吳立恒 熊玉珍 李 濤 陳 征

1 中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京市海淀區(qū)安寧莊路1號(hào)，100085

RZB 鉆孔應(yīng)變儀是一種記錄地殼應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的儀器。由于其傳感測(cè)量單元安裝在地殼鉆井中，可以顯著減弱地表巖石風(fēng)化與地形的影響，環(huán)境溫度、降雨、振動(dòng)以及雷電等干擾因素均受到很好的屏蔽，有利于獲得高精度的測(cè)量結(jié)果［1］。RZB鉆孔應(yīng)變儀在系統(tǒng)靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、安裝深度等方面具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力和優(yōu)勢(shì)。在百米井中的安裝技術(shù)已日趨成熟，近4a來(lái)分別在四川、云南、甘肅等多地開(kāi)展鉆孔應(yīng)變觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)建設(shè)任務(wù)，安裝數(shù)量達(dá)到近40套，可以記錄到清晰的固體潮汐及地震孕育過(guò)程中的地殼形變。2012－05在北京密云觀測(cè)點(diǎn)安裝深度更是達(dá)到425m，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的水平。而在日本，到2000年為止，安裝深度為1 000～3 800m 的深井觀測(cè)站已達(dá)22所。地球深部探測(cè)是未來(lái)鉆孔類(lèi)儀器的發(fā)展方向［2－4］，RZB鉆孔應(yīng)變儀也將在此方向上繼續(xù)發(fā)展。隨著安裝深度的不斷加深，RZB 鉆孔應(yīng)變儀動(dòng)態(tài)范圍（10－4量級(jí)）也逐步被用到了極致，對(duì)于千米乃至幾千米的深井（預(yù)應(yīng)變達(dá)到10－3～10－2量級(jí)），目前的分量式鉆孔應(yīng)變儀就無(wú)法勝任了。

本文設(shè)計(jì)了以陶瓷馬達(dá)為核心、RS485總線(xiàn)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程控制調(diào)零機(jī)構(gòu)，并將該機(jī)構(gòu)安裝至RZB型鉆孔應(yīng)變儀傳感探頭內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量傳感器工作零點(diǎn)的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。這樣RZB 鉆孔應(yīng)變儀的傳感器在實(shí)驗(yàn)室就能正常裝配、標(biāo)定、測(cè)試。在千米乃至幾千米的深井中，通過(guò)調(diào)零機(jī)構(gòu)就能使極板間距重新平衡，在良好的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)正常工作。

1 RZB鉆孔應(yīng)變儀工作原理及問(wèn)題

1.1 電容傳感器工作原理

電容傳感器采用三極差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，3 塊平行極板構(gòu)成2個(gè)差動(dòng)變化的電容器。傳感器安裝在彈性鋼筒探頭壁上，通過(guò)特種水泥和大地耦合（圖1）［5］。隨著探頭在地應(yīng)力作用下發(fā)生形變，電容傳感器的極板間距會(huì)相應(yīng)變化，其電容量便隨之變化，從而建立形變與電容差動(dòng)變化的聯(lián)系。

d1與d2之和是固定值，它在很大程度上決定了傳感器的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，是多組實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐積累下來(lái)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。當(dāng)探頭受壓發(fā)生形變時(shí)，d1變小、d2變大；當(dāng)探頭受拉發(fā)生形變時(shí)，d1變大、d2變小。

圖1 傳感器安裝示意圖Fig.1 Sensor structure diagram

1.2 電容傳感器性能

在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用1μm 精度的微動(dòng)標(biāo)定平臺(tái)對(duì)傳感器進(jìn)行線(xiàn)性標(biāo)定，標(biāo)定平臺(tái)每微動(dòng)10μm，傳感器記錄一次讀數(shù)（圖2）。由于電容傳感器三極板的平行度以及電容的邊緣效應(yīng)等問(wèn)題，電容傳感器在極板2在中間位置時(shí)線(xiàn)性?xún)?yōu)，在兩端位置時(shí)線(xiàn)性逐步變差。因此，有效工作區(qū)域?yàn)椋?～4V，結(jié)合鋼筒尺寸計(jì)算對(duì)應(yīng)應(yīng)變?yōu)椋ǎ?.72～5.72）×10－4。

圖2 傳感器線(xiàn)性標(biāo)定曲線(xiàn)Fig.2 Sensor calibration curve

1.3 問(wèn)題分析

電容傳感器在實(shí)驗(yàn)室無(wú)壓力狀態(tài)下組裝，而在有一定水壓的鉆井中長(zhǎng)期工作。因此，為了使傳感器在工作狀態(tài)下獲得最佳的工作性能，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室裝配時(shí)（圖3（a）），使d1大于d2，以保證傳感器在一定水壓作用后（圖2（b）），d1與d2相近，處于最佳工作區(qū)間。此類(lèi)預(yù)調(diào)整方法均適用于百米鉆井。但當(dāng)下井深度為km 級(jí)，水壓達(dá)到10 MPa時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)如圖3（c）的情況，傳感器將無(wú)法工作，這是因?yàn)閭鞲衅魇軌旱男巫兞浚?0－3量級(jí)）已超過(guò)了其動(dòng)態(tài)范圍（10－4量級(jí)）。

圖3 電容傳感器工作狀態(tài)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the working state of capacitance sensor

2 基于陶瓷馬達(dá)的量程擴(kuò)展系統(tǒng)

通過(guò)分析RZB 鉆孔應(yīng)變儀在km 深井安裝中存在的量程問(wèn)題，結(jié)合電容傳感器的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了量程擴(kuò)展系統(tǒng)（圖4）。通過(guò)運(yùn)動(dòng)部件及精密導(dǎo)軌的配合，使極板2能在極板1和極板3之間自由移動(dòng)，使電容傳感器的工作點(diǎn)得以調(diào)節(jié)，從而使電容傳感器的量程獲得擴(kuò)展。

適合微位移控制的運(yùn)動(dòng)部件常用的有步進(jìn)電機(jī)、陶瓷馬達(dá)等。雖然步進(jìn)電機(jī)的精度、線(xiàn)性都優(yōu)于陶瓷馬達(dá)，但是陶瓷馬達(dá)的體積遠(yuǎn)小于步進(jìn)電機(jī)，配合精密導(dǎo)軌，可以在有限的井下探頭空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)安裝使用。另一方面，陶瓷馬達(dá)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也更有優(yōu)勢(shì)。

圖4 RZB鉆孔應(yīng)變儀量程擴(kuò)展系統(tǒng)框圖Fig.4 The framework to the range extension of the RZB borehole strain meter

2.1 量程擴(kuò)展系統(tǒng)的構(gòu)建

壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)是基于壓電現(xiàn)象產(chǎn)生超聲駐波的原理而開(kāi)發(fā)的，應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的精密電動(dòng)機(jī)，給陶瓷電動(dòng)機(jī)輸入驅(qū)動(dòng)電壓后，壓電陶瓷產(chǎn)生壓電現(xiàn)象，同時(shí)發(fā)生的縱向延伸和橫向彎曲模式的激勵(lì)在陶瓷指尖的狹小的橢圓通道里產(chǎn)生二維聲波，壓擠靠著一個(gè)陶瓷條的陶瓷指尖產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)與之接觸的陶瓷條帶動(dòng)直線(xiàn)或旋轉(zhuǎn)平臺(tái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

與傳統(tǒng)電機(jī)相比，陶瓷馬達(dá)具有以下優(yōu)點(diǎn)：低速大力矩輸出，功率密度高，起?？刂菩院茫蓪?shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)精確定位，噪音小，無(wú)電磁干擾亦不受電磁干擾。

量程擴(kuò)展系統(tǒng)選用國(guó)產(chǎn)的HF1陶瓷馬達(dá)，并配用直線(xiàn)度優(yōu)于1μm 的滑塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容極板2位置的精確控制。如圖5所示，陶瓷馬達(dá)的動(dòng)力輸出端通過(guò)陶瓷運(yùn)動(dòng)副與滑塊連接，能驅(qū)動(dòng)滑塊沿導(dǎo)軌直線(xiàn)移位，電容極板2 與滑塊固定連接。其特點(diǎn)及性能如下：

圖5 量程擴(kuò)展系統(tǒng)的構(gòu)建Fig.5 The construction diagram of the range extension system

1）最小分辨率：50nm；

2）最小步長(zhǎng)：0.1μm；

3）運(yùn)動(dòng)速度：200mm／s；

4）最大推力：4N；

5）定位后沒(méi)有一般伺服電動(dòng)機(jī)存在的晃動(dòng)問(wèn)題；

6）重量輕（20g），體積小；

7）行程：10mm。

2.2 量程擴(kuò)展系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制

RZB型鉆孔應(yīng)變儀一般安裝在幾十米甚至幾百米的鉆孔內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)井下量程擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，結(jié)合低功耗單片機(jī)，完成井下通信與控制單元設(shè)計(jì)。硬件主要包括控制單元與數(shù)據(jù)采集單元兩部分。其中，控制單元由單片機(jī)、通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及馬達(dá)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容傳感器中極板位移的精確控制，從而遠(yuǎn)程控制測(cè)量傳感器的工作狀態(tài)；數(shù)據(jù)采集單元由單片機(jī)、通信模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等組成，用于采集當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)總線(xiàn)發(fā)送到地面數(shù)據(jù)匯集單元。

圖6為遠(yuǎn)程控制單元的原理框圖（a）和程序流程簡(jiǎn)圖（b）?？刂葡到y(tǒng)啟動(dòng)后，單片機(jī)處于等待指令狀態(tài)，當(dāng)接收到總線(xiàn)的控制或者采集指令后，單片機(jī)解析指令并執(zhí)行相應(yīng)的操作，主要操作包括兩個(gè)電機(jī)位移調(diào)節(jié)和傾斜傳感器的數(shù)據(jù)讀取。

圖6 遠(yuǎn)程控制單元原理以及程序流程Fig.6 Principle diagram and program flow chart of the remote control unit

2.3 有量程擴(kuò)展系統(tǒng)的電容傳感器性能

對(duì)于裝有量程擴(kuò)展系統(tǒng)的1＃傳感器，在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用1μm 精度的微動(dòng)標(biāo)定平臺(tái)對(duì)傳感器進(jìn)行線(xiàn)性標(biāo)定，標(biāo)定平臺(tái)每微動(dòng)10μm，傳感器記錄一次讀數(shù)（圖7）。對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，與§1.2標(biāo)定擬合結(jié)果（圖2）基本一致，說(shuō)明加裝了量程擴(kuò)展系統(tǒng)對(duì)電容傳感器線(xiàn)性無(wú)影響。

圖7 1＃傳感器的標(biāo)定曲線(xiàn)Fig.7 The sensor 1?！痵 calibration curve

2.4 量程擴(kuò)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

將裝有量程擴(kuò)展系統(tǒng)的1＃傳感器和不帶量程擴(kuò)展系統(tǒng)的2＃傳感器都安裝在分量式鉆孔應(yīng)變儀探頭內(nèi)并密封，將分量式鉆孔應(yīng)變儀探頭放入壓力倉(cāng)內(nèi)。壓力倉(cāng)、液壓泵、閥及壓力表構(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬探頭下井過(guò)程受到的水壓（圖8）。

圖8 實(shí)驗(yàn)室模擬加壓系統(tǒng)Fig.8 The simulation of pressurization system in the laboratory

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，液壓泵以1 MPa遞增加壓，穩(wěn)定10min后同時(shí)記錄傳感器輸出及壓力倉(cāng)壓力值（表1）。

表1 實(shí)驗(yàn)室加壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1Tab.1 Pressure test data 1in the laboratory

當(dāng)壓力倉(cāng)壓力達(dá)到5 MPa時(shí)，1＃、2＃傳感器都超出量程，無(wú)法正常工作。此時(shí)，通過(guò)PC 機(jī)控制1＃傳感器的陶瓷馬達(dá)，使電容極板2逐步移動(dòng)到電容極板1和電容極板3的中間位移，使1＃傳感器重回正常工作狀態(tài)。而2＃傳感器由于沒(méi)有量程擴(kuò)展機(jī)構(gòu)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)整。

對(duì)于重回正常工作狀態(tài)的1＃傳感器，繼續(xù)加壓實(shí)驗(yàn)，記錄傳感器輸出及壓力倉(cāng)壓力值（表2）。

表2 實(shí)驗(yàn)室加壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2Tab.2 Pressure test data 2in the laboratory

裝有量程擴(kuò)展系統(tǒng)的1＃傳感器，在10 MPa水壓下仍能正常工作。不僅如此，我們還能繼續(xù)調(diào)整極板2的位移，使其在零點(diǎn)附近工作，以獲得最佳的工作狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)室加壓實(shí)驗(yàn)，模擬探頭下井安裝水壓對(duì)探頭傳感器的影響，以及2＃傳感器失效的過(guò)程。通過(guò)量程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，1＃傳感器能在10 MPa水壓下正常工作。該實(shí)驗(yàn)對(duì)鉆孔應(yīng)變儀千米深井安裝提供技術(shù)支持，達(dá)到了預(yù)計(jì)目標(biāo)。

3 結(jié) 語(yǔ)

以陶瓷馬達(dá)為核心，通過(guò)RS485總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，設(shè)計(jì)了RZB鉆孔應(yīng)變儀傳感器量程擴(kuò)展機(jī)構(gòu)。并在實(shí)驗(yàn)室采用壓力倉(cāng)模擬下井水壓作用，演示了傳感器正常工作－失效－調(diào)整－重新正常工作的全過(guò)程，很好地測(cè)試了傳感器量程擴(kuò)展功能。這可作為RZB 鉆孔應(yīng)變儀實(shí)現(xiàn)km 級(jí)（10 MPa）深井安裝的技術(shù)儲(chǔ)備之一。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試只是階段性成果，還需要在一定條件下開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，才能進(jìn)一步考察該機(jī)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性等應(yīng)用指標(biāo)。

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