CN102981181A - 一种滚动式运动纵波传感器装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚动式运动纵波传感器装置及其使用方法，包括一个或一个以上纵波传感器(1)、纵波震源（13）和地震仪（7），一个或一个以上所述的纵波传感器(1)分布附着在滚动轮（2）的外圈，所述的纵波传感器(1)的耦合方向为所述的滚动轮（2）的中心辐射径向方向，每个正好垂直于路面的所述的纵波传感器(1)的输出信号与所述的地震仪（7）采用电刷连接。滚动轮持续前行，完成沿路地震采集记录多道集合，通过该记录进行路基下覆隐患的探测。该纵波传感器在运动中与检测介质表面保持垂直耦合，在滚动前行中实现连续地震信号采集，是一种适用于路基隐患快速探测或连续检测的关键组件。

Description

一种滚动式运动纵波传感器装置及其使用方法

技术领域

本发明专利涉及一种滚动式运动纵波传感器装置及其使用方法，适用于地球物理勘探和工程勘察中的地震勘探，应用于较平整表面介质内部工程隐患和缺陷勘察，特别是各种公路、铁路路基下已生成或即将生成的空洞隐患探测。

技术背景

在建城市街道、公路、铁路路基竣工验收以及后期养护和运营中，路基下隐患探测与评估，事关公路的使用效率、运行寿命和行车安全等等，受到业内广泛重视。

路基下覆隐患探测采用的物探方法包括地质雷达、面波勘探、电阻率法。地质雷达和电阻率法分别以介质结构介电常数和电阻率差异作为探测前提，不能直接反应介质结构的力学性质和状态。地质雷达能够一定程度上反映路基隐患的存在状态，但其勘探深度非常有限。弹性波勘探可以提供与力学性状相关的波速参数，但通常只能以人工方式逐点完成地震勘探记录采集，测量效率和自动化程度低，检测过程中存在安全隐患。

如果能提供一种连续快速检测技术，既能提供与路基内部介质结构力学性质相关的物理参数指标，又能形成车载式连续探测，对于路基下覆隐患排查和加固治理方案设计有重要价值。

纵波传播波速快，可以减小每个地震记录点的采样时间，可以提高探测系统的检测速率。加以利用可以形成新的路基隐患探测与评估技术。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能连续快速探测路基隐患的滚动式运动纵波传感器装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种能连续快速探测路基下覆隐患或介质结构状况的滚动式运动纵波传感器装置的使用方法。

为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的滚动式运动纵波传感器装置，包括一个或一个以上纵波传感器、纵波震源和地震仪，一个或一个以上所述的纵波传感器分布附着在滚动轮的外圈，所述的纵波传感器的耦合方向为所述的滚动轮的中心辐射径向方向，每个正好垂直于路面的所述的纵波传感器的输出信号与所述的地震仪采用电刷连接。

每个所述的纵波传感器在所述的滚动轮的外侧有一个与所述的纵波传感器高度一致且内径大于所述的纵波传感器的直径的安装孔，所述的纵波传感器的顶部由安装固定在所述的安装孔底部的钳固装置擒拿并保证传感器最佳耦合方向，安装固定传感器的钳固装置为有柔韧性的橡胶材料制成。

所述的滚动轮上设有滚动轴承和滚动轴，所述的滚动轮的外圈为橡胶、木材或塑料制成或包裹，减小系统振动噪声。

每个所述的纵波传感器的输出信号连接到固定在所述的滚动轮上的一段相互绝缘的一对正负金属环片上，与所述的地震仪的信号输入端连接的一对固定电刷与正好垂直于路面的所述的纵波传感器所述的正负金属环片分别电刷连接。

所述的一个或多个传感器输出信号通过分段成对金属环片各自传输出到与之轮流相连的一对电刷上，再由电刷通过导线将信号传输至地震记录仪，金属环片间为电绝缘层。

正负金属环片固定在滚动轮侧面，或固定在滚动轮轴上。

所述的纵波传感器上用于与探测表面接触的底座为弧面、球面或垂直于前进方向的柱面，为传感器的接地耦合提供保障。

纵波震源的启动信号由贴附在滚动轮上的电极短路提供，两电极相距小于滑过电极的一个金属环片的宽度，当金属环片与电极接触时，电极短路，提供震源启动信号。

所述的纵波传感器是三分量传感器或单分量传感器，在纵波耦合方向保证的前提下，与纵波耦合方向正交垂直的两个方向也同时采集地震信号，采集地震信号的地震仪至少有三个通道同步采集。

为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的滚动式运动纵波传感器装置的使用方法，携带一个或多个纵波传感器的滚动轮在被测介质表面以一定速度随探测系统滚动前进，当某个纵波传感器与介质表面垂直耦合时，该纵波传感器输出信号端与地震仪输入端连通，纵波震源激发弹性波，地震仪同步记录来自该纵波传感器的地震信号，形成一道地震记录；滚动轮滚动到下一个与地表垂直耦合的纵波传感器时，类似上一个采集过程，完成另一道地震记录采集；以此类推，完成一段被测介质表面的弹性波勘探多道集合记录，用于地震勘探分析解释。

多个相同纵波传感器和滚动轮在保证相同个数传感器耦合方向一致的情况下，成串线性排列一起滚动，通过多道地震仪进行地震记录采集，形成地震勘探多次覆盖排列记录。该类勘探记录的解释结果比单道记录更加精确。

多个相同纵波传感器和滚动轮在保证相同个数传感器耦合方向一致的情况下，面积性分布在一片区域一起滚动，通过多道地震仪进行地震记录采集，形成地震勘探成面积覆盖的排列记录。该类勘探记录的解释结果比单道记录更加精确。

采用上述技术方案的滚动式运动纵波传感器装置及其使用方法，综合考虑了纵波传感器在运动过程中与地面的短时耦合难题。下面结合图表来说明其应用的理论依据。下图中Φ为某个传感器在一道地震数据持续采集过程中芯体旋转的角度，L为整套检测系统前进距离，也相当于滚动轮上的一段弧长。

按照地震勘探经验，取弹性波在介质中传播波速800m/s估算，20米深度反射波垂直往返所需时间为0.050秒（40/800），即50ms，当探测车车速1Km/h行驶时，驶过距离约0.0139m（1000/3600*0.05），即1.39厘米。参照图8所示，当L=1.39cm时，如果传感器身高不同，则传感器芯体旋转角度Φ也有变化。换算表如下表所示：

传感器芯体身高与单道地震信号采集时传感器倾角换算关系表

传感器芯体距耦合表面高度(cm)	10	15	20
				传感器芯体旋转角Φ/2（度）	8	6	4
传感器倾斜角度（度）[取芯体旋转角1/2]	4	3	2

由换算表可见，当传感器芯体中心高度为10cm时，一道地震记录采集过程中，传感器倾角变化为4度，为平角的1/45。试验表明，这一偏转角度一定程度上会影响信号的幅度，但影响较小；对反射波旅行时的提取，理论上没有影响。因此，利用这种传感器装置在运动中实现路基隐患地震勘探是可行的。

使用本发明提供的滚动式运动纵波传感器装置及其使用方法，相关震源、地震仪、传感器装置可以形成一体化探测设备，通过车载方式在运动中实现持续数据采集，可以连续提供单炮多道地震记录，也可以通过多个传感器装置线型连接或面型连接，形成单炮多道道集记录，对探测区段或区域形成多次覆盖。为后续数据资料处理与解释提供素材。

该发明适用于各种城市道路、公路、铁路路基下覆隐患探测和质量检测、状态评估。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明安装有五个独立传感器的滚动轮结构示意图。

图3是本发明传感器输出在滚动轮侧面与电刷连接方式示意图。

图4是本发明传感器输出在滚动轮轴上与电刷连接方式示意图。

图5是本发明震源启动信号连接方式示意图。

图6是本发明纵波传感器装置在地震勘探中从侧面看排列布置示意图。

图7是本发明纵波传感器装置成面积分布时地震勘探记录采集排列布置俯视图。

图8是传感器芯体身高与单道地震信号采集时传感器倾角换算关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参见图1，滚动轮2上设有滚动轴承9和滚动轴10，滚动轮2的外圈为橡胶、木材或塑料制成或包裹，一个或一个以上纵波传感器1个体分布附着在滚动轮2外侧，纵波传感器1的最佳耦合方向为滚动轮2的中心辐射径向方向，每个纵波传感器1在滚动轮2的外侧有一个与纵波传感器1高度一致且内径略大于纵波传感器1直径的安装孔4，每个纵波传感器1的顶部由安装固定在安装孔4底部的钳固装置5擒拿并保证纵波传感器1最佳耦合方向，钳固装置5为有柔韧性的橡胶材料制成，纵波传感器1上用于与探测表面接触的底座11为弧面、球面或垂直于前进方向的柱面；每个纵波传感器1的输出信号由信号线3连接到固定在滚动轮2上的一段正负金属环片6上，与地震仪7信号相连的一对固定电刷8与正好垂直于路面的纵波传感器1的输出用的正负金属环片6连接，将该纵波传感器1的地震记录信号传输到地震仪7。纵波传感器1是单分量传感器，也可以替换成三分量传感器，在纵波耦合方向保证的前提下，与纵波耦合方向正交垂直的两个方向也同时采集地震信号，采集地震信号的地震仪至少有三个通道同步采集。

参见图1、图2、图3和图4，正负金属环片6可以固定在滚动轮2侧面，也可固定在滚动轮2的滚动轴10上。当滚动轮2滚动到那个纵波传感器1垂直于路面时，那个纵波传感器1的信号与地震仪7的输入端连通，纵波震源13锤击路面形成弹性波激励，地震仪7同步完成一道地震信号采集。滚动轮2持续前行，完成沿路多道地震采集记录道集，通过该道集记录进行路基下的塌陷隐患18的探测。该纵波传感器1在运动中与检测介质表面保持垂直耦合，在滚动前行中实现连续地震信号采集。

参见图5，纵波震源13的启动信号由贴附在滚动轮2上的两个电极14短路提供，两个电极14相距小于滑过电极14的一个金属环片的宽度，当金属环片与电极14接触时，两个电极14短路，提供震源启动信号。

参见图1和图6，滚动式运动纵波传感器装置的使用方法是：携带一个或多个纵波传感器1的滚动轮2在被测介质表面被勘探车17以一定速度滚动前进，滚动轮2后设有平衡导向轮16，当某个纵波传感器1在介质表面垂直耦合时，该纵波传感器1输出信号端与地震仪7输入端连通，纵波震源13激发弹性波，纵波传感器1对路基下的塌陷隐患18的探测，地震仪7同步记录来自该纵波传感器1的地震信号，形成一道地震记录；滚动轮2滚动到下一个纵波传感器1，类似上一个采集过程，完成另一道地震记录采集；以此类推，完成一段被测介质表面的弹性波勘探道集记录，用于地震勘探分析解释。

参见图1和图6，多个相同纵波传感器1、滚动轮2可以在保证纵波传感器1方向一致的情况下，成串一起滚动，通过多道地震仪7进行地震记录采集，形成地震排列记录。该记录更有利于地震勘探资料的解释。

参见图1和图7，多个相同纵波传感器1、滚动轮2可以在保证相同个数纵波传感器1方向一致的情况下，面积性分布在一片区域一起滚动，通过多道地震仪7进行地震记录采集，形成地震勘探成面积覆盖的排列记录。该类勘探记录的解释结果比单道记录更加精确。

Claims (10)

1.一种滚动式运动纵波传感器装置，包括一个或一个以上纵波传感器(1)、纵波震源（13）和地震仪（7），其特征是：一个或一个以上所述的纵波传感器(1)分布附着在滚动轮（2）的外圈，所述的纵波传感器(1)的耦合方向为所述的滚动轮（2）的中心辐射径向方向，每个正好垂直于路面的所述的纵波传感器(1)的输出信号与所述的地震仪（7）采用电刷连接。

2.根据权利要求1所述的滚动式运动纵波传感器装置，其特征是：所述的纵波传感器（1）上用于与探测表面接触的底座（11）为弧面、球面或垂直于前进方向的柱面。

3.根据权利要求1或2所述的滚动式运动纵波传感器装置，其特征是：每个所述的纵波传感器（1）在所述的滚动轮（2）的外侧有一个与所述的纵波传感器(1)高度一致且内径大于所述的纵波传感器(1)的直径的安装孔（4），所述的纵波传感器(1)的顶部由安装固定在所述的安装孔（4）底部的钳固装置（5）擒拿并保证传感器最佳耦合方向。

4.根据权利要求1或2所述的滚动式运动纵波传感器装置，其特征是：所述的滚动轮(2)上设有滚动轴承(9)和滚动轴（10），所述的滚动轮(2)的外圈为橡胶、木材或塑料制成或包裹。

5.根据权利要求1或2所述的滚动式运动纵波传感器装置，其特征是：每个所述的纵波传感器(1)的输出信号连接到固定在所述的滚动轮（2）上的一段相互绝缘的一对正负金属环片（6）上，与所述的地震仪（7）的信号输入端连接的一对固定电刷（8）与正好垂直于路面的所述的纵波传感器(1)所述的正负金属环片（6）分别电刷连接。

6.根据权利要求1或2所述的滚动式运动纵波传感器装置，其特征是：所述的纵波震源（13）的启动信号由贴附在所述的滚动轮（2）上的两个电极（14）短路提供，两个所述的电极（14）相距小于滑过所述的电极（14）的一个金属环片的宽度。

7.根据权利要求1或2所述的滚动式运动纵波传感器装置，其特征是：所述的纵波传感器(1)是单分量纵波传感器或三分量传感器。

8.使用权利要求1所述的滚动式运动纵波传感器装置的方法，其特征是：携带一个或多个纵波传感器(1)的滚动轮（2）在被测介质表面以一定速度随探测系统滚动前进，当某个纵波传感器(1)与介质表面垂直耦合时，该纵波传感器(1)输出信号端与地震仪（7）输入端连通，纵波震源（13）激发弹性波，地震仪（7）同步记录来自该纵波传感器(1)的地震信号，形成一道地震记录；滚动轮（2）滚动到下一个与地表垂直耦合的纵波传感器(1)时，类似上一个采集过程，完成另一道地震记录采集；以此类推，完成一段被测介质表面的弹性波勘探多道集合记录，用于地震勘探分析解释。

9.根据权利要求8所述的使用滚动式运动纵波传感器装置的方法，其特征是：多个相同纵波传感器(1)和滚动轮（2）在保证相同个数传感器耦合方向一致的情况下，成串线性排列一起滚动，通过多道地震仪进行地震记录采集，形成地震勘探多次覆盖排列记录。

10.根据权利要求8所述的使用滚动式运动纵波传感器装置的方法，其特征是：多个相同纵波传感器(1)和滚动轮（2）在保证相同个数传感器耦合方向一致的情况下，面积性分布在一片区域一起滚动，通过多道地震仪进行地震记录采集，形成地震勘探成面积覆盖的排列记录。

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