CN103412322B - 一种微震监测三分量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微震监测三分量传感器，包括柱形的传感器基座，传感器基座一端到另一端依次设置有均为柱形的且相互垂直的轴向传感器芯体、第一径向传感器芯体和第二径向传感器芯体，轴向传感器芯体的中心线与传感器基座的中心线重合，传感器基座设置在不锈钢壳体内，不锈钢壳体一端设置有外六边形安装接头，另一端设置有底盖，底盖上开设连接螺纹孔，一锚固剂容器通过与连接螺纹孔适配的连接螺柱与底盖连接。本发明提高了高环境噪音的背景下P波和S波到时识别精度；提高了到波初动识别精度，进而提高了岩体破裂类型识别精度；提高了微震源定位精度、能量计算的准确性，尤其是传感器阵列之外的微震信号。

Description

一种微震监测三分量传感器

技术领域

本发明属于声发射/微震监测技术领域，更具体涉及一种微震监测三分量传感器。该发明可广泛用于水库蓄水、核废料储存、温室气体地下储存、地热工程、露天边坡安全运营、石油天然气开采的断层定向、油气井采油稳定性、矿山开采诱发的岩爆、顶板坍塌、地压冲击等灾害的安全监测、评估与管理。

背景技术

岩石材料在外力作用下，其内部新裂纹产生、旧裂纹扩展并最终失稳破坏的过程中，内部积聚的能量以应力波的形式向周围释放，并产生微震动。微震技术的原理是利用传感器采集岩石裂纹萌生、扩展、滑移过程中内部积聚的能量以应力波的形式释放而产生的震动信号，记录微震波形变化的过程与规律，通过分析微震波信息获得岩体破坏的时间、位置、破坏的尺寸、能量大小及非线性变形的演化规律等数据，从而判断、评估监测范围内岩体的稳定性，预测预报灾害发生的时间和位置，为工程管理和灾害防治提供技术支持。

微震监测技术与分析方法是现代计算机技术、现代通讯技术、GPS授时定位技术、地震学相关技术的综合集成，上世纪九十年代以来，这些技术得到了迅猛发展，因此，微震监测技术与分析方法近年来取得了突破性进展。目前，已经成为油气田勘探开发、矿产资源勘探与开采、水电站边坡建设、矿山露天开采以及其他重大岩石工程灾害监测与预报的重要手段。

单分量和三分量传感器是微震监测系统的重要组成部分，是必要的信号接收装置。相同通道，相同系统灵敏度要求的条件下单分量传感器具有监测范围更广的优势，但对于高环境噪音的背景下进一步开展科学研究和工程应用，具有以下不足：

1、难以清晰识别P波和S波到时；

2、难以准确识别到波初动，进而影响岩体破裂类型识别；

3、难以进一步提高微震源定位精度、能量计算的准确性，尤其是传感器阵列之外的微震信号。

三分量传感器可以在同一点接收到震动信号三个方向的信息，既能清晰的拾取P波和S波到时、识别波的初动，又能进行空间几何定位，用于解决上述问题具有无可比拟的优越性。为此，发明一种微震监测三分量传感器，对于提高微震源定位精度，改善能量计算的准确性，推理岩体破坏机理具有重要意义，是必要的。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种微震监测三分量传感器。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为：

一种微震监测三分量传感器，包括柱形的传感器基座，传感器基座一端到另一端依次设置有均为柱形的且相互垂直的轴向传感器芯体、第一径向传感器芯体和第二径向传感器芯体，轴向传感器芯体的中心线与传感器基座的中心线重合，传感器基座设置在不锈钢壳体内，不锈钢壳体一端设置有外六边形安装接头，另一端设置有底盖，底盖上开设连接螺纹孔，一锚固剂容器通过与连接螺纹孔适配的连接螺柱与底盖连接。

如上所述的传感器基座上开设有第一出线孔和第二出线孔，外六边形安装接头上开设有总出线孔，外六边形安装接头内设置有弹簧挡圈，一传感器信号线上设置有卡头，传感器信号线一端穿过弹簧挡圈并通过总出线孔穿出外六边形安装接头，传感器信号线通过卡头卡设在弹簧挡圈上，传感器信号线另一端与轴向传感器芯体的出线端连接，还通过第一出线孔与第一径向传感器芯体的出线端连接，还通过第二出线孔与第二径向传感器芯体的出线端连接。

如上所述的传感器基座的外壁设置有基座固定柱，不锈钢壳体内壁纵向设置有可供基座固定柱滑入的导向槽，导向槽内设置有卡件，不锈钢壳体外壁设置有方向识别标，基座固定柱和卡件配合使得传感器基座卡设在不锈钢壳体内时，方向识别标与第一径向传感器芯体和第二径向传感器芯体最佳接收方向相对应。

如上所述的传感器基座材质为铝合金材料，传感器基座靠近外六边形安装接头一端的端面上设置有屏蔽线焊接槽，传感器信号线外部设置有屏蔽层，屏蔽层与屏蔽线焊接槽连接。

如上所述的不锈钢壳体内壁直径47mm，外壁直径51mm，高度为145mm；底盖直径49mm，高度10mm；轴向传感器芯体、第一径向传感器芯体和第二径向传感器芯体均为圆柱形，且直径为26mm，高度为43mm；轴向传感器芯体外壁与第一径向传感器芯体外壁最短距离为5mm，第一径向传感器芯体外壁与第二径向传感器芯体外壁最短距离为5mm，第一出线孔和第二出线孔直径均为5mm，第一出线孔和第二出线孔的中心线均距离传感器基座外壁的距离为4.5mm，屏蔽线焊接槽为直径6mm的圆形凹槽，屏蔽线焊接槽中心距离传感器基座的外壁的距离为4.5mm。

1、为了较好的识别到波的初动，本方法将3个单分量传感器芯体通过粘钢胶将其固定在三向正交的传感器基座内，确保3个单分量传感器芯体最佳接收方向满足右手法则，以达到信号便于分解与合成的目的，进而便于P波和S波到时拾取、到波初动识别和进行空间定位的目的；

2、为了尽可能的消除电气噪音的影响，本方法的传感器基座选用轻质、易导电且无磁性铝合金材料，首先将传感器信号线通过总出线孔引入；接着按线色排序，先通过第一出线孔和第二出线孔与单分量径向传感器芯体进行连接，然后再与单分量轴线传感器芯体连接，最后将3个单分量传感器的屏蔽线一起焊接到传感器基座的屏蔽线焊接槽内，可以有效的屏蔽外界电气噪音的影响，又可降低环境噪音的干扰；

3、为了便于传感器的安装与回收，顶盖设计了外六边形安装接头，底盖预留了带有反螺纹的传感器固定孔；

4、为了防止信号线的折损，在顶盖内设置了弹簧挡圈安置腔，安装弹簧挡圈后既可缓冲外界的拉扯，又可保障信号线与传感器芯体的焊接不受损坏；

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明提高了高环境噪音的背景下P波和S波到时识别精度；

2、本发明提高了到波初动识别精度，进而提高了岩体破裂类型识别精度；

因传统单分量传感器仅能接收到震源信息在一个方向上的波动信号，若震源的初动不在传感器的接收方向，则很难准确识别到波初动的方向，采用三分量传感器通过偏振分析，可以得到偏振方位与偏振角，从而得到震源到三分量传感器的传播路径的空间方位，进而提高波初动识别精度。

3、本发明提高了微震源定位精度、能量计算的准确性，尤其是传感器阵列之外的微震信号；

采用三分量传感器进行定位的原理是首先通过偏振分析，得到微震源到三分量传感器的传播路径的空间方位；然后根据P波与S波波速及到时求得传感器与震源的距离；最后在球面坐标系内已知两点之间的空间方位关系以及距离，根据三分量传感器的空间位置可以准确求得微震源的空间位置，达到准确定位的目的，且可以为后续能量计算提供准确依据。

采用三分量传感器进行定位的优势及作用体现在：

（1）可以单独进行定位，也可以与单分量传感器联合定位；

（2）因采用单个三分量传感器即可准确定位，故不存在求解传感器阵列之外震源过程中的病态矩阵的问题且无需迭代初值即可准确求解，避免了传统单分量传感器定位方法对阵列之外的震源定位精度不高的弊端；

（3）定位结果可以为单向传感器定位方法提供迭代初值，提高单分量传感器阵列的定位精度。

（4）准确的定位结果对一定区域内微破裂的大小、集中程度、破裂密度等统计数据的准确性具有重要意义，从而为岩石破裂释放能、应力降等震源其他参数反演、岩石破裂类型判断以及机理分析提供基础。

下面从单分量传感器以及三分量传感器定位原理来分析后者的优越性。

3.1单分量传感器定位原理

仅采用单分量传感器进行定位，常用方法是将各传感器的到时残差（监测到时与计算到时的差）最小化，采用公式如下：

$\mathrm{\φ}(t_0,x_0,y_0,z_0)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i^2---\left(1\right)$

其中r_i为到时残差

r_i＝t_i-t₀-T_i(x₀,y₀,z₀)， (2)

T_i为震源到第i个台站的计算走时。

上述方法存在以下问题：迭代初值严重影响定位精度，当选取的迭代初值离真实震源位置较远时，迭代结果将不收敛或者非真值，当因现场条件限制传感器阵列无法在监测区域均匀分布时这种问题非常明显；若真实震源位于传感器阵列之外，当传感器集中分布于某一区域或数量有限的情况，定位精度常常是不能满足要求的。

3.2三分量传感器定位原理

具体计算过程如下：

（1）根据P波与S波的波速Vp、Vs与监测到时Tp、Ts，则由(3)式得传感器与震源的距离及发震时刻，如(4)式所示。

$\left\{\begin{array}{c}R=V_p(T_p-t_0)\\ R=V_s(T_s-t_0)\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}R=V_p{V}_s(T_s-T_p)/(V_p-V_s)\\ t_0=(V_p{T}_p-V_s{T}_s)/(V_p-V_s)\end{array}\right.---\left(4\right)$

（2）将x、y、z三个方向上的振幅Ax_i、Ay_i、Az_i，按照采样顺序组成一个n×3矩阵Q，将Q进行协方差计算得到3×3矩阵P；计算出矩阵P的特征值与特征向量，其中最大特征值对应的特征向量为(l,m,n)，所以可以得到微震源到三向传感器的传播路径的空间方位，即与x、y、z三个坐标的夹角α、β、γ，如图11所示。

$Q=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{Ax}}_1& {\mathrm{Ay}}_1& {\mathrm{Az}}_1\\ {\mathrm{Ax}}_2& {\mathrm{Ay}}_2& {\mathrm{Az}}_2\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ {\mathrm{Ax}}_n& {\mathrm{Ay}}_n& {\mathrm{Az}}_n\end{array}\right]$ $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}=\mathrm{co}{\stackrel{-}{s}}^1\left(l\right)\\ \mathrm{\β}=\mathrm{co}{\stackrel{-}{s}}^1\left(m\right)\\ \mathrm{\γ}=\mathrm{co}\stackrel{-1}{s}\left(n\right)\end{array}\right.$

（3）根据球坐标系相关知识，已知三分量传感器与震源之间的距离以及方位关系，通过传感器位置可以求出震源位置；

4、本发明制作的三分量微震传感器结构简单、密封性能好、成本低、便于制造与维修，便于拆卸及回收利用，且可与具有三个通道以上的微震监测设备直接配接，适用性广。

附图说明

图1为本发明主体结构图；

图2为本发明传感器基座结构左视图；

图3为本发明传感器基座结构正视图；

图4为本发明传感器基座结构俯视图；

图5为不锈钢壳体结构正视图；

图6为不锈钢壳体结构俯视图；

图7为本发明顶盖结构图；

图8为本发明底盖结构图；

图9为本发明传感器芯体示意图；

图10为本发明传感器安装杆示意图；

图11为本发明定位原理示意图

图12三分量传感器与单分量传感器接收的同一岩石破裂信号；

图13电气信号；

图14（a）为传统单分量传感器微震事件定位结果图；

图14（b）为本发明对于微震事件定位结果图。

其中，1-传感器信号线，2-弹簧挡圈，3-第一出线孔，4-不锈钢壳体，5-轴向传感器芯体，6-传感器基座，7-方向识别标，8-第一径向传感器芯体，9-第二出线孔，10-第二径向传感器芯体，11-底盖，12-顶盖内螺纹，13-底盖内螺纹，14-总出线孔，15-外六边形安装接头，16-顶盖外螺纹，17-屏蔽线焊接槽，18-底盖外螺纹，19-传感器固定孔，20-弹簧挡圈安置腔，21-基座固定柱，22-导向槽，23-单分量传感器芯体接线柱，24-单分量传感器芯体最佳接收方向，25-传感器顶盖，26-连接螺柱，27-锚固剂容器，28-内六边形安装接口，29-穿线孔，30-安装杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：

一种微震监测三分量传感器，它包括传感器信号线1、弹簧挡圈2、第一出线孔3、不锈钢壳体4、轴向传感器芯体5、传感器基座6、方向识别标7、第一径向传感器芯体8、第二出线孔9、第二径向传感器芯体10、底盖11、顶盖内螺纹12、底盖内螺纹13、总出线孔14、外六边形安装接头15、顶盖外螺纹16、屏蔽线焊接槽17、底盖外螺纹18、传感器固定孔19、弹簧挡圈安置腔20、基座固定柱21、导向槽22、单分量传感器芯体接线柱23，单分量传感器芯体最佳接收方向24，传感器顶盖25，连接螺柱26，锚固剂容器27，内六边形安装接口28，穿线孔29，安装杆30。

不锈钢壳体4内壁直径47mm，外壁直径51mm，高度为145mm；底盖11直径49mm，高度10mm，中心有带反螺纹的传感器固定孔。轴向传感器芯体5、第一径向传感器芯体8和第二径向传感器芯体10都可以采用AT1000型加速度传感器芯体，芯体直径26mm，高度43mm。传感器基座6材质为易导电且无磁性铝合金材料，基座中传感器两两之间相距5mm，传感器之间信号不会相互干扰，第一出线孔3和第二出线孔9直径皆为5mm，且第一、第二出线孔的中心线距离基座外壁的距离为4.5mm。

本发明实施时，首先用粘钢胶将第二径向传感器芯体10、第一径向传感器芯体8和轴向传感器芯体5固定在传感器基座6上，其接线柱23分别朝向第一出线孔3、第二出线孔9和总出线孔14；待粘钢胶完全发挥强度后，将弹簧挡圈2放入弹簧挡圈安置腔20内，并将传感器信号线1穿过总出线孔14和弹簧挡圈2引出，并将电缆线卡在卡头上，既可缓冲外界的拉扯，又可保障信号线与传感器芯体的焊接不受损坏；接着按线色排序，将传感器信号线通过第一出线孔3与第一径向传感器芯体8连接；传感器信号线通过第二出线孔9与第二径向传感器芯体10连接，然后再与轴线传感器芯体5进行连接，最后将3个单分量传感器的屏蔽线一起焊接到设置在传感器基座6的端面上的屏蔽线焊接槽17内，屏蔽线焊接槽17为设置在传感器基座6的顶端且直径6mm的圆形凹槽，屏蔽线焊接槽17中心距离传感器基座6的外壁为4.5mm，可以有效的屏蔽外界电气噪音的影响，又可降低环境噪音的干扰，进而达到方便拾取P波和S波到时的目的；再接着将三分量传感器基座6的基座固定柱21放入不锈钢壳体4的导向槽22，使其沿导向槽22滑入不锈钢壳体4内，传感器基座6滑到不锈钢壳体4底部后，单分量传感器芯体最佳接收方向24刚好对准位于不锈钢壳体4的径向传感器的方向识别标志7，传感器基座6顶部刚好与不锈钢壳体4顶部齐平，其底部距离不锈钢壳体4底部20mm；然后将传感器底盖11通过底盖内螺纹13和底盖外螺纹18安装到传感器不锈钢壳体4上；将三分量传感器竖直放置，将914型环氧树脂沿总出线孔14缓缓注入，注满为止；待914型环氧树脂强度发挥后，旋动传感器顶盖25上的外六边形安装接头15，将传感器顶盖25通过顶盖内螺纹12和顶盖外螺纹16安装到传感器不锈钢壳体4上，完成三分量传感器制作。

三分量传感器现场安装时，首先通过带有反螺纹的连接螺柱26与带有反螺纹的传感器固定孔19将锚固剂容器27固定在传感器的底盖上，接着将锚固剂装入容器27内，然后将安装杆30通过内六边形安装接口28和外六边形安装接头15与三分量传感器连接，将三分量传感器向上推至指定的岩石钻孔底部，锚固剂发挥强度后，卸下安装杆30，完成现场安装。当微震监测工作结束后，将信号线1通过穿线孔29，引导安装杆30的内六边形安装接口28与外六边形安装接头15连接，然后顺时针旋转安装杆直至传感器被从钻孔内卸下，完成传感器的回收。

利用本发明接收到的信号效果如图12-图14所示，可以看出

1）图12（1）-（3）为本发明设计的三分量传感器X、Y、Z三个方向监测到的岩石某破裂信号，图12（4）为传统单分量传感器监测到的同一信号。可以看出传统单分量传感器监测到的信号受外界环境影响较大，S波到时不清晰（如图12（4）所示），难以准确拾取，进而影响微震源定位精度；而本发明设计的三分量传感器则可以准确拾取到P波和S波到时。对于强干扰信号P波拾取精度一般能提高2～5个采样点，S波能提高2～10个采样点。

2）由于传统单分量传感器监测到的石破裂信号S波不明显，一般岩石破裂源会被判别为拉伸破坏，但从图本发明设计的三分量传感器监测到的信号可以明显看出S波的到达（如图12（1）-（3）），该信号应该是一个拉剪破坏，对于强干扰条件下，本发明可以提高10-20%的岩石破坏类型的识别准确性。

3）微震监测过程通常会产生大量电器干扰信号，本发明设计的三分量传感器监测过程可以较好的屏蔽如图13所示的监测过程产生的大量电气信号，以锦屏二级输电站为例，可以有效屏蔽约1/3的电器干扰信号。

4）图14为本发明设计的三分量传感器参与定位与未参与定位的岩石破裂源效果对比图，可以看出本发明确定的岩石破裂区更为集中，与实际岩爆发生区更为一致，具有较好的效果。与传统方法相比精度，定位精度提高了15～20%。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种微震监测三分量传感器，包括柱形的传感器基座(6)，其特征在于，传感器基座(6)一端到另一端依次设置有均为柱形的且相互垂直的轴向传感器芯体(5)、第一径向传感器芯体(8)和第二径向传感器芯体(10)，轴向传感器芯体(5)的中心线与传感器基座(6)的中心线重合，传感器基座(6)设置在不锈钢壳体(4)内，不锈钢壳体(4)一端设置有外六边形安装接头(15)，另一端设置有底盖(11)，底盖(11)上开设连接螺纹孔，一锚固剂容器(27)通过与连接螺纹孔适配的连接螺柱(26)与底盖(11)连接；

传感器基座(6)上开设有第一出线孔(3)和第二出线孔(9)，外六边形安装接头(15)上开设有总出线孔(14)，外六边形安装接头(15)内设置有弹簧挡圈(2)，一传感器信号线(1)上设置有卡头，传感器信号线(1)一端穿过弹簧挡圈(2)并通过总出线孔(14)穿出外六边形安装接头(15)，传感器信号线(1)通过卡头卡设在弹簧挡圈(2)上，传感器信号线(1)另一端与轴向传感器芯体(5)的出线端连接，还通过第一出线孔(3)与第一径向传感器芯体(8)的出线端连接，还通过第二出线孔(9)与第二径向传感器芯体(10)的出线端连接；

传感器基座(6)的外壁设置有基座固定柱(21)，不锈钢壳体(4)内壁纵向设置有可供基座固定柱(21)滑入的导向槽(22)，导向槽(22)内设置有卡件，不锈钢壳体(4)外壁设置有方向识别标(7)，基座固定柱(21)和卡件配合使得传感器基座(6)卡设在不锈钢壳体(4)内时，方向识别标(7)与第一径向传感器芯体(8)和第二径向传感器芯体(10)最佳接收方向(24)相对应；

传感器基座(6)材质为铝合金材料，传感器基座(6)靠近外六边形安装接头(15)一端的端面上设置有屏蔽线焊接槽(17)，传感器信号线(1)外部设置有屏蔽层，屏蔽层与屏蔽线焊接槽(17)连接。

2.根据权利要求1所述的一种微震监测三分量传感器，其特征在于，所述的不锈钢壳体(4)内壁直径47mm，外壁直径51mm，高度为145mm；底盖(11)直径49mm，高度10mm；轴向传感器芯体(5)、第一径向传感器芯体(8)和第二径向传感器芯体(10)均为圆柱形，且直径为26mm，高度为43mm；轴向传感器芯体(5)外壁与第一径向传感器芯体(8)外壁最短距离为5mm，第一径向传感器芯体(8)外壁与第二径向传感器芯体(10)外壁最短距离为5mm，第一出线孔(3)和第二出线孔(9)直径均为5mm，第一出线孔(3)和第二出线孔(9)的中心线均距离传感器基座(6)外壁的距离为4.5mm，屏蔽线焊接槽(17)为直径6mm的圆形凹槽，屏蔽线焊接槽(17)中心距离传感器基座(6)的外壁的距离为4.5mm。