一孔多分层标的地面沉降变化的精细数据测量系统的制作方法

本发明属于地质仪器和光电传感技术领域，具体涉及一种一孔多标分层标的地面沉降变化的精细数据测量系统。

背景技术：

人类在抽汲地下水、开采石油天然气、挖掘固体矿产、高速铁路、地下铁路、公路开挖工程土体时，常引起地壳表部松散沉积物的压缩、位移，导致地面高程降低，这种现象称为地面沉降。我国的东北松辽平原、华北平原、长江下游地区、渭南平原为地面沉降最为严重地区，因此迫切需要建立全国地面沉降的动态监测网，同时，城市地铁、高速铁路、公路交通工程施工和运行期也要建立地面沉降的动态监测网。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种广泛应用于地质工程和工程地质勘查领域、能够对地区域安全、交通安全及时提供数据的一孔多分层标的地面沉降变化的精细数据测量系统，即在一个井孔内能够精细测量地层各层沉降变化。

为此，本发明的技术方案如下：

一种一孔多分层标的地面沉降变化的精细数据测量系统，包括单纵模激光器、第1-第3耦合器、第1和第2光电转换器、信号调理和数据采集器、第1和第2空心聚磁体、第1和第2f-p磁场传感器、实心聚磁体以及pvc套管，所述单纵模激光器与第1耦合器的左侧一端相连，第1耦合器的右侧两端分别与第2和第3耦合器的左侧一端相连；第2耦合器的右侧一端通过单模光纤与第1f-p磁场传感器相连；第3耦合器右侧一端通过单模光纤与第2f-p磁场传感器相连；第2耦合器左侧另一端和第1光电转换器相连，第3耦合器左侧另一端和第2光电转换器相连，第1和第2光电转换器分别与数据采集器相连；第1空心聚磁体、第2f-p磁场传感器、实心聚磁棒、第1f-p磁场传感器和第1空心聚磁体依次设置在密封的pvc套管中。

所述f-p磁场传感器为法布里-珀罗光纤干涉型磁场传感器，包括空心管、单模光纤和金属玻璃丝，所述单模光纤和金属玻璃丝从两端装入所述空心管中并用胶固定，单模光纤端面和金属玻璃丝端面之间构成法布里-珀罗(f-p)腔。

优选的是，所述金属玻璃丝为镍金属玻璃丝。所述第1-第3耦合器均为2×2光纤耦合器。

本发明的有益效果如下：

本发明的测量系统占地少，施工简单，测量快速、经济、可靠，在一个井孔内能够精细测量地层各层沉降变化，可广泛应用于地质工程和工程地质勘查领域。在2020年建立国家级地面沉降的动态监测网对城市地铁、高速铁路、公路交通工程沿线、地下隧道等大深度地下工程的沉降监测中，该监测系统能对地区域安全、交通安全及时提供数据，在地质工程和工程地质勘查领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明一个实施例的精细数据测量系统的组成示意图；

图2是图1中f-p磁场传感器的结构示意图；

图3是本发明的精细数据测量系统的计算原理图。

具体实施方式

分层标是将不同埋深地层的高程引至地面进行观测的一种特殊系统，通过与基岩标(不动点)高程联测，可得到各类土层的沉降变化数值。本发明可在一个井孔内精细测量各地层的降变化。

下面结合附图和具体实施例对本发明的一孔多分层标的地面沉降变化精细数据测量系统的组成进行详细说明。

考虑到采用的分层标为磁性标头，且由液压系统嵌入到地层的各层中，最深达到500米，至少在一个井孔要液压嵌入50-70个标头，如果采用铜导线作为传感器的供电和信号传输，特别是将其用于传感器牵引固位，会因其自重引起的长度变化带来沉降量的很大误差，因此采用单模光纤用于信号传输和传感器的牵引固位。在本发明中采用的磁场传感器为f-p光纤干涉型磁场传感器。

如图1所示，单纵模激光器1、第1～第3耦合器2～4、第1和第2光电转换器5a和5b、信号调理和数据采集器6构成精细数据测量系统的a部分。第1和第2空心聚磁体7和12、第1和第2f-p磁场传感器8和11、实心聚磁体9(其长度为l)和pvc套管10构成精细数据测量系统的b部分。在本发明中，第1～第3耦合器2、3、4均为2×2光纤耦合器。

单纵模激光器1和第1耦合器2的左侧一端相连，第1耦合器2的右侧两端分别与第2和第3耦合器3、4的左侧一端相连。第2耦合器3的右侧一端通过单模光纤与第1f-p磁场传感器8相连。第3耦合器4的右侧一端通过单模光纤与第2f-p磁场传感器11相连。

第2耦合器3左侧另一端和第1光电转换器5a相连；第3耦合器4左侧另一端和第2光电转换器5b相连；第1和第2光电转换器5a、5b分别与数据采集器6相连。

将第1空心聚磁体12、第2f-p磁场传感器11、长度为l的实心聚磁棒9、第1f-p磁场传感器8、第1空心聚磁体7依次放入pvc套管10中，将两条单模光纤引出，对整个pvc套管10作密封处理。

参见图2，第1和第2f-p磁场传感器均为法布里-珀罗光纤干涉型磁场传感器。该传感器包括空心管、单模光纤和金属玻璃丝，在本实施例中，金属玻璃丝采用镍金属玻璃丝。将清洁后的光端面的单模光纤和镍金属玻璃丝从空心管两端装入并用胶固定。光纤端面和金属玻璃丝端面之间构成法布里-珀罗(f-p)腔。由单模光纤传来的光在光纤端面反射部分和在镍金属玻璃丝端面反射后再进入单模光纤的光产生干涉，当外界磁场变化时，镍金属玻璃丝端面会发生微小的变化，随即产生光相位的变化。在传感技术领域，相位检测是最灵敏的检测，这样的结构可以检测1/10000gauss磁场强度的变化。

本发明的精细数据测量系统的测量原理如下：

单模光纤端面和镍金属玻璃丝端面之间构成f-p腔，单纵模激光器1发出的窄线宽的1550nm红外光通过第1、第2、第3耦合器2～4分别传到第1和第2f-p磁场传感器8和11中的光纤端面上，其反射部分和在镍金属玻璃丝端面反射后再进入光纤的光产生干涉，两个f-p磁场传感器8和11的干涉光分别再通过第2耦合器3和第1光电转换器5a以及第3耦合器4和第2光电转换器5b传至信号调理和数据采集器6进行这两个干涉信号的处理。

当外界磁场变化时，镍金属玻璃丝端面会发生微小的变化，随即产生光相位的变化，信号检测采用正交相移方式，即有两个相位差π/2的信号组合，经过电路处理得出与相位变化成正比的信号，这个信号就是所测量的磁场强度值，这样的结构可以检测1/10000gauss磁场强度的变化。通过上述过程得出两个磁场强度值b1和b2。

参见图3，因为两个f-p磁场传感器8和11的距离已知为l(即实心聚磁体9的长度l)。考虑到磁性沉降标头与两个f-p磁场传感器8、11之间的连线的距离分别为a、b，考虑到磁场强度与距离的平方成反比，可计算出当前的标头位置：

按上述方法，经过一段时间，再次获得d1值，则沉降量为：

δd＝f[(d1)n]-f[(d1)n+1]，

试验表明，沉降位置值与两个磁场测量值的差值成线性关系。