袁 勇 趙希磊 周冬瑞 張文韜

1）中國(guó)合肥 230031 安徽省地震局

2）中國(guó)安徽 233527 安徽蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站

0 引言

作為直接嵌入地震斷裂帶附近地下巖層的一款儀器，TJ-2 型體積式應(yīng)變儀（簡(jiǎn)稱體應(yīng)變儀）可獲取大量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)研究地震具有重要意義（周龍壽等，2009；馬京杰等，2020，2021）。截至2021 年12 月31 日，安徽共有15 套該型儀器在網(wǎng)運(yùn)行，站點(diǎn)遍布省內(nèi)各大斷裂帶。體應(yīng)變儀具有靈敏度高、占地少、易選址、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率較高（陳瑩等，2009；周洋等，2011；鄧建剛等，2013）。

TJ-2 型體積式應(yīng)變儀工藝精密，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)儀器產(chǎn)出異常數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)法直接判斷是儀器故障還是外界干擾導(dǎo)致。為此研發(fā)一款TJ-2 型體應(yīng)變儀故障檢測(cè)裝置（簡(jiǎn)稱檢測(cè)儀），分別對(duì)體應(yīng)變儀主機(jī)和探頭進(jìn)行檢測(cè)，查看儀器是否正常運(yùn)行，從而判斷數(shù)據(jù)異常原因。

1 設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1，包含主機(jī)端和探頭端2 部分。主機(jī)端連接被檢修設(shè)備探頭，通過(guò)主機(jī)端顯示的輸出電壓，可判斷被檢修設(shè)備探頭是否正常運(yùn)行；將探頭端連接被檢修設(shè)備主機(jī)，向其輸入固定電壓，檢測(cè)輸出電壓，可判斷被檢修設(shè)備主機(jī)是否正常運(yùn)行。

圖1 檢測(cè)儀系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture diagram of the measuring instrument

1.1 主機(jī)端工作原理

主機(jī)端由交流變壓器、信號(hào)電源板（±9 V DC）、24 V DC 電源適配器和電壓數(shù)顯表組成，其中信號(hào)電源板電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2（趙友全等，2010；舒贊輝等，2017）。外接220 V 交流電經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為9 V 交流電，輸入電源板轉(zhuǎn)換為±9 V 直流電為探頭端放大板供電；外接220 V 交流電經(jīng)24 V 電源適配器轉(zhuǎn)換為24 V 直流電，為數(shù)顯表供電；數(shù)顯表接收放大板電壓放大信號(hào)并在數(shù)碼管屏顯示。

圖2 信號(hào)電源板電路Fig.2 Circuit schematic diagram of signal power supply board

1.2 探頭端工作原理

檢測(cè)儀探頭端包含傳感器和放大板2 部分。傳感器采用反向惠斯通電橋原理，電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3（周繼勇，2012；羅福龍等，2018）。電阻R1、R2、R3、Rx（R4/R5）為電橋的4 個(gè)臂，其中Rx由按鈕開(kāi)關(guān)控制，可選擇接入R4或R5，電橋供電電壓為+6 V，信號(hào)輸出端分別設(shè)為S+和S-（輸出壓差VS）。電橋平衡時(shí)，4 個(gè)臂的阻值滿足公式（1），利用該關(guān)系式可推算輸出信號(hào)電壓。

圖3 檢測(cè)儀探頭電路Fig.3 The circuit principle diagram of the measuring instrument detector

R1=R2=R3=3.88 kΩ，將R4=3.914 kΩ，R5=3.992 4 kΩ 分別代入式（1），計(jì)算得到VS分別為0.013 V 和0.042 875 V。VS經(jīng)放大板放大（80 倍）后，在圖3 右側(cè)OUT 口輸出放大信號(hào)，電壓分別為1.04 V 和3.43 V。

若已知放大輸出信號(hào)電壓值，可通過(guò)公式（2）反推Rx。

2 功能測(cè)試

為了驗(yàn)證檢測(cè)儀性能，進(jìn)行4 次測(cè)試，測(cè)試如下：測(cè)試1，將檢測(cè)儀主機(jī)端和探頭端相連接，Rx選擇接入R4，主機(jī)端顯示輸出電壓為1.04 V，與理論值相同，如圖4（a）所示；測(cè)試2，將檢測(cè)儀主機(jī)端和探頭端相連接，Rx選擇接入R5，主機(jī)端顯示輸出電壓為3.43 V，與理論值相同，如圖4（b）所示；測(cè)試3，將檢測(cè)儀探頭端和體應(yīng)變儀主機(jī)相連接，Rx選擇接入R4，體應(yīng)變儀輸出電壓為1.04 V，與測(cè)試1 檢測(cè)儀輸出電壓值相同，如圖4（c）所示；測(cè)試4，將檢測(cè)儀探頭端和體應(yīng)變儀主機(jī)相連接，Rx選擇接入R5，體應(yīng)變儀主機(jī)顯示輸出電壓為3.43 V，與測(cè)試2 檢測(cè)儀輸出電壓值相同，如圖4（d）所示。

圖4 檢測(cè)儀功能測(cè)試Fig.4 Test of detector

測(cè)試結(jié)果表明，檢測(cè)儀主機(jī)和探頭設(shè)計(jì)原理與體應(yīng)變儀吻合，可通過(guò)不同組合方式實(shí)現(xiàn)體應(yīng)變儀主機(jī)和探頭的分離式檢測(cè)，為儀器故障的快速準(zhǔn)確判斷、新儀器性能檢測(cè)提供了便利條件。

3 應(yīng)用

2021 年12 月定遠(yuǎn)地震臺(tái)體應(yīng)變儀發(fā)生故障，具體表現(xiàn)為數(shù)據(jù)突跳、固體潮消失。使用本檢測(cè)儀對(duì)該臺(tái)體應(yīng)變儀主機(jī)和探頭進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)將檢測(cè)儀探頭端連接體應(yīng)變儀主機(jī)時(shí)，體應(yīng)變儀主機(jī)顯示工作電壓為檢測(cè)儀探頭端設(shè)定電壓，表明體應(yīng)變儀主機(jī)運(yùn)行正常；當(dāng)將檢測(cè)儀主機(jī)端連接體應(yīng)變儀探頭時(shí)，主機(jī)顯示輸出電壓異常，表明探頭存在異常，進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)井下探頭前級(jí)放大板受潮損壞。檢測(cè)儀的成功應(yīng)用表明，此檢測(cè)儀可用于體應(yīng)變儀設(shè)備故障排查，判斷故障源。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用TJ-2 型體積式應(yīng)變儀故障檢測(cè)裝置，可通過(guò)輸出電壓值判別被檢修設(shè)備故障源，從而達(dá)到快速檢修的目的。該裝置功能單一，尚無(wú)法應(yīng)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景下的儀器設(shè)備檢修，如：觀測(cè)環(huán)境異常導(dǎo)致的數(shù)據(jù)異常，主機(jī)和探頭同時(shí)發(fā)生故障。