CN1837858B - 10-6HZ—1000Hz频段多分量钻孔应变地震仪 - Google Patents
10-6HZ—1000Hz频段多分量钻孔应变地震仪 Download PDFInfo
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Abstract
10-6～1000Hz频段多分量钻孔应变地震仪，属地壳活动监测仪器类。为解决目前惯性摆地震仪和应变地震仪不能监测地壳高频微震波活动而设计，其技术方案包括深埋在地层中的应变测量探头(10)，由信号电缆(9)联接地面的数据采集器(7)、计算机(8)，其特征在于应变测量探头外壳(1)内装有多方位的径向位移电容测微传感器(2)，该传感器由支撑环21，在该环内装有固定测长杆(22)和机械微调长度杆(23)组成的径向长度基准杆，两长度杆相对应的端面上装有传感电容极片(4)，机械微调长度杆中还插装有逆压电伸缩晶片(3)，它的引线和传感电容极片引线联接振荡频率在200KHz以上的变压器交流电容电桥电路盒(5)的相应端子。本发明主要应用于地震监测与预测，也可用于地学研究。
Description
(一)技术领域：本发明属地震监测领域，主要涉及地震及固体潮等地壳活动监测仪器类。
(二)背景技术：按测量原理不同，地震仪分为惯性摆地震仪和应变地震仪两类
(“地震学引论”，M.巴特著，许立特译，地震出版社)。目前，惯性摆地震仪的观测频带为0.003Hz—100Hz。受摆系统自振频率难以提高的限制，频率高于100Hz的地壳运动已经超出惯性摆地震仪的监测频域，因此在高于100Hz的频率域中，究竟存在何种地壳运动还是地球科学的未知事物。但有种种迹象表明，在这一频率域中有非常重要的地壳活动信息。如，在地震孕育或大地震发生前地层微破裂过程中，根据材料破坏理论，必定会有频率高于100Hz的声发射信号产生。多次大地震来临前数十到数分钟，确实有许多人听到来自地下的声音，估计频率约数百Hz，但因没有仪器记录数据而无法深入认识。
国外的应变地震仪，如美国“地球透镜”计划中采用的Sacks体积应变仪和Gladwin分量应变仪用于监测地壳缓慢应变活动，观测频带为10-6Hz—5Hz，应变灵敏度为10-10量级，并不用于更高频率信号的测量。
(三)发明内容：
解决的技术问题：由于安装探头岩孔的自振频率高达数十KHz。因此，从原理上，钻孔应变地震仪的观测频宽可以达到10-6Hz—104Hz，能够做成高频钻孔应变地震仪。但由于发射波的频率越高其相应地层的微破裂长度越短，发射能量越小。目前尚没有适合接收发射能量很小的地层高频微破裂信号的仪器。本发明依据上述存在的技术问题，设计出10-6Hz—1000Hz频段多分量钻孔应变地震仪，该发明既可以观测固体潮之类缓慢的长周期地壳运动，也可以记录长、短周期地震活动，还能监测来自地层微破裂发射的高频微破裂应变波和“地声”。为地学研究及地震监测与预测提供新的观测手段。
解决上述技术问题的原理及技术方案：
设地震波在地层中沿水平X轴运动，其中位移ux.uy如下式所示：
ux＝A cos[k1(x—C1t)+ε1] (1)
uy＝B cos[k2(x—C2t)+ε2] (2)
(1)式表示地层质点振动方向与X轴方向一致的纵向传播振动；(2)式表示地层质点振动方向与X轴方向垂直的横向传播振动。
式中X—座标变化量；C1、C2——分别为纵波及横波波速。
K1、K2为波数，ε1、ε2为初相。
地震纵波在地层中引起的应变为：
exx＝—A k1sin[k1(x—C1t)+ε1] (3)
eyy＝exy＝0
地震横波在地层中引起的应变为：
exy＝—BK2Sin[k2(x—C2t)+ε2] (4)
exx＝eyy＝0
测量地层应变exx、exy由(3)、(4)式可算出地震波的地动位移A、B。
纵波地动位移振幅与应变振幅之间关系为：
a纵＝T C1e1/2π (5)
式中e1为纵向应变exx的振幅，T为震波的周期。
解决技术问题的技术方案：设计的10-6Hz——1000Hz频段多分量钻孔应变地震仪，它包括埋在地层中的应变测量探头，探头中的径向位移电容测微传感器通过信号电缆联接地面数据采集器及数据处理计算机，其特征在于：应变测量探头由薄壁不锈钢的长圆筒形外壳，在长圆筒形外壳内的中段垂直于长圆筒形外壳轴线的不同平面上通过轴心线固装有与圆筒形外壳内径相吻合的至少两个等分圆周角的径向位移电容测微传感器，径向位移电容测微传感器由圆环形的支撑环，在支撑环内通过该环中心且平行于该环的端平面固装有由固定长度杆和机械式微调长度杆组成的径向长度基准杆，在固定长度杆和机械式微调长度杆相对应的端面上装有传感电容极片，机械式微调长度杆中还插装有逆压电伸缩晶片，它的引出线和传感电容极片的引出线联在振荡频率在200kHz以上的变压器交流电容电桥测微电路盒的相应端子上。
本发明的有益效果：
1、由于本发明的应变测量探头放置在百米以下的地层岩孔中，岩孔的自振频率高达数+kHz，该探头周围填充膨胀水泥，保证了探头与地层结合为一体，便于感应10- 6—1000Hz的地震波；应变测量探头上面的岩孔中又装填了隔声物料，保证了该探头不受地面各种工业、交通噪声干扰，上述二点，确保了本发明功能正常运作环境；2、由于应变测量探头中装有多方位的径向位移电容测微传感器，保证了地层中各方位地震波的监测；3、由于本发明的径向位移电容测微传感器中的径向长度基准杆选用长度稳定性好、温度膨胀系数小的材料，在加工、组装中又保证了它与应变测量探头外壳的刚性连接；4、由于径向位移电容传感器中的固定长度杆、机械式微调长度杆相对应的端面上装有间隙为0.03——0.002mm的电容极片，同时还备有机械微调，高精度小间隙的电容，保证了能将地震的高频率微震波传播时地层的应变波动转换成电信号，保证了本发明的高灵敏度；5、由于径向位移电容测微传感器的径向长度基准杆中还插装有逆压电伸缩标定晶片，在本发明安装调试中，实现测量值的标定，从而保证了本发明在使用中的精度和灵敏度；6、由于径向位移电容测微传感器中选用了变压器交流电容电桥测微电路，它的振荡器振荡频率在200KHz以上，满足了地层中高频微破裂应变波和地声的接收。综上所述，本发明将地震仪的观测频宽扩展到了10-6——1000Hz，它既可以观察固体潮之类缓慢的长周期地壳运动，也可以记录长、短周期地震活动，还能监测来自地层微破裂发射的高频微破裂应变波和地声。为地学研究及地震监测与预测提供了新的观测手段。
(四)附图说明：
图1是本发明的安装使用示意图；
图2是本发明中的应变测量探头结构示意图；
图3是本发明中的径向位移电容测微传感器示意图。
(五)具体实施方式：
参照图2、图3，本发明的应变测量探头10采用薄壁不锈钢的长圆筒形外壳1，它的长度为直径的3—6倍，可选用直径90—110mm，长300—700mm、壁厚2—4mm。在该圆筒形外壳内的中段垂直于圆筒形外壳轴线的不同平面上通过轴心线固装有与长圆筒型外壳内径相吻合的四个等分圆周角的径向位移电容测微传感器2。径向位移电容测微传感器由圆环形的支撑环21，在支撑环内通过该环中心且平行于该环的端面固装有由固定长度杆22和机械式微调长度杆23组成的径向长度基准杆，径向长度基准杆由长度稳定性好，温度膨胀系数小的钢材制成。在固定长度杆22和机械式微调长度杆23相对应的端面上装有相平行的传感电容极片4，电容极片间隙应控制在0.03—0.002mm，电容极片直径≤10mm，电容量在10—30PF。机械式微调长度杆为细牙的螺杆螺母结构，可对电容极片间的微小间距作精细调整，便于调整输出信号工作点。在机械式微调测长杆中插装的逆压电伸缩晶片3，它采用铌酸锂材料制成，当外加1伏电压时，能产生约5×10-11米微量伸长，使传感电容极片间距改变，输出电信号产生相应变化，实现测量值的标定。传感电容极片4和逆压电伸缩晶片3的引出线联在所选用的振荡频率在200KHz以上的变压器交流电容电桥测微电路盒5的相应端子上。为减少分布电容的影响，应使变压器交流电容电桥测微电路盒的安置位置十分接近传感电容极片。
参照图1，本发明在地震监测使用时，将应变测量探头10置入数十至数百深的岩孔中，在岩孔与应变测量探头间隙间填充膨胀水泥6，使该探头与地层粘连在一起。为避开地表各种工业、交通噪声干扰，在岩孔中应填充隔声材料。应变测量探头10中的各径向位移电容测微传感器2的引出线由信号电缆9引至地面与多路数据采集器7对接，多路数据采集器对接数据处理计算机8。安装好送电后，经逆压电伸缩标定晶片3和机械式微调长度杆23的调整和标定，就可投入地震监测使用。
本发明经安装调试、使用，实测本发明达到如下技术指标：
①应变分辩率为1×12-12。记录100Hz地震波的地动位移放大倍率达1亿倍。
②在10-6—1000Hz频段，应变响应不平坦度小于3分贝。可记录地声、高频极微震、短周期频段、长周期频段地震波及应变固体潮。
③记录应变固体潮半日波调和分析的相对精度达0.0014。
Claims (5)
1.10-6-1000Hz频段多分量钻孔应变地震仪，它包括埋在地层中的应变测量探头(10)，该探头中的径向位移测微传感器通过信号电缆(9)联接地面数据采集器(7)及数据处理计算机(8)，其特征在于：
a、应变测量探头由薄壁不锈钢的长圆筒形外壳(1)，在长圆筒形外壳内的中段，垂直于长圆筒形外壳轴线的不同平面上通过轴心线固装有与圆筒形外壳内径相吻合的至少两个等分圆周角的径向位移电容测微传感器(2)；
b、径向位移电容测微传感器由圆环形的支撑环(21)，在支撑环内通过该环中心且平行于该环的端平面固装有由固定长度杆(22)和机械式微调长度杆(23)组成的径向长度基准杆，两长度杆相对应的端面上装有传感电容极片(4)，机械式微调长度杆中还插装有逆压电伸缩晶片(3)，它的引出线和传感电容极片的引出线联在振荡频率在200KHz以上的变压器交流电容电桥电路盒(5)的相应端子上；
所述的应变测量探头埋置在地层中百米甚至更深的钻孔底部，在该探头与钻孔之间的间隙填充膨胀水泥(6)，在探头上面的孔中填充隔声材料。
2.根据权利要求1所述的10-6-1000Hz频段多分量钻孔应变地震仪，其特征在于所述的在应变测量探头的外壳内的中段，垂直于圆筒形外壳轴线的不同平面上通过轴心线装有与圆筒形外壳内径相吻合的至少两个等分圆周角的径向位移电容测微传感器为4个等分圆周角的径向位移电容测微传感器(2)。
3.根据权利要求1或2所述的10-6-1000Hz频段多分量钻孔应变地震仪，其特征在于所述的在固定长度杆(22)和机械式微调长度杆(23)相对应的端面上装有传感电容极片(4)为两平行金属极片，极片间隙为0.03-0.002mm，电容极片直径≤10mm。
4.根据权利要求1或2所述的10-6-1000Hz频段多分量钻孔应变地震仪，其特征在于所述的径向长度基准杆为自振频率不低于3KHz的碳钢制成，组成径向长度基准杆中的机械式微调长度杆为细螺纹的螺杆螺母结构。
5.根据权利要求1或2所述的10-6-1000Hz频段多分量钻孔应变地震仪，其特征在于所述的应变测量探头的薄壁不锈钢的圆筒形外壳，该外壳的长度为直径的3-6倍，壁厚2-4mm。
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