台站形变观测

1、第五章 台站形变观测5.1洞体倾斜仪与地斜观测洞体倾斜仪与地斜观测5.2洞体应变仪与地应变观测洞体应变仪与地应变观测5.3钻孔倾斜仪与地斜观测钻孔倾斜仪与地斜观测5.4钻孔应变仪与地应变观测钻孔应变仪与地应变观测台站形变仪器发展历史1962年新丰江发生6.1地震1966年邢台地震，起步，第一代仪器（金属水平摆、目视水管仪、目视伸缩仪1977年确定了形变观测目标（能记录到固体潮？） 第二代仪器（浮子水管仪FSQ 、石英伸缩仪、钻孔应变仪）“九五”期间，数字代改造第三代数字化仪器（DSQ型水管仪、SS-Y型应变仪、TJ-2型钻孔）“十五”期间数字化、智能化、网络化 安装在我国“九五”计划中二十个省

2、、市、自治区的全国定点形变数字化前兆台网和首都圈示范工程中的四十多个台站，SS-Y型伸缩仪45台套， DSQ型水管倾斜仪45台套， TJ-2型体应变仪21台， DSG、DFG型断层位移测量仪6台套，垂直摆倾斜仪20套。在我国“十五”计划中全国定点形变数字化前兆台网中的洞体倾斜台网在我国“十五”计划中全国定点形变数字化前兆台网中的洞体应变台网 温兴卫高级工程师与水管倾斜仪本仪器经国际ISO9001质量论证和湖北省计量论证 胡国庆教授和他研制的垂直摆倾斜仪本仪器经国际ISO9001质量论证和湖北省计量论证SSQ-2I型数字石英水平摆倾斜仪固体潮观测固体潮观测大潮大潮 spring tide小潮小潮

3、 neap tide5.1洞体倾斜仪1 水管倾斜仪水管倾斜仪1弧度=180/60/60 = 2062655-1-1 水管仪的基本原理仪器基本原理是根据连通管内水面保持自然水平的原理。当连通管两端地基出现相对垂直位移时，两端液面便会相对于仪器钵体发生变化，这种变化，通过浮子、位移传感器等变成电信号输出自动记录。设为液体密度，A1、A2分别为两端钵体的横截面积，h为两端相对高差变化量，h1、h2分别为两端钵体内液面的变化量。根据液体的不可压缩性得：从而得 112212,h Ah Ahhh 21121212AAhhhhAAAAS1,S2分别为两个钵体的截面积，当S1=S2时，由于倾斜变化引起的水面上

4、升（或下降）为h/2 h L Sin 当 很小时 即：h L; h / L 2 =360 =360606012960000每弧度等于多少角秒： 12960000 2（弧度）206265/弧度反过来，每单位角秒等于多少弧度： 1/2062654.8510-6 （1/角秒）如h 单位为微米（ 10-6 米），L为米，为角秒时，则： (弧度）= （角秒）弧度与角度的转换：hL 0.206265hL二、差动变压器互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电

5、压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性；同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。因此，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。1、基本原理当可动的铁芯移动时，相对不动的差动变压器线圈经测量电路输出的电压与铁芯的位移成正比。差动变压器实质上是铁芯可动的变压器差动变压器主要由铁芯和差动线圈组成，

6、铁芯与线圈由非磁性的不锈钢材料制成的导管隔离，导管同时起着固定线圈位置的作用。地形变观测技术讲座2.DSQ水管倾斜仪的前置2脚为电源正极（+20V）， 1脚为电源负极（-20V），5脚为地；若测量的电压正负极性不对，有可能会烧坏换能器，若量出的电压不在21V18V范围内，盒内稳压电源工作就不正常。3脚为信号正（），7脚为信号负（）。 调试检测插座上配有插头，插头上红线为换能器输出信号，黑线为地线，平时插头不要插入，插头只是在调试检测时使用。 当基线L10米，要求分辨力为10-3角秒时， 则： 10-3 0.0485（微米）这就是对传感器的最低分辨（力）要求（ 注： hS1 hS2 Sh, S1

7、= S2=S时，S= S 最低分辨（力）要求0.206265hL0.206265Lh 5-1-2 转换系数（格值）角秒与高程位移转换 / h ; (m) 其中： h /L(弧度）=0.206265 h / L （角秒） 高程位移与电压转换如果传感器的灵敏度为S=h / V（m/mV）=S= 0.206265 S/L (mV) 所以转换系数（格值）只与传感器的灵敏度和基线长有关10.206265L1-1-3 仪器结构1.水管倾斜仪主机系统 2.主体结构1.垫块 11.压圈2.底盘 12.嘴子3.螺杆 13.固定座4.水槽 14.导向簧片5.浮子 15.螺钉6.盖板 16.压块7.联接套 17.簧

8、片压板8.铁芯轴 18.簧片座9.罩子 19. 脚螺母10.线圈件 20.脚螺丝1-1-4校准（标定）1.装置结构1.底座 10.螺母2.支杆 11.电机齿轮3.标定棒 12.小托板4.导轴盖 13.轴套5.大托板 14.轴套筒6.轴盖 15.标定杯7.导向螺钉 16.标定托杯8.矢轮 17.罩子 9.压环校准器实物照片2.原理与方法12222hdHDD标水 上图是水管仪校准原理示意图。校准是为了求得液面改变单位高度时，电信号的变化量U在数量上是多少。对一个分量两个钵体内液面高度的变化H可由如下计算公式确定： 式中：h为标定棒移动量（一般为20mm），d为标定棒直径值，D1、D2分别为两个钵体

9、内径值 选定液面变化高度传感器灵敏度调试校准（标定）前先进行传感器灵敏度的调试 (1) 将标定棒旋至高端某处，用数字电压表检测传感器输出信号，调节主体中垂直微调装置，使输出信号约为0mV(罩上罩子后的数值)时，停止调节，立即罩上罩子(罩子拿下后，在主体部分调节完毕，应立即罩上罩子，以保护局部)。 (2) 调节标定棒，人为造成钵体内一水变化量H水，如为50m左右(标定棒移动20mm)，传感器电压变化量U 应在预定范围内，否则应调换能器电位器。 (3) 继续改变水位(上升、下降)4次，取每次测得U 值的平均值。 格值公式与计算： (/mV)已知：基线LEW16.78m，LNS15.06m 510.

10、4mV， HEW50.58m 计算 ： 传感器灵敏度 n / HEW =10.09mV/ m = (/mV) 10.206265nL总均U0.206265EWBnLEWEW总均U20.20626510.09 16.79-32.435 10U总U例 DSQ型水管倾斜仪格值标定记录格式端号衰减倍数B时间h标（mm）H水（mm）U(mv)U（mv）(mv)(mv)(同一分量)NE214：0569.2573.3573.7011.1214：102051.62642.3573.114：152051.6269.2573.114：202051.62642.7573.514：252051.6269.3573.4

11、W214：05115.3574.114：102051.62688.9573.614：152051.62114.3574.614：202051.62688.5574.214：252051.62114.7573.8S114：30-93.91535.91532.1029.1314：352052.601442.01535.914：402052.60-94.11536.114：452052.601441.51535.614：502052.60-94.31535.8N114：3057.31528.314：352052.601585.71528.414：402052.6056.81528.914：45205

12、2.601584.81528.014：502052.6056.91527.9主要技术指标主要技术指标（1）分辨力：0.0005；（2）系统稳定性：日漂移量小于0.0005（3）基线长度：10m以内（5m），有条件大于10m更好；（4）校准精度：优于1%；（5）校准：自动化；（6）记录方式：自动数据采集仪器的安置条件仪器的安置条件（1）仪器安放的主墩采用坚硬岩石墩。主墩底面和洞室墩位岩面要密合好，墩的四周和洞体地平之间设置隔震槽。（2）两主墩顶面的相对高差不超过3mm，主墩离地平高度小于等于0.3m。（3）两主墩之间布设一道顶面平直的砖墙，以放玻璃水管及校准装置，砖墙顶面要高于两主墩顶面50mm

13、（4）一般采用四周围砌砖墙，再用50mm厚的聚苯乙烯泡沫板作为小腔体密封等措施。2 垂直摆倾斜仪垂直摆倾斜仪1-2-1原理 1. 原理公式： （） 其中l 为摆长（单位：m）; 为地倾斜角 （单位：); 为摆的相对位移 206265l206265lsinl sinl设 l = 0.1m, = 110-3；求 则： (l ) 206265=0.48510-9 m由此可知，不管是洞体的还是井下的，只要摆长在10cm时，仪器的最低分辨要做到0.000485微米。206265l电容传感器C1 1C2 200 021 SC, 0201,10001011 CSCCC10002021 CSCCC时，时，当当

14、10 / .CC30200011 .CC30200021 ）（83 22300021 .CCCC ）（123 S2 22000 CCK ）（113 10010020030 %r ）（）（）（93 12402000 CC）（103 200 CC2. 仪器结构1 外罩; 10绝缘块 ;2 吊丝; 11锁摆机构;3 动摆; 12绝缘玻璃;4定片； 13底盘;5主体筒; 14底脚;6调平机构; 15垫块。7气泡；8 干燥袋；9夹丝头；3.VS垂直摆倾斜仪内部结构VS型垂直摆倾斜仪的摆系主要由柔丝、摆杆和质量块三部分组成，摆系采用双丝悬挂（如图所示），这种悬挂方式使摆系只有一个自由度。摆的质量块为一长方

15、体，摆重为380克，摆长为10厘米。 1-2-2 VS垂直摆倾斜仪的标定垂直摆倾斜仪的标定 1. 静电力标定的原理与计算公式 静电力标定的基本原理是在动片和定片之间加上一直流电压。在静电力的作用下，动片（即摆）的位置发生偏移，这个偏移量为标定常数 。 平板电容两极板之间的静电引力Fe 为： 式中为真空的介电常数，=8.8510-12法/米；d为动片与定片II之间的距离，单位为米；S为平板电容器的面积，在VS垂直摆倾斜仪中即为动片的面积，单位为平方米；U为动片和定片之间的电位差，单位为伏。 222sF eUd静电力标定原理图 在VS垂直摆倾斜仪中，标定电压加在定片上，动片面积S(3.510-3米

16、2)、动片与定片之间的距离d（0.4mm或0.38mm），在动片与定片之间所加的直流电压U均为恒定量(2.5V)，故静电力Fe也是一个恒定量 ，使摆有一个偏转角，输出信号就叠加了一个点量 U。根据静电力就可算出摆的偏移量角，垂直摆倾斜仪在工作状态时，摆处于铅垂状态，摆位于位置A；当进行校准时，由于静电力的作用使摆移动至位置B，（d为位移）这时摆不再处于铅垂状态，产生了一个角度变化量 注：Fgmg222egFSUtgFd mg 式中m为摆的质量，单位为千克（约380克），g为重力加速度（9.8米/秒2），单位为米/秒2。当 d=0.38mm时，39.1910-3； d=0.40mm时，35.37

17、 10-3当标定时， 角的偏转，产生一个附加电量U，起始格值0 为：mgdSUFgFetg2220U2. 校准与格值VS型垂直摆倾斜仪平时处于记录状态时，加在定片II上的标定电压为零伏,这时定片II与动片等电位,此时标定开关向下。当进行标定时,将标定开关向上拨，这时+2.5V基准电压加至定片II上，动片和定片II之间产生2.5V的电位差，由于静电引力的作用，动片(摆)将向定片II方向移动一个 角。标定的持续时间为20分钟，标定结束时将标定开关向下拨，这时加在定片II上的电压恢复至零伏。仪器恢复到正常状态。标定结束后根据下列公式计算新格值。 00UU3 3 水平摆倾斜仪水平摆倾斜仪SSQ2I型数

18、字石英水平摆倾斜仪外形1-3-2 工作原理和格值计算当地面发生倾斜时，摆杆绕旋转轴偏转，借助于水平摆的高放大性能，将地面微小倾斜变化转换为水平摆偏转，再经光放大记录或传感器转换成电压输出，通过电涡流传感器把摆端的位移变成电信号输出。仪器的结构原理关系式：。1. 工作原理： 0/mgli)(20iglT根据Zqllner双吊丝悬挂原理制成的水平摆的平衡方程及运动方程，可以获得以下关系0/mgli)(20iglT206265 其中： ，式中： 摆杆的偏转角； 地倾角；i 摆杆的旋转轴与铅垂线在摆杆平面里的夹角； 上下两根吊丝的扭力系数； m 摆的质量；g 重力加速度； l0折合摆长；T 摆的自振周

19、期；B与传感器、放大器有关的电学常数； 仪器的格值。224gTBl00mgl2.校准. 周期标定法： 为地倾斜角（）； 光点偏离基线的距离（mm）； 为仪器格值（ /mm）；l 折合摆长（mm）；A为光杆距（m）；T为自振周期（秒）；K为格值特性常数。 220.4155/lKTAT20224AgTLU胀盒标定法其中： 为胀盒系数（经过精密测量的）， H为水银杯最高与最低位置之差（mm）， V 为输出电压的变化，S为调零脚与固定脚的距离（mm）准确到0.1mm206265HS V1.3.31.3.3校准实例校准实例已知：NS向胀盒常数为0.558310-6 ，底脚距离S为330mm，水银杯在低位

20、置输出电压U1为175 mv，转梁由低点转180到高点时，输出电压为 U2为352mv，转梁由高处转到低处回到原来的位置时输出电压为U3 为176mv，胀盒运行高差H为300mm，1.计算水银杯的高差变化，引起电压值变化 176.5mV2312UUUU 2)176()175()352(2.计算格值 （角秒/mV） 角秒/mV 610206265SUH5 .3295 .17520626530010558306.3105974. 0钻孔形变观测CZB-1-1型竖直摆钻孔倾斜仪型竖直摆钻孔倾斜仪 钻孔体应变仪钻孔体应变仪(TJ-2-2型型 ) 1.工作原理与结构工作原理与结构图图1 1 基本原理图基

21、本原理图测量地壳微量倾斜和记录地球倾斜固体潮测量地壳微量倾斜和记录地球倾斜固体潮工作原理:利用一个竖直悬挂的重力摆来检测地球表面的倾斜变化。M是一个重量块，用细丝或者簧片把它悬挂在封闭的支架内（图1a）；由于地球引力作用，重块必然垂向地球中心。A和B是固定在支架上的两块电容极板，调整初始状态假设M与A、B距离相等都为d，当地球表面产生倾斜变化时，仪器支架随地表面倾斜（图1b），重块仍然保持铅垂方向，重块与仪器支架产生了d的相对位移。d与成以下关系： 其中，l为摆长，206265是弧度与角秒的换算常数；d与是线性关系。 根据地震前兆观测规范要求，需要分辨到万分之二角秒的倾斜量，设摆长为150mm

22、，应用公式（1）可以计算必须测量出1.4510-10米的位移变化，即0.145纳米的位移量。=角秒）(206265ld （1） 1)整体结构整体结构仪器可分为主体（探头）、控制机箱和记录设备两大部分。2 )2 )探头探头 核心部分是一个竖直悬挂的重力摆，可以在任意竖直面内摆动，摆的下部设有检测摆的位移量的电容测微器，当地壳产生倾斜时，自由悬挂的摆相对于与地表连接的支撑架产生相对位移，电容测微器将此微小位移量转换成电压变化，经防水电缆输送到地面，地面仪器用来记录此电压变化。 为便于调整，摆是悬挂在可以在正交的两个竖直面内灵活转动的摆盒内，摆盒连接在探头外壳上并且可以在任一个竖直面内转动。 摆盒下

23、方有两个由电机驱动的调整机构，用来把摆盒调到工作位置，也就是使摆处在电容测微器的工作区域。 摆盒内还装有静电校准或电磁校准装置，用来检查全系统的灵敏度。 全部探头元件装在一个耐压的密封钢筒内，钢筒下部连接着定向头，与底座配合， 可以把摆放置在所需的方位。探头上部有提把、固紧弹簧、锥形块和三只对称分布的斜面滑块，用来把探头牢固地固定在井孔底部。3) 3) 电容传感器电容传感器CZB-1型竖直摆钻孔倾斜仪使用电容传感器.控制箱是仪器的地面部分如图5、图6。主要作用:一是提供工作电源；二是对井下送来的倾斜信号进一步处理，零位调整后送到模拟记 录仪或数据采集器；三是控制井下仪器部分摆的工作状态，使它在

24、最佳状态；四是产生校准装置需要的稳定电压与电流，实现系统的校准；五是将传感器产生的信号电压转换成为数字电压贮存，发送。4)主机控制箱主机控制箱图51.NS向信号表头和EW向信号表头指示井下仪器探头的倾斜方向，指针偏右为“正”，偏左为“负”。2.电机方向开关，标有0、1、2、字样，0为关断；1为NS向；2为EW 向。需要调整哪个方向，首先要把电机方向开关放置到这个方向上。3.正负开关。上面标有“+”，“-”符号，欲使表针向正，就把此开关打到“+”，欲向负就打到“-”。图62 主要技术指标主要技术指标摆长 200mm自振周期 约0.6S分辨力 0.0002 arc sec非线性度 优于1%线性范围

25、 4arc sec满量程输出 2V校准重复性 优于1%可调范围 3通道数 2采样率 1次/分交流输入功率 220V/ 11VA6.故障与检修故障与检修（1）外部观察法 充分利用仪器面板上的指示部件，象指示灯、表头以及面板上的旋钮，开关等进行检查、分析。（2）感官觉察法 当仪器出现不工作、乱画、烧毁等故障时，首先要依靠人的感觉器官，耳听、眼看、手模、鼻嗅去发现产生故障的原因。（3）万用电表检查法 用万用电表可检查交直流电源的电压，稳压部分是否正常。通过各关键点的电压比较分析，能找出故障原因，故障位置。 （4）分段检查法可以通过级与级之间的插接件，开关的断开，交换位置等可以判断出故障部件。（5）交

26、换替换法 由于NSEW两个方向的线路完全一样，所以可以交换连接进行试记，根据试记结果分析判断故障部位。但在试验结束后一定要恢复原来状态。否则，轻者造成井下不能调整，重的造成仪器严重损坏。（6）井下仪器震动检查法 怀疑井下仪器未固定牢固，会在记录上引起跳动。这时可以打开井口，抓住电缆在井口外甩动，使波动传到仪器，经一个机械冲击，看记录笔头和信号表针是否变化。如果井下探头已经与井壁结合紧密，这时候笔头仅移动几个毫米，若笔头跑出很远，说明未固定紧，需要加固。7.校准与格值计算校准与格值计算 电磁校准电磁校准在摆体上装一个小磁体，装一组线圈，在摆盒上。线圈通入电流时，产生电磁力为：IKLF. 其中：K

27、为特定的常数，与磁体强度、位置、线圈匝数、通过电流有关；I 为通过校准线圈的电流；FL 为作用在摆上的电磁力。 此力吸引或排斥摆离开原平衡位置，偏转某一角度后，重力水平分力与电磁力平衡：即： （4）mgIKImgKV/ 与I成正比，当电流固定后摆的偏转角是一个常数，即是一个常数，仪器出厂前在实验室已经给出 ，每次校准时仪器输出信号就会产生一个电压脉冲，从采集数据中找出该脉冲的幅度V,可根据下式计算系统的灵敏度（6）（5）地壳应变的基本知识地壳应变的基本知识 1.应变应变 固体材料内,任意指定的两点之间距离的相对变化量。所谓的相对变化量，一是指该物理量没有量纲，两点距离的变化量与原来距离之比。二

28、是指这一变化量可以是任意两个时刻的距离的变化。 应变有极性。压性的（压缩），和张性的（伸张）。在我们的地应变观测中，压压性为正号，张性为负号。请予注意、牢记。性为正号，张性为负号。请予注意、牢记。 应变量的数值概念。一般金属在温度变化1度时，其膨胀或缩小的热应变量数值，大约为1*10-5。即：十万分之一。按照工程上常用的术语为：10个微应变。 钻孔应变仪器的灵敏度为1*10-9或再高些。例如北京与天津的距离为100公里，该地区如果出现1*10-9的应变(十亿分之一)，那么就相当于两个城市间的距离出现了0.1毫米的变化。 2.应变状态应变状态 固体内一个点上的应变状态，严格说来应为三维的应变状态

29、，即立体的应变状态。但在目前的地应变前兆观测实践中，则主要侧重于平面的应变状态，即水平面内的应变状态。平面上的应变状态，共计有三个未知数：最大主应变，最小主应变，以及最大主应变的方位。最大主应变：一个点沿着不同方向有不同数值的应变量，其中最大的数值，为最大主应变。最小主应应变：一个点沿着不同方向有不同数值的应变量，其中最小的数值，为最小主应变。最大主应变的方位：即字面上的涵义。弹性力学指出，最大与最小主应变的方位角，相差90度。请切记。 3 3. .地壳应变地壳应变 地壳由岩石组成，它的内部各个点上都有应力和应变。半个世纪之前，人们才逐渐认识到，岩石内部含有压性的应力状态，与此相伴随的，是压性

30、的应变状态。形象一些说来，如果我们把一块岩石从地底下取出来成为一块孤立的石头时，它的自身的长度会有不大的膨胀膨胀。 4.4.地壳应变的观测地壳应变的观测 为了地震预报的研究，各个大国都在对地壳应变依时间的变化的进行连续精密观测。观测的主要方法：1）大面积的GPS观测，由各个点位相对位移的变化了解地壳应变的变化。2）在洞室里，使用伸缩仪等仪器，直接测量洞室地面处的应变连续变化。3）钻取钻孔，在钻孔内安装应变仪器。5.5.地壳应变观测台站地壳应变观测台站安装有应变仪器的台站，即为应变仪台站。按站一些理论计算，和日本的经验，重点地区的安装密度约为30公里以内。一般地区为50-60公里。 6.6.地壳

31、应变的变化与地震预报地壳应变的变化与地震预报不同地区，由于地质结构的巨大差异，所总结出来的震例也有所不同。现在还没有成熟的经验和指标。中国地震局地壳应力研究所 二室 应变观测技术研究组北京西三旗,北京2855信箱,100085010-62842620三、三、TJ-2型体积式应变仪型体积式应变仪体积应变仪体积应变仪-中国、美国、日本，三个实用钻孔应变仪器大国的主导型仪器，使用量最多的仪器。体积应变仪体积应变仪-原理最为明确，测量量最为清楚、结构简单、工作最为可靠的仪器。体积应变仪体积应变仪-工作寿命长，有零位自校准(有绝对的机械零位)。中国的体积应变仪中国的体积应变仪-TJ-2型体积应变仪，采用

32、了新的原理，新的结构，得到了新的性能指标，达到了国际先进水平。 体应变仪（国外俗称为“奶瓶”）的工作原理较为简单，即一个长圆形的弹性筒内，充满了硅油，当它受到四周岩石的挤压或拉伸时，筒内的液体压力发生改变，通过液压的增大或缩小，即可得知岩石的应变状态是压缩还是拉伸。当电压向正向变大时，表示受压缩，即正为压，曲线向上变化；电压值朝负向变时，表示受拉伸，即负为张，曲线向下变化。 在数据计算时，一般用10-9作为应变单位。（1）上下两个腔室 一个长圆形筒内有一个隔板，将筒分为上腔室和下腔室。下腔室内充满硅油。上腔室内装有传感器及电磁阀门，充有硅油和氩气。由于氩气的存在，上腔的压力P0基本恒定，但在下

33、腔，只要外力使得腔室的体积有微量变化时，硅油的压力P1即会产生明显的变化。（2）差压传感器 差压传感器，用来感受上腔室与下腔室的压力之差，即P1-P0，但实际上P0基本不变（制作时已将P0设定为一个大气压，即0.1MPa），所以差压传感差压传感器器所反映的信息，只是下腔室的压力变化。传感器的电输出值e与长圆筒的体积应变V1/ V1成正比。 e（mV)= B V1/ V1 B为格值 单位： 1/ mV 3）电磁阀门 电磁阀门，当它通电时能够开启，使得上腔与下腔沟通，两腔间的压力差变为零，P1=P0，又由于P0是恒定的标准压力（一个大气压），因而开启电磁阀时可使下腔的油液压力恢复为原有的标准压力。

34、 开启电磁阀时，硅油液会有少量（如0.003cm3量级）的流动，所需的时间仅需0.2s左右，因此电磁阀门在绝大多数的时间内是关闭的（不通电状态）。 当岩石的体应变变化达610-6量级时，地面电子线路能自动开启电磁阀一次，使压差传感器的工作点恢复到零位(P1P0，电子线路的零位输出近于0V）。因此，无论岩石应变的变化有多少，体应变仪的测量量程是可以“无限拓宽”的。 在体应变仪的运输与安装过程中，电磁阀门的作用也十分重要。由于在此期间外界温度变化很大，在热胀冷缩的影响下筒的体积也会变化，电磁阀门的不断开启可保护压差传感器，使其所受的压力差在允许的范围之内。（4）金属芯柱 在下腔中设有一个金属芯柱，

35、它的作用有二：一是可使探头的灵敏度提高，即同样的体应变条件下，由于金属相对硅油而言更不易压缩，导致硅油产生的压力变化由于金属棒存在而加大，金属棒体积越大P1值越大。二是金属棒的存在加大了探头自身的比重，这有利于探头在下井安装时能自行沉入孔底的水泥中。(5)标定装置 在感受腔(下腔)内,有一个很细的电阻丝,从地面电路给与恒定的电流,通电两秒钟,产生热效应, 使硅油加热,硅油的热膨胀导致油压的变化.所相应的体积应变量,约为5*10-8,即,应变固体潮的潮夫的大小. 4 校准与格值计算校准与格值计算 校准的作用只是起到一个检查性的作用。用以检测体应变仪观测系统（由探头到电压输出口）是否灵敏，灵敏系数

36、A（或格值B）是否有明显的变化。现今体应变仪的校准装置，重复性误差为3%。注意到这一点，当校准结果与以往值的差别小于近4%时，都应视为正常，无需每次校准之后都要随即更改格值用于数据处理。 按观测规范，明确每年1月1日、7月1日各校准一次，在更换或大修仪器之后也需要进行校准。在特殊情况下，如应变固体潮曲线的幅度连续数日变得过小或过大时，可以进行校准，并将结果记入值班日志。 各次校准的结果，仅用于了解测量系统灵敏系数的不稳定性是否超过4%，只要未曾超过，就无需更改厂家给出的格值。探头安装的收尾工作之一：孔口的处理孔口的处理在探头安装后的第二天，再将辅助观测之电测水位计投放于井水之下5m左右，再作孔

37、口处理。孔口处理的目的是防止井孔落入异物，防止地面水流入，防止井口套管受到机械伤害。见图4-10-8所示。钻孔套管高于地面200300mm，加有铁制井盖帽，最好有铁锁锁住。将探头悬吊钢丝绳系在一铁棒上，铁棒横置于套管口上方；电缆在井口处于自由状态（不受力）；在套管附近的电缆段要加有保护层防止划伤压坏。钻孔周围，砌一水泥台，其内部的边长或直径约8001000mm，高约400mm，上方再置一可移动水泥盖板。电缆自水泥台下端的小孔中穿出，埋于地面以下。探头安装的收尾工作之二:地面段电缆的处理地面段电缆的处理地面段电缆的处理是为了防止电缆受到各种因素导致的机械损伤，降低电磁干扰，以及防止雷击伤害，降低

38、气温变动对电缆参数的干扰。井口与观测室之间的距离，以小于20m为宜。地面段电缆的埋设深度，在北方以50cm以下为宜；在南方以40cm以下为宜。地面电缆长度超过10m时必须采用铁管保护，以防雷击，地面电缆小于10m时可以用砖块砌成小型通道，或用细质土深埋（埋深80100cm）。埋设中要考虑防止鼠咬伤电缆。电缆自观测室墙角的小洞穿进室内，电缆在室外不得有裸露处。2.参数计算（1）由电量值换算为待测物理量 由体应变仪地面仪器输出口（模拟输出口、数据采集器用输出口）所给出的是电压（mV）值，而待测量为体应变值。此外辅助观测仪器的待测量为气压、水位值。由测量量（mV）换算为待测量，所用计算式很简捷。体应

39、变仪值（V/V）=(格值B）（仪器输出mV值）。 例，B=310-9/mV，仪器输出值为1234.5mV，则此mV值所相应的体应变值（相对值）为:V/V=3703.510-9 。4 4 伸缩仪伸缩仪本仪器经国际ISO9001质量论证和湖北省计量论证1-4-1 伸缩仪的基本原理 1. 基本原理 伸缩仪主要用于硐体应变固体潮及地震前兆地应变监测与研究。也可用于大型精密工程、大型建筑、大坝等的应变测量。地应变测量是测量地壳表面两点间的基线长度的相对变化量。即： 其中： L为原地壳表面两点间的距离，亦称基线长； 为变化后地壳表面两点间的距离；L为地面两点的变化量； 即单位长度的相对变化量，即应变量。根

40、据约定：压缩为负、伸张为正，即： 0时，压缩； 0时，伸张。 LLLLLL1.4.2 测量原理基线长度不变 ，使传感器间距的变化就是A、B两点的变化 1-4-3 仪器的最低分辨要求 对于10米的基线而言，要求能观测到10-10的应变量，它的位移量为: L= L =110-1010106 =0.001(微米) 也就是说要求传感器的最低分辨要达到0.001微米1-4-4. 仪器的结构主机含铌因瓦基线电涡流传感器精密标定平台悬吊系统模拟自动纪录系统 全自动数字控制系统 以线膨胀系数极小的含铌特种因瓦（Nb-Invar）材料为基线棒，把标定器及相邻的一个框架安装于测量墩，固定座安装于固定墩上，基线一端

41、A与固定座连接固定，基线由测量方向无阻力的悬吊系统托起。悬吊系统由框架及吊丝组成，每隔1.5m设立一个支墩，框架固定在支墩上。基线的另一端连接一片直径大于24mm的金属极片(亦称被测面)。传感器的探头固定在标定器上，把这一端B称为测量端。探头与金属极片的间距约为0.41.2mm。当固定墩与测量墩之间距离变化时，在密封较好的硐体恒温环境下，视基线棒长度不变，探头与极片之间的间距随之变化，电涡流位移传感器将此间距变化转换成电压变化，经过前置放大器输出。 1-4-5 标定装置1.标定原理 标定器是依据斜楔块原理产生微位移，如图所示。步进电机转动，带动弹性连轴使测微头随之转动，从而使斜楔块X方向位移，

42、进而使滑块产生y方向微位移。探头座与滑块连接。因而步进电机转动，使传感器的探头产生一定的微位移量，前置放大器输出一个电压,从而达到标定目的。 若步进电机步距选择1.5，则240步使步进电机轴转一圈，带动测微头也转一圈，使斜楔块在X方向位移0.5mm（即测微头螺距）。设斜楔块斜面为1 50时，即k=1/50,则滑块在y方向上的位移量为： =0.5 =0.01mm。所以，步进电机每走一步，滑块的位移为: （mm） =0.0417（m）这就是说，步进电机每旋转一步，滑块在y方向上位移0.0417m。ky2405.0步kxy5012.标定方法大量程单向标定法 在实际应用中，为了提高标定测量精度，减小机

43、械空程误差，则采用大步距单向标定法。其具体方式如右图所示。先将原工作点A退4圈，紧接着进 2圈到达 1号点，此时停3050s，供读数( 或采集)，再进4圈到达2号点，同样停3050s，供读数(或采集)后，连续退6圈，进2圈到达3号点。以此类推，到达10号点后，退2圈返回工作点，反复五次，记录了10个数据，产生9个差值，供计算灵敏度与格值用。标定工作时间先后不到10分钟。大步距单向标定法不仅消除了机械空程误差3.校准格值和计算电压标定格值公式（供数采用）： 其中： l为标定器位移常数，单位：微米,此值由 出厂时提供； L为基线长度，单位：米； 电压差的绝对值均值，单位：毫伏。610 (1/)lm

44、VULU4. 实例 假设： 标定器位移常数为38.66微米，NS向基线长为30.06米，衰减倍数=3.0，标定记录如右表。 1. 求出均值(即电压差的绝对值均值) 567.08（ ）919nnUUmV610 (1/)lmVUL 2. 求电压标定格值 = = 0.00226810-6 = 22.68 10-10 (1/mV)3.求模拟标定格值 0.083.022.6810-10 5.44310-10 （mV） 13.61 10-10（1/格）61006.3008.56766.38610 (1/)lmVUL 08. 0毫米101068.220 . 32 . 02 . 0格3. 格值计算表YRY-4

45、型分量式应变仪型分量式应变仪 YRY型分量式钻孔应变仪1.工作原理与结构工作原理与结构 钻孔分量式应变仪为长圆筒径向位移式仪器。在圆筒中部位置安装了多个分量的传感器，YRY-4型钻孔分量式应变仪如图10（a）所示，内部设有“南-北”、东北-西南”、“东-西”、西北-东南”4个方向的4组径向测微传感器，测量这4个方向圆筒直径的微小变化，见图10（b）。当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4个方向的钻孔孔壁径向位移u 。ERu/)( 2cos)21( 2)21( 根据弹性力学的分析，在垂直方向的长钻孔中，水平地层平面上某个方向的钻孔孔壁径向位移u与水平面上的主应力1，2及主应力方向之间有关系式: （4-10-4) 式中R为钻孔半径，E为岩石的杨氏弹性模量。 测量钻孔中三个不在一直线上的径向位移u1，u2，u3 ，根据（4-10-4）式可解得主应力1，2及主应力方向 3个未知量。通常的多分量钻孔应变观测，如Gladwin 的三分量应变仪就布置为均匀三等分式，由不同方向的三个测值，可求出主应力1、2及主应力方向，或求得应变的三分量x，y及xy