RZB型钻孔应变仪原位标定技术研究

钻孔应变观测是将应变仪安装在深钻孑L中进行测量的，由于传感测量单元安装在深井底部，可以显著减弱地表岩石风化与地形的影响，人类活动、降雨以及雷电等干扰因素均受到很好的屏蔽，有利于获得高精度的测量结果。传感器输出特性标定、探头灵敏度系数标定，均可在室内完成，但经过运输、探头下井安装、水泥固结过程的挤压作用，传感器所处的环境、工作状态均发生了较大的变动，不经校核，就直接采用原先室内的测试结果来解释此后的观测数据是不科学的。所以，探头下井后的现场标定，以收稿Et期：2012-07-25基金项目：科技部国家社会公益研究专项(2004DIB3J132)。

作者简介：欧阳祖熙，男，1944年生 ，研究员，主要从事地震成因及地壳应力应变场的观测与研究.E-mail：oyzx2855###sina.con154 大地测量与地球动力学 33卷及运行期间的原位标定都是十分重要的。

本文主要讨论 RZB型钻孔应变仪传感器灵敏度的井下原位标定技术及有关问题。

2 RZB型钻孔应变仪的标定2.1 RZB型电容式位移传感器及测量技术RZB-1型电容式钻孑L应变仪由井下探头与地面仪器构成，井下探头的主体是-个外径 102mm的钢筒，在不同方向上固定了4个电容式位移传感器 a、b、c与d，各传感器的方位从上向下顺时针依次转动45。，密封后的探头用膨胀水泥固结在岩石钻孔内，位移传感器的工作原理与前述伸缩仪相似，如传感器 d可精密测量地壳岩体 d 、d 两点间水平距离的相对变化(图1)。

图 1 RZB-1型 电容式钻孔应变仪不意 图Fig.1 Sketch of RZB-1 capacitance borehole strainmeter电容式位移传感器测量基线长仅100ram，其电极是按可变间距三极板差动式组态设计的，极板间距在d。 d： O.3ram。当钻孑L在构造应力作用下发生变形时，固定在钢筒上的传感器三个极板产生相对位移，使得两个差动电容的间距-个减小，另-个增大。

RZB.1型钻孔应变仪基于变压器电桥，对传感器电容的微小变化进行精密测量，其原理电路见图2(a)。

2.2 RZB型电容式位移传感器标定技术将三极板电容式位移传感器设计成可变间距差动式结构，两电容值分别为： (pf) 。 (1)C z oZ l2 (pf)式中，A A A为极板相对有效面积，d 、d：分别是两个电容传感器极板间距，为极板间介质之介电常数。

如图2(a)所示，Ⅳ 、Ⅳ 表示感应分压器两绕组对应的匝数，且 ⅣlN2No，可进-步推得联系极板位移与仪器读数的关系式：d1KNld2K(No-N1)d1 C 12 N1～ ～ ～ d2 C12 No-Ⅳle(2)(a)由传感器电容与 比率 (b)DPB数字控制 电臂组成的变压器 电桥 阻调节 电路图2 电容式位移传感器测量技术Fig.2 Measurement technique of capacitance dis-placement transducer式中，Kd d：/Ⅳ0为测量系统的灵敏度系数，表示比率臂单位读数变动对应的传感器中心电极位移量 J。N 由仪器面板上给出，其值从0至 Ⅳn渐进变动。RZB-1型钻孔应变仪采用的比率臂绕组有 5档，即有 10 个读数，对应着中心极板在两个外极板间从 靠近-个 极板，移 动至相对 的极板，大约0.6mm。容易算出-个读数变化对应极板发生 6nm位移，相应的钻孔应变为6×10～。当手动改变 4-1个仪器读数，输出记录的电信号相当于4-6×10～，这即是早期 RZB型仪器进行等效电气标定的理论依据。由于比率变压器性能优异，长期稳定性好，为系统进行精确的标定提供了可靠的保证。

对于 RZB-1型钻孔应变仪，以及作为技术升级的过渡产品 RZB-2型钻孔应变仪，都是采用等效电气标定技术来实现仪器现场标定，以便对测量系统自井下前置放大器，到主放大器、相敏检波器，至最后输出级的系统增益进行标定，消除信号发生器幅度变化的误差，获得准确的钻孑L应变记录格值。长期的台站观测实践表明，这种标定方法是可行的。

3 新-代钻孔应变仪标定技术3.1 新-代数字化电容位移传感器以三端电容与比率测量法为测量原理构成的RZB.1和 RZB-2型测量系统融合了3项技术：1)DPB技术在电容式位移传感器中的运用；2)井下测量探头内置微处理器，以实现数字化、低功耗与高可靠性；3)井下数据总线技术。

DPB(Digitaly-controled Potentiometer Bridge)技术的电路原理如图2(b)所示， 是可变电阻， w为其中心抽头，通过数字控制改变内部集成电路开-. -.- 十 ： L l广Irr第 1期 欧阳祖熙：RZB型钻孔应变仪原位标定技术研究 155关连接状态，使得该比率元件输出信号可精确调节，实现了电容传感电路的数字式调节、测量。由于DPB测量电路可以实现高度集成化，置入传感器内部，由内置微处理器通过数据总线连接，进行程序控制，输出数字测量结果 ， 。

3.2 数字化电容位移传感器标定技术研究根据行业规范要求，传感器内置标定装置应产生不小于数纳米的已知位移，来对测量系统的输出特性进行定期标定。

我们设计了电致伸缩位移器和磁致伸缩位移器两种方案，这两种方案使用的材料及标定装置结构不同，但实验结果表明，两种方案基本上都能实现将电信号转换为位移标定信号，在钻孔径向产生纳米级的已知位移。实际运用中，考虑到：四个电容位移传感器在钻孑L应变仪钢筒内组装时，以及下井后水泥固结过程中，会受到较大的挤压作用；多个传感器的安装存在变形调节互相影响；作用在传感器端面的压力不平衡等因素，加之试验操作中发现压电元件-般由晶体薄片堆叠而成，边沿易产生微小碎裂，而且激励电压偏高，故我们的试验工作主要是基于磁致伸缩位移器完成的。

3.2.1 新型磁致伸缩稀土功能材料在所研制的磁致伸缩位移器中选用了新型 RE-MA铽镝铁合金材料，这是-类能显示巨大磁致伸缩性能的稀土功能材料 ，其室温下磁致伸缩系数 A可达 1 500～2 000ppm，其弹性模量为 2.5～3.5×10 Mpa，抗压强度近 700MPa，能量密度在 14 000-25 000J/m ，于 10～-10～s的极短时间内，可精密、稳定地形成与磁巢、动态特性相匹配的无滞后型响应，高效地实现电能转换成机械能，传输出巨大的能量。其响应稳定，速度敏捷，使 REMA作为驱动元件的机械系统滞后时间显著降低～ REMA功能材料用于微位移标定器，可以快速、精确、稳定地控制微小的位移，具有重复位移精度高、无间隙、刚性好、结构简单紧凑等优点。

3.2.2 标定器的结构采用的技术方案是在电容式位移传感器的两组位移传递杆中，将其中-组位移传递杆分作两段，包括第-传递杆和第二传递杆，第-传递杆与密封钢筒内壁连接，第二传递杆与传感器底座连接，在两个传递杆之间连接有标定器(图3(a))。

标定器的结构示如图3(b)。该壳体为-个圆筒状结构，壳体底部与第二传递杆连接，磁致伸缩微位移器和整体导轨安装在壳体内，整体导轨与第-传递杆连接。上述磁致伸缩微位移器包括稀土超磁致伸缩棒、散热铜架、激励线圈和磁轭等部件。散热铜架为两端翻边的圆管结构，该稀土超磁致伸缩棒安装在散热铜架的中心圆孔处，激励线圈缠绕在该散热铜架外围，该磁轭包括上磁轭和下磁轭，均为铁镍合金的圆盘状结构，它与磁致伸缩材料-起构成封闭磁路，防止漏磁。整体导轨包括-个圆柱状导块，其下表面与上磁轭的导杆连接，上表面与第-传递杆连接，在该导块外缘设有-个环状的弹片，该弹片外缘设有与之垂直的圆筒，该圆筒配合连接在壳体内表面。伸缩传递轴等其他零件均由非磁性不锈钢制成。

超磁致伸缩材料内部应变与激励磁场强度、材料特性常数、应力状态等直接相关。所以，适当配置机械和电气的结构参数(主要是预压应力和偏置磁场)可使超磁致伸缩材料处于最优的机电耦合状态，提高能量转换效率。根据铁磁学理论，这是由于外加应力提高了材料的饱和磁化强度，使其饱和磁致伸缩系数提高的缘故。

水泥探头钢筒电容传感器位移传递杆弹激(a)内置标定器的电容传感器递杆定器第二传递杆电容极板1中极板容极板3伸缩棒(b)磁致伸缩位移器结构图3 内置标定器的数字式电容位移传感器示意图Fig.3 Digital capacitance displacement transducer withcalibrator inside3.2.3 初步实验结果本阶段研究是在实验室内进行的。首先将带有标定装置的传感器固定在-模拟探头钢筒的刚性卡具上，对传感器供电，并用数据采集器连续记录。标定控制信号用信号发生器接入作为替代，标定时即打开信号发生器电源开关，标定结束就关闭，信号发生器选择为方波脉冲输出，周期为20 S。磁致伸缩156 大地测量与地球动力学 33卷微位移器的激励电流可通过选择电阻来调节，其大胸制在(1～10)mA之间。

1 3：37：04 1 3：45：24 13：53：44时间图4 电容位移传感器(9#，10 mA)标定实验记录Fig.4 Calibration experiment records of capacitance displace-ment transducer(No.9，10 mn)图4给出了9号传感器的-段试验记录，标定器激励电流为 10 mA，曲线向下变化对应传感器受压。根据电容位移传感器的灵敏度特性可计算出，此时标定器产生的位移约为 7 nnl。本次实验持续近20分钟，对磁致伸缩微位移器共进行了60多次激励，可发现该位移器响应快速、重复精度高，标定结束后，传感器测值基本上回复原先漂移的趋势，其状态未受到明显扰动。

对 10号传感器，激励电流在第 1、2、3时间段分别为3、6、10 mA，标定器产生的位移分别达到 1.8、3.5、5.7 nnl，每-段标定持续时间都在 20分钟左右。分析所获得的记录，同样可看到该位移器响应快速、重复精度高，标定对传感器状态扰动较校- 0.666- 0.667- 0.668- 0.669- 0.670- 0.67112：1 3：43 14：27：03 16：40：29 18：53：49时间图5 电容位移传感器(10#)标定实验记录Fig.5 Calibration experiment records of capacitance displace-ment transducer(No.10)根据规范要求，标定器用于台站观测时，每次标定可进行10次激励，取全部传感器测值的平均值作为该次标定值存档。本阶段研究持续了十多天，我们对获得的大量标定试验数据做了统计分析，按 10次激励为-组，计算出平均值，并对标定重复率进行统计。计算结果表明，在每-次连续记录时间段内，标定相对不确定度优于0.7%；对全部实验记录统计，相对不确定度优于 1.5%。

分析还揭示了产生标定误差的几个原因：1)受实验