影响攀枝花仁和台YRY-4钻孔应变仪观测精度原因及改进方法

付再云，张世凤,伍永秀,徐静,周定林,罗玉来

(攀枝花地震基准台,四川 攀枝花 617061)

影响攀枝花仁和台YRY-4钻孔应变仪观测精度原因及改进方法

付再云，张世凤,伍永秀,徐静,周定林,罗玉来

(攀枝花地震基准台,四川 攀枝花 617061)

调整YRY-4钻孔应变仪传感器的电零点，可以改变其机械零点，使仪器在无干扰区间内工作，消除观测数据中存在的干扰并记录到正常的应变曲线。

传感器；脉冲干扰；故障排除；电零点；机械零点

攀枝花仁和台站在区域构造上处于川滇南北向构造带中南段。区域构造上以南北向构造为主，以安宁河断裂、昔格达断裂带为代表，安宁河断裂带是川滇南北向构造带的主体，是一条具有继承性活动特征的多期活动性断裂，在西昌-德昌以南地带属于弱活动带；昔格达断裂第四系变形强烈，是一条中强活动性断裂，距台站较远，台站处于受区域地质影响相对较弱的区域。台站周围 1 000 m内未发现滑坡、泥石流等不良地质作用迹象，无不良地质作用的影响。水文地质条件主要为第四系松散层孔隙水，地下水主要接受大气降水补给，沿坡面径流向沟谷中排泄，无大型的含水结构体。台站周围 1 000 m以内无大型的工厂、矿山和高压电线传输，远离高速公路等干扰源。钻孔从地面10 m以下岩性是花岗岩和石英闪长岩，风化程度较弱，岩基完整无破碎、裂隙，未遇到断层，也未遇到裂隙地下水。攀枝花仁和安装的仪器是“十五”建设项目YRY-4数字化钻孔应变观测仪器。这台仪器安装在仁和街北东的油房沟和双龙沟之间的山垭处。

1 仪器故障

自2007年4月5日投入运行以来，YRY-4数字化钻孔应变观测仪器4个分量工作都正常，能够记录到的固体潮汐波、地震波，波形清晰和完整，但从2007年9月17日开始，该仪器的第3通道观测数据曲线出现“脉冲”干扰现象。这些“脉冲”是单边向上，并且由小到大逐步变成等辐的脉冲或台阶(参见图1)，其幅度是记录到的固体潮汐日变幅的5～6倍，完全将潮汐波和地震波信号淹没，严重影响了正常观测记录。从前面介绍的钻孔周围环景情况来看，这些“脉冲”与外部环境无关。从记录到的“脉冲”现象来看也不符合四分量应变“钻孔加衬模型”的理论。简言之，与地壳形变、地震波信号叠加无关，判断这些脉冲信号应属仪器自身产生的。在4个分量中只有其中的1个分量有干扰，在计算内精度时每个分量都要参加计算，就是说一个分量的精度差，会影响到整个仪器系统的精度。所以，从2007年以来该仪器在全国形变学科钻孔应变台网运行质量评价报告中观测质量都处在靠后几名的位置。因该仪器探头深埋于地下60余米处的井孔内，要取出仪器探头解决这个问题是有相当难度的，于是解决这个问题成了地震台站工作人员遇到的一个难题。

图1 YRY-4钻孔应变仪第3通道观测数据的“脉冲”干扰

2 故障分析与排除

2.1 仪器工作原理与结构

图2 钻孔应变仪的布置方式

攀枝花仁和地震台YRY-4型钻孔应变仪为长圆筒径向位移式仪器。在圆筒中部位置安装了“南-北”“东北-西南”“东-西”“西北-东南”四个方向的四组径向测微传感器，测量这四个方向圆筒直径的微小变化(参见图2)。将圆筒探头放入地层钻孔，并用耦合介质将探头与地层连为一体后，通过仪器测量系统就能获得地层钻孔四个方向的钻孔孔壁径向位移。YRY-4型钻孔应变仪则将四个径向位移传感器按照米字型4等分布置，相邻两传感器方向相差45度。从四个传感器的测值除了可确定平面中的三个应变量外，还能提供一组校核条件，用以检查测值的可靠性。

图3 电容径向测微装置原理结构示意

攀枝花仁和地震台YRY-4型钻孔应变仪径向电容测微传感器中，由长度基准杆支撑的电容极片分为动片与定片组，分别固定在直径相对方向的筒壁上，钻孔孔径的变化使极片的间隙变化，引起电容量改变。测量电路将电容量的变化转换成电压值并通过电缆传送到地面记录仪器。为了减小连接传感电容与测量线路间的导线分布电容带来的误差，YRY-4型探头的测量线路采用微型集成组件，与传感电容一起共同组成一个整体。并用弹性波纹管连接密封，使得仪器既能将测量电路固定，又不影响弹性应力环变形。在形成的密封空腔中则充以硅油，以保护传感电容。YRY-4型压容式钻孔应变仪的动态范围达到90 dB，由于仪器长期工作后，应变仪的动态范围仍可能超出量程。YRY-4型钻孔应变仪的4个径向测微传感器上都有可调整基准杆长度的机械调零装置，可以调整仪器工作零点(参见图3)。安装成功并正常工作的YRY-4型压容式钻孔应变仪的调零操作是由地面仪器的数采部分与控制机箱程序运行完成的。工作人员只需输入调零指令，仪器就通过控制机箱程序运行自动完成调零操作。每个传感器设有独立的调节电容间隙的机械装置，可供随时调节电容测微传感器桥路的工作点。这样YRY-4型压容式钻孔应变仪调零就实现了遥控操作。

2.2 故障现象

对于钻孔应变仪器来说，最不愿意看到的就是深埋在井下几十米的探头出故障，如果是这样的话，几乎可以判定这台仪器就无法修复了，仅是一个分量有故障，倘若淘井重新安装新的探头，成本太高。因此在查找故障的部位时，主要精力都放在检查仪器的地面部分上，比如检查电源、接线插头、插座、各个元件的接触情况，用示波器查看各信道的噪声，监测电源的波动情况，设法降温，甚至将原来配置的机械隔离电源更换成双电瓶切换并且加装DC—DC片的电源，但这些都没能解决问题。向仪器生产厂家武汉地震研究所形变仪器专家请教后，认为是井下探头的故障。但故障是属电子线路的“白噪声”还是其他原因仍无法判断。我们通过长时间观察发现了这样一些现象：(1)这些台阶似乎被什么东西阻挡而限幅(参见图4)；(2)有时连续几天甚至数月曲线光滑无脉冲和台阶(参见图5)；(3)有时记录到一个比较大的地震以后又没有了脉冲和台阶(参见图6)。

图4 限幅的脉冲

图5 时有时无的脉冲

2.3 故障原因分析与排除方法

分析上述现象后我们认为，仪器探头传感器存在机械故障，可能的原因有电容传感器的动片或定片上有异物，或是连接动片的传动杆有擦挂。仪器专家池顺良老师认为探头中电容极片间插入有绝缘薄膜，极片上有异物，其直径也在微米量级，不会造成极片间短路而产生电噪声，确认引起仪器故障的原因是连接动片的传动杆有擦挂。根据现象2(参见图5)和现象3(参见图6)，我们从电容径向测微装置原理结构示意图中看出，无论是自动标定，还是自动调零，都是以如下的方式：指令→计算机→通信口→自动调零或自动标定电路→标定装置→机械调零装置，这样来完成这个工作目的的。因此，可以通过改变其工作点的方法，使电容器动片避开擦挂或碰触的工作区，应能实现曲线光滑无脉冲的目的。也就是说，用调节探头传感器的电零点来改变它的机械零点是可以解决这个问题的(参见图7)。在2010年12月6日，我们对仪器3号元件做了反复调零，调后该元件观测数据记录曲线的情况大为改善，“脉冲”基本消除，即使存在单个的“脉冲”其幅度也大为减小(参见图8)。由此说明，故障确实是由连接动片的传动杆擦挂引起，而且以上这一排除故障的方法是行之有效的。

图6 大地震后脉冲消失

图7 电容器片上的异物及改变机械零点的简单示意图

图8 调节仪器传感器电零点后的观测数据记录曲线

3 讨论

调节仪器探头传感器电零点后，观测数据记录曲线的“脉冲”基本消除了，虽然偶尔会有一个，尤其是在电零点偏向负一点的时候，出现脉冲的方向与调零以前的方向相反了，这说明电容器动片两侧都可能有异物，这些异物我们猜测可能是附着在其上的水珠、 油珠。这就需要对机械零点的细微调节， 但“十五”建设项目前期的地面仪器机盒只有在数采电压达到正负300毫伏以上时才可调动，并且只能自动“调零”，而“十五”后期的机盒可任意调整电压至想要的数值。因此无法进一步进行微调其机械零点工作，使记录效果得以进一步改善。当然，采取上述措施是让仪器在正常工作范围内运行，并不能彻底修复仪器。但不用更换探头就能排除干扰，使其观测质量大大地提高，内精度提高了一个量级。之后在全国形变学科钻孔应变台网运行质量评价报告中,仪器观测资料质量由倒数几位排在了靠前面几名的位置，其经济效益也在十万元以上。

感谢：河南省鹤壁市地震局池顺良老师在本项工作中给予的指导和帮助。

[1] 邱泽华，石耀霖，欧阳祖熙.四分量钻孔应变观测的实地相对标定[J].大地测量与地球动力学，2005，2：118-122.

[2] 池顺良 YRY-4型钻孔应变仪原理安装与使用.

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，汉族，四川省会理县人，工程师，现从事地震监测工作.

P315.730

B

1001-8115(2017)04-0012-03

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.04.003