CN102540243A - 基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，包括传感光缆以及与传感光缆相接的测试单元和与测试单元相接的处理单元，传感光缆由多个柔性节段和多个硬性节段交替连接而成，传感光缆中至少穿设一根信号光纤，柔性节段由外护套一和套设在其内部的柱体一组成，硬性节段包括外护套二和套设在其内部的柱体二，柱体二与外护套二之间设有刚性护套，柱体一和柱体二的中心设有加强件，柱体一和柱体二的内部均开设凹槽，柱体二凹槽内侧相对的两个面上分别设有变形齿一和变形齿二，变形齿一和变形齿二均为氢敏变形齿，或者所述变形齿一和变形齿二的内表面上均镀覆有氢敏层。本发明能有效测量较大区域的地层中氢气浓度的变化。

Description

基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置

技术领域

本发明一种监测装置，尤其是涉及一种基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置。

背景技术

目前，一种普遍的观点认为地震时由构成地壳的多个板块相互挤压使板块间的岩层破裂造成的，由于构成地壳的结构和成分比较复杂，所以在地震前出现的征兆也不尽相同，所以对地震的监测参数选择也是多种多样，氢气在地壳中广泛存在，并被实际监测证明是地震预报中最灵敏的化学组分之一，与地震具有较强的对应性，特别是在短期临震阶段具有较强的指示性。

氢气分子由于是最小的分子结构，所以具有很强的渗透能力，在土壤气中氢气的背景值为0.5ppm，但在地震的临震短期阶段，由于地层中的岩石承受的应力已接近极限状态，岩石内部开始出现微裂纹，从而使地层深部的氢气大量释放并沿着各种渠道上升至地表，使地层中的氢气浓度突然增大，一般增加的幅值为背景值的数倍、数十倍至数万倍，只要监测到该变化就可以预示着有地震的可能。

现有的监测氢气浓度变化的仪器主要是钯银合金氢气传感装置和气相色谱-热导检测装置，两者检测的氢气极限分别是≤30ppm和≤10ppm，这显然无法满足对地层氢气浓度的检测，并且该设备操作复杂、成本高、不能做到分布式监测，只能给大的地震监测台站配备，使氢气监测点太少，而无法进行数据的分析比较，从而影响了对地震的监测效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其结构简单、设计合理、加工制作方便、成本低且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，实用价值高，适应性强，可实现远距离分布式监测，能有效较大区域的测量地层中氢气浓度的变化。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其特征在于：包括埋于待监测地层中的传感光缆以及与传感光缆相接的测试单元和与测试单元相接的处理单元，所述传感光缆由多个柔性节段和多个硬性节段交替连接而成，所述传感光缆中至少穿设有一根信号光纤，所述信号光纤位于柔性节段和硬性节段的内部，所述信号光纤中至少有一端与测试单元相接，所述柔性节段由外护套一和套设在外护套一内部的柱体一组成，所述硬性节段包括外护套二和套设在外护套二内部的柱体二，所述柱体二与外护套二之间设置有刚性护套，所述柱体一和柱体二的中心沿轴线方向上设置有加强件，所述柱体一和柱体二的内部均开设有凹槽，所述信号光纤穿设在凹槽中，所述柱体二的凹槽内侧相对的两个面上分别设置有变形齿一和变形齿二，所述变形齿一与变形齿二之间呈交错对应布设，所述信号光纤位于变形齿一与变形齿二之间，所述变形齿一和变形齿二均为氢敏变形齿，或者所述变形齿一和变形齿二的内表面上均镀覆有氢敏层。

上述的基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其特征在于：所述氢敏变形齿为金属镍变形齿、金属钯变形齿、金属钼变形齿、钯的合金变形齿、钼的合金变形齿或镍的合金变形齿；所述氢敏层为金属镍层、金属钯层、金属钼层、钯的合金层、镍的合金层或钼的合金层。

上述的基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其特征在于：所述柔性节段内部设置有光反射装置，所述信号光纤的一端通过光缆与测试单元相接，所述光缆上设置有1x 2光分路器，所述信号光纤的另一端连接光反射装置。

上述的基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其特征在于：所述凹槽在柱体一和柱体二上均呈连续布设，所述凹槽的形状为直线形、螺旋形或者SZ曲线形。

上述的基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其特征在于：所述外护套一为高分子波纹管或金属波纹管。

上述的基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其特征在于：所述外护套二表面上布设有透气孔，所述透气孔与凹槽相连通。

上述的基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其特征在于：所述信号光纤为外部包有多层保护层的光纤，所述信号光纤外还包覆有一层防水材料层。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单、加工制作简便、投入成本低且使用方式灵活、灵敏度高。

2、本装置中所使用的传感光缆埋入适当的地层中，光缆的长度根据需要可以是数公里或数十公里，从而可以检测到大范围地层中氢气浓度的变化，又由于公里距离长，从而使氢气浓度在大范围的小幅变化也可以被检测到，提高了监测的灵敏度。

3、测试精度高，安装布设方便。

4、功能完善，可以通过在光缆中安置第二、第三个信号光纤以及具有其它功能材料的变形齿可以监测其它参数，如地层中的湿度等，以便更好的分析地层变化的状况。

5、选用普通的通信光纤以及常规的测试仪器如光源-光功率计或光时域反射计就可以完成包括氢气浓度在内的多个地层参数的监测，从而可以大幅度降低整个装置的成本，利于推广使用。

综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便、成本低且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，实用价值高，能有效监测地层中氢分子浓度的变化情况，具有广阔的应用前景。

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为实施例1中柔性节段和硬性节段的纵剖面结构示意图。

图3为图2中A-A的剖面结构示意图。

图4为图2中B-B的剖面结构示意图。

图5为本发明实施例2的结构示意图。

附图标记说明：

1-光缆；          3-变形齿一；       4-变形齿二；

5-测试单元；      6-信号光纤；       7-处理单元；

9-传感光缆；      10-硬性节段；      12-柔性节段；

13-1-外护套一；   13-2-外护套二；    15-1-柱体一；

15-2-柱体二；     16-加强件；        18-刚性护套；

19-氢敏层；       20-凹槽；          45-1×2光分路器；

46-光反射装置。

具体实施方式

实施例1

如图1、2、3和4所示的一种基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，包括埋于待监测地层中的传感光缆9以及与传感光缆9相接的测试单元5和与测试单元5相接的处理单元7，所述传感光缆9由多个柔性节段12和多个硬性节段10交替连接而成，所述传感光缆9中至少穿设有一根信号光纤6，所述信号光纤6位于柔性节段12和硬性节段10的内部，所述信号光纤6中至少有一端与测试单元5相接，所述柔性节段12由外护套一13-1和套设在外护套一13-1内部的柱体一15-1组成，所述硬性节段10包括外护套一二13-2和套设在外护套二13-2内部的柱体二15-2，所述柱体二15-2与外护套二13-2之间设置有刚性护套18，所述柱体一15-1和柱体二15-2的中心沿轴线方向上设置有加强件16，所述柱体一15-1和柱体二15-2的内部均开设有凹槽20，所述信号光纤6穿设在凹槽20中，所述柱体二15-2的凹槽20内侧相对的两个面上分别设置有变形齿一3和变形齿二4，所述变形齿一3与变形齿二4之间呈交错对应布设，所述信号光纤6位于变形齿一3与变形齿二4之间，所述变形齿一3和变形齿二4均为氢敏变形齿，或者所述变形齿一3和变形齿二4的内表面上均镀覆有氢敏层19。

本实施例中，所述凹槽20在柱体一15-1和柱体二15-2上均呈连续布设，所述凹槽20的形状为直线形、螺旋形或者SZ曲线形；柔性节段12和硬性节段10共用同一加强件16，刚性护套18用以保证在传感装置弯曲时硬性节段不会有显著影响。所述氢敏变形齿为金属镍变形齿、金属钯变形齿、金属钼变形齿、钯的合金变形齿、镍的合金变形齿或钼的合金变形齿；所述氢敏层19为金属镍层、金属钯层、金属钼层、钯的合金层、镍的合金层或钼的合金层，氢敏层19是在氢气浓度变化后，该材料的体积随之变化的材料，其具有吸收周围氢分子的功能，并在氢气浓度下降时有解吸能力，并且其体积随着吸附氢分子的多少而变化，例如由钯银合金构成的变形齿或在变形齿表面镀覆有钯银合金层会随着氢气浓度的变化，变变形齿的高度也变化，硬性节段10内部的相对两个面上布设的多个变形齿一3与变形齿二4之间的距离变化，变形齿一3与变形齿二4之间的距离变化导致夹持于两者之间的信号光纤6弯曲曲率变化，信号光纤6弯曲曲率变化使信号光纤6内部产生的光信号功率变化，这时测试单元5测得该变化信息并传递给处理单元7，处理单元7经计算得出氢气浓度的变化，达到监测目的。

所述硬性节段10的柱体二15-2由低膨胀系数材料构成，在硬性节段10内部的相对两个面上布设的变形齿一3和变形齿二4均由低膨胀系数材料构成，这样可以消减温度变化对测试结果的影响。所述外护套一13-1为高分子波纹管或金属波纹管，所述外护套二13-2表面上布设有透气孔，所述透气孔与凹槽20相连通。所述信号光纤6为外部包有多层保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等，也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤，所述信号光纤6外还包覆有一层防水材料层。

实施例2

如图5所示，本实施例与实施例1不同的是：所述柔性节段12内部设置有光反射装置46，所述信号光纤6的一端通过光缆1与测试单元5相接，所述光缆1上设置有1x2光分路器45，所述信号光纤6的另一端连接光反射装置46，这样可以使光信号两次通过传感区域，使传感精度提高一倍。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其特征在于：包括埋于待监测地层中的传感光缆(9)以及与传感光缆(9)相接的测试单元(5)和与测试单元(5)相接的处理单元(7)，所述传感光缆(9)由多个柔性节段(12)和多个硬性节段(10)交替连接而成，所述传感光缆(9)中至少穿设有一根信号光纤(6)，所述信号光纤(6)位于柔性节段(12)和硬性节段(10)的内部，所述信号光纤(6)中至少有一端与测试单元(5)相接，所述柔性节段(12)由外护套一(13-1)和套设在外护套一(13-1)内部的柱体一(15-1)组成，所述硬性节段(10)包括外护套二(13-2)和套设在外护套二(13-2)内部的柱体二(15-2)，所述柱体二(15-2)与外护套二(13-2)之间设置有刚性护套(18)，所述柱体一(15-1)和柱体二(15-2)的中心沿轴线方向上设置有加强件(16)，所述柱体一(15-1)和柱体二(15-2)的内部均开设有凹槽(20)，所述信号光纤(6)穿设在凹槽(20)中，所述柱体二(15-2)的凹槽(20)内侧相对的两个面上分别设置有变形齿一(3)和变形齿二(4)，所述变形齿一(3)与变形齿二(4)之间呈交错对应布设，所述信号光纤(6)位于变形齿一(3)与变形齿二(4)之间，所述变形齿一(3)和变形齿二(4)均为氢敏变形齿，或者所述变形齿一(3)和变形齿二(4)的内表面上均镀覆有氢敏层(19)。

2.按照权利要求1所述的基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其特征在于：所述氢敏变形齿为金属镍变形齿、金属钯变形齿、金属钼变形齿、钯的合金变形齿、钼的合金变形齿或镍的合金变形齿；所述氢敏层(19)为金属镍层、金属钯层、金属钼层、钯的合金层、镍的合金层或钼的合金层。

3.按照权利要求1所述的基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其特征在于：所述柔性节段(12)内部设置有光反射装置(46)，所述信号光纤(6)的一端通过光缆(1)与测试单元(5)相接，所述光缆(1)上设置有1x2光分路器(45)，所述信号光纤(6)的另一端连接光反射装置(46)。

4.按照权利要求1所述的基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其特征在于：所述凹槽(20)在柱体一(15-1)和柱体二(15-2)上均呈连续布设，所述凹槽(20)的形状为直线形、螺旋形或者SZ曲线形。

5.按照权利要求1所述的基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其特征在于：所述外护套一(13-1)为高分子波纹管或金属波纹管。

6.按照权利要求1所述的基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其特征在于：所述外护套二(13-2)表面上布设有透气孔，所述透气孔与凹槽(20)相连通。

7.按照权利要求1所述的基于地层氢气浓度变化的地震先兆监测装置，其特征在于：所述信号光纤(6)为外部包有多层保护层的光纤，所述信号光纤(6)外还包覆有一层防水材料层。

Images