CN102435147B

CN102435147B - 一种测量状态量的光纤钻孔应变仪

Info

Publication number: CN102435147B
Application number: CN 201110272925
Authority: CN
Inventors: 张文涛; 李芳�
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2031-09-15
Also published as: CN102435147A

Abstract

本发明公开了一种测量状态量的光纤钻孔应变仪，包括：应变筒，用于感受体应变；充满应变筒内的液体，用于传递应变筒感受到的体应变；端盖，用于密封；安装于应变筒底部的膜片，用于感受应变筒内容积的变化，并与光纤的端面形成一个低反射测量干涉仪；安装于应变筒底部的螺栓，用于灌注液体并密封；固定于膜片外侧的光纤，用于测量膜片的形变；安装于应变筒底部的保护罩，用于保护体应变仪内部结构；参考干涉仪，用于与低反射测量干涉仪匹配，从而得到干涉仪的腔长长度；光源，用于给系统提供光源；耦合器，用于连接光源、光纤、参考干涉仪；以及探测器，用于探测参考干涉仪的输出光强。利用本发明，解决了现有钻孔应变仪的防雷击和零漂问题。

Description

一种测量状态量的光纤钻孔应变仪

技术领域

本发明涉及地震探测技术领域，尤其涉及一种测量状态量的光纤钻孔应变仪。

背景技术

在区域应力场作用下地壳会发生变形，钻孔应变观测是研究地壳变形和地应力场变化的一种重要手段。钻孔应变仪能将地震和火山活动当时及其前后的地壳形变，以分钟甚至接近测震的采样时间连续记录下来。因此在地震预测预报和地球物理研究中发挥着重要的作用。

现有的钻孔应变仪包括体应变仪和分量式应变仪(邱泽华等，“国外钻孔应变观测的发展现状”，地震学报，2004)。但是不论哪种应变仪，均采用电学传感器进行探测。如我国的FZY-1型钻孔应变仪采用电容传感器(李海亮等，“FZY-1型多分量式钻孔应变仪的设计”，地震地磁观测与研究，2004)，日本的山内常生采用电磁传感器，我国的王启民提出了“弦频式钻孔应变仪”(中国专利申请CN86100074A)，等等。这些电学式的钻孔应变仪都具有相同的缺点，第一，不能抗雷击，抗电磁干扰；第二，不能解决零漂问题(邱泽华等，“国外钻孔应变观测的发展现状”，地震学报，2004)。

光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面具有明显的优势，尤其具有抗电磁干扰、不怕雷击、无零漂的特点。周振安等人提出了可在观测室内的基岩上安装的光纤光栅应变仪(周振安等，“光纤光栅传感器用于高精度应变测量研究”，地球物理学进展，2005)，但是，由于光纤光栅在长期工作中会受到蠕变的影响，故可减小零漂的影响，但不能在长期监测中解决零漂的问题。

因此，本发明提出一种测量状态量的光纤钻孔应变仪，用于在地震探测领域的地应变探测，重点解决现有钻孔应变仪的防雷击和零漂问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种测量状态量的光纤钻孔应变仪，以解决现有钻孔应变仪的防雷击和零漂问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种测量状态量的光纤钻孔应变仪，包括：应变筒20，用于感受体应变；充满应变筒20内的液体50，用于传递应变筒20感受到的体应变；端盖10，用于密封；安装于应变筒20底部的膜片65，用于感受应变筒20内容积的变化，并与光纤90的端面形成一个低反射测量干涉仪；安装于应变筒20底部的螺栓80，用于灌注液体50并密封；固定于膜片65外侧的光纤90，用于测量膜片65的形变；安装于应变筒20底部的保护罩70，用于保护体应变仪内部结构；参考干涉仪83，用于与低反射测量干涉仪匹配，从而得到干涉仪的腔长长度；光源82，用于给系统提供光源；耦合器81，用于连接光源82、光纤90、参考干涉仪83；以及探测器84，用于探测参考干涉仪的输出光强，从而得到应变大小。

上述方案中，所述膜片65与应变筒20内的液体50接触，用于测量液体50的压力变化。

上述方案中，所述保护罩70上进一步开有孔71，以便光纤90的尾纤引出。

上述方案中，所述应变筒20的侧壁25刚度远小于底端26和端盖10的刚度。

上述方案中，所述应变筒20的底端26进一步开有一阶梯孔21，孔21中有一凸台22，以便于膜片65的安装。

上述方案中，所述应变筒20内可进一步装有一柱体30，用于改变测量状态量的光纤钻孔应变仪的温度特性。

上述方案中，所述光纤90的端部可进一步安装一个固定柱60，固定柱60中有一孔61用于光纤90穿过并固定，固定柱60可安装在阶梯孔21较粗的一侧，以便于光纤90的安装。

上述方案中，所述光纤90与膜片65相对的端面以及膜片65与光纤90相对的一侧的表面光洁度较高，以便形成低反射测量光纤干涉仪。

上述方案中，所述参考干涉仪83的腔长可调。

上述方案中，所述柱体30的温度膨胀系数远小于液体50，当测量状态量的光纤钻孔应变仪所处环境温度发生改变时，液体50由温度膨胀引起的压力变化将减小。

(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：

1、本发明提供的这种测量状态量的光纤钻孔应变仪，通过光缆连接井下仪器，光缆可无金属，故防雷击。

2、本发明提供的这种测量状态量的光纤钻孔应变仪，通过两个干涉仪进行匹配测量，可测量出测量干涉仪的绝对腔长值，从而实现了对应变的状态量测量，解决了体应变仪的零漂问题。

附图说明

图1为本发明提供的测量状态量的光纤钻孔应变仪的示意图；

图2为本发明提供的测量状态量的光纤钻孔应变仪的应变筒20的底端26部位的示意图；

图3为本发明提供的测量状态量的光纤钻孔应变仪的膜片65的安装示意图；

图4为本发明提供的测量状态量的光纤钻孔应变仪在井下安装的示意图。

具体实施方式

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。

请参照图1，图1为本发明提供的测量状态量的光纤钻孔应变仪的示意图。该该测量状态量的光纤钻孔应变仪包括：应变筒20，用于感受体应变；充满应变筒20内的液体50，用于传递应变筒20感受到的体应变；端盖10，用于密封；安装于应变筒20底部的膜片65，用于感受应变筒20内容积的变化，并与光纤90的端面形成一个低反射测量干涉仪；安装于应变筒20底部的螺栓80，用于灌注液体50并密封；固定于膜片65外侧的光纤90，用于测量膜片65的形变；安装于应变筒20底部的保护罩70，用于保护体应变仪内部结构；参考干涉仪83，用于与低反射测量干涉仪匹配，从而得到干涉仪的腔长长度；光源82，用于给系统提供光源，且一般为白光光源(宽带光源)；耦合器81，用于连接光源82、光纤90、参考干涉仪83；探测器84，用于探测参考干涉仪的输出光强，从而得到应变大小。

如图2所示，图2为本发明提供的测量状态量的光纤钻孔应变仪的应变筒20的底端26部位的示意图。应变筒20的底端26进一步开有一阶梯孔21，孔21中有一凸台22，以便于膜片65的安装。光纤90的端部可进一步安装一个固定柱60，固定柱60可有外螺纹，并通过螺纹配合安装在阶梯孔21较粗的一侧(可在阶梯孔21较粗的一侧有内螺纹)，以便于光纤90的安装。

如图3所示，图3为本发明提供的测量状态量的光纤钻孔应变仪的膜片65的安装示意图。固定柱60与膜片65相对的一端可进一步开有一凹槽66，以便形成干涉腔66。膜片65可通过固定柱60通过螺纹固定并密封。固定柱60中有一孔61用于光纤90穿过并固定，孔61与光纤90的外径相近，可通过胶粘的方式固定光纤90。膜片65与应变筒20内的液体50接触，用于测量应变筒20内的容积变化。应变筒20的侧壁25刚度远小于底端26和端盖10的刚度。

如图1所示，保护罩70上进一步开有孔71，以便光纤90的尾纤引出。应变筒20内可进一步装有一柱体30，用于改变测量状态量的光纤钻孔应变仪的温度特性。柱体30可安装于端盖10上。应变筒20内的液体50由于柱体30的存在而体积减少。柱体30的温度膨胀系数远小于液体50，当测量状态量的光纤钻孔应变仪所处环境温度发生改变时，液体50由温度膨胀引起的压力变化将大大减小。

光纤90与膜片65相对的端面以及膜片65与光纤90相对的一侧的表面光洁度较高，以便形成低反射测量光纤干涉仪。

本发明提供的测量状态量的光纤钻孔应变仪的工作原理为(参考图4)，将钻孔应变仪放入井下后，通过浇注水泥砂浆92，使测量状态量的光纤钻孔应变仪与井的套管91紧密结合，当地壳应力发生变化使岩层中发生应变时，使应变筒20的侧壁发生形变，从而导致液体50的压力发生变化，进而使膜片65发生形变。膜片65的侧面与光纤90的端面形成一个低反射测量干涉仪，膜片65的形变将改变该干涉仪的腔长，即腔66的长度。

光从光源82发出的宽带光信号经过耦合器81进入低反射测量干涉仪后在光纤90的端面和膜片65的侧面反射后发生干涉，干涉后的光再经过耦合器81进入参考干涉仪83，参考干涉仪83的腔长可调，当参考干涉仪83的腔长和低反射测量干涉仪的腔长相等时，探测器84接收到的输出光强最大。因此通过在读出读出探测器84测量到的光强最大时的参考干涉仪83的腔长，即可得到低反射测量干涉仪的腔长，从而得到膜片65的变形量。而膜片65的变形量与钻孔应变仪感受到的体应变是成正比的，因此可以计算得到体应变值。

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。

Claims

1.一种测量状态量的光纤钻孔应变仪，其特征在于，包括：

应变筒(20)，用于感受体应变；

充满应变筒(20)内的液体(50)，用于传递应变筒(20)感受到的体应变；

端盖(10)，用于密封；

安装于应变筒(20)底部的膜片(65)，用于感受应变筒(20)内容积的变化，并与光纤(90)的端面形成一个低反射测量干涉仪；

安装于应变筒(20)底部的螺栓(80)，用于灌注液体(50)并密封；

固定于膜片(65)外侧的光纤(90)，用于测量膜片(65)的形变；

安装于应变筒(20)底部的保护罩(70)，用于保护体应变仪内部结构；

参考干涉仪(83)，用于与低反射测量干涉仪匹配，从而得到干涉仪的腔长长度；

光源(82)，用于给系统提供光源；

耦合器(81)，用于连接光源(82)、光纤(90)、参考干涉仪(83)；以及

探测器(84)，用于探测参考干涉仪的输出光强，从而得到应变大小。

2.根据权利要求1所述的测量状态量的光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述膜片(65)与应变筒(20)内的液体(50)接触，用于测量液体(50)的压力变化。

3.根据权利要求1所述的测量状态量的光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述保护罩(70)上进一步开有孔(71)，以便光纤(90)的尾纤引出。

4.根据权利要求1所述的测量状态量的光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述应变筒(20)的侧壁(25)刚度远小于底端(26)和端盖(10)的刚度。

5.根据权利要求1所述的测量状态量的光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述应变筒(20)的底端(26)进一步开有一阶梯孔(21)，孔(21)中有一凸台(22)，以便于膜片(65)的安装。

6.根据权利要求1所述的测量状态量的光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述应变筒(20)内可进一步装有一柱体(30)，用于改变测量状态量的光纤钻孔应变仪的温度特性。

7.根据权利要求1所述的测量状态量的光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述光纤(90)的端部可进一步安装一个固定柱(60)，固定柱(60)中有一孔(61)用于光纤(90)穿过并固定，固定柱(60)可安装在阶梯孔(21)较粗的一侧，以便于光纤(90)的安装。

8.根据权利要求1所述的测量状态量的光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述光纤(90)与膜片(65)相对的端面以及膜片(65)与光纤(90)相对的一侧的表面光洁度较高，以便形成低反射测量光纤干涉仪。

9.根据权利要求1所述的测量状态量的光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述参考干涉仪(83)的腔长可调。

10.根据权利要求6所述的测量状态量的光纤钻孔应变仪，其特征在于，所述柱体(30)的温度膨胀系数远小于液体(50)，当测量状态量的光纤钻孔应变仪所处环境温度发生改变时，液体(50)由温度膨胀引起的压力变化将减小。