決問題。向儀器生產廠家武漢地震研究所形變儀器專家請教后，認為是井下探頭的故障。但故障是屬電子線路的“白噪聲”還是其他原因仍無法判斷。我們通過長時間觀察發現了這樣一些現象：(1)這些臺階似乎被什么東西阻擋而限幅(參見圖4)；(2)有時連續幾天甚至數月曲線光滑無脈沖和臺階(參見圖5)；(3)有時記錄到一個比較大的地震以后又沒有了脈沖和臺階(參見圖6)。

圖4 限幅的脈沖

圖5 時有時無的脈沖

2.3 故障原因分析與排除方法

分析上述現象后我們認為，儀器探頭傳感器存在機械故障，可能的原因有電容傳感器的動片或定片上有異物，或是連接動片的傳動桿有擦掛。儀器專家池順良老師認為探頭中電容極片間插入有絕緣薄膜，極片上有異物，其直徑也在微米量級，不會造成極片間短路而產生電噪聲，確認引起儀器故障的原因是連接動片的傳動桿有擦掛。根據現象2(參見圖5)和現象3(參見圖6)，我們從電容徑向測微裝置原理結構示意圖中看出，無論是自動標定，還是自動調零，都是以如下的方式：指令→計算機→通信口→自動調零或自動標定電路→標定裝置→機械調零裝置，這樣來完成這個工作目的的。因此，可以通過改變其工作點的方法，使電容器動片避開擦掛或碰觸的工作區，應能實現曲線光滑無脈沖的目的。也就是說，用調節探頭傳感器的電零點來改變它的機械零點是可以解決這個問題的(參見圖7)。在2010年12月6日，我們對儀器3號元件做了反復調零，調后該元件觀測數據記錄曲線的情況大為改善，“脈沖”基本消除，即使存在單個的“脈沖”其幅度也大為減小(參見圖8)。由此說明，故障確實是由連接動片的傳動桿擦掛引起，而且以上這一排除故障的方法是行之有效的。

圖6 大地震后脈沖消失

圖7 電容器片上的異物及改變機械零點的簡單示意圖

圖8 調節儀器傳感器電零點后的觀測數據記錄曲線

3 討論

調節儀器探頭傳感器電零點后，觀測數據記錄曲線的“脈沖”基本消除了，雖然偶爾會有一個，尤其是在電零點偏向負一點的時候，出現脈沖的方向與調零以前的方向相反了，這說明電容器動片兩側都可能有異物，這些異物我們猜測可能是附著在其上的水珠、 油珠。這就需要對機械零點的細微調節， 但“十五”建設項目前期的地面儀器機盒只有在數采電壓達到正負300毫伏以上時才可調動，并且只能自動“調零”，而“十五”后期的機盒可任意調整電壓至想要的數值。因此無法進一步進行微調其機械零點工作，使記錄效果得以進一步改善。當然，采取上述措施是讓儀器在正常工作范圍內運行，并不能徹底修復儀器。但不用更換探頭就能排除干擾，使其觀測質量大大地提高，內精度提高了一個量級。之后在全國形變學科鉆孔應變臺網運行質量評價報告中,儀器觀測資料質量由倒數幾位排在了靠前面幾名的位置，其經濟效益也在十萬元以上。

感謝：河南省鶴壁市地震局池順良老師在本項工作中給予的指導和幫助。

[1] 邱澤華，石耀霖，歐陽祖熙.四分量鉆孔應變觀測的實地相對標定[J].大地測量與地球動力學，2005，2：118-122.

[2] 池順良 YRY-4型鉆孔應變儀原理安裝與使用.

ImprovingtheObservationDataPrecisionofYRY-4BoreholeStrain-meterinPanzhihuaSeismicStation

FU Zaiyun,ZHANG Shifeng， WU Yongxiu，XU Jing，ZHOU Dinlin, LUO Yulai

(Panzhihua Seismic Standard Station, Sichuan Panzhihua 617061, China)

Adjusting the electrical zero position of an instrument sensor causes the sensitivity of the mechanical zero position to change. So it causes the instrument to work in the non-disturbance condition and to work in the normal strain condition.

sensor; pulse interference; troubleshooting; electrical zero position; mechanical zero position

2017-07-20

付再云(1975-)，男，漢族，四川省會理縣人，工程師，現從事地震監測工作.

P315.730

B

1001-8115(2017)04-0012-03

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.04.003