本發(fā)明屬于地質(zhì)儀器和光電傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種一孔多標(biāo)分層標(biāo)的地面沉降變化的精細(xì)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

人類在抽汲地下水、開(kāi)采石油天然氣、挖掘固體礦產(chǎn)、高速鐵路、地下鐵路、公路開(kāi)挖工程土體時(shí)，常引起地殼表部松散沉積物的壓縮、位移，導(dǎo)致地面高程降低，這種現(xiàn)象稱為地面沉降。我國(guó)的東北松遼平原、華北平原、長(zhǎng)江下游地區(qū)、渭南平原為地面沉降最為嚴(yán)重地區(qū)，因此迫切需要建立全國(guó)地面沉降的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，同時(shí)，城市地鐵、高速鐵路、公路交通工程施工和運(yùn)行期也要建立地面沉降的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種廣泛應(yīng)用于地質(zhì)工程和工程地質(zhì)勘查領(lǐng)域、能夠?qū)Φ貐^(qū)域安全、交通安全及時(shí)提供數(shù)據(jù)的一孔多分層標(biāo)的地面沉降變化的精細(xì)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，即在一個(gè)井孔內(nèi)能夠精細(xì)測(cè)量地層各層沉降變化。

為此，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種一孔多分層標(biāo)的地面沉降變化的精細(xì)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，包括單縱模激光器、第1-第3耦合器、第1和第2光電轉(zhuǎn)換器、信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集器、第1和第2空心聚磁體、第1和第2f-p磁場(chǎng)傳感器、實(shí)心聚磁體以及pvc套管，所述單縱模激光器與第1耦合器的左側(cè)一端相連，第1耦合器的右側(cè)兩端分別與第2和第3耦合器的左側(cè)一端相連；第2耦合器的右側(cè)一端通過(guò)單模光纖與第1f-p磁場(chǎng)傳感器相連；第3耦合器右側(cè)一端通過(guò)單模光纖與第2f-p磁場(chǎng)傳感器相連；第2耦合器左側(cè)另一端和第1光電轉(zhuǎn)換器相連，第3耦合器左側(cè)另一端和第2光電轉(zhuǎn)換器相連，第1和第2光電轉(zhuǎn)換器分別與數(shù)據(jù)采集器相連；第1空心聚磁體、第2f-p磁場(chǎng)傳感器、實(shí)心聚磁棒、第1f-p磁場(chǎng)傳感器和第1空心聚磁體依次設(shè)置在密封的pvc套管中。

所述f-p磁場(chǎng)傳感器為法布里-珀羅光纖干涉型磁場(chǎng)傳感器，包括空心管、單模光纖和金屬玻璃絲，所述單模光纖和金屬玻璃絲從兩端裝入所述空心管中并用膠固定，單模光纖端面和金屬玻璃絲端面之間構(gòu)成法布里-珀羅(f-p)腔。

優(yōu)選的是，所述金屬玻璃絲為鎳金屬玻璃絲。所述第1-第3耦合器均為2×2光纖耦合器。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)占地少，施工簡(jiǎn)單，測(cè)量快速、經(jīng)濟(jì)、可靠，在一個(gè)井孔內(nèi)能夠精細(xì)測(cè)量地層各層沉降變化，可廣泛應(yīng)用于地質(zhì)工程和工程地質(zhì)勘查領(lǐng)域。在2020年建立國(guó)家級(jí)地面沉降的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)對(duì)城市地鐵、高速鐵路、公路交通工程沿線、地下隧道等大深度地下工程的沉降監(jiān)測(cè)中，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能對(duì)地區(qū)域安全、交通安全及時(shí)提供數(shù)據(jù)，在地質(zhì)工程和工程地質(zhì)勘查領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的精細(xì)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的組成示意圖；

圖2是圖1中f-p磁場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的精細(xì)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的計(jì)算原理圖。

具體實(shí)施方式

分層標(biāo)是將不同埋深地層的高程引至地面進(jìn)行觀測(cè)的一種特殊系統(tǒng)，通過(guò)與基巖標(biāo)(不動(dòng)點(diǎn))高程聯(lián)測(cè)，可得到各類土層的沉降變化數(shù)值。本發(fā)明可在一個(gè)井孔內(nèi)精細(xì)測(cè)量各地層的降變化。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的一孔多分層標(biāo)的地面沉降變化精細(xì)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的組成進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

考慮到采用的分層標(biāo)為磁性標(biāo)頭，且由液壓系統(tǒng)嵌入到地層的各層中，最深達(dá)到500米，至少在一個(gè)井孔要液壓嵌入50-70個(gè)標(biāo)頭，如果采用銅導(dǎo)線作為傳感器的供電和信號(hào)傳輸，特別是將其用于傳感器牽引固位，會(huì)因其自重引起的長(zhǎng)度變化帶來(lái)沉降量的很大誤差，因此采用單模光纖用于信號(hào)傳輸和傳感器的牽引固位。在本發(fā)明中采用的磁場(chǎng)傳感器為f-p光纖干涉型磁場(chǎng)傳感器。

如圖1所示，單縱模激光器1、第1～第3耦合器2～4、第1和第2光電轉(zhuǎn)換器5a和5b、信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集器6構(gòu)成精細(xì)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的a部分。第1和第2空心聚磁體7和12、第1和第2f-p磁場(chǎng)傳感器8和11、實(shí)心聚磁體9(其長(zhǎng)度為l)和pvc套管10構(gòu)成精細(xì)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的b部分。在本發(fā)明中，第1～第3耦合器2、3、4均為2×2光纖耦合器。

單縱模激光器1和第1耦合器2的左側(cè)一端相連，第1耦合器2的右側(cè)兩端分別與第2和第3耦合器3、4的左側(cè)一端相連。第2耦合器3的右側(cè)一端通過(guò)單模光纖與第1f-p磁場(chǎng)傳感器8相連。第3耦合器4的右側(cè)一端通過(guò)單模光纖與第2f-p磁場(chǎng)傳感器11相連。

第2耦合器3左側(cè)另一端和第1光電轉(zhuǎn)換器5a相連；第3耦合器4左側(cè)另一端和第2光電轉(zhuǎn)換器5b相連；第1和第2光電轉(zhuǎn)換器5a、5b分別與數(shù)據(jù)采集器6相連。

將第1空心聚磁體12、第2f-p磁場(chǎng)傳感器11、長(zhǎng)度為l的實(shí)心聚磁棒9、第1f-p磁場(chǎng)傳感器8、第1空心聚磁體7依次放入pvc套管10中，將兩條單模光纖引出，對(duì)整個(gè)pvc套管10作密封處理。

參見(jiàn)圖2，第1和第2f-p磁場(chǎng)傳感器均為法布里-珀羅光纖干涉型磁場(chǎng)傳感器。該傳感器包括空心管、單模光纖和金屬玻璃絲，在本實(shí)施例中，金屬玻璃絲采用鎳金屬玻璃絲。將清潔后的光端面的單模光纖和鎳金屬玻璃絲從空心管兩端裝入并用膠固定。光纖端面和金屬玻璃絲端面之間構(gòu)成法布里-珀羅(f-p)腔。由單模光纖傳來(lái)的光在光纖端面反射部分和在鎳金屬玻璃絲端面反射后再進(jìn)入單模光纖的光產(chǎn)生干涉，當(dāng)外界磁場(chǎng)變化時(shí)，鎳金屬玻璃絲端面會(huì)發(fā)生微小的變化，隨即產(chǎn)生光相位的變化。在傳感技術(shù)領(lǐng)域，相位檢測(cè)是最靈敏的檢測(cè)，這樣的結(jié)構(gòu)可以檢測(cè)1/10000gauss磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。

本發(fā)明的精細(xì)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理如下：

單模光纖端面和鎳金屬玻璃絲端面之間構(gòu)成f-p腔，單縱模激光器1發(fā)出的窄線寬的1550nm紅外光通過(guò)第1、第2、第3耦合器2～4分別傳到第1和第2f-p磁場(chǎng)傳感器8和11中的光纖端面上，其反射部分和在鎳金屬玻璃絲端面反射后再進(jìn)入光纖的光產(chǎn)生干涉，兩個(gè)f-p磁場(chǎng)傳感器8和11的干涉光分別再通過(guò)第2耦合器3和第1光電轉(zhuǎn)換器5a以及第3耦合器4和第2光電轉(zhuǎn)換器5b傳至信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集器6進(jìn)行這兩個(gè)干涉信號(hào)的處理。

當(dāng)外界磁場(chǎng)變化時(shí)，鎳金屬玻璃絲端面會(huì)發(fā)生微小的變化，隨即產(chǎn)生光相位的變化，信號(hào)檢測(cè)采用正交相移方式，即有兩個(gè)相位差π/2的信號(hào)組合，經(jīng)過(guò)電路處理得出與相位變化成正比的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)就是所測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度值，這樣的結(jié)構(gòu)可以檢測(cè)1/10000gauss磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。通過(guò)上述過(guò)程得出兩個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度值b1和b2。

參見(jiàn)圖3，因?yàn)閮蓚€(gè)f-p磁場(chǎng)傳感器8和11的距離已知為l(即實(shí)心聚磁體9的長(zhǎng)度l)?？紤]到磁性沉降標(biāo)頭與兩個(gè)f-p磁場(chǎng)傳感器8、11之間的連線的距離分別為a、b，考慮到磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離的平方成反比，可計(jì)算出當(dāng)前的標(biāo)頭位置：

按上述方法，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，再次獲得d1值，則沉降量為：

δd＝f[(d1)n]-f[(d1)n+1]，

試驗(yàn)表明，沉降位置值與兩個(gè)磁場(chǎng)測(cè)量值的差值成線性關(guān)系。