TY系列高精度体应变仪研制及映震能力分析与应用.pdf

引用格式：孙尧，彭华，姜景捷，等，2023.TY 系列高精度体应变仪研制及映震能力分析与应用 J.地质力学学报，29（3）：324338.DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.20232903Citation:SUNY，PENGH，JIANGJJ，etal.，2023.DevelopmentofTY-serieshigh-precisionvolumetricstraingauge:AnalysisandapplicationofitsseismicreflectioncapabilityJ.JournalofGeomechanics，29（3）：324338.DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.20232903TY 系列高精度体应变仪研制及映震能力分析与应用孙尧1,2,3，彭华1,2,3，姜景捷1,2,3，马秀敏1,2,3,4，郝飞1,2,5，张斌1,2,3SUNYao1,2,3，PENGHua1,2,3，JIANGJingjie1,2,3，MAXiumin1,2,3,4，HAOFei1,2,5，ZHANGBin1,2,31.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081；2.自然资源部北京地壳应力应变野外科学观测研究站，北京100081；3.自然资源部活动构造与地质安全重点实验室，北京100081；4.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083；5.中国地质大学（武汉）地质调查研究院，湖北武汉4300741.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China;2.Observation and Research Station of Crustal Stress and Strain in Beijing,Ministry of Natural Resources,Beijing 100081,China;3.Key Laboratory of In-situ Stress Measurement and Monitoring,China Geological Survey,Beijing 100081,China;4.School of Civil and Resources Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;5.Institute of Geological Survey,China University of Geosciences,Wuhan 430074,Hubei,ChinaDevelopment of TY-series high-precision volumetric strain gauge:Analysis and application of itsseismic reflection capabilityAbstract:The article reviews the development of the volumetric borehole strain gauge.In response to the currentproblemsofinsufficientstabilityandbandwidthandlowcalibrationaccuracyofthevolumetricstraingauge,aTY-2B-typesmallvolumetricboreholestraingaugewasdevelopedwithinnovativeimprovementsinthehydraulicsensor,controlcircuit,and calibration method.The improved hydraulic sensor improves the accuracy and reduces the instrumentsvolume;theimprovedcontrolcircuitincreasesthesamplingrate,bandwidth,andtheinstrumentsstability;theinnovativepiezoelectricceramiccalibrationtechnologyraisesthereliabilityofthemonitoringdata.ThetestresultsshowthattheimprovedTY-2Bvolumetricstraingaugehasalowpowerconsumptionoflessthan3W,goodlong-termstability,highsensitivitywitharesolutionof10-11,andsuitablehigh-frequencyandlow-frequency.Ithasasamplingrateof100Hzandcanacquirecompleteseismicstrainwaveformswithpreciseandstablesolidtidewaveforms.Itissmallandlight,withareducedouterdiameterof89mmfor100mmdrilling,alengthof1300mm,andaweightof45kgforeasytransportandinstallation.After15yearsoflaboratoryandfieldstationtesting,itobtainedgoodmonitoringdataanddemonstrateditshighlysensitiveseismicreflectioncapability.TheobservedresponseofthevolumetricstrainstationinthenorthernsectionofLongmenMountaintothe2010Yushuearthquakeandthe2023TurkeyearthquakeshowsthattheTY-serieshigh-precisionvolumetricstraingaugeisnotonlyastaticstraingaugebutalsoabroad-frequencystrainseismographwithdynamic-staticcalibrationcapability.Ithasauniqueadvantageoverpendulumseismometersinthatitcanobserveboththelong-termslowdeformationandaccumulationofdeformationintheearthscrustandthetransientsubtlefeaturesofcrustal基金项目：中国地质调查局地质调查项目（DD20230249，DD20230014，DD2019290，DD20221644）；中国地质科学院地质力学研究所基本科研业务费项目（DZLXJK202106）ThisresearchisfinanciallysupportedbytheChinaGeologicalSurveyProjects(GrantsDD20230249,DD20230014,DD2019290,DD20221644)andtheBasicResearchFundsoftheInstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences(GrantDZLXS202106).第一作者：孙尧（1983），男，博士，助理研究员，从事地震学、地应力测量和监测等方面研究。E-mail:通讯作者：彭华（1964），男，博士，研究员，从事地应力、地应力测量和监测、地学仪器设备研制、岩石力学等方面研究。E-mail:收稿日期：20230228；修回日期：20230519；责任编辑：吴芳第29卷第3期地质力学学报Vol.29No.32023年6月JOURNALOFGEOMECHANICSJun.2023rupture and deformation.The long-term trends of the monitoring curves obtained from the Qingchuan HanzhongvolumetricstrainstationssincetheWenchuanearthquakeandtheGuangzhoustationsince2021areconsistentwiththeregional geological characteristics reflected by the seismic and tectonic geological data,indicating that the TY-2Bvolumetricstraingaugecanmeettheneedsofgeologicalscientificresearchandgeologicalhazardobservation.Keywords:broad-frequency strain seismograph；seismic refletion capability；borehole volumetric strain gauge；crustaldeformation；earthquake摘 要：文章综述了钻孔体应变仪的发展历程，针对体应变仪目前存在的稳定性和带宽不足、标定精度低等问题，创新与改进液压传感器、控制电路、标定方法等技术，研制出 TY-2B 型钻孔体积应变仪。改进的液压传感器提高了仪器精度，缩小了仪器体积；改善了控制电路，提高了仪器采样率、带宽及稳定性；创新的压电陶瓷标定技术提高了监测数据可靠性。测试结果表明改进型的 TY-2B 型体应变仪功耗低，小于 3W；长期稳定性好；灵敏度高，分辨率达到 1011；高频特性和低频特性好，采样率 10100Hz，可采集完整地震应变波波形，固体潮波形清晰稳定；体积小重量轻，外径缩小至 89mm，适用于100mm 钻孔，长度 1300mm，重量 45kg，运输和安装方便。经室内检验、野外台站 15 年的测试，获取了良好的监测数据，体现了高灵敏的映震能力，龙门山北段体应变台站对 2010 年玉树地震及 2023 年土耳其地震的观测响应表明 TY 系列高精度体应变仪不仅是静态应变仪，还是宽频应变地震仪，具有动静态标定能力，且相对于摆式地震仪有着极宽响应频带的独特优势，既可以观测地壳长期缓慢变形及其积累的特征，还可观测地壳破裂变形的瞬态细微特征。汶川地震以来青川汉中地区体应变台站及 2021 年以来广州台站获取的监测曲线长期变化趋势与地震、构造地质等资料所反映的区域地质特征相符，表明 TY-2B 型体应变仪可在地球动力学研究、地质灾害预测预警等领域推广使用。关键词：宽频应变地震仪；映震能力；钻孔体应变仪；地壳变形；地震中图分类号：P315.72+7;P716+.8文献标识码：A文章编号：10066616（2023）03032415DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.202329030引言地应力是存在于地壳中的基本作用力，地壳表层和内部发生的各种构造现象及其伴生的各种地质灾害都与地壳应力作用密切相关。对地壳应力及其相关地球物理现象的观测与研究已成为揭示板块驱动机制、块体相互作用、断裂活动、地震发生过程等内生地质作用的关键因素。地应力监测是探索内动力地质灾害预测预报的有效方法和途径。Sacksetal.(1978)认为，对内动力地质灾害（如地震）的成因有了充分的了解，并有足够灵敏和稳定的应变仪，就能够探测和诊断出地震前应力场的变化，实现预测或预报的可能。应变仪是研究地壳内部动力学过程及内生地质灾害监测的主要工具（Sacksetal.，1978；Lindeetal.，1996；Roeloffs，2006；张凌空和牛安福，2008；邱泽华 等，2012；Takanamietal.，2013；Bonaccorsoetal.，2016；邱泽华，2017；BarbourandCrowell，2017；全建军 等，2021；孙 艺 玫 等，2021；娄 家 墅 和 田 家 勇，2022）。由于应变近似以距离的三次方衰减，因此应变和应变率感测仪器需要很高灵敏度，达到1091011（为单位应变），通常要用长基线应变仪测量，如基线长度数百米至数千米的激光干涉应变仪，要减少环境温度对测量结果的影响，需要埋设在地下或安装在地下隧道中、占用的场地较大，这限制了长基线应变仪的应用。而短基线的钻孔应变仪安装在数十至数百米的钻孔中，温度长期稳定、地层吸收了电磁干扰和地表噪声干扰，安静的观测环境提高了信噪比，测量灵敏度可达 10101011。短基线钻孔应变仪达到了与长基线应变仪一样的灵敏度，而且尺寸小、占地少容易安装，近年来，短基线钻孔应变仪得到了广泛的应用（苏恺之，2003b）。体积式应变仪（简称体应变仪）是最早投入应用的应变仪类型之一，至今有 50 年的历史（Allen，1972），目前体应变仪在全球现役的应变仪数量中仍然占有一定的比例。20 世纪 80 年代，该仪器在中国、日本和美国这 3 个国家中也不约而同地成为应力应变观测的主导型仪器，主要因为其技术原因，即体应变仪的力学原理相对较为简捷，对岩石及胶结水泥状态的依赖性相对较低，易于取得较为可靠的观测资料。因此，日本在发展陆地及海下深钻井观测工作中仍以体应变仪为主要设备（苏恺之，2003b）。早期的钻孔应变仪是液位式的，测量第3期孙尧，等：TY 系列高精度体应变仪研制及映震能力分析与应用325原理类似热膨胀温度计，测量机构为波纹管和位移传感器，采用杠杆机械放大装置，需要较大的感应舱，仪器整体长度 68m，不锈钢外壳和芯柱，在实验室一体化组装后不能拆卸，体积和重量大，不利于运输；但其结构简单，工作稳定可靠，在美国和日本至今仍然是地壳应变测量的主要仪器（Gladwin，1984；Furuya and Fukudome，1986；Furuya et al.，1991）。80 年代，中国在引进国外仪器的基础上研制了液压式体应变仪并加以改进，采用液压传感器，并采取增加芯柱、减少硅油体积、提高整体液压刚度方法，使小体积感应舱也能获得较高的应变电压输出，进一步推进了体应变观测的轻便化。迄今为止体应变仪在小型化和提高灵敏度方面有着较大的进展，但仍存在一定的不足，例如应变仪稳定性和带宽尚需进一步提升，标定技术需要进一步改进，尤其是热标定装置，其原理不可靠且精度较低。目前迫切需要研制一种稳定性高、频带宽、标定精度高、适宜国内地质钻探常用的小口径钻孔的高灵敏度小型化体应变仪，应用于地震观测、断裂活动监测等地球科学领域，以满足地球动力学研究、地震预测、断层及岩土工程稳定性研究的需要。文章针对体应变仪存在的稳定性和带宽不足、标定精度低等问题，介绍了中国地质科学院地质力学研究所（以下简称地质力学所）在研制 TY-2B 型小型钻孔体积应变仪的过程中，通过创新改进液压传感器、控制电路、标定方法，缩小仪器体积、提高仪器精度、采样率、带宽、稳定性及监测数据的可靠性；并在龙门山断裂带北段、粤港澳大湾区等关键构造带、重要经济区投入测试及应用，进行深部断裂活动引起的应力应变信号监测，以期更好为灾害预测预警及地球动力学研究等地球科学领域提供服务。1钻孔体应变仪的国内外现状Benioff（1935）根据液体膨胀测量温度的启示提出了体应变仪的原理（图 1a）。应变仪由充满液体（硅油、煤油、水）的感应腔（容器）、可伸缩波纹管和位移传感器构成，感应腔体积变化时液体可自由进入波纹管，波纹管上连接的位移传感器可直接测出下部感应腔的体积变化，波纹管将体积变化转化为线位移，如果感应腔足够大且波纹管截面积足够小，理论上将达到很高的灵敏度。Benioff 的试验装置感应腔体积为 30L，测试其灵敏度在 0.1Hz 采样率下达到 1012，这在当时已达到很高的水平。同时这种应变仪也是一种很好的线性应变地震仪，可以用来观测地震（Benioffetal.，1961）。Sacks 和 Evertson（Sacks et al.，1971；Evertson，1977）在 Benioff 体积应变仪的基础上进行了改进，研制成功了钻孔应变仪，并安装在 DTM-CIW（美国华盛顿特区卡耐基研究所地磁部）。应变仪呈圆柱状，由上下两个空腔构成。上部空腔保留有空气层，形成一个相对稳定不变的压力基准；上下腔体间采用一根长 25mm，直径为 0.1mm 的针管沟通，使上下腔体缓慢实现压力平衡，相当于一个高通液压滤波器。当感应腔感受地层介质体积的变化，高频应变信号在压力传感器上产生压力信号输出，这种体应变仪尤其对地震波高频段应变较敏感。这种应变仪测量的是相对变化，不能测量低频应变信号，又称滤波型应变仪，实际上是应变地震仪，无法感知应变积累（图 1b）。而真正实用的应变仪是卡内基研究所和德州大学奥斯丁分校联合开发的一种新型的液位式体应变仪，又称 Sacks-Evertson 体应变仪，具有较高灵敏度和较宽的频率响应（图 1c）。液位式体应变仪是一个充满硅油液体的不锈钢筒型容器，在感受到地层岩石传递来的体积应变时，钢筒体积发生微小变化，在压力基本不变的情况下，液体自由进出波纹管，使其产生与筒内体应变同步变化，连接在波纹管顶端的位移传感器来测量体积变化，通过测量位移来达到钻孔体应变的高精度测定。为了提高灵敏度，早期的应变仪体积较大，感受筒直径为 108mm，长度超过 6m，在波纹管后方增加了机械放大装置，驱动差动变压器位移传感器，同时增设高灵敏弯曲压电陶瓷片进行微小位移测量。探头安装在岩石钻孔中，钻孔直径为150mm，探头与钻孔间采用膨胀水泥灌注固封。液位体应变探头采用井上仪器驱动和数据采集，井下无需复杂的电子线路（仅设置防雷压敏电阻），工作可靠，寿命长，长期稳定，灵敏度高，但仪器体积和重量较大，不便运输和安装。中国地震局地壳应力所 1981 年引进数套美国 Sacks-Everson 液位式体应变仪用于地震前兆研究。液压式体应变仪是中国地震局地壳应力所独创的一种应变仪，从 20 世纪 70 年代开始研制体应变仪，经过多年的努力，研制成功了 TJ 系列应变仪（苏恺之，1982，1993，2003a），并广泛应用在地震预测和预报的前兆观测之中。与液位式不同，液压式体应变仪在感受到地层岩石传递来的体积应变时，326地质力学学报https:/2023感受筒体积也随之变化，筒内封闭的液体不能自由膨胀，由于液体具有不可压缩性，使得筒内密闭空间液体压力与岩层体应变同步变化，通过压力传感器测量压力变化来达到钻孔体应变的高精度测定。液压式应变仪在设计时需尽量提高其液压系统的刚度，采用高刚度压力传感器，并在筒内设置芯柱，以进一步提高刚度。由于设置芯柱大大提高了感受筒的刚度，提高了体应变灵敏度，同时也减小了仪器体积。在 李 四 光 先 生 的 引 领 及 指 导 下（李 四 光，1976），地质力学所从 20 世纪 60 年代以来，开展了大量的地应力测量研究工作（廖椿庭和施兆贤，1983；李 方 全，1985；廖 椿 庭 等，1985；丰 成 君 等，2022；孟文等，2022），先后研制了的压磁应力计（廖椿庭和施兆贤，1983；廖椿庭等，1985）、空心包体应变计（王连捷等，1991；白金朋等，2013），水压致裂地应力测量系统（彭华等，2006b，2009，2011b），主要应用于矿山、地下工程等绝对应力测量。为开展构造变形动力学、地壳稳定性研究，地质力学所研制了TY 系列体应变仪（彭华等，2006a，2008，2011a），应变测量灵敏度达到了 1091011。TY 系列体应变仪是应力应变相对变化观测仪器，主要用于地壳变形、断层活动、火山、矿山采动变形及地质灾害监测。TY 系列体应变仪包括早期的 TY-1 型，后期的TY-2A 型和 TY-2B 型及目前在研制中的三分量体应变仪 TY-3 型。1988 年研制的 TY-1 型钻孔体应变仪为液位式（图 2a），应变仪为圆柱状，直径为 114mm，总长度 5m，其中感应腔（舱段）硅油 36L，有效工作长度 4m，内设置 2 个带差动变压器测微计的铍铜波纹管和一个微型电磁阀，该装置安放在恒温实验室中，是一个原理性实验装置。应变仪外壳采用 114mm 厚壁地质套管，进行了各种工作介质如纯水、无水乙醇、煤油、机油、变压器油等适宜性研自由膨胀空间油舱位移传感器 2波纹管 2电磁阀 2位移传感器 1波纹管 1电磁阀 1充油敏感舱段3 组 3 分量芯柱芯柱70 mm3 m不锈钢圆筒线位移传感器充满液体容积=30 L体积应变仪感应腔可伸缩的波纹管正应力 正应力 地层地层（a）Benioff(1935)膨胀应变仪线性应变地震仪(A Linear Strain Seismograph)原理图（b）Dale E.Evertson(1968)液压式体应变仪原理图（c）液位式体应变仪(Sacks-Evertson type strainmeter)3 m14.3 mm氩气硅油压力传感器毛细管1.0 mmL=25.4 mm混凝土导向器图1不同类型体积式钻孔应变仪原理图Fig.1Schematicdiagramofvolumetricboreholestraingauges第3期孙尧，等：TY 系列高精度体应变仪研制及映震能力分析与应用327究，同时也进行了波纹管、测微计、电磁阀测试和模数转换、通信试验，积累了大量实验数据。由于实验装置体积大，无法竖立，致使部分元件（例如电磁阀）不能正常工作，也因该装置对室内空气流动、人员活动扰动、环境温度极其敏感，但受限于当时敏感腔焊接、抽真空、充填硅油等工艺，致使其灵敏度和稳定性达不到设计指标。1998 年地质力学所在 TY-1 型基础上研制了TY-2A 型应变仪，TY-2A 型为液压式钻孔体应变仪，和传统的液位式钻孔体应变仪相比在原理和结构上有所不同，增加了芯柱，测量元件为压力传感器，标定机构为电阻热标定，仪器长度 2.1m，感受腔长度 1m，重量 70kg，体积较之前有所减小，便于运输和安装，两个压力传感器经过 INA125 仪表放大器放大到5V 的模拟信号，通过屏蔽电缆传输到地表，用 16 位 A/D 转换成数字信号，并在地质力学所院内建立了 TY-2A 型体应变仪实验站，对其耐候性、长期稳定性、电源和数据测控自动化进行了5 年的测试。2005-2006 年，采用 TY-2A 型体应变仪分别在东昆仑断裂带、五道梁断裂带、班公怒江断裂带和桑雄亚东断裂带的西大滩、五道梁、安多、羊八井等地投入断层活动性观测，初步建立了青藏铁路沿线地应力监测网，通过监测断裂活动引起的地应力变化，分析其稳定性，以保障铁路的安全。2007 年在中国地质调查局的地质调查项目支持下，地质力学所研制了新型体应变仪，进一步缩小了体积，探头长度 1.3m，重量 45kg。同时进行了探头数字化改造，采用 48VDC 供电，井下功耗3W，标定机构为压电陶瓷驱动微定量泵，在探头内增加单片机控制和 A/D 转换，可自动转换量程，并通过RS485 总线将信号传输到井口服务器。数字化改造减小了噪声，提高了地层应变分辨率，定型为 TY-2B 型（图 2b）。得益于井下环境避开地表噪音和机械震动，以及隔绝外界电磁干扰和保持长期稳定的温湿度工作条件，大大提高了体应变仪的技术指标。TY-2B 型体应变仪是数字化应变仪，采样率10100Hz，由于采用井下单片机控制及 24 位 AD转换提高了分辨率，使得该仪器不仅可以监测地应力静态特征，也是一台很好的应变地震仪。体应变仪受大气压、地层孔隙压力及地层温度影响较大（檜皮久義等，1983；上垣内修，1987；周龙寿等，2008；彭华等，2008，2011a；张凌空等，2011；木充甲基硅油自由膨胀空间硅油舱位移传感器波纹管充油敏感舱段电热丝标定器316 L 不锈钢圆筒114 mm充 36 L 硅油4 m电磁阀充氦自由膨胀空间硅油舱主压力传感器副压力传感器压电陶瓷执行器波纹管或膜片压电陶瓷标定器充油敏感舱段316 L 不锈钢圆筒石英温度计孔隙压计89 mm0.3 m电磁阀0.5 m（b）TY-2B 型体应变仪示意图（a）TY-1 型体应变仪示意图图2地质力学所自主研发的液位式 TY-1 型体应变仪及液压式 TY-2B 型体应变仪示意图Fig.2Schematicdiagramofliquid-level-typeTY-1volumetricstraingaugeandhydraulic-typeTY-2BvolumetricstraingaugedevelopedbytheInstituteofGeomechanics,CAGS328地质力学学报https:/2023村一洋等，2015；张凌空和牛安福，2019），为了综合分析这些因素对仪器的影响，TY-2B 型体应变仪底部增加了孔隙压计和石英谐振温度计，通过体应变与地表大气压、地层孔隙压及地层温度变化同步观测和综合分析，可消除大气压、地下水、地温变化对仪器的影响，提高了数据的可靠性，TY-2B 型仪器的研制成功，推动了中国钻孔应变构造变形和地质灾害观测手段的进步，为近年来开展深孔应变观测及井下综合观测准备了一定的技术条件。TY-2 系列体应变仪针对体积大、电路和仪器分置、分钟采样、热标定不精确、缺乏辅助参数等技术问题进行了改进和创新，将采集、传输和控制电路置于井下探头内，实现体应变仪数字化；高速采样，使得该仪器具备宽频应变地震仪的功能；采用压电陶瓷驱动波纹管技术研制成功精密纳米体积标定泵，实现体应变仪刚度、应变精确标定；将影响体应变测量的温度和孔隙压测量探头集成到探头底部，实现体应变、孔隙压和井温的同步测量，便于数据分析。2TY-2B 型体应变仪特点与仪器标定 2.1体应变理论任意的力在任意方向上作用于地质体，围绕地质体内部一点 O，设 O 点坐标为（x，y，z），取一体积单 元，三 轴 向 应 力 作 用（邱 泽 华，2017）如 图 3a所示。体积单元每个面上有一个法向正应力和两个剪应力，x、y、z为三轴方向正应力，xy、yz、zx为剪应力，x、y、z为 x、y、z 轴向应变。各向同性材料符号规定：正应力：拉应力为正，压应力为负；剪应力：对单元体内任一点取矩，若产生的矩为顺时针，则 为正，反之为负；线应变：以伸长为正，缩短为负；切应变：使直角减者为正，增大者为负；应力分量符号下脚标分别表示应力作用面的法线方向和应力的作用方向。地质体同时受各轴向之外力作用时，体积必发生变形，若外力为张力则体积必增加，反之则缩小。所以此地质体单位体积 V 变形后体积为 V，所产生的体积变形量 V=VV，称为体积应变，以 V表示，即V=VVV=VV（1）分析三轴向应力所生的体积变形，可假设每一边长均为 1 单位长度的微小立方块，如图 3b 所示。当此立方块承受三个轴向应力后，各轴向应变如式（2）所 示，求 得 x、y、z 轴 向 总 应 变 x、y、z为：x=xE(y+z)E；y=yE(x+z)E；z=zE(x+y)E（2）式中 E弹性模量；泊松比。即 立 方 块 变 形 后 每 边 长 分 别 为 1+x、1+y、1+z，体积应变为：V=VVV=(1+x)(1+y)(1+z)11=x+y+z+xy+yz+xz+xyz（3）因为 x、y、z数值极小，其乘积为高阶小量可以忽略，上式可简化为：（a）立方体上的三轴应力张量（b）正应力与应变的关系xxOyyzzyxyz1+x1+y1+zyzzyzxyxyzxzxyxzxyzxyxzyyxxzz正应力；常应力；轴向应变图3体积单元三轴向应力作用Fig.3Triaxialstressactionofvolumetricelementspositivestress；normalstress；axialstrain第3期孙尧，等：TY 系列高精度体应变仪研制及映震能力分析与应用329V=x+y+z（4）故地质体材料的体应变为三轴应变的总和。将式（1）代入式（4），可得三轴向应力的体积应变为：V=VV=12E(x+y+z)（5）设各向同等的压力与其引起的体积变化率之比为材料的体积模量 Km，则：Km=E3(12)（6）2.2TY-2B 型液压型体应变传感器的结构设计液压型体应变仪由感受筒、芯柱、压力传感器、电磁阀、控制电路及电源构成。感受筒是充满硅油的密闭结构，硅油的体积压缩模量小，为了提高体应变仪的灵敏度，在硅油中增加体积压缩模量较大的钢芯柱，不锈钢感受筒在地层应力作用下，产生的体积变化，使得液压传感器所感受的液压变化P 为P=KCVV（7）式中，V/V不锈钢感受筒的内容积 V1的相对变化量；KC体应变仪感受筒视体积压缩模量，是体应变变化产生内部硅油压力变化的转换系数，该参数由体应变感受筒内部芯柱体积压缩模量、硅油体积压缩模量及压力传感器特性决定（苏恺之，2003a），KC的具体表达式为KC=VVmKm+VHKH+NGs（8）式中，Vm内芯柱的外体积；Km内芯柱的等效体积压缩模量；VH硅油的体积；KH硅油的体积压缩模量(1.1103MPa)；Gs传感器受压变形时体 积 消 耗 相 应 的 刚 度，单 位 MPa/cm3。V=Vm+VH，Km由式（9）计算：Km=E(n201)n20(36+22)+2(12)（9）式中，E内芯柱材料（不锈钢）的弹性模量，2.1105MPa；内芯柱材料（不锈钢）的泊松比，0.30；n0内芯柱的外径、内径之比。由式（9）可知，芯柱的体积压缩模量远大于硅油，增加芯柱，可提高了探头视体积压缩模量 KC，在钢筒容积一定时，芯柱越大，硅油越少，则视压缩模量越大，如图 4 所示。KC主要由钢芯柱体积与硅油体积比例决定，与钢筒长度、厚度无关。01000200030004000500060007000800090007.07.27.47.67.88.08.2压缩模量/（MPa/cm3）芯柱直径/cm图4内径 8.1cm 的钢筒设置不同芯柱直径与体积压缩模量关系Fig.4Relationshipbetweendifferentcorediametersandvolumetric compression modulus for cylinder setup with an innerdiameterof8.1cm考虑到体应变仪感受筒在水压力和钻孔地应力引起的变形，以及机械加工的难度，芯柱与钢筒间隙在 0.150.3mm。间隙取值取决于安装条件，安装深度200m，水压变形小，其间隙可取 0.15mm；安装深度大于 200m，要考虑水压变形，间隙可取 0.3mm。体应变仪感受筒采用外径 89mm/内径 81mm 的不锈钢筒，长度 1m 和 0.5m，芯柱采用外径7.75mm/内径 6.5mm 的不锈钢管，压力传感器采用扩散硅型。则体应变仪感受筒内体积为 V=2576.5cm，芯 柱 体 积 Vm=2358.65cm3，芯 柱 体 积 压 缩 模 量Km=18364.39MPa/cm3，其 内 硅 油 体 积 VH=217.8cm3，结 构 系 数 C=V/VH=11.7，计 算 其 视 体 积 压 缩 模 量KC=5296.2MPa/cm3。2.3TY-2B 应变仪力学电学设计体应变仪感受筒结构确定后，其应变压力转换关系就能明确，即体应变仪感受筒产生体积变形v时，硅油产生压力变化 P。并可通过压力传感器测量。TY-2B 型体应变仪有 2 个扩散硅压力传感器，量程 500hPa 和 1000hPa，满量程输出 150mV。压力传感器 ADS1210 内部放大器将信号放大，以满足 AD 转换需求。应变仪的体应变电转换关系如图 5 所示。在应变仪的体应变电转换关系图中（图 5），设计体应变仪测量极限分辨率为21011，量程为210111105。体 应 变 仪 感 受 筒 体 积 应 变 为 21011、1109、1105 时，硅油压力为 0.001hPa、0.05hPa、500hPa，压力传感器输出为 0.3V、15V、150mV，将信号放大器设置放大 32 倍时，仪器输出为 9.6330地质力学学报https:/2023V、0.48mV、4800mV，满足 ADS1210 对信号的要求。控制电路在感知压力超过500hPa 时（负压在传感器允许范围），启动电磁阀连通压力传感器上工作腔和下敏感腔体，使得上下腔体压力平衡。在不开启电磁阀的条件下，一次量程极限为 l105。将 24 位 AD 转换器、信号控制器、ADS1210 单片机作为核心元件，封装在扩散硅压力传感器上，从而减少了外界的噪声干扰。采集速率为 20100 次/s，采用 RS485 总线传输到地表，再通过串口服务器进入互联网最终传送到数据中心服务器。TY-2B 型应变仪摒弃了片面追求稳定而低速采样（分钟值）的传统，采用了高速采样（20100Hz），采集应变地震波，不仅保持了应变仪静态应变特点，还具备了宽频应变地震仪的功能，既可以观测地壳长期缓慢变形和变形积累的特征，还可观测地壳破裂变形的瞬态细微特征，拓展了该类型应变仪的使用范围。为消除大气压和地下水干扰，在体应变仪感受筒底部集成了孔底孔隙压计、石英温度计。为了便于资料对比，孔底孔隙压计采用体应变仪同型扩散硅压力传感器。2.4新的标定方法通过标定能修正系统长期运行所产生的各种误差，同时也能检验应变仪的工作可靠性。此次研制了大动态范围的极微量压电陶瓷定量泵（图 6）。该泵采用压电陶瓷驱动波纹管，产生精确微量体积的标定液体，注入到体应变仪感受筒内，进行直接标定。叠层压电陶瓷可产生 45m 位移，使波纹管直接产生 110121105，满足全量程标定需求；采用交流驱动时，产生脉动应变，可进行体应变仪频率特征测试。压电陶瓷定量泵用于实验室和现场仪器标定幅度，以检测仪器性能。（1）实验室标定实验室标定主要是通过压电陶瓷驱动的定量泵向感受筒内注入定量硅油，仪器产生预定的体积变化，通过仪器体应变变化、压力变化与传感器输出数字分析，可进行：仪器渗漏检查；电磁阀性能检查；KC视压缩模量（无地层约束）测试；仪器满量程、灵敏度、体应变格值标定；频谱特性和带宽测试；线性度测试；仪器温度稳定性分析。（2）现场标定可以进行以上项测试，了解仪器工作状态和可靠性，分析其渗漏和 KC变化。通过创新标定技术方法，提高了监测数据的可靠性。2.5TY-2B 型高精度数字体应变仪结构及技术指标TY-2B 型 体 应 变 仪 整 体 采 用 89 mm 直 径316 不锈钢管焊接而成，总长 1300mm。内部由工作舱段、压力平衡舱段和仪器舱段组成，其中，工作舱探头体应变 V=V/V0.3 V15 V150 mV0.0010.05500 hPa61051109210115000 mV 0.48 mV9.6 V压力传感器输出电压 e探头内硅油压力 P压力传感器特性信号放大器特性探头结构特性探头输出电压 E探头设计转换系数最大量程分辨率KfKCE/V图5应变仪的体应变电转换关系图.Fig.5Volumestrain-electricconversiondiagramforastraingauge第3期孙尧，等：TY 系列高精度体应变仪研制及映震能力分析与应用331段长 500mm，工作体积 2576.5cm3，装 2 支量程分别为 0.1MPa 和 0.05MPa的高精度压力传感器；压力平衡舱段长度 400mm，封闭 350ml、1 个大气压氩气，由压电陶瓷（TY-2A型为热电阻温度）标定装置、电磁阀及电缆穿线密封器组成；仪器舱段长 400mm，内置 MSC1210 单片机、通信及控制电路，在中心站的遥控下负责数据采集和传输，压力传感器由 1.5mA恒流