0 引言

地壳应力随时间的变化过程，对于地学的许多领域有着重要的意义。然而，动态的地应力监测极其困难。目前，获取地壳应力变形信息的手段较为有限，主要方式是钻孔应变测量。基本原理是岩石受力会产生变形，通过岩石变形观测获得应力变化信息。事实上，岩石受力时，不仅会产生变形，还会产生温度变化。温度，作为1个标量，对应力应变具有灵敏的响应(刘培洵等，2004，2007；马瑾等，2007；陈顺云等，2009；Chen et al.，2015)。这也就是说，地壳活动时，岩石温度与其所受到的力相关联，可以通过温度测量来获得应力状态变化(Chen et al.，2016)，称为 “热测应力”。

根据现有的实验结果，1MPa的应力变化可引起1.0mK的温度变化，测量几MPa的应力变化引起的温度变化，温度测量的精度需要达到mK量级。通常而言，同震剪应力降一般为1～10MPa。温度测量的相当于体应力变化，剪应力降还应换算为体应力降。对于正(或逆)断层，同震体应力降至少是剪应力降的2倍。因此，通过温度测量地壳应力的变化，温度观测系统的精度需要达到1.0mK量级，甚至更高。然而，当要求精度达到1.0mK时，实现起来有相当的难度(史去非等，2009；秦洋阳等，2013)。目前，市场上缺乏满足要求的成熟温度测量产品，其中一些产品的某些技术指标达到要求，但整体性能往往差强人意。例如，地震(热)前兆观测中广泛使用的、由中国地震局地壳应力研究所研制的专用石英温度仪，温度分辨率达到0.000i1K(0.1mK)，精度不详；从实际观测资料看，上述石英温度仪精度达到mK量级(赵刚等，2011)；该系统长期使用时采用50Hz照明电供电，短期使用时可用蓄电池供电。经过测试，对于包含1个线长为200m的温度传感器的观测系统，1块200Ahi12V的铅酸蓄电池，可供电2～3周。

另外，地球浅表的温度变化主要来自于地表温度影响。识别地壳应力引起的温度变化，需要去除地表温度热传导的影响(Chen et al.，2016)。要达到这一目的，需要进行多深度观测，即多传感器观测方式。同时，为了便于野外观测，最好能够实现低功耗，无人值守。这样，可以大大节省后期维护成本，利于热测力学的应用普及。

习近平指出:“中国是负责任的发展中大国,是全球气候治理的积极参与者。”[12]党的十九大报告指出,中国“引导应对气候变化国际合作,成为全球生态文明建设的重要参与者、贡献者、引领者”。全国生态环境保护大会上,习近平再次强调:“深度参与全球环境治理,形成世界环境保护和可持续发展的解决方案,引导应对气候变化的国际合作。”

因此，需要研发精度达到甚至优于1.0mK的多通道低功耗，无人值守地温观测系统。本文旨在对高精度测温系统的电子电路设计与实现及实际效果进行研究和探讨。

1 设计方案

电池电压监控： 采用8位ADC芯片TLC549 IP，参考源范围为1.5V，如图3。监控电压范围7.52～15.05V，正好是满足温度采集模块的供电要求。

在LS体系结构系统,当执行器之间的负载由于系统性质而不平衡时,在控制阀上产生压力损失,LS系统输出的液压功率方程式为

1.1 主体架构

温度测量方法有很多种，主要包括热膨胀(如水银温度计)、热电阻、热电偶和热辐射等几大类，运用广泛。通常对温度测量精度的要求不高，对于高精度的温度测量，却是一件困难的工作。如前所述，运用热学方法测量应力变化，对测量系统精度要求极高。在这种情况下，关键测温元器件可选择的余地非常小。在常温下，铂是对各种物质的作用最稳定的金属之一，它是广泛使用的且最好的制造热电阻的丝材(史去非等，2009)；铂电阻属于标准温度计量中必不可少的元器件。相对于标准温度计中常用的Pt100型铂电阻，Pt1000型铂电阻的分辨率更高。本文选取Pt1000型铂电阻作为测温基本元器件，开展温度测量系统相关的电子电路研发工作。

为减小后期维护的人工成本，地温监测系统宜采用无人值守方案，主体功能模块如图1。通过GPRS移动网络实现远程控制。在自主服务器端开发网络服务程序，发送控制指令，接收采集数据。通过PC客户端访问服务器进行参数设置，下载数据及数据分析。

为实现长期不间断温度监测采取了一系列的低功耗设计。首先是减少GPRS通讯模块启动频次，GPRS通讯模块耗电量大，通讯峰值在300mA以上，平均150mA左右。目前5h启动1次，限时连接，如果2min未联通即关闭。主控MCU分时启动，大部分时间处于低功耗的休眠状态。温度采集模块限时启动，测温电阻采用同一恒流源切换供电，每路采集时间约1.5s。

可以让台词内容形象化的依据是重音、停顿、语调语气、节奏这些语言发声或者语言表达的外部技巧。对于演员来说，他们在影视表演时都是把文字以声音的形式表达出来，再加上人物的情感就会创作出一个好的影视作品，在二次创作表演时要对剧本中的语言和文字有个深刻的探究，这一系列的东西对影视效果都有着很大的作用，另外还有一些有助于表达效果的方式，就是重音、停顿、节奏以及语调语气。[2]

图 1 地温监测功能架构 Fig. 1 Framework of multichannel temperature measurement system.

1.2 主控管理

模拟电源与数字电源分开，分别有对应的降压芯片。模拟电源开通由单片机ATmega8管理。为尽量降低电源噪声串入模拟电路如图5，串入高输入阻抗的场效应管，MCU与ADC接口采用SPI，MCU与ADG609BR接口采用74HC04隔离。

温度数据存储： 为满足长时间记录数据要求选用32M×8 Bit的FLASH芯片K9F5608U0C，如图2。FLASH一页分为I区256字节，Ⅱ区256字节，Ⅲ区16字节。有效数据存储在Ⅰ、Ⅱ区，以32字节为1个存储单元，>￣30字节的数据包分包存储，最大包数18。Ⅲ区为数据辨别区，每字节对应数据区32字节，数值0xFF对应数据有效，且未上传；0xaa对应数据有效，且数据已上传；其他值对应数据无效(默认值0x55)。

图 2 FLASH存储电路 Fig. 2 Circuit diagram of Flash data saving.

存储单元格式： 存储标志(字节)+有效数据包(≤30字节)+包校验码(1字节)。

存储标志： D7位 1 起始包；0 拆分包。D[6: 0]包号从0到17。

包校验码： 除自身外的累加和。

温度数据存储格式(28字节)： 标识(0x80)+数据长度(2字节: 23)+模块号(1字节)+时间戳[5字节: 日(2字节)时分秒]+模块类型(1字节: 0x01)+采集数据(16字节)+数据校验码(1字节)+包校验码(1字节)。

本文的地温观测系统研制工作已持续多年，前后经历了多期完善(刘培洵等，2006)，目前已较为成熟。经过多年野外观测验证，系统稳定性良好。

圣家堂全称圣家族大教堂，是一个天主教堂，由著名建筑师——安东尼奥·高迪设计并建造，高迪意外去世时，这座教堂才完成了四分之一不到，之后这座教堂断断续续建造了近百年，依然没有完工，但它已经被联合国教科文组织选为世界遗产。它将于2026年，在高迪去世100周年时竣工。

图 3 电池电压采集电路 Fig. 3 Circuit diagram of battery voltage acquiring.

1.3 温度采集

温度模块与主控模块共4根连线，为电源与串口通讯，串口波特率为19i200Hz，接口芯片为485芯片MAX483ESA，满足长距离传输要求。

1块温度采集板带4路Pt1000温度传感器。 恒流源芯片XTR105U有2路输出，一路是传感器供电，采用恒流源切换技术(图4)，电流为0.8mA；另一路供给标准电阻，图5 中AR1，阻值为1kΩ，作为差分输入的基准端。

图 4 多路传感器切换恒流源电路 Fig. 4 Circuit diagram of constant-current source for multi-channel sensors.

温度采集采用温度采集专用芯片AD7714AR-5，是采用Σ-Δ技术的24位ADC，自身带有放大功能；目前采用的是8倍放大，配置转换速率为50Hz。ADC参考源为AD780BR，输出2.5V。

主控MCU为ATmega162，配置实时时钟，进行日期、时间计时。定时开启GPRS模块、启动温度采集模块。ATmega162带有2路串口，串口0用于GPRS通讯，GPRS通讯5h启动1次，完成时间校时，上传采集的温度数据等；串口1用于温度采集通讯，最多可带5组温度采集模块，可单独控制，通讯采用切换方式，通过控制接口芯片MAX483ESA控制发送给哪个通道，通过74HC4051选择接收哪个通道数据，每5min启动采集1次。相对采集与GPRS通讯绝大部分时间MCU都处于低功耗休眠状态，休眠唤醒周期为8s。

启动采集过程： 模拟电路加电，第4路传感器通电，稳定0.5s，切换到第1路传感器通电采集，依次切换2、3、4路采集，关闭模拟电路。

图 5 恒流源与ADC电路 Fig. 5 Circuit diagram of constant-current source and ADC.

切换每个通道采集过程，包括： 初始化采集增益，预采集8次，作为电路稳定时间，连续采集32次累加值y1，再连续采集32次累加值y2，比较y1、y2，根据数据的升降逆推到第1个数据以减小传感器自热效应(程建华等，2014)。传感器用导热胶固定在大小为9mm×30mm×0.5mm的铜片上，铜片再用导热胶固定在不锈钢柱中，具有较大的热惯量。

当 y2>y1 时数据为升序

当y2<y1 时数据为降序

图 7 给出了基岩温度的部分实测结果及其统计分布。传感器深度： 7m；地点： 四川新都桥；时间段： 2013-01-15—2013-02-15；采样周期： 15min。从图7a中可以看出，总体温度变化平稳。去除趋势项后，温度残差如图7b所示。表1 给出了温度残差统计情况。其中，99.5%的测量值位于[-0.5mK，0.5mK]之间，96.9%的值位于2倍方差内。图7c给出了温度残差统计分布的情况，统计结果具有清晰的正态分布特征。

数据长度： 不包含自身和校验和。

模块类型： 温度模块为0x01。

采集参数： D4: 1开通，0关闭；D[2: 0]增益(2X)。

以教学丰子恺先生的《白鹅》一课为例。在学生自主学习的环节，相信学生借助工具书很容易就能够扫清阅读的障碍，也能够完成对课文的整体感知。但是在探究环节，学生们如果没有充分发挥集体智慧，相信他们是不能独立解决“作者为什么详细地描写了白鹅的叫声、步态和吃相？作者这样写有什么更深刻的意图”这样的问题。只有我们组织学生充分发挥集体智慧，每人出一个点子，汇聚起来，他们才能恍然大悟，也才能很好地领会作者的深层意图。

服务器通讯包括： 发出登陆口令，上传FLASH中的温度数据，时间校对，配置采集参数等。其中登陆口令中包含电池电压、GPRS信号强度、SIM卡CCID、FLASH写入页位置以及当前读取页位置。

使用字符型AT指令进行配置，联接到自主服务器，与主服务器通讯采用数据型通讯，实现数据透传，传输完成发送0×03并置DTR1低电平，返回到AT指令状态，退出联接，关闭GPRS电源。

启动采集通道： D[3:0]对应 [4：1]号通道。

1.4 GPRS通讯

GPRS通讯选用WAVECOM公司的Q2406B如图6，天线采用地表埋伏方式，地表无裸露，不易被发现，以防被盗。

图 6 GPRS通讯电路 Fig. 6 Circuit diagram of GPRS communication.

参数配置： 0×20(1字节)+启动采集通道(1字节)+1、2、3、4号增益(1字节)×4+校验和(1字节)。

温度数据： 低位在前，高位在后。

2 效果检验

根据上述设计完成的温度测量系统，是否满足要求，需要进行检验。

2.1 测量精度

根据设计与实现的情况看，温度分辨率为0.000i01K(0.01mK)。然而，从测量的角度看，温度测量的精度才是更为重要的指标。可是，在室内构建1套mK量级的温度变化环境，需要付出相当的努力。即使建立了这样的环境，如何评测也是相当困难的。在这里，我们采用野外观测数据来对测量系统进行检验。

然而，在“工作坊”教学模式中，学生的学习是主动探索、寻找、获取知识的过程，老师作为实践项目的设计者、组织者及评价者，其不仅要有扎实的理论知识和丰富的临床操作技能、经验，还要具备研究能力，能高屋建瓴的审视学生实训过程及客观的进行成果评价。且“工作坊”的实训评价不应仅限于对理论知识的考核，其评价内容应包括学生的参与程度、工作态度、团队合作精神、同伴之间沟通交流能力及小组具体工作任务的完成情况等，这种复杂的评价需要教师设计一套切实可行的多元化的评价工具，以实现结果与过程评价相结合、团队与个人评价相结合。

2018年11月16日，梅赛德斯-奔驰携旗下四大品牌共37款重磅车型亮相2018年广州国际汽车展览会。全新梅赛德斯-奔驰长轴距A级轿车携独具型格的A 200 L运动轿车先型特别版炫酷登场。来自阿法特巴赫的第一款四门跑车及梅赛德斯-AMG独立研发的第三款车型—全新梅赛德斯-AMG GT四门跑车迎来了中国市场的首发。梅赛德斯-AMG董事会主席慕容涛（Tobias Moers）先生在车展现场表示：“全新梅赛德斯-AMG GT四门跑车是AMG‘性能豪华’的完美代表。这款纯正四门跑车的到来，不仅进一步扩充了AMG GT家族的产品序列，还将为我们开辟一个全新的细分市场。”

表 1 温度残差统计 Table1 Statistical distribution on the temperature residuals

样本数标准差最小值最大值4i4260.19mK-0.71mK0.82mK

上传数据格式： 数据长度(2字节)+模块类型(1字节)+1、2、3、4号通道数据{参数(1字节)+温度(3字节)}×4+校验和(1字节)。

声乐演员在表演时调整好自己的心理状态是非常重要的。表演的时候不能够紧张和焦虑，这样会影响自己的正常发挥。在台上表演的时候要进入一种极佳的精神状态，就好像置身于故事之中，自己就是故事的主角，专心进行表演，才能真实表达出其中的情感。此外，要注意上场时的动作要潇洒自如，不要扭扭捏捏，给观众留下美好的“第一印象”，在表演的过程中，从头到尾都要表现得自然，保持良好的台风，全身心投入。

总之，从上述分析可以看出，温度测量系统的精度优于1.0mK；在99.5%的置信水平上，精度达到了0.5mK。另外，需要指出的是，在这种情况下，0.5mK是岩石温度变化还是仪器的噪声水平，其实是无法区分的。但至少说明，温度采集系统的测量精度达到了0.5mK的量级。至于更准确的评测测量系统，需要更高精度量级的测量环境。这有待进一步探索。

2.2 系统功耗

系统功耗包括： 通讯线长、传感器个数、采样周期和GPRS无线发射等多个方面，其中GPRS无线发射和通讯线长影响功耗最大。本文中，指每个测点的GPRS发射周期相同的情况下，整个系统的功耗情况。图8 分别给出3种不同情况下的电池实际结果。并且，单块电池供电，中间一直处于连续工作状态。起止时间指电池更换时间，其中芦山测点尚未更换过电池，图8 中的电池突升时间，即为更换新电池的时间。

图 7 基岩温度的实测结果及其统计分布 Fig. 7 Measurement results of bedrock temperature and its statistical distribution. a 温度观测结果；b 去除趋势后的残差；c 残差的分布情况

表2给出了每个测点的相关参数。从表2 中可以看出，新都桥、石棉和芦山3个台站的电池持续时间分别为4a、2a和1.75a。应注意： 1)芦山台尚未更换过电池，有效供电时长不止1.75a；2)3个测点中，石棉测点电池接近耗尽，通讯线也最长，应可认为是单块电池的总供电时长，即2a。

总之，本文实现的观测系统，低功耗设计的实际效果显著。目前，基岩地温的观测深度多在20～35m之间(即通讯线长不超50m)，传感器数为8个，采样周期为5min。单块120Ah12V电池，供电时长可达2a。

图 8 供电电池电压随时间的变化 Fig. 8 Variation of battery voltage with time. 新都桥为基岩地温，石棉和芦山为深井水温; a，b中电池电压突升时间即为更换新电池的时间，芦山测点建台以来尚未更换过电池

表 2 系统功耗统计情况 Table2 Statistical distribution on the power consumption

台站类型电池规格通讯线/m传感器/个采样周期/min起止电压/V起止日期新都桥基岩120Ah12V3081513.02^12.202012-09—2016-10石棉井水200Ah12V2258512.83^10.312014-09—2016-08芦山井水120Ah12V1304512.70^12.372015-05—2017-01

3 结论与意义

本文选取Pt1000型铂电阻作为温度传感器，开展温度测量系统研发工作。经过野外观测验证，测温系统实现的技术性能主要包括3个方面：

(1)温度传感器采用Pt1000，温度测量系统的精度优于1.0mK；在99.5%的置信水平上，精度达到了0.5mK。相当于可以测量到几个或零点几个MPa量级的地壳应力变化。其中，采样周期远程可调，实际中采样周期通常设为5min或15min。

(2)通道数： 单台可达20个通道。目前常用8或12通道。

柴油发电机组烟气经排烟管道排出后温度可达200～300℃，利用柴油机烟气余热干燥垃圾的关键在于确定垃圾干燥的适宜温度，它应满足以下几个要求：低于垃圾燃点320～460℃［17］，避免干燥过程中垃圾自燃；不能使垃圾热解产生复杂毒害气体；尾气温度不能低于烟气露点温度120～130℃［18］，防止腐蚀设备。

(3)实现低功耗： 采用铅酸电池供电，120Ah12V铅酸电池，对于有8个通道深度为20m的地温观测台，可连续供电≥￣2a。

高精度多通道低功耗温度测量系统的研发成功，能够排除大气等热传导的影响，可以获取地壳应力的变化。这对于利用基岩温度观测地壳应力变化提供了1个良好的技术基础。除了测量精度高外，低功耗设计的实际效果尤其显著。测点布设完成后，2a更换1次电池即可。这极大地降低了后期维护成本，提高了实际应用价值。

总体而言，高精度多通道低功耗温度测量系统的成功研发，为大规模的野外观测提供了技术基础。积极开展断裂带高精度多深度地温观测，有可能是获得断层近期活动习性的1个重要手段。通过温度观测，可以同时获得现今断层活动引起的2方面信息： 应力变化和大地热流异常。这对于断层活动可能产生的强震危险性分析是极有帮助的(陈顺云等，2013)。尤其是，对于断层活动的闭锁段，位移较小而应力变化可能很大，通过变形测量的办法较为困难，温度测量可能发挥其独特的优势。

⑰Title VII of the Civil Rights Act of 1964，42 U．S．C． § 2000e(2006)．

关上了房门后，高河环视这间屋子，屋子里布置得很温馨。高河想起了小表姐，聪明活泼，而且又倔强的性格，虽然她的相貌高河已经有些淡忘，但那蹦蹦跳跳的身姿还印在他的脑海中，她喜欢野花野草，喜欢小狗小猫，喜欢任何可爱的东西。但是，她不喜欢娟儿。

致谢 马瑾院士和刘力强研究员为此项研究提供了指导，陈国强等参与了部分基础调试工作，何昌荣研究员、周永胜研究员和陈立春研究员提供了许多支持，一并表示感谢。

扯出儿子孙子的时候，多半是夕阳西下的光景，老樟树下的人便也慢慢退去。只是水草一样慢慢招摇着的炊烟让这一干人散去的同时，也招来了周小羽。

参考文献

陈顺云，刘力强，刘培洵，等. 2009. 应力应变与温度响应关系的理论与实验研究 [J]. 中国科学(D辑)，39(10): 1446—1455.

CHEN Shun-yun，LIU Li-qiang，LIU Pei-xun，et al. 2009. Theoretical and experimental study on relationship between stress-strain and temperature variation [J]. Science in China(Ser D)，52(11): 1825—1834.

陈顺云，刘培洵，刘力强，等. 2013. 芦山地震前康定地温变化现象 [J]. 地震地质，35(3): 634— 640. doi: 10.3969/j.issn.0253-4967.2013.03.017.

CHEN Shun-yun，LIU Pei-xun，LIU Li-qiang，et al. 2013. A phenomenon of ground temperature change prior to Lushan earthquake observed in Kangding [J]. Seismology and Geology，35(3): 634— 640(in Chinese).

程建华，齐兵，屈传波. 2014. 一种高精度低自热多通道测温系统设计与实现 [J]. 传感器与微系统，33(1): 56—59.

CHENG Jian-hua，QI Bing，QU Chuan-bo. 2014. Design and realization of a multichannel temperature measurement system of high-precision and low self-heating [J]. Transducer and Microsystem Technologies，33(1): 56—59(in Chinese).

刘培洵，刘力强，陈顺云，等. 2004. 地表岩石变形引起热红外辐射的实验研究 [J]. 地震地质，26(3): 502—511. doi: 10.3969/j.issn.0253-4967.2004.03.014.

LIU Pei-xun，LIU Li-qiang，CHEN Shun-yun，et al. 2004. An experiment on the infrared radiation of surficial rocks during deformation [J]. Seismology and Geology，26(3): 502—511(in Chinese).

刘培洵，马瑾，刘力强，等. 2007. 压性雁列构造变形过程中热场演化的实验研究 [J]. 自然科学进展，17(4): 454— 459.

LIU Pei-xun，MA Jin，LIU Li-qiang，et al. 2007. An experimental study on variation of thermal fields during the deformation of a compressive en echelon fault set [J]. Progress in Natural Science，17(4): 454— 459(in Chinese).

刘培洵，张智河，陈国强，等. 2006. 地表温度天地联合监测系统 [C]∥中国地震学会第11次学术大会论文摘要集. 北京: 中国地震学会: 96.

LIU Pei-xun，ZHANG Zhi-he，CHEN Guo-qiang，et al. 2006. A system to detect land surface temperature by combining both space and field [C]∥Proceedings of Abstracts of the Eleventh Academic Conference of Seismological Society of China. Beijing: Seismological Society of China: 96(in Chinese).

马瑾，刘力强，刘培洵，等. 2007. 断层失稳错动热场前兆模式: 雁列断层的实验研究 [J]. 地球物理学报，50(4): 1141—1149.

MA Jin，LIU Li-qiang，LIU Pei-xun，et al. 2007. Thermal precursory pattern of fault unstable sliding: An experimental study of en echelon faults [J]. Chinese Journal of Geophysics，50(4): 1141—1149(in Chinese).

秦洋阳，杨小秋，吴保珍，等. 2013. 海底热流探测中的高分辨率测温技术 [J]. 中国科学: 技术科学，43(7): 816—821.

QIN Yang-yang，YANG Xiao-qiu，WU Bao-zhen，et al. 2013. High resolution temperature measurement technique for measuring marine heat flow [J]. Science China: Technological Sciences，56(7): 1773—1778.

史去非，余颖，王颖，等. 2009. 电阻温度计 [M]. 北京: 中国计量出版社: 91—93.

SHI Qu-fei，YU Ying，WANG Ying，et al. 2009. Resistance Thermometer [M]. China Metrology Publishing House，Beijing: 91—93(in Chinese).

赵刚，何案华，马文娟，等. 2011. 不同动态背景的地热对比观测研究 [J]. 地震学报，33(1): 51— 61.

ZHAO Gang，HE An-hua，MA Wen-juan，et al. 2011. An analysis on comparative geothermal observations under different dynamic background [J]. Acta Seismologica Sinica，33(1): 51— 61(in Chinese).

Chen S Y，Liu P X，Liu L Q，et al. 2016. Bedrock temperature as a potential method for monitoring change in crustal stress: Theory，in situ measurement，and a case history [J]. Journal of Asian Earth Sciences，123: 22—33.

Chen S Y，Liu P X，Guo Y S，et al. 2015. An experiment on temperature variations in sandstone during biaxial loading [J]. Physics and Chemistry of the Earth，85—86: 3—8.