CN110736535B - 一种岩体工程稳定性监测震动传感器及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了提供一种岩体工程稳定性监测震动传感器及系统，包括带有凹槽的基体，所述凹槽内的一组相对的侧壁之间连接有弹性薄片，所述弹性薄片内设有直线型通孔，所述通孔内同轴配合有光纤，光纤两端分别从基体侧壁引出，用于接入外部信号处理设备，所述弹性薄片上连接有质量块，所述光纤用于协同弹性薄片共同接受外部震动并产生形变，基于分布反馈光纤激光(DFB‑FL)技术，将光纤激光器作为传感器的敏感元件，配合质量块接收外部微震，施加在弹性薄片上，使弹性薄片和光纤共同产生变形，利用光纤输出的波长变化对微震进行监测，具备高灵敏度、大动态范围、易于组成阵列、重量轻、体积小以及耐高温高压的效果。

Description

一种岩体工程稳定性监测震动传感器及系统

技术领域

本申请涉及一种岩体工程稳定性监测震动传感器及系统。

背景技术

随着交通和水利水电重大基础设施工程的建设，我国已成为世界上隧道修建规模与难度最大的国家。微震监测技术作为一种岩体微破裂三维空间监测技术被广泛应用于矿山、水利水电、石油工程等领域中，用以揭示岩体内部动态损伤特征，实现岩体工程安全稳定性评价和灾害预警。

发明人发现，目前微震监测大多使用模拟动圈式速度型或加速度型检波器，常规的微震采集传感器在进行微震监测时普遍存在一下问题：1)灵敏度和带宽不足，假频的限制导致传感器对高频震动的响应不灵敏；2)传感器与孔壁不良耦合，传震不精准，震动记录与实际质点震动不一致。从而难以满足微震监测精度日益提高的需求。

发明内容

本申请的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种岩体工程稳定性监测震动传感器及系统，基于分布反馈光纤激光(DFB-FL)技术，将光纤激光器作为传感器的敏感元件，配合质量块接收外部微震，施加在弹性薄片上，使弹性薄片和光纤共同产生变形，利用光纤输出的波长变化对微震进行监测，具备高灵敏度、大动态范围、易于组成阵列、重量轻、体积小以及耐高温高压的效果。

本申请的第一目的是提供一种岩体工程稳定性监测震动传感器，采用以下技术方案：

包括带有凹槽的基体，所述凹槽内的一组相对的侧壁之间连接有弹性薄片，所述弹性薄片内设有直线型通孔，所述通孔内同轴配合有光纤，光纤两端分别从基体侧壁引出，用于接入外部信号处理设备，所述弹性薄片上连接有质量块，所述光纤用于协同弹性薄片共同接受外部震动并产生形变。

进一步地，所述弹性薄片为厚度小于长度和宽度的长方体薄片结构，长度方向上两端对应的端面分别贴合并固定在凹槽的侧壁上。

进一步地，所述弹性薄片长度为宽度的2-3倍，用于抑制质量块在宽度延伸方向上的运动。

进一步地，所述通孔轴线与弹性薄片长度方向对应的棱线平行。

进一步地，所述通孔内壁与光纤之间进行填充，形成耦合结构，用于使光纤的变形与弹性薄片的变形一致。

进一步地，所述光纤对应通孔两端的位置设有限位夹，所述限位夹用于使光纤位于通孔内的部分保持在设定的张力下。

进一步地，所述质量块安装在弹性薄片顶面的中间位置，用于接收外部微震影响并带动弹性波片产生变形。

进一步地，所述弹性薄片与凹槽底面之间留有间隙，所述间隙的高度大于弹性薄片的形变量。

本申请的第二发明目的是提供一种岩体工程稳定性监测系统，采用如上所述的岩体工程稳定性监测震动传感器，还包括以下技术方案：

所述岩体工程稳定性监测震动传感器有多个，通过其对应光纤串联后接入外部信号设备，形成传感器阵列组网，共同接入外部信号处理设备。

与现有技术相比，本申请具有的优点和积极效果是：

(1)所采用的“一根光纤”式的光纤激光器具有大动态范围和高灵敏度性能，拓宽现有微震传感器的的工作频带并改善其频响特性(最高工作频率达8kHz)；主体结构设计简单，避免了电学动圈式传感器复杂的结构和震动传感部分设计；

(2)通过配置震动部分的结构，使弹性薄片长度为宽度的2至3倍范围，抑制质量块的水平方向运动，使得传感器在灵敏度频响曲线较其它类型更为平坦，尽可能的减少了在微震监测过程中的噪声；

(3)相较于传统的电学模拟动圈式速度型或加速度型检波器，本申请采用的光纤激光器传感原理具有波分复用的解调优势，在大规模传感器阵列组网的情况下，具有更强的载波能力，可实现一通道百组传感器的挂载监测；

(4)利用光纤和通孔之间填充密封，形成协同震动的结构，能够保证弹性薄片和光纤的形变保持同步，保证了稳定性监测过程中的数据准确性和时效性，受震结构简单，且光纤激光器的响应性能基本一致，制作过程中所控制的各部件的材料性能、各部件的结构尺寸、激光器的垂向震动等参数较易控制，批量生产制作过程中性能一致性和质量标准较易控制。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请实施例1中震动传感器与基体配合的正视图；

图2为本申请实施例1中震动传感器与基体配合的俯视图；

图3为本申请实施例1中震动传感器与基体配合的断面图。

其中，1、基体，2、质量块，3、弹性薄片，4、环氧胶材料，5、光纤，6、基体孔，7、传输线缆，8、通孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术中所介绍的，现有技术微震监测大多使用模拟动圈式速度型或加速度型检波器，常规的微震采集传感器在进行微震监测时普遍存在一下问题：灵敏度和带宽不足，假频的限制导致传感器对高频震动的响应不灵敏；传感器与孔壁不良耦合，传震不精准，震动记录与实际质点震动不一致。从而难以满足微震监测精度日益提高的需求，针对上述技术问题，本申请提出了一种岩体工程稳定性监测震动传感器及系统。

实施例1

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提出了一种岩体工程稳定性监测震动传感器。

该传感器包括带有凹槽的基体1、弹性薄片3、质量块2和光纤激光器四个主体部分组成。

凹槽为凹字型结构，凹槽内设置有弹性薄片，所述凹槽内壁与弹性薄片两部分采用等离子弧焊连接，保证薄片和基座的焊接可靠性；基体和弹性薄片沿传感器主体长轴含有一条贯穿式的光纤容纳孔位，用于放置光纤5裸纤，对应于基体上为基体孔6，对应与弹性薄片上为通孔8；光纤两端分别从基体孔引出，用于接入外部信号处理设备；光纤激光器位于质量块的正下方；所述光纤与通孔之间的空隙填充有环氧胶材料4，保证光纤与弹性薄片耦合充分，从而变形响应一致，所述弹性薄片上连接有质量块，所述光纤用于协同弹性薄片共同接受外部震动并产生形变。

利用光纤和通孔之间填充密封，光纤和弹性薄片通孔耦合充分，解决了背景技术中提出的传统传感器与孔壁不良耦合，传震不精准，震动记录与实际质点震动不一致的问题，通过形成协同震动的结构，能够保证弹性薄片和光纤的形变保持同步，保证了稳定性监测过程中的数据准确性和时效性；

进一步地，所述弹性薄片为厚度小于长度和宽度的长方体薄片结构，长度方向上两端对应的端面分别贴合并固定在凹槽的侧壁上，所述凹槽内左右侧壁为震动结构的支撑固定端，弹性薄片的两端通过等离子弧焊连接在凹槽的左右侧壁上，在本实施例中，弹性薄片采用锌片；

所述弹性薄片长度为宽度的2-3倍，用于抑制质量块在宽度延伸方向上的运动，所述弹性薄片中间的通孔直径为1-2mm，对应弹性薄片的厚度略大于通孔的直径。

为了保证光纤变形与弹性薄片变形的一致性，所述通孔轴线与弹性薄片长度方向对应的棱线平行。

进一步地，所述光纤对应通孔两端的位置设有限位夹，所述限位夹用于使光纤位于通孔内的部分保持在设定的张力下。

传感器两端经过两端限位口进行预应力控制，并使用微调夹将光纤激光器保持在预设的张力下工作。

进一步地，光纤两端预留部分可以作为传输线缆7，用于采用波分复用技术进行阵列组网，传感器两端预留光纤可以制作光纤连接跳线，连接同种规格的传感器进行串联组网使用。

进一步地，所述质量块安装在弹性薄片顶面的中间位置，用于接收外部微震影响并带动弹性波片产生变形；所述弹性薄片与凹槽底面之间留有间隙，所述间隙的高度大于弹性薄片的形变量。

在本实施例中，弹性薄片长80mm、宽40mm，中间安置质量块长20mm、宽40mm，两者采用焊接方式连接。

通过配置震动部分的结构，使弹性薄片长度为宽度的2至3倍范围，抑制质量块的水平方向运动，使得传感器在灵敏度频响曲线较其它类型更为平坦，尽可能的减少了在微震监测过程中的噪声。

进一步地，所述的光纤为单模光纤，通过采用的“一根光纤”式的光纤激光器具有大动态范围和高灵敏度性能，拓宽现有微震传感器的的工作频带并改善其频响特性，能够使最高工作频率达8kHz；解决了背景技术中传统传感器灵敏度和带宽不足，假频的限制导致传感器对高频震动的响应不灵敏的问题。

受震结构简单，且光纤激光器的响应性能基本一致，制作过程中所控制的各部件的材料性能、各部件的结构尺寸、激光器的垂向震动等参数较易控制，批量生产制作过程中性能一致性和质量标准较易控制。

弹性薄片可随质量块受震动后发生微小的弹性变形，从而使得与其变形一致的单模光纤发生微小的物理变形，光纤内激光因相移光栅间隔变化导致输出激光中心波长发生变化，经光信号解调仪器解析，最终还原所记录的微震信号，实现目标的高灵敏度震动信号监测。

实施例2

在本申请的另一典型实施例中，提供一种岩体工程稳定性监测系统，采用如实施例1所述的岩体工程稳定性监测震动传感器。

具体的，所述岩体工程稳定性监测震动传感器有多个，通过其对应光纤串联后接入外部信号设备，形成传感器阵列组网，共同接入外部信号处理设备。

相较于传统的电学模拟动圈式速度型或加速度型检波器，本申请采用的光纤激光器传感原理具有波分复用的解调优势，在大规模传感器阵列组网的情况下，具有更强的载波能力，可实现一通道百组传感器的挂载监测。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种岩体工程稳定性监测震动传感器，其特征在于，包括带有凹槽的基体，所述凹槽内的一组相对的侧壁之间连接有弹性薄片，所述弹性薄片内设有直线型通孔，所述通孔内同轴配合有光纤，光纤两端分别从基体侧壁引出，用于接入外部信号处理设备，所述弹性薄片上连接有质量块，所述光纤用于协同弹性薄片共同接受外部震动并产生形变；

所述弹性薄片为厚度小于长度和宽度的长方体薄片结构，长度方向上两端对应的端面分别贴合并固定在凹槽的侧壁上；

所述通孔内壁与光纤之间进行填充，形成耦合结构，用于使光纤的变形与弹性薄片的变形一致；

所述光纤对应通孔两端的位置设有限位夹，所述限位夹用于使光纤位于通孔内的部分保持在设定的张力下；

所述弹性薄片长度为宽度的2-3倍，用于抑制质量块在宽度延伸方向上的运动；所述质量块安装在弹性薄片顶面的中间位置，用于接收外部微震影响并带动弹性波片产生变形。

2.如权利要求1所述的岩体工程稳定性监测震动传感器，其特征在于，所述通孔轴线与弹性薄片长度方向对应的棱线平行。

3.如权利要求1所述的岩体工程稳定性监测震动传感器，其特征在于，所述弹性薄片与凹槽底面之间留有间隙，所述间隙的高度大于弹性薄片的形变量。

4.一种岩体工程稳定性监测系统，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的岩体工程稳定性监测震动传感器。

5.如权利要求4所述的岩体工程 稳定性监测系统，其特征在于，所述岩体工程稳定性监测震动传感器有多个，通过其对应光纤串联后接入外部信号设备，形成传感器阵列组网，共同接入外部信号处理设备。

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