用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪及其测量方法技术

本发明专利技术公开了一种用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪及其测量方法，应变仪包括：钻孔探头为筒体结构；第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头、第四水平向测量激光干涉仪探头、第一垂向测量激光干涉仪探头、第二垂向测量激光干涉仪探头和一个垂向应变测量激光干涉仪探头分设在所述钻孔探头内壁上；各激光干涉仪探头分别与应变仪主机电气连接。通过多个激光干涉仪探头能测量出任意入射的地震应变波，实现了对三维应变场的地震应变波的准确测量。

【技术实现步骤摘要】
用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪及其测量方法
本专利技术涉及测量地震应变波的应变仪，尤其涉及一种用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪及其测量方法。
技术介绍
目前，为了观测火山、地震等动力学过程的微弱构造应变信号，多采用应变分辨率优于10-9的高分辨率钻孔应变仪，如：Sacks-Evertson型、TJ型等体积式应变仪，RZB型、YRY型、GTSM型、SKZ型等分量式应变仪。这些高分辨率钻孔应变仪目前已布置在板块边界观测台网(PlateBoundaryObservatory(PBO))、中国地震观测台网等一系列地学观测台网中。观测结果已在火山动力学、地震孕育发生过程(瞬间滑移、断层蠕变、地震成核、慢地震、静寂地震等)、地震震源评价、地震预测等科学研究中发挥了重要的应用。目前使用钻孔应变仪时，为减少地表干扰对地壳应变场εR测量的影响，是将钻孔应变仪的测量探头安装在钻孔(钻孔直径d为100mm左右)内一定深度处，并用膨胀水泥与钻孔基岩耦合在一起。当地壳应变场εR发生变化时，钻孔、膨胀水泥、探头钢筒的变形随之发生变化，通过探头的测量单元可直接测量出探头钢筒内径(或体积)相对变化，然后考虑测量单元的方位矩阵可得到仪器应变εI。如假设地壳应变场εR在钻孔附近五倍钻孔直径以上范围内为均匀应变场，则基于远场均匀应变作用下两环夹杂圆孔应力集中模型给出的地壳应变场εR与仪器应变εI线性静态耦合关系即可表示为：εR＝K-1εI，式中K为静态耦合系数矩阵，与钻孔、膨胀水泥、探头钢筒的物性和几何性质有关。由于采用的差动式电容传感器只能测量探头内部径向变化的原因，目前的钻孔应变仪测量的是静态的水平面内的应变分量，即测量的是平面应变场，而地震应变波一般会斜入射到钻孔，形成的入射应变场是三维应变场，而目前的钻孔应变仪由于不能测量斜入射到钻孔的地震应变波，因此，并无法准确测量三维应变场的地震应变波。
技术实现思路
基于现有技术所存在的问题，本专利技术的目的是提供一种用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪及其测量方法，能解决现有钻孔应变仪，所存在的不能测量斜入射到钻孔的地震应变波，无法准确测量三维应变场的地震应变波问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术实施方式提供一种用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪，包括：应变仪主机、钻孔探头、第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头、第四水平向测量激光干涉仪探头、第一垂向测量激光干涉仪探头、第二垂向测量激光干涉仪探头和一个垂向应变测量激光干涉仪探头；其中，所述钻孔探头为筒体结构；所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头环向间隔设置在所述钻孔探头筒体结构的内壁上，所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头处于同一平面上，所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头中，相邻两个探头的测量方向之间的夹角为45度；所述第一垂向测量激光干涉仪探头与第二垂向测量激光干涉仪探头环向间隔设置在所述钻孔探头筒体结构的内壁上，所述第一垂向测量激光干涉仪探头与第二垂向测量激光干涉仪探头处于同一平面，两者相对于所述钻孔探头圆心的夹角为90度；所述第一垂向测量激光干涉仪探头与第二垂向测量激光干涉仪探头的测量方向倾斜向下，两者测量方向与它们所在平面的夹角为45度；所述一个垂向应变测量激光干涉仪探头，设置在所述钻孔探头筒体结构的内壁中间部位，该垂向应变测量激光干涉仪探头的测量方向与所述钻孔探头筒体结构的筒壁平行；所述应变仪主机，分别与所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头、第四水平向测量激光干涉仪探头、第一垂向测量激光干涉仪探头、第二垂向测量激光干涉仪探头和一个垂向应变测量激光干涉仪探头电气连接，能接收所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头分别测量钻孔内水平向的四个方向内径相对变化值；接收所述第一垂向测量激光干涉仪探头和第二垂向测量激光干涉仪探头分别测量钻孔内垂向的两个方向内径相对变化值；以及接收所述一个垂向应变测量激光干涉仪探头测量的钻孔内垂向的一个方向应变值，根据接收的各探头的测量值处理得出仪器应变。本专利技术实施方式还提供一种用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪的测量方法，采用上述的分量式钻孔应变仪，包括以下步骤：步骤1，利用所述分量式钻孔应变仪的钻孔探头内设置的第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头、第四水平向测量激光干涉仪探头、第一垂向测量激光干涉仪探头、第二垂向测量激光干涉仪探头和一个垂向应变测量激光干涉仪探头，分别测量得到钻孔内水平向的四个方向内径相对变化值，垂向的两个方向内径相对变化值和垂向的一个方向应变值；步骤2，将所述步骤1测量得到的钻孔内水平向的四个方向内径相对变化值，垂向的两个方向内径相对变化值，垂向的一个方向应变值发送至所述分量式钻孔应变仪的应变仪主机进行处理，通过方位矩阵转化为仪器应变εI；步骤3，根据所述步骤2得到的仪器应变εI通过耦合矩阵K计算得到入射地震应变波εi。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例提供的用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪及其制备方法，其有益效果为：通过在钻孔探头内壁上按设定方式分别设置第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头、第四水平向测量激光干涉仪探头、第一垂向测量激光干涉仪探头、第二垂向测量激光干涉仪探头和一个垂向应变测量激光干涉仪探头这七个激光干涉仪探头，能同时测量得到钻孔内水平向的四个方向内径相对变化值，垂向的两个方向内径相对变化值，垂向的一个方向应变值，通过方位矩阵转化能准确得出三维应变场的机器应变，保证了通过耦合矩阵K计算得到入射地震应变波εi与三维应变场匹配，由于利用多个测量激光干涉仪探头能够测量出任意入射的地震应变波，使得该分量式钻孔应变仪能准确测量三维应变场的地震应变波。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪的钻孔探头设置第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头的平面示意图；图2为本专利技术实施例提供的用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪的钻孔探头设置第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪，其特征在于，包括：/n应变仪主机、钻孔探头、第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头、第四水平向测量激光干涉仪探头、第一垂向测量激光干涉仪探头、第二垂向测量激光干涉仪探头和一个垂向应变测量激光干涉仪探头；其中，/n所述钻孔探头为筒体结构；/n所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头环向间隔设置在所述钻孔探头筒体结构的内壁上，所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头处于同一平面上，所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头中，相邻两个探头的测量方向之间的夹角为45度；/n所述第一垂向测量激光干涉仪探头与第二垂向测量激光干涉仪探头环向间隔设置在所述钻孔探头筒体结构的内壁上，所述第一垂向测量激光干涉仪探头与第二垂向测量激光干涉仪探头处于同一平面，两者相对于所述钻孔探头圆心的夹角为90度；所述第一垂向测量激光干涉仪探头与第二垂向测量激光干涉仪探头的测量方向倾斜向下，两者测量方向与它们所在平面的夹角为45度；/n所述一个垂向应变测量激光干涉仪探头，设置在所述钻孔探头筒体结构的内壁中间部位，该垂向应变测量激光干涉仪探头的测量方向与所述钻孔探头筒体结构的筒壁平行；/n所述应变仪主机，分别与所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头、第四水平向测量激光干涉仪探头、第一垂向测量激光干涉仪探头、第二垂向测量激光干涉仪探头和一个垂向应变测量激光干涉仪探头电气连接，能接收所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头分别测量钻孔内水平向的四个方向内径相对变化值；接收所述第一垂向测量激光干涉仪探头和第二垂向测量激光干涉仪探头分别测量钻孔内垂向的两个方向内径相对变化值；以及接收所述一个垂向应变测量激光干涉仪探头测量的钻孔内垂向的一个方向应变值，根据接收的各探头的测量值处理得出仪器应变。/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪，其特征在于，包括：
应变仪主机、钻孔探头、第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头、第四水平向测量激光干涉仪探头、第一垂向测量激光干涉仪探头、第二垂向测量激光干涉仪探头和一个垂向应变测量激光干涉仪探头；其中，
所述钻孔探头为筒体结构；
所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头环向间隔设置在所述钻孔探头筒体结构的内壁上，所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头处于同一平面上，所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头中，相邻两个探头的测量方向之间的夹角为45度；
所述第一垂向测量激光干涉仪探头与第二垂向测量激光干涉仪探头环向间隔设置在所述钻孔探头筒体结构的内壁上，所述第一垂向测量激光干涉仪探头与第二垂向测量激光干涉仪探头处于同一平面，两者相对于所述钻孔探头圆心的夹角为90度；所述第一垂向测量激光干涉仪探头与第二垂向测量激光干涉仪探头的测量方向倾斜向下，两者测量方向与它们所在平面的夹角为45度；
所述一个垂向应变测量激光干涉仪探头，设置在所述钻孔探头筒体结构的内壁中间部位，该垂向应变测量激光干涉仪探头的测量方向与所述钻孔探头筒体结构的筒壁平行；
所述应变仪主机，分别与所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头、第四水平向测量激光干涉仪探头、第一垂向测量激光干涉仪探头、第二垂向测量激光干涉仪探头和一个垂向应变测量激光干涉仪探头电气连接，能接收所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头分别测量钻孔内水平向的四个方向内径相对变化值；接收所述第一垂向测量激光干涉仪探头和第二垂向测量激光干涉仪探头分别测量钻孔内垂向的两个方向内径相对变化值；以及接收所述一个垂向应变测量激光干涉仪探头测量的钻孔内垂向的一个方向应变值，根据接收的各探头的测量值处理得出仪器应变。


2.根据权利要求1所述的用于测量地震应变波的分量式钻...

【专利技术属性】
技术研发人员：田家勇，张康华，
申请(专利权)人：中国地震局地壳应力研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11