专利名称：光纤深井地声仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及地震监测仪器技术领域，尤其涉及一种光纤深井地声仪。
背景技术：
地声是在地震前段时间内发生的高频岩石微破裂声发射信号，是地震短临预报的 重要信息。我国的地声观测始于上世纪70年代，不过一直不被地震学家看好，因为地声信号的频率高、强度弱、干扰背景强，坚持长期连续记录十分困难，而且检测设备昂贵。虽然20世纪80年代的“深井地声观测”证明了高频地震波能够传播较远距离，打开了高频地震频段窗口(池顺良，“深井宽频钻孔应变地震仪与高频地震学”，地球物理学进展，2007)，但地声观测研究的进展仍然十分缓慢，这主要受限于能够用于干扰小的深井中高性能地声观测仪器的发展(郑治真，“我国前兆地声的观测与研究”，地球物理学报，1994)。起初的地声观测点使用的大部分是水声探头，另一部分是加速度换能器、测振仪和传声器。其中水声探头有明显的缺陷，首先它要求有水源特别是深井的场合，对于缺水而又暴露基岩的情况不能用，并且不能反映地声的横波，因而只有一个观测分量；其次，悬吊在井底水中的探头，由于电缆张力、滴水等干扰，噪声很大以致无法正常工作。后来，研制出了与基岩直接耦合的地声传感器并在现场使用，并取得了成功(田时秀等，“高灵敏度地听器”，地震研究，2002)。然而，就目前的地声观测技术而言，无论采用何种形式的地声探头，地声仪大都采用电学的测量方法，如伍富昆研制的深井地声仪(引自“SD-1型深井地声仪”鉴定会材料，1985)，冯晓星等人提出的一种用于地震临震监测的地声传感单元结构(中国专利申请CN102288984A)，田时秀提出的一种新型压电陶瓷地听器(中国专利申请CN85100713A)，王乐群等人发明的非密封型钢管音响计数式地声装置(中国专利申请CN2317487Y)，等等。这些电学地声仪存在一些共性问题第一，地声信号的频率高、强度弱，而目前的地震仪难以高灵敏度地接收高频微破裂信号(池顺良，“深井宽频钻孔应变地震仪与高频地震学”，地球物理学进展，2007);第二，为了在干扰小的深井中进行地声观测，而目前的地声探头难以满足深井环境中的抗电磁干扰、抗高温高压、长距离信号传输和长期连续观测要求。光纤传感器具有本质无源、高精度、抗电磁干扰、耐高温高压、耐腐蚀、适于长距离传输等一系列独特优势，其中光纤激光传感器具有高的灵敏度和较宽的频段范围，特别适合用于地震监测中微弱信号(如地声)的探测。目前，还没有见到将光纤传感器用于深井地声监测设计的报道。但国外大约在90年代初就开始用光纤传感器来测量声发射信号，不同形式的传感器，已经被成功地用来探测声发射信号。其中，使用光纤激光传感器可以获得更高的声发射探测灵敏度(C-CYe. et. , “Ultrasonic sensing using Yb3+/Er3+_codoped distributed feedback fibregrating lasers”，SMART MATERIALS AND STRUCTURES，2005)。另外，有报道将光纤光栅(FBG)感测器应用于土石流地声监测(黄清哲，“土石流光织监测系统之发展与应用”，第八届海峡两岸山地灾害与环境保育学术研讨会论文集，2011)。因此，可以预见将光纤传感器作为地声研究的换能器件具备现实的可行性和诸多优势。鉴于此，本发明提出一种光纤深井地声仪，采用最新发展的光纤激光传感器技术，进行深井地声观测，提高探测地声和高频极微震的能力，并重点解决深井地声仪的系统复杂、电磁干扰、防雷击、长距离信号实时传输和长期连续观测等问题。
发明内容
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种光纤深井地声仪，以提高探测地声和高 频极微震的能力，并解决深井地声仪的系统复杂、电磁干扰、防雷击、长距离信号实时传输和长期连续观测等问题。(二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种光纤深井地声仪，该光纤深井地声仪包括柱形壳体6，用于保护光纤深井地声仪的内部结构，并起到传递地声信号的作用；安装于柱形壳体6内部的支座8，用于光纤深井地声仪传感单元的安装，并起到传递地声信号的作用；安装于支座8上的至少一支光纤地声传感器5，用于测量地声信号，其尾纤通过光缆I引出；安装于柱形壳体6内部的光纤温度传感器7，用于对光纤深井地声仪进行温度补偿；以及柱形壳体6内部的烧注体9,用于传递地声信号。上述方案中，所述光纤地声传感器5采用一柱形材料4进行封装，并用胶体3对光纤传感器2进行粘接和保护，其尾纤通过光缆I引出。所述光纤地声传感器5需安装多支时，则安装在X、Y、Z三个不同的方向上，以实现识别地声信号方向的功能。上述方案中，所述光纤传感器2为光纤激光型光纤传感器，用于感受地声信号并转变为其输出波长的变化。所述光纤传感器2为分布布拉格反射型(DBR)光纤激光传感器或分布布拉格反馈型(DFB)光纤激光传感器。上述方案中，所述柱形壳体6、支座8、浇注体9、柱形材料4和胶体3，均为与基岩能够进行声匹配的材料。上述方案中，所述光纤温度传感器7与光纤地声传感器5是同一类型的光纤传感器，并采用隔声材料对其进行封装和保护。上述方案中，在所述光纤地声传感器5的上下左右进一步封装多支光纤传感器2,形成差动式结构，以提高灵敏度并补偿温度影响。上述方案中，所述光纤地声传感器的引出光缆I与柱形壳体6及吊钩10连接，用于光纤深井地声仪的下井操作。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果I、本发明提供的光纤深井地声仪，提高了探测地声和高频极微震的能力，并解决了深井地声仪的系统复杂、电磁干扰、防雷击、长距离信号实时传输和长期连续观测等问题。2、本发明提供的光纤深井地声仪，在其内部采用光纤地声传感器替代传统电学测振仪或加速度计，而光纤地声传感器不需要供电，不必在地声仪内部装信号放大器等电学设备，大大减小了深井地声仪的系统复杂度。
3、本发明提供的光纤深井地声仪，采用全光测量方法，采用光缆进行信号传输，故可以解决深井地声仪的电磁干扰、防雷击、耐高温高压等问题。4、本发明提供的光纤深井地声仪，通过光缆连接井下仪器，光信号对电学信号不敏感，易于实现长距离信号实时传输和长期连续观测。5、本发明提供的光纤深井地声仪，所使用的光纤地声传感器是以光纤激光传感器最为传感单元，其灵敏度高、并且易于组建区域性的地声观测组网。
图I为本发明提供的光纤深井地声仪的示意图；图2为本发明提供的光纤深井地声仪在深井下安装的示意图；图3为由本发明提供的光纤深井地声仪组建的区域性地声监测网络示意图；图4a为单支光纤地声传感器测量的连续型声发射信号时域图；图4b为单支光纤地声传感器测量的连续型声发射信号频域图；图5a为压电型声发射传感器测量的连续型声发射信号时域图；图5b为压电型声发射传感器测量的连续型声发射信号频域图；图6a为单支光纤地声传感器测量的突发型声发射信号时域图；图6b为单支光纤地声传感器测量的突发型声发射信号频域图；图7a为压电型声发射传感器测量的突发型声发射信号时域图；图7b为压电型声发射传感器测量的突发型声发射信号频域图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图I所示，该光纤深井地声仪包括柱形壳体6，用于保护光纤深井地声仪的内部结构，并起到传递地声信号的作用；安装于柱形壳体6内部的支座8，用于光纤深井地声仪传感单元的安装，并起到传递地声信号的作用；安装于支座8上的至少一支光纤地声传感器5，用于测量地声信号，其尾纤通过光缆I引出；安装于柱形壳体6内部的光纤温度传感器7，用于对光纤深井地声仪进行温度补偿；柱形壳体6内部的浇注体9，用于传递地声信号。其中，柱形壳体6、支座8和浇注体9，均为与基岩能够很好声匹配的材料，例如柱形壳体6可以是不锈钢等材料，支座8可以是大理石等岩体材料，浇注体9可以是耦合水泥等材料。光纤地声传感器5采用一柱形材料4进行封装，并用胶体3对光纤传感器2进行粘接和保护，其尾纤通过光缆I引出。特别的，光纤传感器2的尾纤引出光缆I采用的是具有保护光纤功能的光缆，如铠装光缆，并直接通过柱形材料4内部引出。其中，柱形材料4和胶体3，均为与基岩能够很好声匹配的材料。柱形材料4可以是大理石等柱形岩体材料，在侧面刻有浅槽，用于固封光纤传感器2 ;所采用的胶体3可以是353ND或7S811等。在本实施案例中，若光纤地声传感器5需安装多支时，则安装在X、Y、Z三个不同的方向上，依据光纤光栅型光纤传感器(包括光纤激光型光纤传感器)对声发射信号的方向性特征，来实现识别地声信号方向的功能。在安装光纤地声传感器5之前可以先在支座8上每个侧面打有直径与光纤地声传感器5相同的孔,然后将光纤地声传感器5固定在支座8上，再用浇注体9灌满柱形壳体6。在本发明中，光纤传感器2为光纤激光型光纤传感器，如分布布拉格反射型(DBR)光纤激光传感器、分布布拉格反馈型(DFB)光纤激光传感器，用于感受地声信号并转变为其输出波长的变化。光纤激光型光纤传感器兼顾传统的无源光纤光栅传感器和干涉式光纤传感器两者的优点，具有高的灵敏度、长期稳定性和小的尺寸。光纤温度传感器7是与光纤地声传感器5为同一类型的光纤传感器，并采用隔声材料对其进行封装和保护，或者设计一种声隔离腔对光纤温度传感器7进行声隔离，以防光纤温度传感器7收到地声信号的作用。单支光纤地声传感器5的上下左右可以封装多支光纤传感器2，形成差动式结构，以提高灵敏度。在后续的信号处理中可以对多支光纤传感器2的数据进行归一化处理，可以提高地声信号的准确性，并补偿温度影响。 光纤地声传感器的引出光缆I与柱形壳体6和吊钩10连接，用于光纤深井地声仪的下井操作。下井过程中，还可以用钢缆吊起吊钩10，以保证光缆I不受到很大的拉力。这里采用的光缆I可以是铠装光缆。请参照图2，该光纤深井地声仪的工作原理为光纤深井地声仪13安装在深井17下，越过土层12，并通过耦合剂14将其与基岩15耦合。光纤深井地声仪13通过光缆1，经过井水16，与地表的光纤信号解调设备11相连。当有地声信号时，地声信号经过耦合剂14、柱形壳体6、烧注体9传递给三分向光纤地声传感器5,从而引起光纤地声传感器5的输出光的特性发生变化。对于光纤激光型光纤地声传感器，其输出光波长发生变化。再通过井上的光纤解调设备11即可解调出地声信号，光纤解调设备11内采用的相应的光纤信号解调算法，如相位产生载波算法。由于这里采用光纤地声传感器5替代传统电学测振仪或加速度计，而光纤地声传感器5不需要供电，不必在地声仪内部装信号放大器等电学设备，故大大减小了深井地声仪的系统复杂度。同时全光测量方法，采用光缆I进行信号传输，故可以解决深井地声仪的电磁干扰、防雷击、耐高温高压等问题，易于实现长距离信号实时传输和长期连续观测。请参照图3，在本发明中，由多分向光纤地声传感器5组成的光纤深井地声仪具备组网功能，可以通过波分或空分组网技术将多个光纤深井地声仪组建成区域性的地声监测网络，即在一口井中可以通过一条光缆串联多个光纤深井地声仪，而多个光纤深井地声仪只需一台解调设备11就可以实现不同深度的地声信号的监测。因此，由光纤深井地声仪可以组建区域性的地声监测网络，实现地声声源的定位和精细观测。请参照图4a-图5b，为了进一步验证光纤地声传感器5探测连续性声发射信号的能力，本发明对单支光纤地声传感器5与PTZ声发射传感器进行对比观测实验，可以看出光纤地声传感器5能够清晰地记录到正弦信号，并与PTZ声发射传感器相比具有更低的噪声水平。请参照图6a-图7b，为了进一步验证光纤地声传感器5探测突发型声发射信号的能力，本发明对单支光纤地声传感器5与PTZ声发射传感器进行对比观测实验，可以看出光纤地声传感器5能够清晰地记录到冲击信号，并与PTZ声发射传感器相比具有更低的噪声水平。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种光纤深井地声仪，其特征在于，该光纤深井地声仪包括柱形壳体(6)，用于保护光纤深井地声仪的内部结构，并起到传递地声信号的作用；安装于柱形壳体(6)内部的支座(8)，用于光纤深井地声仪传感单元的安装，并起到传递地声信号的作用；安装于支座(8)上的至少一支光纤地声传感器(5)，用于测量地声信号，其尾纤通过光缆⑴引出；安装于柱形壳体(6)内部的光纤温度传感器(7)，用于对光纤深井地声仪进行温度补偿；以及柱形壳体(6)内部的烧注体(9),用于传递地声信号。
2.根据权利要求I所述的光纤深井地声仪，其特征在于，所述光纤地声传感器(5)采用一柱形材料(4)进行封装，并用胶体(3)对光纤传感器(2)进行粘接和保护，其尾纤通过光缆⑴引出。
3.根据权利要求2所述的光纤深井地声仪，其特征在于，所述光纤地声传感器(5)需安装多支时，则安装在X、Y、Z三个不同的方向上，以实现识别地声信号方向的功能。
4.根据权利要求I所述的光纤深井地声仪，其特征在于，所述光纤传感器(2)为光纤激光型光纤传感器，用于感受地声信号并转变为其输出波长的变化。
5.根据权利要求4所述的光纤深井地声仪，其特征在于，所述光纤传感器(2)为分布布拉格反射型(DBR)光纤激光传感器或分布布拉格反馈型(DFB)光纤激光传感器。
6.根据权利要求I所述的光纤深井地声仪，其特征在于，所述柱形壳体￠)、支座(8)、 浇注体(9)、柱形材料(4)和胶体(3)，均为与基岩能够进行声匹配的材料。
7.根据权利要求I所述的光纤深井地声仪，其特征在于，所述光纤温度传感器(7)与光纤地声传感器(5)是同一类型的光纤传感器，并采用隔声材料对其进行封装和保护。
8.根据权利要求I所述的光纤深井地声仪，其特征在于，在所述光纤地声传感器(5) 的上下左右进一步封装多支光纤传感器(2)，形成差动式结构，以提高灵敏度并补偿温度影响。
9.根据权利要求I所述的光纤深井地声仪，其特征在于，所述光纤地声传感器的引出光缆(I)与柱形壳体(6)及吊钩(10)连接，用于光纤深井地声仪的下井操作。
全文摘要
本发明公开了一种光纤深井地声仪，该光纤深井地声仪包括柱形壳体，用于保护光纤深井地声仪的内部结构，并起到传递地声信号的作用；安装于柱形壳体内部的支座，用于光纤深井地声仪传感单元的安装，并起到传递地声信号的作用；安装于支座上的至少一支光纤地声传感器，用于测量地声信号，其尾纤通过光缆引出；安装于柱形壳体内部的光纤温度传感器，用于对光纤深井地声仪进行温度补偿；以及柱形壳体内部的浇注体，用于传递地声信号。利用本发明，提高了探测地声和高频极微震的能力，并解决了深井地声仪的系统复杂、电磁干扰、防雷击、长距离信号实时传输和长期连续观测等问题。
文档编号G01H9/00GK102692640SQ20121019274
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者张文涛, 李芳 , 黄稳柱 申请人:中国科学院半导体研究所