手持式钻孔应变仪井下传感器现场检测装置的设计和应用

关冬晓，李晓东，雷晴

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引 言

随着新疆维吾尔自治区(以下简称“新疆”)区域前兆台网天山中段项目建设完成，新疆区域分量式钻孔应变仪器数量大幅增加，极大地丰富了新疆区域应变观测资料，仪器运行过程中不可避免的存在各种故障，在台站人员的辛勤维护下运行情况整体较好。分量式钻孔应变仪作为形变主观测设备，是研究地球物理过程和地球动力学的动态的主要仪器[1-5]。使用特种水泥作为耦合介质，安装在钻孔中，具有较高的观测精度，可以记录到清晰的固体潮汐和地震孕育过程中地层的伸缩变形,在短临跟踪观测中扮演着重要的角色。

由于新疆幅员广阔，地震台站之间相隔甚远，条件艰苦，给仪器维修人员检修设备带来极大不便，而且钻孔应变仪传感器都安装在井下，对传感器的故障判断比较困难。通常对应变传感器的故障检修需要自带电源(如果数据采集器工作正常，可通过数采给传感器供电，如果数采故障，只有自带发电机供电)、PC机、485转接口等相应检修设备，而且操作步骤烦琐，不利于设备检修。因此很有必要设计一种轻巧、携带方便、操作简单、能有效判断钻孔应变仪井下传感器故障的检测装置，确保一次性完成故障排除，缩短设备维护周期，更重要的是降低了设备运维费用，提高了效益。

1 新疆钻孔应变台网的基本情况

新疆的钻孔应变观测始于1984年[6]，曾先后在乌什、库尔勒、乌鲁木齐、石场、克拉玛依等地建设地震台站，至今积累了30多年的观测资料，在“新疆天山中段前兆台网建设项目”中，中国地震局地壳应力研究所援助了8台套分量式钻孔应变仪。目前新疆在运行钻孔应变仪13套，分别为乌什、马场、石梯子、库米什、石场、新源、榆树沟、巴仑台、巴音沟、雀尔沟、小泉沟、尼勒克马场、巩留头道沟钻孔应变，大尺度钻孔应变观测台阵初具规模，实现了对天山中段区域应力场的实时动态监测。地震台站均布设在天山山区基岩出露区、活动断裂带附近，观测资料可靠，具有较好的应震能力[7]。

2 钻孔应变台网运维中常见故障及检测方法

RZB型钻孔应变仪主要由井下数字应变探头、辅助观测探头和地面数据采集器组成。井下数字应变探头采用RS485总线接口实现井下传感器单元的参数设置、数据传输、模块切换等功能；辅助观测探头电压输出范围为(-2～+2) V；地面数据采集器主要包括RS485接口、三通道电压测量接口、网络接口及触摸屏显示等。

观测仪器经过三年的运行，常见的主要故障有：应变探头无法采集数据、应变数据乱码、辅助探头超限、数据采集器显示屏不亮和网络不通等。

应变探头测量故障一般需要检测RS485总线和供电，判断是否工作正常，主要工具是笔记本电脑、RS485模块、万用表等。具体操作包括总线指令侦听、井下传感器参数设置、井下切换单元控制、数据采集器总线接口测试及井下主探头供电测试等。

辅助观测测量故障一般使用万用表检测供电、电压输出等是否正常，具体操作包括供电测试、电压输出测试等。

数据采集器故障一般检测电源板、采集板、主板、触摸屏、接口输入输出等是否正常，主要的工具是万用表、笔记本电脑、RS485模块、调试线、串口线以及相关的检测软件。具体操作包括接口信号检测、电源输入输出检测、网络状态检测、系统工作状态检测等。

在实际维护过程中，系统故障维护检测所需的软硬件工具多、流程复杂、专业性强，在检测过程中不仅需要常备工具和软件，还需要携带多种专业模块和软件，特别是数据采集器、应变探头、辅助观测探头等各个模块供电参数有差异，还需携带不同的供电模块，使地震台站设备维护工作异常繁琐。

3 手持式钻孔应变仪井下传感器现场检测装置的设计

3.1 井下检测装置的硬件设计

钻孔应变仪井下检测装置是以32位ARM工控触屏板为硬件设计平台，集成高精度、多通道ADC单元和井下传感器供电单元，可独立完成对井下传感器(应变传感器、水位、水温、气压传感器)控制、调零、供电等功能，操作简单，方便仪器维护人员对井下传感器故障做出判断，缩短维护周期，检测装置结构如图1所示。

图1 检测装置结构

电源管理单元：本设计的检测装置集成锂电池以及电源管理单元，电池管理单元完成锂电池的充放电管理，实现现场工作时给检测装置和井下传感器供电。本设计采用14.7 V/10 AH的锂电池作为检测装置的备用电池，优化系统供电，实现在没有其他电源情况下可持续工作八小时以上。

AD转换板：AD电路板中的中央控制器采用STC系列1T高速单片机STC15F460S4，该芯片简单实用，具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核，完成对ADC芯片的控制，以及数据的转换和传输。模数转换芯片采用由Aanlog Devices公司的超低噪声Σ-ΔADC芯片AD7190，该芯片具有24位差分ADC，高精度可编程的4.92 MHz的内部振荡器；将辅助测项(水温、水位、气压)传感器的输入电压直接输入到24位ADC即可实现模拟信号到数字信号的转换，在由单片机处理后传输给上位机显示，用于检测钻孔应变观测系统辅助测项的工作状态，其AD转换板原理见图2。

图2 检测装置AD转换板原理

工控触屏板：采用基于Cortex-A8的工业触屏板，结合嵌入式Win CE6.0系统，完成人机交互系统开发。该触屏板采用1 GHz主频，256 M内存，可扩展32 G外部存储卡，显示采用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。该工业触屏板具有功耗低、资源丰富、性能可靠的优点，完全符合本设计要求。

3.2 井下检测装置的软件设计

为了实现现场检测功能，本设计的检测装置主要包括6个软件功能，分别是探头数据采集、探头参数调试、探头工作单元切换、网络状态检测、数据采集器数据传输测试和测试状态显示。其中探头数据采集包括井下应变探头和辅助探头的数据手动、自动采集，用于测试井下探头数据输出功能；探头参数调试功能用于完成井下应变传感器的偏置设置与测试；由于RZB型分量式钻孔应变仪井下集成了两套测量单元，探头工作单元切换功能用于完成应变探头井下两个测量单元工作的切换；网络状态检测用于现场检测网络状态；数据采集器的数据传输测试包括数据采集器的Web server功能测试、FTP server功能测试以及Socket server(“十五”协议)测试；测试信号显示用于显示井下探头、数据采集器等单元测试过程中信号返回码，便于判断个单元模块的工作状态，功能框图见图3。

图3 检测装置软件功能

检测装置软件设计采用VS2008开发平台的C#语言来编写[8]，C#语言源于C++，吸取了C++长处，摒弃了C++缺点，增加了很多易用的新特性，同时剔除了C++中一些复杂和容易出错的语法。C#语言是一种完全的、纯粹的面向对象语言，而且还与Web紧密结合，具有严格的安全性和强大的错误处理能力。

软件界面设计：该装置主要用于现场检测，界面要求简洁方便。C#软件基于Visual Studio开发平台，完成程序控制以及界面设计，界面实时数据采集显示、指令通信状态显示和手动指令输入三个单元，主界面如图4。

图4 检测装置软件界面

4 样机测试

本设计研发的便携式装置体积为300×290×170 mm，重量约为1 kg。通过对样机功能测试实验[9]，其具有钻孔应变仪井下探头的数据采集接口与协议，可实现应变探头的数据采集、参数设置、单元切换等功能；高精度ADC接口可完成(+2.5～-2.5) V的电压信号的24 bit测量；优化的人机界面简化了钻孔应变仪的状态检测。

在样机测试中，主要对以下功能进行测试：(1)主测项检测包括5个应变测项的数据采集调零(偏置设置)。(2)主测项井下测量主份、备份单元切换测试。(3)辅助测项电压信号高精度采集测试。(4)RS485总线侦听信息显示和检测过程信息显示测试。

经过实际测试，本装置可完成钻孔应变仪系统供电、应变传感器检测与设置、辅助测项测量、系统状态检测与设置等功能，携带方便，可极大减轻一线设备维护人员的工作量。

5 应用实例

以库米什台RZB分量式钻孔应变仪仪器故障为例，2018年9月15日～11月25日，东西、东北、西北分量数据持续错误。更换数采后东西、东北、西北分量数据多次大幅突跳，南北分量数据正常，10月17日后南北分量同步缺记，辅助测项数据恢复，但参考通道数据仍未收集。使用该装置对井下传感器进行现场检测，数据正常，判定井下传感器正常，对数采进行进一步检修，在通讯端口并联接入120 Ω的电阻后，数据恢复正常(图5)。

图5 库米什分量钻孔应变仪故障曲线

6 结 语

本设计研发的手持式钻孔应变仪井下传感器现场检测装置，集成了高精度AD转换模块、RS485总线接口，采用嵌入式ARM工控触摸屏实现人机交互，内嵌蓄电池以及电源管理单元，可独立完成钻孔应变仪应变观测探头、辅助观测探头以及地面数据采集器的工作状态检测，内嵌检测程序优化了仪器的故障检测流程，具有体积小、携带方便、操作简单、功能全面的特点。该装置可广泛应用于一线仪器维护人员。

另外，该设计采用的硬件平台资源丰富，接口齐全，可以进一步进行软件扩展，实现数字式钻孔倾斜仪、深井地形变综合观测系统的井下传感器现场检测。该系统响应速度快，可扩展32G的数据存储卡，不仅可用于现场传感器检测，亦可用于现场数据采集，可临时性替换现场数据采集设备。

当前，我国地球物理观测仪器集成方式、数据协议、接口类型多种多样，还未完全形成标准体系。通过本装置的研发，从设备维护、检测的角度对地球物理观测仪器的软件、硬件的协议及接口有一个新的认识，对将来形成模块化、标准化、易检测的地震仪器接口标准也有一定的意义。