關冬曉，李曉東，雷晴

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

隨著新疆維吾爾自治區(qū)(以下簡稱“新疆”)區(qū)域前兆臺網天山中段項目建設完成，新疆區(qū)域分量式鉆孔應變儀器數量大幅增加，極大地豐富了新疆區(qū)域應變觀測資料，儀器運行過程中不可避免的存在各種故障，在臺站人員的辛勤維護下運行情況整體較好。分量式鉆孔應變儀作為形變主觀測設備，是研究地球物理過程和地球動力學的動態(tài)的主要儀器[1-5]。使用特種水泥作為耦合介質，安裝在鉆孔中，具有較高的觀測精度，可以記錄到清晰的固體潮汐和地震孕育過程中地層的伸縮變形,在短臨跟蹤觀測中扮演著重要的角色。

由于新疆幅員廣闊，地震臺站之間相隔甚遠，條件艱苦，給儀器維修人員檢修設備帶來極大不便，而且鉆孔應變儀傳感器都安裝在井下，對傳感器的故障判斷比較困難。通常對應變傳感器的故障檢修需要自帶電源(如果數據采集器工作正常，可通過數采給傳感器供電，如果數采故障，只有自帶發(fā)電機供電)、PC機、485轉接口等相應檢修設備，而且操作步驟煩瑣，不利于設備檢修。因此很有必要設計一種輕巧、攜帶方便、操作簡單、能有效判斷鉆孔應變儀井下傳感器故障的檢測裝置，確保一次性完成故障排除，縮短設備維護周期，更重要的是降低了設備運維費用，提高了效益。

1 新疆鉆孔應變臺網的基本情況

新疆的鉆孔應變觀測始于1984年[6]，曾先后在烏什、庫爾勒、烏魯木齊、石場、克拉瑪依等地建設地震臺站，至今積累了30多年的觀測資料，在“新疆天山中段前兆臺網建設項目”中，中國地震局地殼應力研究所援助了8臺套分量式鉆孔應變儀。目前新疆在運行鉆孔應變儀13套，分別為烏什、馬場、石梯子、庫米什、石場、新源、榆樹溝、巴侖臺、巴音溝、雀爾溝、小泉溝、尼勒克馬場、鞏留頭道溝鉆孔應變，大尺度鉆孔應變觀測臺陣初具規(guī)模，實現了對天山中段區(qū)域應力場的實時動態(tài)監(jiān)測。地震臺站均布設在天山山區(qū)基巖出露區(qū)、活動斷裂帶附近，觀測資料可靠，具有較好的應震能力[7]。

2 鉆孔應變臺網運維中常見故障及檢測方法

RZB型鉆孔應變儀主要由井下數字應變探頭、輔助觀測探頭和地面數據采集器組成。井下數字應變探頭采用RS485總線接口實現井下傳感器單元的參數設置、數據傳輸、模塊切換等功能；輔助觀測探頭電壓輸出范圍為(-2～+2) V；地面數據采集器主要包括RS485接口、三通道電壓測量接口、網絡接口及觸摸屏顯示等。

觀測儀器經過三年的運行，常見的主要故障有：應變探頭無法采集數據、應變數據亂碼、輔助探頭超限、數據采集器顯示屏不亮和網絡不通等。

應變探頭測量故障一般需要檢測RS485總線和供電，判斷是否工作正常，主要工具是筆記本電腦、RS485模塊、萬用表等。具體操作包括總線指令偵聽、井下傳感器參數設置、井下切換單元控制、數據采集器總線接口測試及井下主探頭供電測試等。

輔助觀測測量故障一般使用萬用表檢測供電、電壓輸出等是否正常，具體操作包括供電測試、電壓輸出測試等。

數據采集器故障一般檢測電源板、采集板、主板、觸摸屏、接口輸入輸出等是否正常，主要的工具是萬用表、筆記本電腦、RS485模塊、調試線、串口線以及相關的檢測軟件。具體操作包括接口信號檢測、電源輸入輸出檢測、網絡狀態(tài)檢測、系統工作狀態(tài)檢測等。

在實際維護過程中，系統故障維護檢測所需的軟硬件工具多、流程復雜、專業(yè)性強，在檢測過程中不僅需要常備工具和軟件，還需要攜帶多種專業(yè)模塊和軟件，特別是數據采集器、應變探頭、輔助觀測探頭等各個模塊供電參數有差異，還需攜帶不同的供電模塊，使地震臺站設備維護工作異常繁瑣。

3 手持式鉆孔應變儀井下傳感器現場檢測裝置的設計

3.1 井下檢測裝置的硬件設計

鉆孔應變儀井下檢測裝置是以32位ARM工控觸屏板為硬件設計平臺，集成高精度、多通道ADC單元和井下傳感器供電單元，可獨立完成對井下傳感器(應變傳感器、水位、水溫、氣壓傳感器)控制、調零、供電等功能，操作簡單，方便儀器維護人員對井下傳感器故障做出判斷，縮短維護周期，檢測裝置結構如圖1所示。

圖1 檢測裝置結構

電源管理單元：本設計的檢測裝置集成鋰電池以及電源管理單元，電池管理單元完成鋰電池的充放電管理，實現現場工作時給檢測裝置和井下傳感器供電。本設計采用14.7 V/10 AH的鋰電池作為檢測裝置的備用電池，優(yōu)化系統供電，實現在沒有其他電源情況下可持續(xù)工作八小時以上。

AD轉換板：AD電路板中的中央控制器采用STC系列1T高速單片機STC15F460S4，該芯片簡單實用，具有高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核，完成對ADC芯片的控制，以及數據的轉換和傳輸。模數轉換芯片采用由Aanlog Devices公司的超低噪聲Σ-ΔADC芯片AD7190，該芯片具有24位差分ADC，高精度可編程的4.92 MHz的內部振蕩器；將輔助測項(水溫、水位、氣壓)傳感器的輸入電壓直接輸入到24位ADC即可實現模擬信號到數字信號的轉換，在由單片機處理后傳輸給上位機顯示，用于檢測鉆孔應變觀測系統輔助測項的工作狀態(tài)，其AD轉換板原理見圖2。

圖2 檢測裝置AD轉換板原理

工控觸屏板：采用基于Cortex-A8的工業(yè)觸屏板，結合嵌入式Win CE6.0系統，完成人機交互系統開發(fā)。該觸屏板采用1 GHz主頻，256 M內存，可擴展32 G外部存儲卡，顯示采用262 K色TFT真彩色LCD高清屏，集成2路RS-232、1路RS-485、1路USB接口，其最大功耗3.1W。該工業(yè)觸屏板具有功耗低、資源豐富、性能可靠的優(yōu)點，完全符合本設計要求。

3.2 井下檢測裝置的軟件設計

為了實現現場檢測功能，本設計的檢測裝置主要包括6個軟件功能，分別是探頭數據采集、探頭參數調試、探頭工作單元切換、網絡狀態(tài)檢測、數據采集器數據傳輸測試和測試狀態(tài)顯示。其中探頭數據采集包括井下應變探頭和輔助探頭的數據手動、自動采集，用于測試井下探頭數據輸出功能；探頭參數調試功能用于完成井下應變傳感器的偏置設置與測試；由于RZB型分量式鉆孔應變儀井下集成了兩套測量單元，探頭工作單元切換功能用于完成應變探頭井下兩個測量單元工作的切換；網絡狀態(tài)檢測用于現場檢測網絡狀態(tài)；數據采集器的數據傳輸測試包括數據采集器的Web server功能測試、FTP server功能測試以及Socket server(“十五”協議)測試；測試信號顯示用于顯示井下探頭、數據采集器等單元測試過程中信號返回碼，便于判斷個單元模塊的工作狀態(tài)，功能框圖見圖3。

圖3 檢測裝置軟件功能

檢測裝置軟件設計采用VS2008開發(fā)平臺的C#語言來編寫[8]，C#語言源于C++，吸取了C++長處，摒棄了C++缺點，增加了很多易用的新特性，同時剔除了C++中一些復雜和容易出錯的語法。C#語言是一種完全的、純粹的面向對象語言，而且還與Web緊密結合，具有嚴格的安全性和強大的錯誤處理能力。

軟件界面設計：該裝置主要用于現場檢測，界面要求簡潔方便。C#軟件基于Visual Studio開發(fā)平臺，完成程序控制以及界面設計，界面實時數據采集顯示、指令通信狀態(tài)顯示和手動指令輸入三個單元，主界面如圖4。

圖4 檢測裝置軟件界面

4 樣機測試

本設計研發(fā)的便攜式裝置體積為300×290×170 mm，重量約為1 kg。通過對樣機功能測試實驗[9]，其具有鉆孔應變儀井下探頭的數據采集接口與協議，可實現應變探頭的數據采集、參數設置、單元切換等功能；高精度ADC接口可完成(+2.5～-2.5) V的電壓信號的24 bit測量；優(yōu)化的人機界面簡化了鉆孔應變儀的狀態(tài)檢測。

在樣機測試中，主要對以下功能進行測試：(1)主測項檢測包括5個應變測項的數據采集調零(偏置設置)。(2)主測項井下測量主份、備份單元切換測試。(3)輔助測項電壓信號高精度采集測試。(4)RS485總線偵聽信息顯示和檢測過程信息顯示測試。

經過實際測試，本裝置可完成鉆孔應變儀系統供電、應變傳感器檢測與設置、輔助測項測量、系統狀態(tài)檢測與設置等功能，攜帶方便，可極大減輕一線設備維護人員的工作量。

5 應用實例

以庫米什臺RZB分量式鉆孔應變儀儀器故障為例，2018年9月15日～11月25日，東西、東北、西北分量數據持續(xù)錯誤。更換數采后東西、東北、西北分量數據多次大幅突跳，南北分量數據正常，10月17日后南北分量同步缺記，輔助測項數據恢復，但參考通道數據仍未收集。使用該裝置對井下傳感器進行現場檢測，數據正常，判定井下傳感器正常，對數采進行進一步檢修，在通訊端口并聯接入120 Ω的電阻后，數據恢復正常(圖5)。

圖5 庫米什分量鉆孔應變儀故障曲線

6 結 語

本設計研發(fā)的手持式鉆孔應變儀井下傳感器現場檢測裝置，集成了高精度AD轉換模塊、RS485總線接口，采用嵌入式ARM工控觸摸屏實現人機交互，內嵌蓄電池以及電源管理單元，可獨立完成鉆孔應變儀應變觀測探頭、輔助觀測探頭以及地面數據采集器的工作狀態(tài)檢測，內嵌檢測程序優(yōu)化了儀器的故障檢測流程，具有體積小、攜帶方便、操作簡單、功能全面的特點。該裝置可廣泛應用于一線儀器維護人員。

另外，該設計采用的硬件平臺資源豐富，接口齊全，可以進一步進行軟件擴展，實現數字式鉆孔傾斜儀、深井地形變綜合觀測系統的井下傳感器現場檢測。該系統響應速度快，可擴展32G的數據存儲卡，不僅可用于現場傳感器檢測，亦可用于現場數據采集，可臨時性替換現場數據采集設備。

當前，我國地球物理觀測儀器集成方式、數據協議、接口類型多種多樣，還未完全形成標準體系。通過本裝置的研發(fā)，從設備維護、檢測的角度對地球物理觀測儀器的軟件、硬件的協議及接口有一個新的認識，對將來形成模塊化、標準化、易檢測的地震儀器接口標準也有一定的意義。