CN209214812U - 地应力探测仪 - Google Patents

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王文祥
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Abstract

本实用新型公开了一种地应力探测仪，包括箱体和探测机构，探测机构包括操作板、控制器主板和信号采集板，操作板上设置有电源插口和电源开关，电源依次经电源插口、电源开关、控制器主板与信号采集板相连，信号采集板为用于采集天然电磁波的平板式电容传感器，信号采集板包括垂直粘接的两块覆铜板，两块覆铜板外半包覆有屏蔽板，覆铜板外表面涂覆有绝缘漆，覆铜板为长为255mm、宽为130mm、厚为1.5mm的长板。本实用新型采用上述结构的地应力探测仪，通过采用平板式电容传感器可采集属于超低频段的天然电磁波，穿透力强，从而实现地应力的深部探测，且通过无源探测，避免了工作环境对探测结果精准度的影响。

Description

地应力探测仪
技术领域
本实用新型涉及一种深部地应力探测技术，尤其涉及一种地应力探测仪。
背景技术
地应力是指客观赋存于地壳岩体内且未受工程扰动的一种自然力，亦称原岩应力，它是导致地壳岩体产生变形、断裂、褶皱乃至地震的根本原因。20世纪50年代初，瑞典人力解除法在斯堪的纳维亚半岛进行了大规模的地应力测量试验，首次测得近地表地层中水平应力大大超过垂直应力。李四光教授认为，岩层中发生的种种变形或破裂，是应力活动的结果，再加上我国又是当今世界上构造活动最为强烈的国家之一，陆内地震、山体滑坡等地质灾害频频发生。目前，随着地应力测量在工程建设、地质灾害预警以及断裂活动性研究等领域的广泛应用，地应力测量方法日益增多，主要有套芯应力解除法、水压致裂法、应变恢复法、钻孔崩落法、声发射法、相对地应力测量法(主要是钻孔应变观测)，但上述方法不仅费用高、探测周期长，而且观测深度较浅，对地下深部应力场的特征无法进行观测，而深部应力场变化又恰好是地震、山体滑坡、火山活动等地质灾害的背景场，因此对深部地应力的观测研究，就可以对某个地区是否存在地质灾害安全隐患进行有效预测。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种地应力探测仪，通过采用平板式电容传感器可采集属于超低频段的天然电磁波，穿透力强，从而实现地应力的深部探测，且通过无源探测，避免了工作环境对探测结果精准度的影响。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种地应力探测仪，包括箱体和置于所述箱体内部的探测机构，所述探测机构包括依次置于所述箱体内的操作板、控制器主板和信号采集板，所述操作板上设置有电源插口和电源开关，电源依次经所述电源插口、所述电源开关、所述控制器主板与所述信号采集板相连，所述信号采集板为用于采集天然电磁波的平板式电容传感器，所述信号采集板包括垂直粘接的两块覆铜板，两块所述覆铜板外半包覆有屏蔽板，所述覆铜板外表面涂覆有绝缘漆，所述覆铜板为长为255mm、宽为130mm、厚为1.5mm的长板。
优选的，本实用新型还包括经设置于所述操作板上的通讯端口与所述控制器主板相连的外设，所述外设为笔记本电脑。
优选的，所述控制器主板上集成有控制电路，所述控制电路包括依次串联的放大电路、滤波电路、50Hz陷波电路、用于筛选出1600Hz-7800Hz选频电路和整流电路，所述信号采集板与所述放大电路信号输入端相连，所述整流电路信号输出端经依次AD转换电路、电子开关、所述通讯端口与所述外设相连。
优选的，所述信号采集板背离所述屏蔽板的一侧与所述箱体底端内壁贴合。
优选的，所述覆铜板为中间包裹有薄层绝缘塑料的铜箔。
优选的，所述选频电路由双T网络选频电路构成。
因此，本实用新型的采用上述结构的地应力探测仪，通过采用平板式电容传感器可采集属于超低频段的天然电磁波，穿透力强，从而实现地应力的深部探测，且通过无源探测，避免了工作环境对探测结果精准度的影响。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型的实施例一种地应力探测仪的结构框图；
图2为本实用新型的实施例一种地应力探测仪的信号采集板布置图。
其中：1、信号采集板；2、放大电路；3、滤波电路；4、陷波电路；5、选频电路；6、整流电路；7、外设；8、电子开关；9、AD转换电路；10、箱体；11、控制器主板；12、增高皮垫。
具体实施方式
以下将结合附图对本实用新型作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围并不限于本实施例。
图1为本实用新型的实施例一种地应力探测仪的结构框图，图2为本实用新型的实施例一种地应力探测仪的信号采集板布置图，如图1和图2所示，本实用新型的结构，包括箱体10和置于箱体10内部的探测机构，探测机构包括依次置于箱体10内的操作板、控制器主板11和信号采集板1，操作板上设置有电源插口和电源开关，电源依次经电源插口、电源开关、控制器主板11与信号采集板1相连，信号采集板1置于箱体10内部底端，信号采集板1上方的箱体10内部经螺丝钉固定有控制器主板11，位于控制器主板11和箱体10底端内壁之间的螺丝钉上套接有增高皮垫12，增高皮垫12的高度为1厘米，信号采集板1为用于采集天然电磁波的平板式电容传感器，信号采集板1包括垂直粘接的两块覆铜板，覆铜板为中间包裹有薄层绝缘塑料的铜箔，两块覆铜板外半包覆有屏蔽板，信号采集板1背离屏蔽板的一侧与箱体10底端内壁贴合，覆铜板外表面涂覆有绝缘漆，覆铜板为长为255mm、宽为130mm、厚为1.5mm的长板，通过采用平板式电容传感器可采集属于超低频段的天然电磁波，其幅度在微伏级变化，穿透力强，探测最大深度为51米，可实现地下5公里、7公里、10公里、15公里或25公里处的探测地下能量聚集与变化，以此来确定即将发生的破坏性地震在地面位置和震级大小，且通过无源探测，避免了工作环境对探测结果精准度的影响。本实用新型还包括经设置于操作板上的通讯端口与控制器主板11相连的外设7，外设7为笔记本电脑。控制器主板11上集成有控制电路，控制电路包括依次串联的放大电路2、滤波电路3、50Hz陷波电路4、用于筛选出1600Hz-7800Hz选频电路5和整流电路6，信号采集板1与放大电路2信号输入端相连，整流电路6信号输出端经依次AD转换电路9、电子开关8、通讯端口与外设7相连，其中，选频电路5由双T网络选频电路5构成，因上述电性连接方式和控制原理均为本领域公知常识，故在此不再多家赘述；
工作原理类似光弹性法：
光弹性法是应用光学原理研究弹性力学问题的一种实验应力分折方法，将具有双折射效应的透明塑料制成的结构模型置于偏振光场中，当给模型加上载荷时，即可看到模型上产生的干涉条纹图，测量此干涉条纹，通过计算，就能确定结构模型在受载情况下的应力状态。
深部地应力探测仪工作原理就与上述光弹性法实验过程类似，首先该仪器接收的是天然电磁波场源，这部分电磁波进入地下后碰到不同的电性界面又有一部分反射回地表，仪器将接收反射回地表的这部分电磁波转化成电压值，再经过不同的软件程序处理，就可以将地下的地质信息提取出来。
具体原理为：
深部地应力探测仪所接收的是一种天然电磁波(电磁辐射)，天然电磁波场源一部分起源于地球外部空间，另一部分起源于地球的固体表层－地壳。按着这种方法对其分类，把来自地球外部空间(指地壳以外)的电磁波称为天电部分，直接来自地壳内部的电磁波称为地电部分。
太阳风是指从太阳外层大气(日冕)连续向外流出的超音速和超阿尔文波速的等离子流。在地球轨道附近，太阳风的平均速度为450km/s，粒子数约为8/cm3，主要成分是电子、质子和少量的氦离子。
天电部分的一部分来自太阳风，太阳风参数的变化是引起磁层暴、磁层亚暴、极光、磁层中波的激发等许多重要地球物理现象产生的主要因素，当太阳风和各种粒子流进入地球磁层和电离层时，就会激发出频幅很宽的脉冲电磁波，一般为0－20kHz。这种低频电磁波按时频特征可分为以下六大类，即嘶声、分立发射、合声、周期发射、准周期发射和触发发射六种。
天电部分的另一部分就是来源雷电，据统计全球范围内每秒大约发生雷电现象15次左右，天空中的雷电产生的电磁波主要为哨声，分短哨、长哨、吱声、重哨、鼻哨、扩展哨等9种，主要频率范围为几百-几千Hz。这部分电磁波通常在中纬度地区的变化幅度根据观察记录，一般为0-5μV±。
而来自地电部分的电磁波可分为一次场和二次场。
(1).一次场
这部分电磁波是指地震发生前夕，岩石在强大的相对地应力作用下发生微破裂时所产生的脉冲电磁波，这部分脉冲电磁波的频谱很宽，一般从0到几兆Hz，不同深度、不同岩性的地质体所产生的主频段也不相同，这主要受物质成分、围压、温度等因素的影响。由于不同震级释放的地震能量不同，所以岩石微破裂的范围、岩石破裂的程度、岩石主破裂面的方向也是不同的；对于不同震级的地震所产生的脉冲电磁波的强度、持续的时间、出现的频次也是不相同的。对于破坏性地震而言，这部分电磁波通常在中纬度地区的变化幅度根据我观察记录，一般为背景场的一点几倍到几十倍、几百倍不等，也就是其变化幅度在8-250μV±。
(2).二次场
地电部分中的二次场是指地下不同电性层的地质体在地磁脉动作用下所激发的辐射场。这部分辐射场辐射的电磁波频谱、强度是受地层的物理化学特征等因素控制的。由于它的激发场是地磁脉动，所以其频率变化范围基本与地磁脉动的频谱相同，其强度大约是天电部分的1/3-1/4，其变化幅度根据观察记录大约在1μV±。
依据天然电磁波场源的变化特征可知，天然电磁波中的天电部分和地电部分的二次场均是深部地应力探测仪工作时的天然场源，这部分场源在地下介质中传播时，其单程衰减幅度公式为：
其中：f为截止频率(Hz)；
为某一深度上地质体的视电阻率(Ω·m)；
H为某一地质体所在深度(m)；
k为常数(9.4×105)；
A为某一特定常数。
天然电磁波进入地下在介质中传播时遇到不同电性界面时，就要发生反射和透射，对于反射至地表的那部分电磁波，其频率量值的衰减可通过公式(2)来计算；
Aab＝q0(Ua-Ub) (2)
由此类推出频率段电磁波能量转化为电能的数学表达式如公式(3)所示：
h为普朗克恒量，6.624*10-27(尔格·秒)；
γ(λ，ρ，Τ)是界面A对某一频率的反射系数；
mi为频率电磁波的列数；
Q为传感器在某一时刻接受地下反射上来的电磁波引起的电子扰动的总电量；
fh为高频点，fl为低频点；
∫F(f)df是界面A对反射至地表频段电磁波频率的积分；
公式(3)的积分式用电路中拾取的中心频率来代替时，就可写成公式(4)：
将(1)代入(4)式，再代入(3)式整理后就得公式(5)：
其中：代表传感器的灵敏度(B＜＜1)；
V电压值就代表了地下某一深度界面(截面)所反射上来的电磁波携带了地下各种不同物性参数(γ，ρ，λ，Τ，H)的量值大小；
由于B＜＜1，a<2.3，所以公式(5)可以写成公式(6)：
由于中括号里面的值是一个随深度变化而变化且大于零又小于1的变数，当设该变数为Ci时，公式(6)可以再简化为公式(7)：
在公式(7)中，主要的影响参数有a，B，γ，ρ，λ，T，H
其中：a是仪器三个监测频点的带宽，B是此反应仪器传感器灵敏度的参数，当使用同一台仪器进行测量时，参数a、B在公式中就相当于一个常量；
参数H为此反应仪器在工作区内测量的深度，因在工作区内对各点研究的深度一致，故参数H在此公式中也相当于一个常量；
λ是指仪器监测的三个深度截面上反射上来的电磁波频率的波长，对于同一深度来讲，λ值相同，因此参数λ与分析测量的电压值无关；
参数是指仪器监测的三个深度界面上的地质体平均电阻率，在小范围地区工作时，某一特定深度地层上面的平均电阻率变化很小，可认为是一个常数；
参数γ是指所测深度地质体顶界面对电磁波的反射系数，该参数是ρ，λ，T三个参数的综合作用的结果，因上述可知参数γ与参数λ无关，故此时影响参数γ就只有温度T和反射界面下的电阻率ρ；
根据B·H·扎尔科夫研究橄榄岩的资料表明：绝对温度T、应力P和电阻率ρ之间的关系可用公式(8)来表示：
且由实验表明受力后的电阻率大小与体形变的函数式如公式(9)所示：
而体形变与应力大小的关系式如公式(10)所示：
式中υ为泊松比，E为弹性模量，σ为体应力值；
当某一深度的地质体在相对地应力(围压)发生变化后，其电阻率就由原来的ρ变成ρ'
ρ'＝ρ+△ρ (11)
将上述公式(9)、(10)、(11)代入公式(7)之后，经整理后得到：
在公式(12)中，由于泊松比性模量E的比值远小于1，故公式(12)中的电压值Vfi只与其中的三个变量H，σ，有关，公式(12)可简化为：
其中：
分析公式(13)可以得出：
(1)在小范围内相同深度段探测时，σ和T基本为定值，电压值的变化主要与界面的反射系数有关，而此时影响反射系数大小的因素只有界面下地质体的电阻率ρ，由此可通过确定地下不同深度的物性分层的电阻率的大小，近而可以确定出岩性、矿体、构造等。
(2)在大区域对5km或10km附近对地质体进行探测时，公式(13)中的分母是一个常数，分子中的各参数在物质成分发生变化时的数量级远远小于相对地应力变化的数量级，因此此时仪器测得的电压值主要反应某一深度处σ的变化，在一般情况下，按照正常的地温梯度，温度T也是个常量；由此可知当电压值急剧发生变化、其范围很小又呈线性分布时，变化是由于断层存在的缘故；当电压值急剧变化的范围很小呈近似圆状或椭圆状时，是由于地下岩浆活动产生的地热异常造成电阻率急剧变化大于该区相对地应力变化造成的。
上述两点分析，指出了通过相对地应力测量，进而确定相对地应力的积聚区，从而确定深大断裂的位置和地热异常区的理论根据
因此，本实用新型的采用上述结构的地应力探测仪，通过采用平板式电容传感器可采集属于超低频段的天然电磁波，穿透力强，从而实现地应力的深部探测，且通过无源探测，避免了工作环境对探测结果精准度的影响。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种地应力探测仪，包括箱体和置于所述箱体内部的探测机构，其特征在于：所述探测机构包括依次置于所述箱体内的操作板、控制器主板和信号采集板，所述操作板上设置有电源插口和电源开关，电源依次经所述电源插口、所述电源开关、所述控制器主板与所述信号采集板相连，所述信号采集板为用于采集天然电磁波的平板式电容传感器，所述信号采集板包括垂直粘接的两块覆铜板，两块所述覆铜板外半包覆有屏蔽板，所述覆铜板外表面涂覆有绝缘漆，所述覆铜板为长为255mm、宽为130mm、厚为1.5mm的长板。
2.根据权利要求1所述的一种地应力探测仪，其特征在于：还包括经设置于所述操作板上的通讯端口与所述控制器主板相连的外设，所述外设为笔记本电脑。
3.根据权利要求2所述的一种地应力探测仪，其特征在于：所述控制器主板上集成有控制电路，所述控制电路包括依次串联的放大电路、滤波电路、50Hz陷波电路、用于筛选出1600Hz-7800Hz选频电路和整流电路，所述信号采集板与所述放大电路信号输入端相连，所述整流电路信号输出端经依次AD转换电路、电子开关、所述通讯端口与所述外设相连。
4.根据权利要求1所述的一种地应力探测仪，其特征在于：所述信号采集板背离所述屏蔽板的一侧与所述箱体底端内壁贴合。
5.根据权利要求1所述的一种地应力探测仪，其特征在于：所述覆铜板为中间包裹有薄层绝缘塑料的铜箔。
6.根据权利要求3所述的一种地应力探测仪，其特征在于：所述选频电路由双T网络选频电路构成。
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