Development of TY-series high-precision volumetric strain gauge: Analysis and application of its seismic reflection capability
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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3 W；长期稳定性好；灵敏度高，分辨率达到10−11ε；高频特性和低频特性好，采样率10~100 Hz，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Φ89 mm，适用于Φ100 mm钻孔，长度1300 mm，重量45 kg，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。
Abstract:The article reviews the development of the volumetric borehole strain gauge. In response to the current problems of insufficient stability and bandwidth and low calibration accuracy of the volumetric strain gauge, a TY-2B-type small volumetric borehole strain gauge was developed with innovative improvements in the hydraulic sensor, control circuit, and calibration method. The improved hydraulic sensor improves the accuracy and reduces the instrument’s volume; the improved control circuit increases the sampling rate, bandwidth, and the instrument’s stability; the innovative piezoelectric ceramic calibration technology raises the reliability of the monitoring data. The test results show that the improved TY-2B volumetric strain gauge has a low power consumption of less than 3 W, good long-term stability, high sensitivity with a resolution of 10-11 ε, and suitable high-frequency and low-frequency. It has a sampling rate of 100 Hz and can acquire complete seismic strain waveforms with precise and stable solid tide waveforms. It is small and light, with a reduced outer diameter of Φ89 mm for Φ100 mm drilling, a length of 1300 mm, and a weight of 45 kg for easy transport and installation. After 15 years of laboratory and field station testing, it obtained good monitoring data and demonstrated its highly sensitive seismic reflection capability. The observed response of the volumetric strain station in the northern section of Longmen Mountain to the 2010 Yushu earthquake and the 2023 Turkey earthquake shows that the TY-series high-precision volumetric strain gauge is not only a static strain gauge but also a broad-frequency strain seismograph with dynamic-static calibration capability. It has a unique advantage over pendulum seismometers in that it can observe both the long-term slow deformation and accumulation of deformation in the earth’s crust and the transient subtle features of crustal rupture and deformation. The long-term trends of the monitoring curves obtained from the Qingchuan–Hanzhong volumetric strain stations since the Wenchuan earthquake and the Guangzhou station since 2021 are consistent with the regional geological characteristics reflected by the seismic and tectonic geological data, indicating that the TY-2B volumetric strain gauge can meet the needs of geological scientific research and geological hazard observation.
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0. 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。Sacks et al.(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（Sacks et al.，1978；Linde et al.，1996；Roeloffs，2006；张凌空和牛安福，2008；邱泽华等，2012；Takanami et al.，2013；Bonaccorso et al.，2016；邱泽华，2017；Barbour and Crowell，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10−9~10−11ε（ε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10−10~10−11ε。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6~8 m，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30 L，测试其灵敏度在0.1 Hz采样率下达到10−12ε，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（Benioff et al.，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25 mm，直径为Φ0.1 mm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Φ108 mm，长度超过6 m，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Φ150 mm，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，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10−9～10−11ε。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Φ114 mm，总长度5 m，其中感应腔（舱段）硅油36 L，有效工作长度4 m，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Φ114 mm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。
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Figure 2. Schematic diagram of liquid-level-type TY-1 volumetric strain gauge and hydraulic-type TY-2B volumetric strain gauge developed by the Institute of Geomechanics, CAGS1998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2.1 m，感受腔长度1 m，重量70 kg，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±5 V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1.3 m，重量45 kg。同时进行了探头数字化改造，采用48VDC供电，井下功耗<3 W，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10~100 Hz，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。
2. TY-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。
图 3 体积单元三轴向应力作用σ—正应力；τ—常应力；ε—轴向应变Figure 3. Triaxial stress action of volumetric elementsσ–positive stress；τ–normal stress；ε–axial strain体积单元每个面上有一个法向正应力和两个剪应力，σx、σy、σz为三轴方向正应力，τxy、τyz、τzx为剪应力，εx、εy、εz为x、y、z轴向应变。各向同性材料符号规定：①正应力：拉应力为正，压应力为负；②剪应力：对单元体内任一点取矩，若产生的矩为顺时针，则τ为正，反之为负；③线应变：以伸长为正，缩短为负；④切应变：使直角减者为正，增大者为负；⑤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ΔV=V '−V，称为体积应变，以εV表示，即
εV=V'−VV=ΔVV (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εx、εy、εz为：
εx=σxE−μ(σy+σz)E；εy=σyE−μ(σx+σz)E；εz=σzE−μ(σx+σy)E (2) 式中E—弹性模量； μ—泊松比。
即立方块变形后每边长分别为1+εx、1+εy、1+εz，体积应变为：
εV=V'−VV=(1+εx)(1+εy)(1+εz)−11=εx+εy+εz+εxεy+εyεz+εxεz+εxεyεz (3) 因为εx、εy、εz数值极小，其乘积为高阶小量可以忽略，上式可简化为：
εV=εx+εy+εz (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：
εV=ΔVV=1−2μE(σx+σy+σz) (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(1−2μ) (6) 2.2 TY-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
ΔP=KCΔVV (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(1.1×103 MPa)；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(n20−1)n20(3−6μ+2μ2)+2(1−μ2) (9) 式中，E—内芯柱材料（不锈钢）的弹性模量，2.1×105 MPa；µ—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。
图 4 内径Φ8.1 cm的钢筒设置不同芯柱直径与体积压缩模量关系Figure 4. Relationship between different core diameters and volumetric compression modulus for cylinder setup with an inner diameter of Φ 8.1 cm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0.15~0.3 mm。间隙取值取决于安装条件，安装深度<200 m，水压变形小，其间隙可取0.15 mm；安装深度大于200 m，要考虑水压变形，间隙可取0.3 mm。
体应变仪感受筒采用外径Φ89 mm/内径Φ81 mm的不锈钢筒，长度1 m和0.5 m，芯柱采用外径Φ7.75 mm/内径Φ6.5 mm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=2576.5 cm，芯柱体积Vm=2358.65 cm3，芯柱体积压缩模量Km=18364.39 MPa/cm3，其内硅油体积VH=217.8 cm3，结构系数C=V/VH=11.7，计算其视体积压缩模量KC=5296.2 MPa/cm3。
2.3 TY-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εv时，硅油产生压力变化ΔP。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500 hPa和1000 hPa，满量程输出150 mV。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。
图 5 应变仪的体应变−电转换关系图.Figure 5. Volume strain-electric conversion diagram for a strain gauge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2×10−11ε，量程为2×10−11~1×10−5ε。体应变仪感受筒体积应变为2×10−11ε、1×10−9ε、1×10−5ε时，硅油压力为0.001 hPa、0.05 hPa、500 hPa，压力传感器输出为0.3 μV、15 μV、150 mV，将信号放大器设置放大32倍时，仪器输出为9.6 μV、0.48 mV、4800 mV，满足ADS1210对信号的要求。
控制电路在感知压力超过±500 hPa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l×10−5ε。
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20~100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（20~100 Hz），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45 μm位移，使波纹管直接产生1×10−12~1×10−5ε，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：①仪器渗漏检查；②电磁阀性能检查；③KC视压缩模量（无地层约束）测试；④仪器满量程、灵敏度、体应变格值标定；⑤频谱特性和带宽测试；⑥线性度测试；⑦仪器温度稳定性分析。
（2）现场标定
可以进行以上①~⑥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。
2.5 TY-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Φ89 mm直径316不锈钢管焊接而成，总长1300 mm。内部由工作舱段、压力平衡舱段和仪器舱段组成，其中，工作舱段长500 mm，工作体积2576.5 cm3，装2支量程分别为0.1 MPa和0.05 MPa的高精度压力传感器；压力平衡舱段长度400 mm，封闭350 ml、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400 mm，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1.5 mA恒流源供电，产生±200 mV压力信号，再由MSC1210单片机24位4通道高精度AD转换器转换成数字信号，通过光隔离RS485总线传输到地面（图7a）。为防止压力超过传感器量程，损坏压力传感器，增加了压力监控电路，当体应变仪感受筒内压力超过一定数值时，自动打开电磁阀平衡工作舱段压力，使传感器归零。整个体应变仪系统精度为10−11ε，能观测到清晰的固体潮信息。MSC1200单片机内置精度0.2 ℃的温度传感器，用来测量探头内温度变化。工作舱的下部设有孔隙压和温度传感器，用它们来测量岩石的孔隙压力和温度。TY-2B型体应变仪实物如图7b所示，主要技术指标如表1所示。
表 1 TY-2B型体应变仪技术指标Table 1. Technical index of TY-2B volumetric strain gauge项目名称 技术指标 系统供电电压 12~48 V/DC 系统功耗 井下功耗<3 W AD位数 24位数据井下采集 系统采样速率 20~100Hz 数据传输模式 RS485传输 系统观测灵敏度 ≈1×10−11ε 系统观测动态范围 ≥1×105ε 
图 7 TY-2B型体应变仪结构示意图及实物Figure 7. Structural diagram and profile display of TY-2B volumetric strain gauge3. TY-2B型体应变仪映震能力及其在活动断裂监测中的应用
3.1 体应变监测站构成及监测数据质量分析
汶川地震后，为了了解龙门山北段平武−青川断裂活动状态及对汉中地区地壳稳定性的影响，2008年6—7月在平武−青川断裂中段大安—代家坝布置2个地应力监测台站，监测断裂带两侧地应力变化及其流体变动情况。地应力监测台站由井下设备和地表仪器组成（图8），井下设备包括井底TY-2B体应变仪、孔隙计、石英温度计，观测岩石应力变化和岩石流体孔隙压和温度变化；地表仪器涉及水位计、水温计、地震计和通讯供电系统构成，以获得微地震事件，监测地下水位和水温变化。台站井下电源采用太阳能和其它设备采用市电双电源。
大安台位于陕西省汉中宁强县大安镇，地理坐标为东经106.30°、北纬33.05°，海拔高程688.92 m。台站位于平武−青川断裂南1250 m，台基岩性为半风化粗粒花岗岩，浅粉红色，呈粗砂状，钻探向下10 m左右进入完整岩石。开口孔径为Φ150 mm，终孔孔径为Φ130 mm，孔深100.3 m，套管深度20 m，水深2.3 m，体应变仪安装深度为95m。安装日期：2008年6月3日。
代家坝台位于宁强县代家坝镇，地理坐标为东经106.13°、北纬33.05°，海拔高程595.97 m。台站位于平武−青川断裂北5003 m，台基岩性为中晚元古中厚层变质片岩，灰黑色，坚硬状态，层状结构，节理发育，开口孔径为Φ150 mm，终孔孔径为Φ130 mm，孔深31.5 m，套管深度10 m，水深0.5 m，体应变仪安装深度为30m。安装日期：2008年7月1日。
台站仪器安装接近15年，电源和电池每3~4年更换一次，TY-2B型体应变仪至今仍然在正常工作。选取2010年4月份和2011年4月份（图9a、9b）大安台全月体应变曲线，对比观测数据表明：固体潮幅值长期稳定，固体潮最大日变幅差为5×10−8ε，应变仪工作正常，数据较为可靠。
图 9 汶川地震及玉树地震前后体应变变化曲线Figure 9. Volumetric strain curves recorded before and after the Wenchuan earthquake and Yushu earthquake根据上述应变观测资料，反映出正常稳定的固体潮信息，其全日波、半日波和1/3日波清晰可见；台站长期体应变特征亦可从固体潮曲线中读取，反映出观测区应力场大小的长期变化。汶川地震以来，位于平武−青川断裂东南盘的大安台应变固体潮曲线处于长期稳定的下降趋势，由2010年4月平均日降率为6×10−9ε/d到一年后的2011年4月平均日降率为1×10−9ε/d（图9a、9b）。位于平武−青川断裂西北盘的代家坝台应变固体潮处于长期稳定的上升趋势，2010年4月平均上升率为13×10−9ε/d（图9c），到一年后趋于稳定。反映汶川地震后青川—汉中地区区域应力场在持续稳定调整直至相对均衡，2011年后逐渐稳定，区域应力场的变化趋势与区内地震活动在此时间区间内的频度变化相符。
2010年4月14日，青海省玉树藏族自治州发生6次地震，最高震级7.1级，发生在07时49分40秒，地震震中位于玉树市区附近。09时25分17.8秒，青海省玉树市再次发生6.3级地震，震源深度30 km。大安台接收到了清晰的应变地震波（图9d—9f），同一台站收到地震波P波初至均为负向起跳（拉张），到时分别是07时54分47.88秒和09时30分29.16秒；与中国地震台网目录（data.earthquake.cn）公布的发震时刻比较，P波走时分别是5分7.88秒和5分12.08秒；第二次地震的P波走时增加4.2秒，从大安台（图9e）来看，表明第二次地震震中相对第一次地震震中距离大安台站更远。两次地震的地震波最大振幅分别为377.2×10−9ε和62.2×10−9ε。体应变地震波波形震相清晰，反映体应变仪灵敏度高、频带宽，既是静态应变仪，也是宽频应变地震仪。
3.2 TY-2B型体应变仪对土耳其地震的映震能力
2023年2月6日在土耳其中南部卡赫拉曼马拉什省发生两次大规模地震。第一次7.8级（矩震级）地震发生在当地时间凌晨4时17分（北京时间9时17分；东经37.03°，北纬 37.17°），第二次7.5级地震发生在13时24分（北京时间18时24分；东经37.20°，北纬38.02°），位于7.8级地震北北东方向约100 km。地震发生在安纳托利亚高原和伊朗高原的过渡地带，位于东安纳托利亚左旋走滑断裂带上。地震发生后，地应力台网下属的多个体应变监测站点均对两次远震有清晰响应，甘肃山丹、广州沙湾2个台站记录的完整的应变地震波波形（图10a、10b），可以清晰的识别S波及面波信号，并可大致识别Pn波到时（图10c）。以广州沙湾台站为例，两次地震引起的应变仪周圈岩石最大与最小体应变差值分别为150×10−9ε和101×10−9ε，相差1.48倍。对比湖北省某地震台站使用摆式地震仪记录的三分量地震波形（图10d，起始时间为格林尼治时间15时40分），可以看到体应变仪除了记录到波形相近的地震信号外，还记录到清晰的固体潮信息，其周期约12小时，幅值约为60×10−9~80×10−9ε。可见相比记录观测点位移的传统摆式地震仪，体应变仪响应频带更宽，不仅可以记录高频的弹性波波形，还可以获取断层蠕滑或慢地震等摆式地震仪无法获取的长周期信号，能有力支撑深地科学研究。
图 10 2023年2月6日土耳其地震体应变响应及其与摆式地震计响应对比Figure 10. Volumetric strain response of the February 6, 2023 Turkish earthquake and its comparison with pendulum seismometer responseTY-2B型体应变仪系统观测灵敏度≥1×10−11ε（表1），即可清晰分辨10−10ε量级振幅的应变地震波。利用土耳其7.8级地震产生的应变地震波对沙湾台站体应变仪的映震能力进行检测，7.8级地震应变地震波产生最大体应变为150×10−9ε，根据震中距与地震能量计算经验公式E=104.8×101.5M推算，TY-2B型体应变仪理论上可分辨出100km范围1.0级地震产生的应变地震波。
3.3 体应变仪台网在粤港澳大湾区活动断裂监测中的应用
2019年至2020年期间，依托中国地质调查局二级项目粤港澳大湾区活动断裂调查与地壳稳定性评价（DD2019290），在广州市南沙区万顷沙镇、广州市番禺区沙湾镇、广州市白云区嘉禾建设了3个体应变监测站，监测目标分别是白坭−沙湾断裂、狮子洋断裂、广州−从化断裂。2021年以来台站数据产出趋于稳定，3个台站在2022年1月记录的包含固体潮信息的体应变变化曲线（图11a—11c），可以看出在白坭−沙湾断裂、狮子洋断裂、广州−从化断裂的持续活动影响下，3个监测点岩石圈介质体应变变化。即万顷沙台站体应变长期变化为正，显示了压缩应力状态；沙湾及嘉禾台站体应变长期变化为负，显示了拉张应力状态。体应变监测曲线与断裂产状及活动特征（表2）在弹性半空间中模拟的观测点处岩石圈介质体应变变化趋势（图11d）大体一致。
表 2 广州主要断裂产状及活动特征Table 2. Occurrence and activity characteristics of main faults in Guangzhou断裂名称 断裂走向/（°） 断裂倾向 倾角/（°） 断裂长度/km 活动特征 白坭−沙湾断裂 320～330 SW/NE >50 125 正断 狮子洋断裂 310～330 NE/SW 70～85 50 正断 广州−从化断裂带 40 NW/SE 40～60 65 正断兼走滑 
图 11 广州主要断裂活动造成的体应变变化模拟与实测曲线的对比Figure 11. Comparison between measured curves and simulated volumetric strain changes caused by major fault activities in Guangzhou4. 讨论与展望
虽然观测结果证实了TY-2B型体应变仪在探测构造应力场变化、断层活动、地震波及同震应变阶跃的高分辨率、稳定性、频带宽度及数据可靠性，但仍有待改进或进一步研究的地方。例如仪器系统的电缆连结可靠性（防腐、防水）需要进一步提升；电源模块防雷保护是影响寿命的主要因素，需要不断创新。目前，探头耐压密封的问题已经通过激光焊接的技术解决，但仍需进一步研究测试长寿命的耐水压电缆和可靠的水下接头以达到增加探头安装深度及提高仪器使用年限的目标。
在应变仪探头结构方面，从体应变仪对应变地震波的响应可以看出，仪器对钻孔径向应变，即剪切型应变地震波（S波）响应较好，而对于压缩型应变地震波（P波）响应偏弱，特别是类似土耳其地震这样震中距数千千米，震源深度数十千米的远震。原因是钻孔应变观测一般为垂直钻孔，Pn波沿莫霍面传播后近乎垂直入射至接收仪器，岩石介质震荡变形方向与钻孔轴向夹角极小。为解决此问题，计划在现有体应变观测技术基础上，研制开发三分量体应变仪，提高设备对竖直方向应变的响应能力。此外使用应变仪获取的应变张量求解地震震源机制解是可行的（邱泽华，2020），研发三分量体应变仪亦可全面获取各个方向上的应变张量，为地震学研究提供新的数据源。
在进一步小型化方面，正在研制的体应变仪直径为Φ60 mm，适应孔径为Φ90 mm钻孔，已在1200 m深煤矿、金属矿山中开展了稳定性测试。此外下一步研究方向要加强仪器的性能检测，做好相应的记录，对漂移进行详细分析，以积累数据，提高识别异常变化的可靠性。同时还要加强现有地应力实时监测数据分析，研究监测数据与断裂活动、地质灾害成灾机理等之间关系，挖掘地应力监测数据的应用潜力，为灾害预测提供依据。
5. 结论
通过对液压传感器、控制电路、标定方法上的创新改进，TY-2B型体应变仪提高了稳定性、频带宽度及数据可靠性，并在龙门山北段、珠江口等地区的监测台站投入了应用，获取了良好的监测数据，体现了高灵敏的映震能力，监测曲线较好的反映了区域构造活动特征。
（1）研制的TY-2B型体应变仪功耗低，小于3 W；长期稳定性好；灵敏度高，体应变分辨率达到10−11ε；高频特性和低频特性好，采样速率10~100 Hz，可采集完整地震应变波波形；固体潮波形清晰稳定；创新的压电陶瓷标定技术提高了监测数据可靠性。此外，体应变仪外径缩小至Φ89 mm，适用于直径为Φ100 mm钻孔，长度1300 mm，重量45 kg，体积小重量轻，运输和安装方便，进一步实现了小型化。
（2）陕西大安、甘肃山丹和广州沙湾等体应变监测台站分别对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。
（3）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型体应变仪可以满足地球动力学研究、地质灾害预测预警观测需求。
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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
Figure 2. Schematic diagram of liquid-level-type TY-1 volumetric strain gauge and hydraulic-type TY-2B volumetric strain gauge developed by the Institute of Geomechanics, CAGS
图 3 体积单元三轴向应力作用
σ—正应力；τ—常应力；ε—轴向应变
Figure 3. Triaxial stress action of volumetric elements
σ–positive stress；τ–normal stress；ε–axial strain
图 4 内径Φ8.1 cm的钢筒设置不同芯柱直径与体积压缩模量关系
Figure 4. Relationship between different core diameters and volumetric compression modulus for cylinder setup with an inner diameter of Φ 8.1 cm
图 5 应变仪的体应变−电转换关系图.
Figure 5. Volume strain-electric conversion diagram for a strain gauge
图 7 TY-2B型体应变仪结构示意图及实物
Figure 7. Structural diagram and profile display of TY-2B volumetric strain gauge
图 9 汶川地震及玉树地震前后体应变变化曲线
Figure 9. Volumetric strain curves recorded before and after the Wenchuan earthquake and Yushu earthquake
图 10 2023年2月6日土耳其地震体应变响应及其与摆式地震计响应对比
Figure 10. Volumetric strain response of the February 6, 2023 Turkish earthquake and its comparison with pendulum seismometer response
图 11 广州主要断裂活动造成的体应变变化模拟与实测曲线的对比
Figure 11. Comparison between measured curves and simulated volumetric strain changes caused by major fault activities in Guangzhou
表 1 TY-2B型体应变仪技术指标
Table 1. Technical index of TY-2B volumetric strain gauge
项目名称 技术指标 系统供电电压 12~48 V/DC 系统功耗 井下功耗<3 W AD位数 24位数据井下采集 系统采样速率 20~100Hz 数据传输模式 RS485传输 系统观测灵敏度 ≈1×10−11ε 系统观测动态范围 ≥1×105ε 
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表 2 广州主要断裂产状及活动特征
Table 2. Occurrence and activity characteristics of main faults in Guangzhou
断裂名称 断裂走向/（°） 断裂倾向 倾角/（°） 断裂长度/km 活动特征 白坭−沙湾断裂 320～330 SW/NE >50 125 正断 狮子洋断裂 310～330 NE/SW 70～85 50 正断 广州−从化断裂带 40 NW/SE 40～60 65 正断兼走滑
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