0 引言

作为直接嵌入地震断裂带附近地下岩层的一款仪器，TJ-2型体积式应变仪（简称体应变仪）可获取大量实时监测数据，对研究地震具有重要意义（周龙寿等，2009；马京杰等, 2020, 2021）。截至2021年12月31日，安徽共有15套该型仪器在网运行，站点遍布省内各大断裂带。体应变仪具有灵敏度高、占地少、易选址、抗干扰能力强等优点，但其结构复杂、故障率较高（陈莹等，2009；周洋等，2011；邓建刚等，2013）。

TJ-2型体积式应变仪工艺精密，内部结构复杂，当仪器产出异常数据时，无法直接判断是仪器故障还是外界干扰导致。为此研发一款TJ-2型体应变仪故障检测装置（简称检测仪），分别对体应变仪主机和探头进行检测，查看仪器是否正常运行，从而判断数据异常原因。

1 设计

检测仪系统架构见图 1，包含主机端和探头端2部分。主机端连接被检修设备探头，通过主机端显示的输出电压，可判断被检修设备探头是否正常运行；将探头端连接被检修设备主机，向其输入固定电压，检测输出电压，可判断被检修设备主机是否正常运行。

1.1 主机端工作原理

主机端由交流变压器、信号电源板（±9 V DC）、24 V DC电源适配器和电压数显表组成，其中信号电源板电路设计见图 2（赵友全等，2010；舒赞辉等，2017）。外接220 V交流电经变压器转换为9 V交流电，输入电源板转换为±9 V直流电为探头端放大板供电；外接220 V交流电经24 V电源适配器转换为24 V直流电，为数显表供电；数显表接收放大板电压放大信号并在数码管屏显示。

1.2 探头端工作原理

检测仪探头端包含传感器和放大板2部分。传感器采用反向惠斯通电桥原理，电路设计见图 3（周继勇，2012；罗福龙等，2018）。电阻R₁、R₂、R₃、R_x（R₄/R₅）为电桥的4个臂，其中R_x由按钮开关控制，可选择接入R₄或R₅，电桥供电电压为+6 V，信号输出端分别设为S₊和S_-（输出压差V_S）。电桥平衡时，4个臂的阻值满足公式（1），利用该关系式可推算输出信号电压。

$ V_{\mathrm{S}}=6\left[R_2 /\left(R_1+R_2\right)-R_x /\left(R_3+R_x\right)\right] $

(1)

R₁ = R₂ = R₃ = 3.88 kΩ，将R₄ = 3.914 kΩ，R₅ = 3.992 4 kΩ分别代入式（1），计算得到V_S分别为0.013 V和0.042 875 V。V_S经放大板放大（80倍）后，在图 3右侧OUT口输出放大信号，电压分别为1.04 V和3.43 V。

若已知放大输出信号电压值，可通过公式（2）反推R_x。

$ R_x=\left[6 R_2 R_3-R_3\left(R_1+R_2\right) V_{\mathrm{S}}\right] /\left[6 R_1-\left(R_1+R_2\right) V_{\mathrm{S}}\right] $

(2)

2 功能测试

为了验证检测仪性能，进行4次测试，测试如下：测试1，将检测仪主机端和探头端相连接，R_x选择接入R₄，主机端显示输出电压为1.04 V，与理论值相同，如图 4（a）所示；测试2，将检测仪主机端和探头端相连接，R_x选择接入R₅，主机端显示输出电压为3.43 V，与理论值相同，如图 4（b）所示；测试3，将检测仪探头端和体应变仪主机相连接，R_x选择接入R₄，体应变仪输出电压为1.04 V，与测试1检测仪输出电压值相同，如图 4（c）所示；测试4，将检测仪探头端和体应变仪主机相连接，R_x选择接入R₅，体应变仪主机显示输出电压为3.43 V，与测试2检测仪输出电压值相同，如图 4（d）所示。

测试结果表明，检测仪主机和探头设计原理与体应变仪吻合，可通过不同组合方式实现体应变仪主机和探头的分离式检测，为仪器故障的快速准确判断、新仪器性能检测提供了便利条件。

3 应用

2021年12月定远地震台体应变仪发生故障，具体表现为数据突跳、固体潮消失。使用本检测仪对该台体应变仪主机和探头进行检测，发现当将检测仪探头端连接体应变仪主机时，体应变仪主机显示工作电压为检测仪探头端设定电压，表明体应变仪主机运行正常；当将检测仪主机端连接体应变仪探头时，主机显示输出电压异常，表明探头存在异常，进一步排查发现井下探头前级放大板受潮损坏。检测仪的成功应用表明，此检测仪可用于体应变仪设备故障排查，判断故障源。

4 结束语

利用TJ-2型体积式应变仪故障检测装置，可通过输出电压值判别被检修设备故障源，从而达到快速检修的目的。该装置功能单一，尚无法应对复杂场景下的仪器设备检修，如：观测环境异常导致的数据异常，主机和探头同时发生故障。