CN111580153B - 一种三分向式双波定位拾震器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三分向式双波定位拾震器及其工作方法，包括x分向双波接收器、y分向双波接收器和z分向双波接收器，且x分向双波接收器的接收方向、y分向双波接收器的接收方向和z分向双波接收器的接收方向均相互垂直；本发明利用P波和S波的波速不同且震动方向相互垂直的原理同时对其进行监测，即应用双波进行震源感知；同时以光纤布拉格光栅反射光的中心波长表征被测量，具有体积小、灵敏度高、频带宽、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、不需通电的优点，能有效适用于井下高危环境；另外利用环形弹簧的减冲吸能原理为光纤布拉格光栅的提供良好的弹性变形条件，避免光纤布拉格光栅因为较大震动能量被拉断，提高光纤布拉格光栅的使用寿命。

Description

一种三分向式双波定位拾震器及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种矿用微震监测系统的震源感知元件，具体是一种三分向式双波定位拾震器及其工作方法。
背景技术
冲击地压等矿山动力灾害一直是威胁深部矿井安全生产的一个重要因素，矿用微震监测系统通过监测采空区覆岩破断产生的震动或其他物体的震动，对监测范围内煤岩体的破坏状况、安全状况等作出评价，从而为预报和控制灾害提供依据。拾震器作为微震监测系统的重要元件，对震源的感知能力将直接影响微震监测结果的可靠性。目前矿山绝大部分震源定位只应用P波，其有效监测范围较小，监测台网外部定位误差较大，定位结果稳定性差。
同时传统光纤传感技术及电磁类传感技术也具有一些急需改进的缺点：①强度调制型光纤传感器由于受到原理的限制，它易受光源波动和连接器损耗变化等的影响，因此只能用于干扰源较小的场合；②频率调制型光纤传感器是通过被测对象引起的光频率变化来进行检测，因此需要特定材料的被测对象，对其他材料的灵敏度不高；③电磁类拾震器的体积、质量大，配件结构复杂，并且其容易受到环境电磁干扰。因此本行业亟需一种能克服上述问题的拾震器。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种三分向式双波定位拾震器及其工作方法，利用P波和S波的波速不同且震动方向相互垂直的原理同时对其进行监测，即应用双波进行震源感知；同时以光纤布拉格光栅反射光的中心波长表征被测量，具有体积小、灵敏度高、频带宽、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、不需通电的优点，能有效适用于井下高危环境。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种三分向式双波定位拾震器，包括x分向双波接收器、y分向双波接收器和z分向双波接收器，y分向双波接收器通过两个固定器分别与x分向双波接收器和z分向双波接收器固定连接，且x分向双波接收器的接收方向、y分向双波接收器的接收方向和z分向双波接收器的接收方向均相互垂直；
所述x分向双波接收器、y分向双波接收器和z分向双波接收器的结构相同，其中z分向双波接收器包括第一空心圆柱外壳、第二空心圆柱外壳、第三空心圆柱外壳、高硬度钢丝、惯性质量块、转向滚轮、柔性钢丝、环形弹簧、滑动连接块、光纤布拉格光栅和光纤顺位器，第一空心圆柱外壳、第二空心圆柱外壳和第三空心圆柱外壳均同轴固定，且第一空心圆柱外壳一端密封、另一端与第二空心圆柱外壳一端连通，第三空心圆柱外壳一端与第二空心圆柱外壳另一端连通、另一端中心开设光纤通孔；所述第一空心圆柱外壳的直径和第三空心圆柱外壳的直径均小于第二空心圆柱外壳的直径；所述惯性质量块的直径略小于第一空心圆柱外壳的直径，惯性质量块设置在第一空心圆柱外壳内、且能沿第一空心圆柱外壳的轴向滑动；转向滚轮处于第一空心圆柱外壳内的轴线上，转向滚轮的转轴与高硬度钢丝一端连接，高硬度钢丝另一端与第一空心圆柱外壳一端的中心固定连接；所述惯性质量块中心开设贯通孔、且贯通孔的直径大于转向滚轮的直径，环形弹簧固定在第二空心圆柱外壳内、且环形弹簧的轴线与第二空心圆柱外壳的轴线同轴；所述惯性质量块在滑动过程中能部分进入第二空心圆柱外壳内对环形弹簧施加压紧力；所述滑动连接块的直径略小于第三空心圆柱外壳的直径，滑动连接块设置在第三空心圆柱外壳内、且能沿第三空心圆柱外壳的轴向滑动，柔性钢丝一端与环形弹簧靠近第一空心圆柱外壳的一端固定连接，柔性钢丝另一端先经过转向滚轮转向后、穿过环形弹簧的中心通孔进入第三空心圆柱外壳内与滑动连接块一端固定连接；光纤顺位器固定在第三空心圆柱外壳内，光纤布拉格光栅处于第三空心圆柱外壳的轴线上，光纤布拉格光栅一端与滑动连接块另一端固定连接，光纤布拉格光栅另一端依次穿过光纤顺位器及光纤通孔伸出第三空心圆柱外壳另一端，且穿过光纤通孔后与其压紧固定。
进一步，所述环形弹簧的内圆环和外圆环的对数根据矿井平均矿震能量的大小确定。
进一步，所述第一空心圆柱外壳的直径为第二空心圆柱外壳直径的1/2，第三空心圆柱外壳的直径为第一空心圆柱外壳直径的1/4；第一空心圆柱外壳的高度等于第三空心圆柱外壳高度，第二空心圆柱外壳的高度为第三空心圆柱外壳高度的1/4；惯性质量块的高度等于第一空心圆柱外壳高度的1/3。
一种三分向式双波定位拾震器的工作方法，具体步骤为：
A、将三分向式双波定位拾震器固定在所需监测的矿井内，并将从第三空心圆柱外壳伸出的光纤布拉格光栅另一端与监测装置连接，形成矿井微震监测系统；
B、开始进行微震监测，当煤矿内部震动能量产生的P波或S波达到拾震器时，拾震器产生震动，此时三个双波接收器中与P波或S波震动方向相同的双波接收器进行接收测量，具体接收测量过程为：
①若P波或S波震动方向与z分向双波接收器的接收方向相同，则其内部的惯性质量块受惯性作用会产生加速度，以去除惯性质量块之外的拾震器作为参照物时，惯性质量块的加速度等于拾震器的加速度(即大小相等，方向相反)，进而惯性质量块运动状态满足下式
F1＝ma (1)
式中，F1为惯性质量块所受惯性力，m为惯性质量块的质量，a为惯性质量块的加速度；其中m为已知值；
②惯性质量块在第一空心圆柱外壳滑动，并与环形弹簧接触后对其施加压紧力，且施加的压紧力等于惯性质量块所受惯性力，然后环形弹簧受力后其内圆环向内收缩、外圆环向外伸展，且内圆环和外圆环相互摩擦，利用摩擦力和自身弹性变形来吸收和转化撞击能量，其中环形弹簧设计压紧力为：
Figure GDA0003005244760000031
式中，F为压紧力；δ为轴向压缩量；EB、EH分别为内圆环及外圆环的弹性模量；FB及DB分别为内圆环的横截面积及直径；FH及DH分别为外圆环的横截面积及直径；β为圆锥角；
Figure GDA0003005244760000032
为摩擦角；n为环形弹簧的内圆环和外圆环的对数；其中EB、EH、FB、DB、FH、DH、β、
Figure GDA0003005244760000033
n均为已知值；
③环形弹簧的轴向受力形变后，会带动柔性钢丝移动，进而柔性钢丝拉动滑动连接块在第三空心圆柱外壳内滑动，最终拉伸光纤布拉格光栅使其发生形变，从而使光纤布拉格光栅的光栅常数发生改变，达到改变输出波长的目的，具体公式为：
当光纤布拉格光栅发生形变时，光栅常数Λ发生改变，导致其输出波长发生变化，中心波长与应变关系如下：
Figure GDA0003005244760000041
上式中Pε＝0.22是光纤的弹光系数；Δλ为光纤布拉格光栅受应变影响产生的波长漂移量；λ为光纤布拉格光栅不受外力时的中心波长；ε为光纤布拉格光栅受外力产生的应变；其中λ为已知值；
④由于环形弹簧轴向压缩量与光纤布拉格光栅受外力产生的应变相等，惯性质量块的加速度与光纤布拉格光栅受外力产生应变的关系表示为
Figure GDA0003005244760000042
惯性质量块的加速度与光纤布拉格光栅受外力产生应变后中心波长的关系表示为
Figure GDA0003005244760000043
最终通过测量输出波长的漂移量代入公式(5)即得到所测的加速度具体值；
⑤x分向双波接收器和y分向双波接收器的接收测量过程与z分向双波接收器的接收测量过程相同；
C、将得出的加速度值反馈给矿井微震监测系统，完成拾震器的接收测量过程。
与现有技术相比，本发明采用x分向双波接收器、y分向双波接收器和z分向双波接收器相结合方式，具有如下优点：
1、本发明三个分向双波接收器相互垂直，利用P波和S波的波速不同且震动方向相互垂直的原理可以同时接收不同震源发出、相同时间到达的P波与S波，即应用双波进行震源感知，增大了有效感知范围及监测结果的稳定性。
2、本发明的x分向双波接收器的惯性质量块只在x方向产生加速度，y分向双波接收器的惯性质量块只在y方向产生加速度，z分向双波接收器的惯性质量块只在z方向产生加速度，增大了震源感知结果的可靠性。
3、本发明是利用光纤布拉格光栅加速度传感技术为矿用微震监测系统提供体积小、灵敏度高、频带宽、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、不需通电的震源感知元件，内在可靠性适用于井下高危环境。
4、本发明提出利用环形弹簧的减冲吸能原理为光纤布拉格光栅的提供良好的弹性变形条件，避免光纤布拉格光栅因为较大震动能量被拉断，增加了光纤布拉格光栅的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1中z分向双波接收器的I-I’剖面图；
图3是图1中y分向双波接收器的II-II’剖面图；
图4是图1中x分向双波接收器的III-III’剖面图。
图中：1、贯通孔，2、高硬度钢丝，3、惯性质量块，4、转向滚轮，5、柔性钢丝，6、环形弹簧，7、中心通孔，8、滑动连接块，9、光纤布拉格光栅，10、光纤顺位器，11、第一空心圆柱外壳，12、第二空心圆柱外壳，13、第三空心圆柱外壳，14、光纤通孔,15、固定器，16、x分向双波接收器，17、y分向双波接收器，18、z分向双波接收器。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示，一种三分向式双波定位拾震器，包括x分向双波接收器16、y分向双波接收器17和z分向双波接收器18，y分向双波接收器17通过两个固定器15分别与x分向双波接收器16和z分向双波接收器18固定连接，且x分向双波接收器16的接收方向、y分向双波接收器17的接收方向和z分向双波接收器18的接收方向均相互垂直；
所述x分向双波接收器16、y分向双波接收器17和z分向双波接收器18的结构相同，其中z分向双波接收器18包括第一空心圆柱外壳11、第二空心圆柱外壳12、第三空心圆柱外壳13、高硬度钢丝2、惯性质量块3、转向滚轮4、柔性钢丝5、环形弹簧6、滑动连接块8、光纤布拉格光栅9和光纤顺位器10，第一空心圆柱外壳11、第二空心圆柱外壳12和第三空心圆柱外壳13均同轴固定，且第一空心圆柱外壳11一端密封、另一端与第二空心圆柱外壳12一端连通，第三空心圆柱外壳13一端与第二空心圆柱外壳12另一端连通、另一端中心开设光纤通孔14；所述第一空心圆柱外壳11的直径和第三空心圆柱外壳13的直径均小于第二空心圆柱外壳12的直径；所述惯性质量块3的直径略小于第一空心圆柱外壳11的直径，惯性质量块3设置在第一空心圆柱外壳11内、且能沿第一空心圆柱外壳11的轴向滑动；转向滚轮4处于第一空心圆柱外壳11内的轴线上，转向滚轮4的转轴与高硬度钢丝2一端连接，高硬度钢丝2另一端与第一空心圆柱外壳11一端的中心固定连接；所述惯性质量块3中心开设贯通孔1、且贯通孔1的直径大于转向滚轮4的直径，环形弹簧6固定在第二空心圆柱外壳12内、且环形弹簧6的轴线与第二空心圆柱外壳12的轴线同轴；所述惯性质量块3在滑动过程中能部分进入第二空心圆柱外壳12内对环形弹簧6施加压紧力；所述滑动连接块8的直径略小于第三空心圆柱外壳13的直径，滑动连接块8设置在第三空心圆柱外壳13内、且能沿第三空心圆柱外壳13的轴向滑动，柔性钢丝5一端与环形弹簧6靠近第一空心圆柱外壳11的一端固定连接，柔性钢丝5另一端先经过转向滚轮4转向后、穿过环形弹簧6的中心通孔7进入第三空心圆柱外壳13内与滑动连接块8一端固定连接；光纤顺位器10固定在第三空心圆柱外壳13内，光纤布拉格光栅9处于第三空心圆柱外壳13的轴线上，光纤布拉格光栅9一端与滑动连接块8另一端固定连接，光纤布拉格光栅9另一端依次穿过光纤顺位器10及光纤通孔14伸出第三空心圆柱外壳13另一端，且穿过光纤通孔14后与其压紧固定。
上述高硬度钢丝2、惯性质量块3、转向滚轮4、柔性钢丝5、环形弹簧6、光纤布拉格光栅9、光纤顺位器10和固定器14均为现有器件。
进一步，所述环形弹簧6的内圆环和外圆环的对数根据矿井平均矿震能量的大小确定。
进一步，所述第一空心圆柱外壳11的直径为第二空心圆柱外壳12直径的1/2，第三空心圆柱外壳13的直径为第一空心圆柱外壳11直径的1/4；第一空心圆柱外壳11的高度等于第三空心圆柱外壳13高度，第二空心圆柱外壳12的高度为第三空心圆柱外壳13高度的1/4；惯性质量块3的高度等于第一空心圆柱外壳11高度的1/3。
一种三分向式双波定位拾震器的工作方法，具体步骤为：
A、将三分向式双波定位拾震器固定在所需监测的矿井内，并将从第三空心圆柱外壳伸出的光纤布拉格光栅另一端与监测装置连接，形成矿井微震监测系统；
B、开始进行微震监测，当煤矿内部震动能量产生的P波或S波达到拾震器时，拾震器产生震动，此时三个双波接收器中与P波或S波震动方向相同的双波接收器进行接收测量，具体接收测量过程为：
①若P波或S波震动方向与z分向双波接收器18的接收方向相同，则其内部的惯性质量块3受惯性作用会产生加速度，以去除惯性质量块3之外的拾震器作为参照物时，惯性质量块3的加速度等于拾震器的加速度(即大小相等，方向相反)，进而惯性质量块3运动状态满足下式
F1＝ma (1)
式中，F1为惯性质量块3所受惯性力，m为惯性质量块3的质量，a为惯性质量块3的加速度；其中m为已知值；
②惯性质量块3在第一空心圆柱外壳11滑动，并与环形弹簧6接触后对其施加压紧力，且施加的压紧力等于惯性质量块3所受惯性力，然后环形弹簧6受力后其内圆环向内收缩、外圆环向外伸展，且内圆环和外圆环相互摩擦，利用摩擦力和自身弹性变形来吸收和转化撞击能量，其中环形弹簧6设计压紧力为：
Figure GDA0003005244760000071
式中，F为压紧力；δ为轴向压缩量；EB、EH分别为内圆环及外圆环的弹性模量；FB及DB分别为内圆环的横截面积及直径；FH及DH分别为外圆环的横截面积及直径；β为圆锥角；
Figure GDA0003005244760000072
为摩擦角；n为环形弹簧6的内圆环和外圆环的对数；其中EB、EH、FB、DB、FH、DH、β、
Figure GDA0003005244760000073
n均为已知值；
③环形弹簧6的轴向受力形变后，会带动柔性钢丝5移动，进而柔性钢丝5拉动滑动连接块8在第三空心圆柱外壳13内滑动，最终拉伸光纤布拉格光栅9使其发生形变，从而使光纤布拉格光栅9的光栅常数发生改变，达到改变输出波长的目的，具体公式为：
当光纤布拉格光栅9发生形变时，光栅常数Λ发生改变，导致其输出波长发生变化，中心波长与应变关系如下：
Figure GDA0003005244760000074
上式中Pε＝0.22是光纤的弹光系数；Δλ为光纤布拉格光栅9受应变影响产生的波长漂移量；λ为光纤布拉格光栅9不受外力时的中心波长；ε为光纤布拉格光栅9受外力产生的应变；其中λ为已知值；
④由于环形弹簧6轴向压缩量与光纤布拉格光栅9受外力产生的应变相等，惯性质量块3的加速度与光纤布拉格光栅9受外力产生应变的关系表示为
Figure GDA0003005244760000081
惯性质量块3的加速度与光纤布拉格光栅9受外力产生应变后中心波长的关系表示为
Figure GDA0003005244760000082
最终通过测量输出波长的漂移量代入公式(5)即得到所测的加速度具体值；
⑤x分向双波接收器16和y分向双波接收器17的接收测量过程与z分向双波接收器18的接收测量过程相同；
C、将得出的加速度值反馈给矿井微震监测系统，完成拾震器的接收测量过程。
实施例1：采用本发明的结构制造拾震器，并且设定第一空心圆柱外壳11的直径为12mm，高度为24mm，厚度为2mm；第二空心圆柱外壳12的直径为24mm，高度为6mm，厚度为2mm；第三空心圆柱外壳12的直径为6mm，高度为24mm，厚度为2mm；惯性质量块3的直径为10mm，高度为8mm，质量为4.9×10-6kg。
根据前期监测，该矿平均震动能量在104～105J范围内，环形弹簧6的内圆环和外圆环对数取2；环形弹簧6内圆环和外圆环的弹性模量EB、EH均为1.1×1010Pa；内圆环的直径DB为8mm，内圆环的直径DH为10mm；圆锥角β为45°；摩擦角
Figure GDA0003005244760000083
为30°。光纤布拉格光栅9的中心波长为1550nm。

Claims (4)

1.一种三分向式双波定位拾震器，其特征在于，包括x分向双波接收器、y分向双波接收器和z分向双波接收器，y分向双波接收器通过一个固定器与x分向双波接收器固定连接，y分向双波接收器通过另一个固定器与z分向双波接收器固定连接，且x分向双波接收器的接收方向、y分向双波接收器的接收方向和z分向双波接收器的接收方向均相互垂直；
所述x分向双波接收器、y分向双波接收器和z分向双波接收器的结构相同，其中z分向双波接收器包括第一空心圆柱外壳、第二空心圆柱外壳、第三空心圆柱外壳、高硬度钢丝、惯性质量块、转向滚轮、柔性钢丝、环形弹簧、滑动连接块、光纤布拉格光栅和光纤顺位器，第一空心圆柱外壳、第二空心圆柱外壳和第三空心圆柱外壳均同轴固定，且第一空心圆柱外壳一端密封、另一端与第二空心圆柱外壳一端连通，第三空心圆柱外壳一端与第二空心圆柱外壳另一端连通、另一端中心开设光纤通孔；所述第一空心圆柱外壳的直径和第三空心圆柱外壳的直径均小于第二空心圆柱外壳的直径；所述惯性质量块的直径略小于第一空心圆柱外壳的直径，惯性质量块设置在第一空心圆柱外壳内、且能沿第一空心圆柱外壳的轴向滑动；转向滚轮处于第一空心圆柱外壳内的轴线上，转向滚轮的转轴与高硬度钢丝一端连接，高硬度钢丝另一端与第一空心圆柱外壳一端的中心固定连接；所述惯性质量块中心开设贯通孔、且贯通孔的直径大于转向滚轮的直径，环形弹簧固定在第二空心圆柱外壳内、且环形弹簧的轴线与第二空心圆柱外壳的轴线同轴；所述惯性质量块在滑动过程中能部分进入第二空心圆柱外壳内对环形弹簧施加压紧力；所述滑动连接块的直径略小于第三空心圆柱外壳的直径，滑动连接块设置在第三空心圆柱外壳内、且能沿第三空心圆柱外壳的轴向滑动，柔性钢丝一端与环形弹簧靠近第一空心圆柱外壳的一端固定连接，柔性钢丝另一端先经过转向滚轮转向后、穿过环形弹簧的中心通孔进入第三空心圆柱外壳内与滑动连接块一端固定连接；光纤顺位器固定在第三空心圆柱外壳内，光纤布拉格光栅处于第三空心圆柱外壳的轴线上，光纤布拉格光栅一端与滑动连接块另一端固定连接，光纤布拉格光栅另一端依次穿过光纤顺位器及光纤通孔伸出第三空心圆柱外壳另一端，且穿过光纤通孔后与其压紧固定。
2.根据权利要求1所述的一种三分向式双波定位拾震器，其特征在于，所述环形弹簧的内圆环和外圆环的对数根据矿井平均矿震能量的大小确定。
3.根据权利要求1所述的一种三分向式双波定位拾震器，其特征在于，所述第一空心圆柱外壳的直径为第二空心圆柱外壳直径的1/2，第三空心圆柱外壳的直径为第一空心圆柱外壳直径的1/4；第一空心圆柱外壳的高度等于第三空心圆柱外壳高度，第二空心圆柱外壳的高度为第三空心圆柱外壳高度的1/4；惯性质量块的高度等于第一空心圆柱外壳高度的1/3。
4.一种根据权利要求1至3任一项所述三分向式双波定位拾震器的工作方法，其特征在于，具体步骤为：
A、将三分向式双波定位拾震器固定在所需监测的矿井内，并将从第三空心圆柱外壳伸出的光纤布拉格光栅另一端与监测装置连接，形成矿井微震监测系统；
B、开始进行微震监测，当煤矿内部震动能量产生的P波或S波达到拾震器时，拾震器产生震动，此时三个双波接收器中与P波或S波震动方向相同的双波接收器进行接收测量，具体接收测量过程为：
①若P波或S波震动方向与z分向双波接收器的接收方向相同，则其内部的惯性质量块受惯性作用会产生加速度，以去除惯性质量块之外的拾震器作为参照物时，惯性质量块的加速度等于拾震器的加速度，进而惯性质量块运动状态满足下式
F1＝ma (1)
式中，F1为惯性质量块所受惯性力，m为惯性质量块的质量，a为惯性质量块的加速度；其中m为已知值；
②惯性质量块在第一空心圆柱外壳滑动，并与环形弹簧接触后对其施加压紧力，且施加的压紧力等于惯性质量块所受惯性力，然后环形弹簧受力后其内圆环向内收缩、外圆环向外伸展，且内圆环和外圆环相互摩擦，利用摩擦力和自身弹性变形来吸收和转化撞击能量，其中环形弹簧设计压紧力为：
Figure FDA0003023314350000021
式中，F为压紧力；δ为轴向压缩量；EB、EH分别为内圆环及外圆环的弹性模量；FB及DB分别为内圆环的横截面积及直径；FH及DH分别为外圆环的横截面积及直径；β为圆锥角；
Figure FDA0003023314350000022
为摩擦角；n为环形弹簧的内圆环和外圆环的对数；其中EB、EH、FB、DB、FH、DH、β、
Figure FDA0003023314350000023
n均为已知值；
③环形弹簧的轴向受力形变后，会带动柔性钢丝移动，进而柔性钢丝拉动滑动连接块在第三空心圆柱外壳内滑动，最终拉伸光纤布拉格光栅使其发生形变，从而使光纤布拉格光栅的光栅常数发生改变，达到改变输出波长的目的，具体公式为：
当光纤布拉格光栅发生形变时，光栅常数Λ发生改变，导致其输出波长发生变化，中心波长与应变关系如下：
Figure FDA0003023314350000031
上式中Pε＝0.22是光纤的弹光系数；Δλ为光纤布拉格光栅受应变影响产生的波长漂移量；λ为光纤布拉格光栅不受外力时的中心波长；ε为光纤布拉格光栅受外力产生的应变；其中λ为已知值；
④由于环形弹簧轴向压缩量与光纤布拉格光栅受外力产生的应变相等，惯性质量块的加速度与光纤布拉格光栅受外力产生应变的关系表示为
Figure FDA0003023314350000032
惯性质量块的加速度与光纤布拉格光栅受外力产生应变后中心波长的关系表示为
Figure FDA0003023314350000033
最终通过测量输出波长的漂移量代入公式(5)即得到所测的加速度具体值；
⑤x分向双波接收器和y分向双波接收器的接收测量过程与z分向双波接收器的接收测量过程相同；
C、将得出的加速度值反馈给矿井微震监测系统，完成拾震器的接收测量过程。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2342611C (en) * 1998-09-02 2005-05-24 Cidra Corporation Seismic sensing and acoustic logging systems using optical fiber, transducers and sensors
CN201043915Y (zh) * 2007-05-23 2008-04-02 山东大学 三分量光纤光栅振动传感器
CA2744255C (en) * 2008-11-19 2017-07-11 The Australian National University A system, device and method for detecting seismic acceleration
CN101799555A (zh) * 2010-03-01 2010-08-11 中国科学院半导体研究所 光纤海底地震仪
CN102840908B (zh) * 2012-08-17 2014-10-29 苏州南智传感科技有限公司 一种三分量光纤光栅振动传感器
CN104199086A (zh) * 2014-09-24 2014-12-10 哈尔滨工业大学 单分量光纤检波器及含有该检波器的三分量微地震光纤检波器及三分量微地震光纤检波阵列
CN104483008B (zh) * 2014-12-09 2017-11-03 西安石油大学 一种光纤光栅三维振动传感器
CN104793238B (zh) * 2015-03-25 2017-07-04 西北大学 波纹管式三分量光纤光栅地震检波器
CN105841796B (zh) * 2016-04-19 2018-12-14 西安石油大学 一种光纤光栅三维矢量振动传感器
CN206695897U (zh) * 2017-02-06 2017-12-01 安徽师范大学 一种基于双波长光源的分布式光纤振动定位传感系统
CN106646588A (zh) * 2017-02-15 2017-05-10 盐城师范学院 三维光纤地震传感器
CN107356957A (zh) * 2017-07-11 2017-11-17 中国矿业大学 一种基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统及安装和监测方法
CN110095810A (zh) * 2019-06-14 2019-08-06 中油奥博(成都)科技有限公司 地面分布式光纤三分量地面地震数据采集系统及方法
CN110261892B (zh) * 2019-07-01 2020-12-08 武汉理工大学 单分量、三分量光纤光栅振动传感器及传感阵列
CN110703316B (zh) * 2019-10-23 2021-08-10 电子科技大学 一种光纤地面地震检波方法及系统

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