0 引言

伸缩仪主要用于测量地壳表面两点之间的应变量，为研究地震孕育过程的应变变化规律提供相关数据。从“九五”开始，SS-Y型伸缩仪(包括石英管型、铟钢棒型、铟钢管型)在我国地震地球物理台网中已安装使用多年。对地壳长期变化和潮汐变化的观测而言，仪器观测资料精度高且长期稳定性较好。

但从服务于地震预测的观测需求来看，SS-Y型伸缩仪存在以下问题：①SS-Y型伸缩仪的观测频带约为DC—60 s(杨江等，2012)，高频信息缺失；②SS-Y型伸缩仪采用了差动变压器进行位移测量，其优点是稳定、可靠、环境适应性强，但差动变压器的分辨力有限，为提高观测信噪比，通常仪器的基线长度要求为20—30 m，因过长的基线可导致仪器的抗干扰能力(特别是抗气压干扰)较弱(张凯等，2016；樊冬等，2017)；③SS-Y型伸缩仪标定格值与实际格值间存在误差，且在长期使用中容易出现格值变化及不稳定的情况；④ SS-Y型伸缩仪NS、EW分量和斜边分量的数据相关性较差，仪器的异常数据缺乏佐证信息。为此，本文将对问题来源进行理论分析，并提出一种全新的解决思路。

1 SS-Y型伸缩仪问题来源分析

伸缩仪的观测原理如图 1所示。

伸缩仪主要用于观测地壳表面A、B两点之间的应变变化，即测量A、B两点之间的位移差值。在基线长度不变时，地壳表面A、B两点之间的位移变化就是传感器的位移变化。因此，伸缩仪地应变测量需关注以下几点：①基线不变原则。基线需要有极低的线膨胀系数，以保证在洞体观测环境下，基线自身的变化值远小于被观测量。②观测信噪比。为保证固体潮观测，仪器整体分辨力应小于5×10^-10应变量，量程不小于5×10^-6应变量。基线长度越长，则观测对象的位移变化量越大，对传感器分辨力的要求越低；③长期稳定性。除要求传感器和放大电路自身稳定性以外，还需考虑结构稳定性，特别是在长基线情况下，基线在测量方向上应尽可能保持单自由度。

现有伸缩仪行业评价标准主要评价数据连续率和固体潮观测曲线质量，SS-Y型伸缩仪能较好地满足需求。但地震分析预测工作更关注异常信息的提取，特别是中短期及临震的高频异常信息以及异常信息的可靠性和准确性。基于此，对SS-Y型伸缩仪存在的问题分析如下。

1.1 观测频带

蒋骏等(2012)研究发现在地震台站和固体潮台站的日常监测中，观测数据中常有异常“脉动”信号叠加在固体潮曲线上，异常“脉动”具有3—7 s/8—25 s/2 Hz/16 Hz以及大于30 s等主频信息，其中，很多“脉动”信号与强地震相伴随。在SS-Y型伸缩仪的观测数据中，未发现有类似的脉动信息，这可能与伸缩仪的观测频带直接相关。SS-Y型伸缩仪的观测频带约为DC—60 s，对固体潮观测而言，其能够有效滤除高频噪声，保证观测曲线的光滑。但从地震预测角度来看，高频信息缺失对地震地球物理异常研究不利，因此拓展观测频带是地形变仪器未来首要发展方向。

SS-Y型伸缩仪采用差动变压器作为位移传感器，其分辨力为3—5 nm。为了满足观测需求，实际安装中要求仪器基线长度不小于20 m，因此必须增加中间支架和吊丝以保证基线水平。理论上来说，伸缩仪测量组件之间为全刚性连接，其观测频带为全频带，但框架和吊丝使仪器形成一个类摆系结构，影响了仪器的频响特性。因此，结构优化是伸缩仪频带拓展需要解决的首要问题。

1.2 抗干扰能力

SS-Y型伸缩仪在实际观测中偶尔会出现畸变异常。大量研究发现，应变观测值的波动与气压变化间成正比，气压变化是伸缩仪日变观测曲线畸变的主要因素之一，且多以短周期微动态干扰为主。气压对洞体仪器观测资料的影响可以归结为2个方面，即气压引起大气浮力的变化而改变系统平衡和气压的载荷效应引起的地壳形变(樊冬等，2019)。

由SS-Y型伸缩仪原理及结构分析可知，长基线在重力的作用下必定会产生弯曲, 随着基线的增长，这种局部的弯曲和整体的弯曲会更加明显。在实际安装过程中，由于受安装场地的限制，基线各悬挂点很难保证在一条直线上(或同一水平面上)。这样一个系统弯曲的存在就使气压的变化对观测资料的影响得到放大，进而影响到观测资料的日变曲线及精度。基线有效长度变化与气压变化量间成正比关系，即正相关。气压的变化主要表现为上下波动，波动幅度约1×10² Pa，而应变量变化率相对量级达到约10^-8(张文来等，2006)，其影响不可忽略。

1.3 格值误差

SS-Y型伸缩仪的格值误差主要是由仪器的标定方式和标定器结构引起的，格值误差将直接影响仪器观测数据的准确性。

SS-Y型伸缩仪由于受长基线结构的限制，未实现整体标定。标定过程主要是利用标定器对测量端的传感器部分产生的步距位移，并非直接推动整个基线，仪器标定状态和实际工作状态不一致，标定过程未考虑仪器支墩和吊丝结构带来的误差影响。因此，最终采用的仪器格值并非实际格值，由此会带来观测数据的误差。同时，SS-Y型伸缩仪现有标定装置的长期运行容易因进灰等原因造成标定器位移量不准，进而导致仪器标定结果产生格值误差(杨江等，2010)。

1.4 仪器自校验能力较差

SS-Y型伸缩仪基线较长，且安装于山洞不同位置和基岩上，其NS、EW和斜边分量数据相关性较差，异常数据缺乏佐证信息，不利于地震地球物理异常信息的分析。

2 解决方法

通过分析SS-Y型伸缩仪存在的问题发现，问题核心是基线过长。如果把伸缩仪的基线缩短至1 m，采用全刚性连接及三分量整体密封方式安装，同时采用整体标定法进行仪器标定，则上述问题均可有效避免。仪器基线缩短后最大的影响是观测物理量的幅度大幅减小，因此需要从多个方面保证仪器有足够的观测信噪比。

2.1 频带拓展及传感器精度提升

我们将基线长度缩短至1 m，保证仪器所有组件均为刚性连接且在测量方向上不受外力影响。此时，仪器的观测频带完全取决于传感器的频响特性，一般位移传感器(电感式、电容式等)的频响均可做到DC至数百千赫兹，仪器的频带可轻松拓展至数百赫兹。

根据地应变测量原理，观测物理量的幅度正比于测量基线长度。基线长度缩短至1 m时，为满足仪器分辨力小于5×10^-10的要求，则位移测量分辨力应小于ΔL= L×10^-10 = 0.5 nm，因此传感器分辨力必须小于0.5 nm。目前，最成熟的解决方案是采用电容传感器进行位移测量，因电容传感器精度高、频带宽、结构简单且具有良好的动态特性。

2.2 洞体温度变化

伸缩仪测量原理的关键点是基线长度保持不变。仪器基线材质选择铟钢材料，其线膨胀系数约为2×10^-7 ℃，按规范要求山洞日温差应小于0.02 ℃，则仪器1 m基线日应变变化小于4×10^-9。若要保证仪器的分辨力小于5×10^-10，则必须进一步降低观测环境的日温差。长期的观测发现，在洞体1 m深处的密闭空间中，日温度波动仅为洞体空气日温度波动的1%左右，这为解决温度变化干扰提供了思路(孔向阳等，2011)。

2.3 仪器结构设计及密封

电容位移传感器有着很高的精度，能满足仪器观测信噪比的要求，可提高应变观测精度。但采用电容传感须首先解决密封问题，因为若电容微传感器处于开放空气中，环境湿度的变化会导致电容的介质改变并使之极易受到外界电磁波的干扰，最终传感器不能正常工作。仪器基线缩短后可以采用单分量全密封及多分量整体密封方式。单分量密封用于保证电容传感器的工作环境，多分量整体密封可以利用EW向、NS向及斜边的数据进行自校验。同时，这也解决了仪器易受气压干扰的问题，并且降低了对观测环境的要求。

2.4 标定及调零

对高精度仪器来说，自动标定和调零一直是难点问题，标定、调零装置既不能影响仪器本身观测的特性和可靠性，又必须保证自身的精度和长期稳定性。可考虑采用压电陶瓷和超磁致伸缩新型材料2种方式，研制高精度、高重复性、高稳定性标定装置，实现自动标定功能；采用微位移机构和单片机过零检测实现自动调零功能。

3 短基线超宽频带伸缩仪设计思路

为解决SS-Y型伸缩仪存在问题，本文提出一种短基线超宽频带的新型应变观测仪器设计思路。

3.1 机械结构

仪器的机械结构设计方案如图 2所示。

仪器主要由固定端、基线、测量端、密封防护罩等4部分组成。

(1) 固定端。在基岩上浇筑300 mm×300 mm基墩，基墩用9根Φ10 mm钢筋与基岩刚性连接，并在其顶部预埋20 mm厚度的不锈钢底板。利用螺栓将标定座固定于不锈钢底板上，固定座安装于标定底座的滑道上，基线安装于固定座上。需要注意的是，因基线本身无任何托悬装置，所以必须保证基线的平行度，固定座与基线的连接强度要足够。

(2) 基线。仪器基线必须保证足够的刚度和极低的线膨胀系数。为了保证基线有足够的抗弯刚度，可采用铟钢管作为测量基线，设计加工规格为外径20 mm，壁厚1.8 mm，长1 000 m。铟钢管线膨胀系数约为2×10^-7 ℃，通过深基坑安装和全密封方式使仪器观测环境温度变化小于0.001 ℃，从而保证仪器的分辨力小于5×10^-10。

(3) 测量端。电容传感器动片固定于基线上，定片固定于调零底座上，安装时应保证动片和定片严格平行。调零底座上设计微位移机构用于电容传感器的自动调零。不锈钢罩上开孔安装防水接插件，用于微位移机构的控制。

(4) 密封防护罩。为实现仪器的密封防潮，需要进行整体密封设计。仪器基墩上设计方形不锈钢罩，不锈钢罩与不锈钢底板之间增加橡皮垫，采用螺栓连接，不锈钢罩上盖采用法兰盘连接，以方便仪器调试和维护。基线防护管采用不锈钢管，其与不锈钢罩采用法兰盘连接，2个基线防护管之间采用软质波纹锡箔管连接，以消除防护罩对仪器的观测影响。防护罩安装完成后，所有连接处涂胶密封，以保证仪器本体的密封性。

3.2 电容传感器

为了提高灵敏度，减小非线性误差，电容传感器采用三片式的差动位移传感器，其由3块方形铜板组成，中间的动片与基线垂直刚性连接，两边的定片固定于测量端底座，装配时三者应严格保持平行，同时设计自动调零装置，实现传感器自动调零功能。

测量电路将电容量的变化转换成电压值。由于动片离零位的距离Δd与传感器的输出电压ΔU间成正比，故由传感器的输出电压ΔU，就可以求出动片与零位间的距离，即可根据输出电压的变化量，求出动片位移的变化量。

利用晶体震荡器和低漂移、低噪声、低功耗的运算放大器组成频率幅度更稳定的正弦波激励信号源，将其代替分立的RLC构成的震荡电路，较好地消除了温度漂移引起的频率和幅度的不稳定，提高了电容传感器电路误差的一致性，减小了电容传感器在电路上引起的灵敏度差异(Beker et al，2018)。

由于传感器输出电压ΔU的幅度很小，信噪比较低，因此需经高增益放大后才能检测出有用信号；干扰信号与参考信号同频率且同相位的几率较小，利用相敏检波技术良好的压制干扰的能力，可以从被噪声干扰的信号中提取有用信号。电容位移传感器的电路处理方式如图 3所示。

根据观测需求设计电容传感器调理电路，初步确定传感器灵敏度200 mV/μm，分辨力小于0.1 nm，量程±10 μm，从而保证仪器的分辨力小于5×10^-10，仪器量程大于1×10^-5。

3.3 密封及安装方法

为降低日温差的影响，预计在洞体完整基岩上开挖长1.5 m、宽1.5 m、高1.0 m的基坑。基坑开挖完成后浇筑基墩，保证基墩平行度，基坑内进行防水处理。距基坑底部0.5 m处增加台阶，粘接橡胶垫，固定不锈钢盖板并打胶密封，不锈钢盖板上填充保温材料，具体结构如图 4所示。

仪器基线缩短后，将三分量(EW向、NS向、斜边)同时布设在基坑内。这样首先可以降低仪器对安装环境的要求，大幅度降低山洞建设成本，最重要的是可以通过斜边的观测数据与NS、EW向数据进行自校验，验证观测数据的可靠性。三分量布设方式如图 5所示。

3.4 标定装置设计

伸缩仪的标定是用仪器的标定系统产生1个标准或已知位移量来测定仪器的格值，俗称“格值标定”，标定系统的精度会直接影响仪器格值的准确性。

为了解决现有标定出现的格值误差问题，拟采用以下2种方法试制整体标定装置，以保证仪器标定过程和实际工作过程一致。

(1) 铽镝铁合金(Terfernol-D)。Terfernol-D是一类能显示巨大磁致伸缩性能的稀土功能材料，其室温下磁致伸缩系数λ可达1 500—2 000 ppm，其弹性模量为2.5×10⁴ —3.5×10⁴ MPa，抗压强度近700 MPa，能量密度为14 000—25 000 J /m³，于1.0×10^-6—1.0×10^-5 s的极短时间内可精密、稳定地形成与磁场静、动态特性相匹配的无滞后型响应(陈白宁等，2014)。响应稳定，无迟滞及蠕变现象，具有重复位移精度高、无间隙、刚性好、结构简单、紧凑等优点。初步设计结构如图 6所示。

由于超磁致伸缩材料的抗压强度远远大于其抗拉强度，因此采用预压弹簧使其在一定的压力下工作，图 6中左、右2块永久磁铁用来提供一定的偏磁场，以使超磁致伸缩棒在合适的线性范围内工作。永磁体采用铁镍合金与超磁致伸缩棒共同构成封闭磁路以防止漏磁。伸缩传递轴等其他零件均由非磁性不锈钢制成。

(2) 压电陶瓷。压电陶瓷是近年来应用较广泛的微位移驱动元件，它具有频率响应范围广、性能稳定、承载大、体积小、不发热、不产生噪声等优点(李慧鹏等，2018)。利用压电陶瓷设计的微位移装置机械结构如图 7所示。

本文提出2种设计思路，是因为2种方案均有不足之处，铽镝铁合金需要磁场驱动，这不可避免地会产生线圈发热现象，而压电陶瓷存在迟滞和蠕变的问题。实际研发中将通过2种方案对标定和测量的影响误差分析来确定最终的标定装置结构。

3.5 调零装置设计

当记录的应变量漂移超出一定范围时，需对仪器的位移传感器机械零位进行调零。仪器的调零无需获取准确的位移量，一般仅通过反馈技术保证仪器零位调整至某一区间范围内即可。自动调零装置由微动线位移平台、微型变速电机和负反馈控制系统等组成。其基本原理是：位移信号经放大进入同步检波器，再送入调零的三电平双阈值比较器，由OTL电路驱动变速电机通过蜗轮蜗杆结构将位移传感器调至零位。调零结构如图 8所示。

4 结论

本文分析了SS-Y型伸缩仪存在的不足及其产生的原因，并提出了一种超宽频带短基线伸缩仪的设计思路。通过全新的结构和传感器设计，使伸缩仪的观测频带拓宽为DC—100 Hz。目前，洞体地球物理观测仪器在此频带内尚无成熟的观测仪器，本文的设计思路具有一定的创新性。同时，仪器小型化以后，仪器多分量可安装于同一基岩上，NS、EW分量的观测数据可与斜边分量的观测数据进行自校验，这对提高伸缩仪观测数据的可靠性提供了数据支持。通过全密封方式降低温度变化的影响，提升了仪器抗干扰能力。利用压电陶瓷和新型磁致伸缩稀土功能材料铽镝铁合金(Terfernol-D)研制高精度、高重复性、高稳定性的微位移机构，解决了高精度仪器的标定问题。