一種測量狀態量的光纖鑽孔應變儀的製作方法
2023-12-09 09:59:51 2
專利名稱：一種測量狀態量的光纖鑽孔應變儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及地震探測技術領域，尤其涉及一種測量狀態量的光纖鑽孔應變儀。
背景技術：
在區域應力場作用下地殼會發生變形，鑽孔應變觀測是研究地殼變形和地應力場變化的一種重要手段。鑽孔應變儀能將地震和火山活動當時及其前後的地殼形變，以分鐘甚至接近測震的採樣時間連續記錄下來。因此在地震預測預報和地球物理研究中發揮著重要的作用。現有的鑽孔應變儀包括體應變儀和分量式應變儀(邱澤華等，「國外鑽孔應變觀測的發展現狀」，地震學報，2004)。但是不論哪種應變儀，均採用電學傳感器進行探測。如我國的FZY-I型鑽孔應變儀採用電容傳感器(李海亮等，「FZY-1型多分量式鑽孔應變儀的設計」，地震地磁觀測與研究，2004)，日本的山內常生採用電磁傳感器，我國的王啟民提出了 「弦頻式鑽孔應變儀」(中國專利申請CN86100074A)，等等。這些電學式的鑽孔應變儀都具有相同的缺點，第一，不能抗雷擊，抗電磁幹擾；第二，不能解決零漂問題(邱澤華等，「國外鑽孔應變觀測的發展現狀」，地震學報，2004)。光纖傳感器與對應的常規傳感器相比，在靈敏度、動態範圍、可靠性等方面具有明顯的優勢，尤其具有抗電磁幹擾、不怕雷擊、無零漂的特點。周振安等人提出了可在觀測室內的基巖上安裝的光纖光柵應變儀(周振安等，「光纖光柵傳感器用於高精度應變測量研究」，地球物理學進展，2005)，但是，由於光纖光柵在長期工作中會受到蠕變的影響，故可減小零漂的影響，但不能在長期監測中解決零漂的問題。因此，本發明提出一種測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，用於在地震探測領域的地應變探測，重點解決現有鑽孔應變儀的防雷擊和零漂問題。
發明內容
(一)要解決的技術問題有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，以解決現有鑽孔應變儀的防雷擊和零漂問題。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，包括應變筒 20，用於感受體應變；充滿應變筒20內的液體50，用於傳遞應變筒20感受到的體應變；端蓋10，用於密封；安裝於應變筒20底部的膜片65，用於感受應變筒20內容積的變化，並與光纖90的端面形成一個低反射測量幹涉儀；安裝於應變筒20底部的螺栓80，用於灌注液體50並密封；固定於膜片65外側的光纖90，用於測量膜片65的形變；安裝於應變筒20底部的保護罩70，用於保護體應變儀內部結構；參考幹涉儀83，用於與低反射測量幹涉儀匹配，從而得到幹涉儀的腔長長度；光源82，用於給系統提供光源；耦合器81，用於連接光源 82、光纖90、參考幹涉儀83 ；以及探測器84，用於探測參考幹涉儀的輸出光強，從而得到應變大小。上述方案中，所述膜片65與應變筒20內的液體50接觸，用於測量液體50的壓力變化。上述方案中，所述保護罩70上進一步開有孔71，以便光纖90的尾纖引出。上述方案中，所述應變筒20的側壁25剛度遠小於底端26和端蓋10的剛度。上述方案中，所述應變筒20的底端26進一步開有一階梯孔21，孔21中有一凸臺 22，以便於膜片65的安裝。上述方案中，所述應變筒20內可進一步裝有一柱體30，用於改變測量狀態量的光纖鑽孔應變儀的溫度特性。上述方案中，所述光纖90的端部可進一步安裝一個固定柱60，固定柱60中有一孔 61用於光纖90穿過並固定，固定柱60可安裝在階梯孔21較粗的一側，以便於光纖90的安裝。上述方案中，所述光纖90與膜片65相對的端面以及膜片65與光纖90相對的一側的表面光潔度較高，以便形成低反射測量光纖幹涉儀。上述方案中，所述參考幹涉儀83的腔長可調。上述方案中，所述柱體30的溫度膨脹係數遠小於液體50，當測量狀態量的光纖鑽孔應變儀所處環境溫度發生改變時，液體50由溫度膨脹引起的壓力變化將減小。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果1、本發明提供的這種測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，通過光纜連接井下儀器，光纜可無金屬，故防雷擊。2、本發明提供的這種測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，通過兩個幹涉儀進行匹配測量，可測量出測量幹涉儀的絕對腔長值，從而實現了對應變的狀態量測量，解決了體應變儀的零漂問題。
圖1為本發明提供的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀的示意圖；圖2為本發明提供的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀的應變筒20的底端26部位的示意圖；圖3為本發明提供的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀的膜片65的安裝示意圖；圖4為本發明提供的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀在井下安裝的示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。請參照圖1，圖1為本發明提供的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀的示意圖。該該測量狀態量的光纖鑽孔應變儀包括應變筒20，用於感受體應變；充滿應變筒20內的液體 50，用於傳遞應變筒20感受到的體應變；端蓋10，用於密封；安裝於應變筒20底部的膜片 65，用於感受應變筒20內容積的變化，並與光纖90的端面形成一個低反射測量幹涉儀；安裝於應變筒20底部的螺栓80，用於灌注液體50並密封；固定於膜片65外側的光纖90，用於測量膜片65的形變；安裝於應變筒20底部的保護罩70，用於保護體應變儀內部結構；參考幹涉儀83，用於與低反射測量幹涉儀匹配，從而得到幹涉儀的腔長長度；光源82，用於給系統提供光源，且一般為白光光源(寬帶光源)；耦合器81，用於連接光源82、光纖90、參考幹涉儀83 ；探測器84，用於探測參考幹涉儀的輸出光強，從而得到應變大小。如圖2所示，圖2為本發明提供的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀的應變筒20的底端26部位的示意圖。應變筒20的底端26進一步開有一階梯孔21，孔21中有一凸臺22， 以便於膜片65的安裝。光纖90的端部可進一步安裝一個固定柱60，固定柱60可有外螺紋，並通過螺紋配合安裝在階梯孔21較粗的一側(可在階梯孔21較粗的一側有內螺紋)， 以便於光纖90的安裝。如圖3所示，圖3為本發明提供的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀的膜片65的安裝示意圖。固定柱60與膜片65相對的一端可進一步開有一凹槽66，以便形成幹涉腔66。膜片65可通過固定柱60通過螺紋固定並密封。固定柱60中有一孔61用於光纖90穿過並固定，孔61與光纖90的外徑相近，可通過膠粘的方式固定光纖90。膜片65與應變筒20內的液體50接觸，用於測量應變筒20內的容積變化。應變筒20的側壁25剛度遠小於底端 26和端蓋10的剛度。如圖1所示，保護罩70上進一步開有孔71，以便光纖90的尾纖引出。應變筒20 內可進一步裝有一柱體30，用於改變測量狀態量的光纖鑽孔應變儀的溫度特性。柱體30可安裝於端蓋10上。應變筒20內的液體50由於柱體30的存在而體積減少。柱體30的溫度膨脹係數遠小於液體50，當測量狀態量的光纖鑽孔應變儀所處環境溫度發生改變時，液體50由溫度膨脹引起的壓力變化將大大減小。光纖90與膜片65相對的端面以及膜片65與光纖90相對的一側的表面光潔度較高，以便形成低反射測量光纖幹涉儀。本發明提供的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀的工作原理為(參考圖4)，將鑽孔應變儀放入井下後，通過澆注水泥砂漿92，使測量狀態量的光纖鑽孔應變儀與井的套管91緊密結合，當地殼應力發生變化使巖層中發生應變時，使應變筒20的側壁發生形變，從而導致液體50的壓力發生變化，進而使膜片65發生形變。膜片65的側面與光纖90的端面形成一個低反射測量幹涉儀，膜片65的形變將改變該幹涉儀的腔長，即腔66的長度。光從光源82發出的寬帶光信號經過耦合器81進入低反射測量幹涉儀後在光纖90 的端面和膜片65的側面反射後發生幹涉，幹涉後的光再經過耦合器81進入參考幹涉儀83， 參考幹涉儀83的腔長可調，當參考幹涉儀83的腔長和低反射測量幹涉儀的腔長相等時，探測器84接收到的輸出光強最大。因此通過在讀出讀出探測器84測量到的光強最大時的參考幹涉儀83的腔長，即可得到低反射測量幹涉儀的腔長，從而得到膜片65的變形量。而膜片65的變形量與鑽孔應變儀感受到的體應變是成正比的，因此可以計算得到體應變值。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，其特徵在於，包括 應變筒(20)，用於感受體應變；充滿應變筒(20)內的液體(50)，用於傳遞應變筒(20)感受到的體應變； 端蓋(10)，用於密封；安裝於應變筒(20)底部的膜片(65)，用於感受應變筒(20)內容積的變化，並與光纖 (90)的端面形成一個低反射測量幹涉儀；安裝於應變筒(20)底部的螺栓(80)，用於灌注液體(50)並密封； 固定於膜片(65)外側的光纖(90)，用於測量膜片(65)的形變； 安裝於應變筒(20)底部的保護罩(70)，用於保護體應變儀內部結構； 參考幹涉儀(83)，用於與低反射測量幹涉儀匹配，從而得到幹涉儀的腔長長度； 光源(82)，用於給系統提供光源；耦合器(81)，用於連接光源(82)、光纖(90)、參考幹涉儀(83)；以及探測器(84)，用於探測參考幹涉儀的輸出光強，從而得到應變大小。
2.根據權利要求1所述的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，其特徵在於，所述膜片(65) 與應變筒(20)內的液體(50)接觸，用於測量液體(50)的壓力變化。
3.根據權利要求1所述的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，其特徵在於，所述保護罩 (70)上進一步開有孔(71)，以便光纖(90)的尾纖引出。
4.根據權利要求1所述的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，其特徵在於，所述應變筒 (20)的側壁(25)剛度遠小於底端(26)和端蓋(10)的剛度。
5.根據權利要求1所述的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，其特徵在於，所述應變筒 (20)的底端(26)進一步開有一階梯孔(21)，孔(21)中有一凸臺(22)，以便於膜片(65)的安裝。
6.根據權利要求1所述的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，其特徵在於，所述應變筒 (20)內可進一步裝有一柱體(30)，用於改變測量狀態量的光纖鑽孔應變儀的溫度特性。
7.根據權利要求1所述的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，其特徵在於，所述光纖(90) 的端部可進一步安裝一個固定柱(60)，固定柱(60)中有一孔(61)用於光纖(90)穿過並固定，固定柱(60)可安裝在階梯孔(21)較粗的一側，以便於光纖(90)的安裝。
8.根據權利要求1所述的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，其特徵在於，所述光纖(90) 與膜片(65)相對的端面以及膜片(65)與光纖(90)相對的一側的表面光潔度較高，以便形成低反射測量光纖幹涉儀。
9.根據權利要求1所述的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，其特徵在於，所述參考幹涉儀(83)的腔長可調。
10.根據權利要求1所述的測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，其特徵在於，所述柱體(30) 的溫度膨脹係數遠小於液體(50)，當測量狀態量的光纖鑽孔應變儀所處環境溫度發生改變時，液體(50)由溫度膨脹引起的壓力變化將減小。
全文摘要
本發明公開了一種測量狀態量的光纖鑽孔應變儀，包括應變筒，用於感受體應變；充滿應變筒內的液體，用於傳遞應變筒感受到的體應變；端蓋，用於密封；安裝於應變筒底部的膜片，用於感受應變筒內容積的變化，並與光纖的端面形成一個低反射測量幹涉儀；安裝於應變筒底部的螺栓，用於灌注液體並密封；固定於膜片外側的光纖，用於測量膜片的形變；安裝於應變筒底部的保護罩，用於保護體應變儀內部結構；參考幹涉儀，用於與低反射測量幹涉儀匹配，從而得到幹涉儀的腔長長度；光源，用於給系統提供光源；耦合器，用於連接光源、光纖、參考幹涉儀；以及探測器，用於探測參考幹涉儀的輸出光強。利用本發明，解決了現有鑽孔應變儀的防雷擊和零漂問題。
文檔編號G01B11/16GK102435147SQ20111027292
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月15日 優先權日2011年9月15日
發明者張文濤, 李芳 申請人:中國科學院半導體研究所