多传感器组合的地震深井综合观测系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供的多传感器组合的地震深井综合观测系统，包括GPS天线、综合控制器、数据传输及存储单元和井底综合观测探头，所述综合控制器通过电缆分别与GPS天线和井底综合观测探头连接；所述数据传输及存储单元通过综合控制器的调制信号控制井底综合观测探头的数据采集；所述综合控制器分别接收GPS天线的GPS射频信号和井底综合观测探头传送的地震数据流信号并分别转换成数字形式的GPS秒脉冲、GPS时戳串口信号和地震数据流串口信号传到数据传输及存储单元；井底综合观测探头采用模块化、分舱室设计，模块之间无电信号连接，一个观测项采用一个舱室布设，各测项设备分别处于不同的设备舱室内且双系统备份，有效地克服了常规方式的缺点，控制方便，信号可靠性高。
【专利说明】多传感器组合的地震深井综合观测系统
【【技术领域】】
[0001]本发明涉及地震监测技术，尤其涉及多传感器组合的地震深井综合观测系统。【【背景技术】】
[0002]地震科学是一门以观测为基础的科学，观测资料的真实性直接决定了科研与应用的成效。地震监测通常分为微震、强震、前兆观测，其中前兆观测又包含地磁、地电、地形变、地应力、地下流体(含物理和化学)等观测。
[0003]井下观测是避开地面各种干扰源，提高观测数据质量的有效途径，也是得到地下温度、地磁、应变、倾斜等参量的直接手段。而地震深井综合观测是利用一口深井实现多种观测手段的综合观测，包括多分量应变仪、倾斜仪、温度仪、地磁仪、宽频带地震仪、强震仪、孔隙压计等，这类系统的建立为探测近震源地下介质的物性、应力等，对于研究区域构造动力环境变化具有重大意义。
[0004]地震深井综合观测，不仅可以有效避开地表的人类活动对地震观测的干扰，减少地表岩石风化、天气变化的影响。同时，还能够解决大、中型城市“地震监测盲区”的问题。另一方面，在同一观测环境中安装的不同地震观测传感器，可开展不同测项间的比对分析，更加客观地对异常信息进行深入分析，利于异常来源辨别。
[0005]目前，地震深井综合观测系统主要分为两类:一类是将地震观测项目传感器集成到一个探头内，传感器信号通过一根电缆将模拟信号传输到地面上，由地面的数据采集器采集；将地震观测项目传感器集成到一个探头内的地震深井综合观测系统的缺点是:
[0006]1)、所有信号都由单根电缆传输，且该信号为模拟信号，则相互之间的干扰是很难消除的；
[0007]2)、随着线缆的长度越长，信号衰减越大，放置到井下的深度不能很深，限制了该系统的应用范围；
[0008]3)、所有的传感器、采集器均由一个电源供电，一旦单个传感器或设备出现故障，很可能会影响到其他部分工作，另外地线也是共用的，相互之间的干扰和串扰不可避免。
[0009]另一类的地震深井综合观测系统是将地震观测项目传感器及其数据采集器集成到一个探头内，传感器测量出来的电信号直接由套管内的采集器数字化，然后通过总线方式传输到地面上的设备。虽然该种方式可做到信号远距离传输，解决了放置井深的问题，但由于所有的传感器、采集器还是采用单一电源、单一共地，没有从根本上解决信号串扰、温度干扰的问题，一旦单个传感器或设备出现故障，可能会影响到其他部分工作，且地线也是共用的，相互之间的干扰和串扰不可避免。
[0010]现有的常规综合观测系统，系统在综合避雷、授时、定向、调零、标定等方面也都存在着一定的不足。
【
【发明内容】
】
[0011]本发明提供一种采用模块化、分舱室设计，并采用双系统备份设计，一个观测项的设备布设为一个舱室，各测项设备分别处于不同的设备舱室内，模块之间无电信号连接，传输距离远，信号可靠性高的多传感器组合的地震深井综合观测系统。
[0012]为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是:
[0013]多传感器组合的地震深井综合观测系统，包括GPS天线、综合控制器、数据传输及存储单元和井底综合观测探头，所述综合控制器通过电缆分别与GPS天线和井底综合观测探头连接；所述数据传输及存储单元与综合控制器之间串口连接，数据传输及存储单元通过综合控制器的调制信号控制井底综合观测探头的数据采集；所述综合控制器分别接收GPS天线的GPS射频信号和井底综合观测探头传送的地震数据流信号并分别转换成数字形式的GPS秒脉冲、GPS时戳串口信号和地震数据流串口信号传到数据传输及存储单元；所述井底综合观测探头包括第一舱室、第二舱室、第三舱室、第四舱室、第五舱室、第六舱室和第七舱室，第一舱室、第二舱室、第三舱室、第四舱室、第五舱室、第六舱室和第七舱室呈直径等同的管状结构且依次由上及下的两两之间设有互相串联连接呈一体的密封连接器，第一舱体内设有两个单独与综合控制器连接的井下短周期地震仪，第二舱体内设有两个单独与综合控制器连接的二分量倾斜仪，第三舱体内设有两个单独与综合控制器连接的水温仪，第四舱体内设有一个单独与综合控制器连接作为主测系统的第一四分量应变仪，第五舱体内设有一个单独与综合控制器连接作为备测系统的第二四分量应变仪，第六舱体内设有两个单独与综合控制器连接的三分量地磁仪，第七舱体内设有两个单独与综合控制器连接的空隙压计；所述井底综合观测探头与综合控制器之间的电缆内分别设有与舱室内的每个传感器连接采用RS485半双工双向通讯方式的通讯线芯，一根整体的电缆内包含有多根独立屏蔽结构的通讯线芯，每个通讯线芯由两根电源线和一对信号线组成。
[0014]优选地，所述数据传输及存储单元还连接有远程控制中心，远程控制中心与数据传输及存储单元之间通过专网或公网传输数据。
[0015]优选地，所述井底综合观测探头上每个舱室内的每个传感器连接有三级避雷电路，一级避雷的接地电路上设置有陶瓷气体放电管，二级避雷的接地电路上设置有压敏电阻，一级避雷接地电路与二级避雷接地电路之间的电路上设置有自恢复保险丝，三级避雷的接地电路上设置有瞬态抑制二极管，二级避雷接地电路与三级避雷接地电路之间的电路上还设置有电感。
[0016]优选地，所述电缆外层为聚氨酯外护套，通讯线芯采用聚四氟乙烯材料绝缘。
[0017]优选地，所述第一舱室、第二舱室、第三舱室、第四舱室、第五舱室、第六舱室和第七舱室之间和各连接头处采用灌胶密封并通过圈状密封连接器连接固定。
[0018]优选地，所述井底综合观测探头内还设有便于设备定向的电子罗盘。
[0019]本发明的有益效果是:
[0020]
[0021]本发明采用模块化设计，同时采用双备份设置，从而提高系统可靠性和冗余，对于地震异常的扑捉具备非常实际的意义，达到在同一个观测点获取不同的物理量观测信息，通过多种物理量的记录比较，提高地震预警监测信号的灵敏度，同时扩大信号的频带以及提高信号记录的动态范围，对于地震前兆观测而言，不同物理量的观测，可以更加灵敏地扑捉地震临震前的相关信息；采用深井综合探头，除了能降低征地、基建等基础建设和供电、避雷、通讯、地震观测环境建设的成本外，还能减低运行成本，从而降低地震观测的综合成本，能够更加有效、合理地利用深井资源。
[0022]另外，井下综合探头与井上数据汇集系统采用RS485数字信号的传输，电缆内分别设有与每个传感器或采集器连接通讯线芯，通讯线芯采用RS485半双工双向通讯方式，每个通讯线芯由两根电源线和一对信号线组成，这样，各模块采用各自的传输线缆，各综合设备模块之间无电信号连接，数字传输减少了模块之间的耦合，减少了信号之间的互扰，简化了设计，提高了系统可靠性；特别是通讯线芯采用了 RS485半双工双向通讯方式，减少了通讯电缆的数量，提高了传输线缆的传输容量。具体实施中，每个通讯线芯即可实现一套设备的传输，24路信号线即可传输6套完全不相关的综合设备的数据，从而提高线缆的传输容量，完全满足系统的双备份工作，便于系统的集成和设备的安装；同时电缆的数字信号抗干扰能力强，高速数据传输距离可达到2000米以上，远远优于模拟信号传输的性能，提高系统的可靠性，实现系统的远距离传输。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0023]图1是本发明的工作原理图；
[0024]图2是本发明井底综合观测探头的安装结构图；
[0025]图3是本发明通讯线芯的截面放大结构图；
[0026]图4是本发明每个舱室的三级避雷电路图。
【【具体实施方式】】
[0027]如图1至图4所示，多传感器组合的地震深井综合观测系统，包括GPS天线1、综合控制器2、数据传输及存储单元3和井底综合观测探头4，综合控制器2通过电缆5分别与GPS天线I和井底综合观测探头4连接；数据传输及存储单元3与综合控制器2之间串口连接，数据传输及存储单元3通过综合控制器2的调制信号控制井底综合观测探头4的数据采集；综合控制器2分别接收GPS天线I的GPS射频信号和井底综合观测探头4传送的地震数据流信号并分别转换成数字形式的GPS秒脉冲、GPS时戳串口信号和地震数据流串口信号传到数据传输及存储单元3 ;其中，井底综合观测探头4包括第一舱室40、第二舱室41、第三舱室42、第四舱室43、第五舱室44、第六舱室45和第七舱室46，第一舱室40、第二舱室41、第三舱室42、第四舱室43、第五舱室44、第六舱室45和第七舱室46呈直径等同的管状结构且依次由上及下的两两之间设有互相串联连接呈一体的密封连接器6，具体实施中，第一舱室40、第二舱室41、第三舱室42、第四舱室43、第五舱室44、第六舱室45和第七舱室46之间和各连接头处采用灌胶密封并通过圈状密封连接器6连接固定；第一舱体40内设有两个单独与综合控制器2连接的井下短周期地震仪，第二舱体41内设有两个单独与综合控制器2连接的二分量倾斜仪，第三舱体42内设有两个单独与综合控制器2连接的水温仪，第四舱体43内设有一个单独与综合控制器2连接作为主测系统的第一四分量应变仪，第五舱体44内设有一个单独与综合控制器2连接作为备测系统的第二四分量应变仪，第六舱体45内设有两个单独与综合控制器2连接的三分量地磁仪，第七舱体46内设有两个单独与综合控制器2连接的空隙压计；数据传输及存储单元3还连接有远程控制中心(图中未示)，远程控制中心与数据传输及存储单元3之间通过专网或公网传输数据。同时，在井底综合观测探头4内还设有便于设备定向的电子罗盘(图中未示)。
[0028]如图2和图3所示，在井底综合观测探头4与综合控制器2之间的电缆5内分别设有与舱室内的每个传感器连接采用RS485半双工双向通讯方式的通讯线芯50，一根整体的电缆5内包含有多根独立屏蔽结构的通讯线芯50，每个通讯线芯50由两根电源线和一对信号线组成，电缆5外层为聚氨酯外护套，通讯线芯50采用聚四氟乙烯材料绝缘。
[0029]如图4所示，井底综合观测探头4上每个舱室内的每个传感器连接有三级避雷电路，一级避雷的接地电路上设置有陶瓷气体放电管7，二级避雷的接地电路上设置有压敏电阻8，一级避雷接地电路与二级避雷接地电路之间的电路上设置有自恢复保险丝9，三级避雷的接地电路上设置有瞬态抑制二极管10，二级避雷接地电路与三级避雷接地电路之间的电路上还设置有电感11。
[0030]本发明采用了双备份的设计模式，各系统没有任何电源、信号线缆的连接，也没有任何设备和器件的共用，通过一体化组合技术，将三分量地震仪、两分量倾斜仪、水温仪、四分量应变仪、三分量地磁仪、孔隙压计、地温仪等观测仪器集成到一个探头中，便于设备的安装和监测，每个观测项目仪器均为双系统备份，一个探头同时包含观测传感器和数据采集器等。每个观测传感器和数据采集器采用模块化设计，实现各观测项目传感器分别处于不同的传感器舱室内，各舱室模块分别采用模拟部分与数字部分模块分离、分别走线的方法来实现数模隔离，各舱室再通过密封连接器依次串联连接呈一体，一个舱室接一个舱室，组成一个综合探头。
[0031]使用时，各舱室采用单独供电、避雷、传输，相互之间不供地，一个舱室的传感器和设备故障不影响其他舱室的传感器和设备；对于电磁干扰敏感的地磁仪采用屏蔽线缆保护方式，对于温度敏感的温度仪采用远离发热源(如远离电源模块、数字模块及电路模块)的方式设置，信号传输线电缆采用专门设计的深井屏蔽双绞线缆，采用数字RS485传输，电缆5结构采用“线中线”的结构，一根整体的电缆5内包含有多根独立屏蔽结构内线的通讯线芯50，通讯线芯50用于单独传输各舱体的信号，独立的屏蔽结构可以避免各舱体之间的传感器相互串扰，尤其是电磁仪这种对电磁极其敏感的传感器，采用屏蔽线缆保护效果明显。
[0032]其次，使用时井底综合观测探头4内置的电子罗盘，便于深井系统设备井下的安装方向定向，定向精度较高可达到3°，定向准确；设备中二分量倾斜仪、四分量应变仪采用程控调零方式实现信号自动回复至零位，其中两分量倾斜仪允许最大井斜为5度，四分量应变仪允许在最大围压10MPa(1000米)，在此范围内系统均可通过自动调零回复至零位状态；井下短周期地震仪和二分量倾斜仪、四分量应变仪、三分量地磁仪、孔隙压计、地温仪均可通过标定来了解系统的运行状态。
[0033]另外，由于第一舱室40、第二舱室41、第三舱室42、第四舱室43、第五舱室44、第六舱室45和第七舱室46之间和各连接头处采用灌胶密封并通过圈状密封连接器6连接固定，电缆5外层为聚氨酯外护套，通讯线芯50采用聚四氟乙烯材料绝缘，该系统可以有效地的在1000米的深井、井底的压力达IOMPa状况下正常使用，防水和密封性能强；本系统的深井综合地震观测设备每路信号均采用了三级避雷保护系统，有效避免深井观测设备的雷击和避雷；在工作中，通过GPS天线I和综合控制器2实现井底设备与地表设备对时严格同步，GPS秒信号通过600米左右深井线缆其延时大约2us，对地震观测影响可忽略，进而达到井底同步授时、地表增加时间戳的模式，实现远程授时。
[0034]以上所述实施例只是为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，凡依本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.多传感器组合的地震深井综合观测系统，包括GPS天线、综合控制器、数据传输及存储单元和井底综合观测探头，所述综合控制器通过电缆分别与GPS天线和井底综合观测探头连接；其特征在于: 所述数据传输及存储单元与综合控制器之间串口连接，数据传输及存储单元通过综合控制器的调制信号控制井底综合观测探头的数据采集； 所述综合控制器分别接收GPS天线的GPS射频信号和井底综合观测探头传送的地震数据流信号并分别转换成数字形式的GPS秒脉冲、GPS时戳串口信号和地震数据流串口信号传到数据传输及存储单元； 所述井底综合观测探头包括第一舱室、第二舱室、第三舱室、第四舱室、第五舱室、第六舱室和第七舱室，第一舱室、第二舱室、第三舱室、第四舱室、第五舱室、第六舱室和第七舱室呈直径等同的管状结构且依次由上及下的两两之间设有互相串联连接呈一体的密封连接器，第一舱体内设有两个单独与综合控制器连接的井下短周期地震仪，第二舱体内设有两个单独与综合控制器连接的二分量倾斜仪，第三舱体内设有两个单独与综合控制器连接的水温仪，第四舱体内设有一个单独与综合控制器连接作为主测系统的第一四分量应变仪，第五舱体内设有一个单独与综合控制器连接作为备测系统的第二四分量应变仪，第六舱体内设有两个单独与综合控制器连接的三分量地磁仪，第七舱体内设有两个单独与综合控制器连接的空隙压计； 所述井底综合观测探头与综合控制器之间的电缆内分别设有与舱室内的每个传感器连接采用RS485半双工双向通讯方式的通讯线芯，一根整体的电缆内包含有多根独立屏蔽结构的通讯线芯，每个通讯线芯由两根电源线和一对信号线组成。
2.根据权利要求1所述的多传感器组合的地震深井综合观测系统，其特征在于，所述数据传输及存储单元还连接有远程控制中心，远程控制中心与数据传输及存储单元之间通过专网或公网传输数据。
3.根据权利要求1所述的多传感器组合的地震深井综合观测系统，其特征在于，所述井底综合观测探头上每个舱室内的每个传感器连接有三级避雷电路，一级避雷的接地电路上设置有陶瓷气体放电管，二级避雷的接地电路上设置有压敏电阻，一级避雷接地电路与二级避雷接地电路之间的电路上设置有自恢复保险丝，三级避雷的接地电路上设置有瞬态抑制二极管，二级避雷接地电路与三级避雷接地电路之间的电路上还设置有电感。
4.根据权利要求1所述的多传感器组合的地震深井综合观测系统，其特征在于，所述电缆外层为聚氨酯外护套，通讯线芯采用聚四氟乙烯材料绝缘。
5.根据权利要求1所述的多传感器组合的地震深井综合观测系统，其特征在于，所述第一舱室、第二舱室、第三舱室、第四舱室、第五舱室、第六舱室和第七舱室之间和各连接头处采用灌胶密封并通过圈状密封连接器连接固定。
6.根据权利要求1所述的多传感器组合的地震深井综合观测系统，其特征在于，所述井底综合观测探头内还设有便于设备定向的电子罗盘。
【文档编号】G01V1/40GK104076402SQ201410193696
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】罗新恒, 陈洁, 潘飞儒, 莫平安, 陈兴明 申请人:珠海市泰德企业有限公司