引言

随着中国城镇化建设的发展, 地震观测技术由地表观测向井下观测发展, 井下观测技术将传感器密封在筒内, 在几十米至几百米的钻孔中耦合安装, 可较好地屏蔽环境(降雨、雷电等)及人类活动的干扰, 有利于获得高精度的观测数据, 可用于记录地倾斜固体潮汐、地形变积累过程等丰富的地壳形变信息(董云开等, 2014)。CBT型钻孔倾斜传感器为井下安装使用的测地倾斜仪器, 此外还可与RZB系列的钻孔应变仪多形式组合为综合钻孔观测系统, 获得多测项更丰富的信息, 为地震监测和地球物理研究提供基础数据。

随着CBT型钻孔倾斜传感器的不断推广应用, 台站连续观测数据给仪器研发人员提供了进一步了解和提高仪器性能的机会。CBT型钻孔倾斜传感器观测数据质量受仪器自身性能、台站地质条件、钻孔条件、安装耦合情况等诸多因素的综合影响, 这些影响因素均为控制钻孔倾斜传感器观测质量的必要条件, 缺一不可。

CBT型钻孔倾斜传感器灵敏度达0.0002角秒(欧阳祖熙等, 2009), 为使观测系统能以万分之几角秒量级稳定工作, 倾斜传感器装配后需较长时间的预老化放置, 以消除加工和安装过程中产生的残余应力, 保证传感器的自身稳定性, 保证CBT型钻孔倾斜传感器顺利安装并投入使用。由于摆式倾斜仪器的特殊悬挂结构, 观测数据在较长一段时间内会存在突跳台阶及尖峰(李明等, 2011)、漂移量大(王梅等, 2003)等问题。目前为获得高灵敏度和高稳定性, 依靠热处理和自然时效处理摆式传感器弹性部件的方法非常普遍, 这种说法存在一定局限性, 一方面在工业环保的高要求下, 能进行热处理的企业越来越少；另一方面, 自然时效的周期太长, 部分仪器弹性部件需自然放置几个月, 甚至长达几年。倾斜传感器加工稳定的长周期与快速发展的地震监测网络台站建设之间的矛盾日益凸显, 如何快速消除倾斜传感器, 特别是摆体悬挂弹性部件的残余应力, 使其能在加工装配后快速稳定投入使用是解决问题的关键。

针对CBT型钻孔倾斜传感器存在的上述实际情况, 在实验室开展了倾斜传感器整机预老化工艺研究和实践, 取得良好的应用效果。

1.   CBT型钻孔倾斜传感器简介

1.1   工作原理

CBT型钻孔倾斜传感器采用电容式倾斜传感原理(吴立恒等, 2010), 传感器为刚性支架上竖直悬挂的重摆, 如图 1(a)所示, 固定极板A、固定极板B和重摆M构成了三端电容差动式倾斜传感器。重摆M受到地球重力作用, 始终保持铅垂方向。当地面向某一方向倾斜角度ΔΨ时, 摆支架随之产生ΔΨ的倾斜量, 而重摆M在重力作用下仍保持铅垂方向, 重摆与摆支架必然产生相对位移, 如图 1(b)所示, 地面倾斜ΔΨ使重摆与固定极板产生相对位移Δδ, 关系式为:

图 1  CBT型钻孔倾斜传感器工作原理

Figure 1.  Working principle of the CBT borehole tilt sensor

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物体间的电容量C与构成电容元件的2个极板面积S、相互距离δ、极板间介电常数ε有关, 关系式为:

结合式(1)、式(2)可知, 重摆位移量仅与地面倾斜角成正比关系, 因此将测角问题转化为测位移问题。电容量仅与重摆位移量成正比关系, 进而将测位移问题转化为测电容问题。因此建立被测物理量ΔΨ和测量电容的关系, 即为CBT型电容式倾斜传感器的工作原理。

1.2   残余应力分析

根据工作原理设计结构尺寸合理的倾斜传感器, 其中悬挂部件为倾斜传感器成功与否的关键, CBT型钻孔倾斜传感器选用0.1mm厚的铍青铜弹簧片悬挂重摆M, 弹簧片性能尤其重要。传感器各部件通过加工、装配成有机整体, 实现倾斜测量。传感器在加工、装配过程中不可避免地产生残余应力, 主要包括加工材料自身的残余应力；加工过程中产生的残余应力；装配过程中产生的残余应力。对于普通观测系统, 残余应力量级很小, 不影响观测系统的性能, 可忽略不计。但对于具有0.0002角秒灵敏度的测地倾斜仪器, 将在很长一段时间内存在残余应力, 传感器会不断释放和调整。而调整为几角秒量级, 在一般的实验室环境下被背景噪声淹没, 因而无法观测。将新组装的倾斜传感器组(2个)密封后置于河北怀来地震台山洞中进行观测, 观测数据如图 2所示, 由图 2可知, 固体潮汐形态不平滑, 突跳多, 稳定周期长, 甚至长时间无法稳定。

图 2  传感器装配初期观测曲线

Figure 2.  Observation curves in early assembly of the sensor

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1.3   以往残余应力的解决方法

通过多年的实践, 初步认为CBT型钻孔倾斜传感器摆体悬挂部件即弹簧片是关系传感器快速稳定、质量优良的核心部件, 以往对其采用热处理的方式消除材料自身及加工过程中的残余应力。此外, 当传感器组装完成后, 通过数周到数个月的悬挂放置消除装配残余应力, 此方法在实践中得到检验, 有利于钻孔倾斜传感器现场安装应用的快速稳定, 如漳州地震台深井综合观测系统于2008年12月安装, 倾斜单元在一星期内测到了平滑的固体潮汐, 图 3所示为2009年2月的数据, 由图 3可知数据质量良好, 具备入网工作条件。此套传感器悬挂放置时间长达8个月。

图 3  漳州地震台初期观测数据

Figure 3.  Early observation data of Zhangzhou station

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2.   CBT型钻孔倾斜传感器振动时效工艺及试验

2.1   振动时效定义及原理

《振动时效工艺参数选择及效果评定方法》(GB/T 25712—2010)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等, 2011)中定义振动时效为物理过程, 即利用严格受控的振动能量, 对金属工件进行处理, 以解决工件加工过程中和加工后出现的内部残余应力导致的尺寸变化及抗荷载能力变化问题, 对消除、减少或均化金属工件内的残余应力, 提高工件抗动静荷载、抗变形能力, 稳定尺寸精度有超卓功效。从微观方面分析, 振动时效可视为一种以循环荷载的形式施加于零件上的附加应力。当工件受到振动, 施加于零件上的交变应力与零件中的残余应力叠加, 当应力叠加结果达到一定数值后, 在应力集中最严重的部位因超过材料的屈服极限而发生塑性变形。塑性变形降低了该处残余应力峰值, 并强化了金属基体, 而后振动又在其他应力集中较严重的部位产生同样作用, 直至振动附加应力与残余应力叠加的代数和不能引起任何部位发生塑性变形为止, 此时, 振动消除、均化残余应力及强化金属的过程结束。

2.2   传感器振动时效系统构建

根据振动时效原理, 结合倾斜传感器工作原理, 构建实验室倾斜传感器整机振动时效试验系统, 如图 4所示。该系统主要包括倾斜传感器、二维倾斜调平台、水平振动台、位移传感器、振动台采集控制单元及PC控制终端。

图 4  传感器振动时效试验系统

Figure 4.  Vibrating stress relief system of the sensor

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将倾斜传感器安装在振动平台上, 通过倾斜调平台调平传感器, 使传感器悬挂弹簧片在受力均衡的条件下开展试验。与此同时, PC控制终端能实时采集传感器输出, 保证振动时效试验在传感器量程内受控进行, 进而保证试验过程中传感器的安全。通过PC机控制界面, 将振型、幅值、频率等参数输出给振动台采集控制单元, 使水平振动台按照设定的模式带动传感器一维振动, 在一定时间内达到释放传感器残余应力、实现预老化的目的。此外, 位移传感器全程监测水平振动台振动幅度, 并作为反馈信号, 可更好地保证试验参数的准确性及试验的安全性。

2.3   传感器振动时效工艺

振动时效工艺目前主要应用于黑色金属领域, 对铸铁件和焊接件中应力集中的部位进行应力消减与均化, 以达到工程要求(廖凯等, 2019), 具有较成熟的工艺可供借鉴。然而对于不同材质装配而成的复杂工件组(如倾斜传感器)无法找到相关的工艺参数作为指导。合理的振动时效参数设计尤为重要, 由于很多台站应用已证实井下安装后的倾斜传感器逐渐趋于稳定, 因此可通过模拟传感器在井下的工作状态, 使其在实验室条件下提前老化稳定, 作为选择振动时效参数的重要思路。

CBT型钻孔倾斜传感器已在实验室和现场应用中积累了丰富经验, 无论是传感器在实验室的自然时效, 还是在井下工作初期的自然时效, 均受地球固体潮汐的作用, 产生24小时2波峰2波谷的运动(视为2个周期的正弦波), 因此将振动运动形式选为正弦波型。

为获得高灵敏度, 倾斜传感器摆体与左右极板的间隙仅为0.2mm, 因此振幅可选0.15mm、0.1mm等, 根据传感器自振周期, 选择振动频率为10Hz、8Hz等。此外, 结合多台站自稳定周期, 按3个月计算需要振动时效确定老化试验时间, 在实验室开展参数组合, 优化组合得到最佳方案。

2.4   传感器振动时效预老化应用实例

选用16-4、16-5号钻孔倾斜传感器作为应用实例样本, 传感器装配时间为2016年6月29日, 根据实验室优化参数, 进行实验室振动时效预老化工作, 工艺参数如表 1所示。

表 1  倾斜传感器振动时效预老化工艺参数

Table 1.  Vibrating stress relief system process parameters of the tilt sensor

传感器号	振动类型	振动幅值/mm	振动频率/Hz	振动时间/h
16-4号传感器	正弦波	0.1	10	4
16-5号传感器	正弦波	0.1	10	4

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2016年7月31日, 16-4号钻孔倾斜传感器在新疆阿图什下井安装, 安装后的早期数据如图 5所示。

图 5  阿图什站CBT型钻孔倾斜传感器安装初期观测数据

Figure 5.  Observation data in early assembly of the CBT borehole tilt sensor at Atushi station

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2016年8月3日, 16-5号钻孔倾斜传感器在新疆新源地震观测点下井安装, 安装后的早期数据如图 6所示。

图 6  新源地震台CBT型钻孔倾斜传感器安装初期观测数据

Figure 6.  Observation data in early assembly of the CBT borehole tilt sensor at Xinyuan station

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由图 5、6可知, 仪器安装后传感器快速稳定, 很快便记录到固体潮汐, 形态光滑, 漂移量较小, 说明振动时效预老化起到了积极作用。

需指出的是, 钻孔倾斜传感器的稳定工作与传感器自身稳定、钻孔条件、台站地质条件、耦合可靠性等诸多因素密不可分, 多因素共同作用才能保证钻孔倾斜传感器稳定工作, 产出高质量的观测数据。而传感器自身稳定可靠性仅为其中一个影响因素, 是产出高质量观测数据的必要条件, 而非充要条件。

由于残余应力的检测只能针对某个零部件, 一般还会产生损伤, 因此传感器振动时效预老化前后难以开展整体检测工作, 在实践中的应用效果检验无疑是一种有效手段。CBT型钻孔倾斜传感器在阿图什地震台快速稳定并投入观测的实例, 充分说明实验室振动时效预老化工艺对倾斜传感器快速稳定起到了积极作用, 此预老化系统及工艺对地震监测领域的摆式传感器具有较大借鉴意义。

3.   结语

CBT型钻孔倾斜传感器采用振动时效预老化工艺, 消除传感器加工、装配过程中的残余应力, 满足传感器快速稳定应用的要求, 取得良好的实践应用效果, 为地震监测领域的摆式传感器提供了新的预老化思路。与此同此, 应认识到影响传感器稳定工作的因素较多, 需诸多因素的共同配合, 且预老化工艺的积极作用需在更多的台站应用中加以检验, 该工艺也需进一步探索和完善, 才能更好地服务于地震监测事业。