光纤传感器及其在地质矿产勘探开发中的应用

与传统电、磁及机械传感器相比,光纤传感器集传输、传感于一体,具有诸多独特优势,在各领域中均存在广泛、特殊的应用前景和潜力。目前研究最多、应用最广泛、在该领域内占重要地位的两类光纤传感器是光纤光栅传感器和分布式光纤传感器,前者以光纤Bragg光栅（FBG）传感器为主,后者以基于拉曼散射的分布式温度传感器（DTS）和基于布里渊散射的分布式温度应变传感器（DTSS）为主。着重阐述了这两类光纤传感器在地质矿产勘探中的应用：光纤地震检波器在石油勘探中的应用、DTS和光纤光栅压力传感器在油页岩勘探中的应用、光纤传感器在智能完井中的应用以及光纤气体传感器在地下煤矿安全监测中的应用。光纤传感器目前存在规范性差、成品率低等的问题,特殊结构或特殊用途的光纤传感器的研制是未来发展方向。     

AVO纵横波反演

作者在本文介绍了，利用地震资料AVO纵横波分离（加权叠加）技术求出的纵波剖面、横波剖面，再进行模拟退火反演而求出的纵波速度（Vp)、横波速度（Vs)、密度（d)、拉梅常数（λ）、剪切模量（μ）、流体压力（Pf)及泊松比（σ）等参数的一项实用AVO油气预测技术。     

用分光光度计检测的反相高效液相色谱同步测定从涂有甲基乙二醛双（4—苯基—

制备了用二甲基乙二醛双（４－苯基－３－缩氨基硫脲）（ＤＭＢＳ）涂渍的大网状树脂（ＸＡＤ－７），应用于水溶液中Ｐｔ（Ⅱ）和Ｐｄ（Ⅱ）的预富集。用该方法在存有碘离子的酸性溶液中从涂层树脂（ＤＭＢＳ－ＸＡＤ－７）上定量地收集Ｐｔ（Ⅱ）和Ｐｄ（Ⅱ）。作为与ＤＭＢＳ形成螯合物的金属离子用少量的Ｎ，Ｎ－二甲基酰胺很容易从ＤＭＢＳ－ＸＡＤ－７中洗脱。这种收集和洗脱的方法被用于Ｐｔ（Ⅱ）和Ｐｄ（Ⅱ）的同步测定，该     

菊花石生长模型的分形特点及其物理意义

对所建立的菊花石生长模型进行了详细的数理分析．菊花石生长模型具分形特点,其豪斯道夫维数为：１＜Ｄ＜１＋ｌｎ２／ｌｎ（２β）（β≥１）,说明菊花石形态不同于一维柱体（虽然它是由柱体放射状集合而成）,也不同于三维球体（虽然它是一个似球状的花体）;Ｄ同时还蕴含着结晶行为上的物理意义,即Ｄ＝１时无分叉成核行为,Ｄ＞１时有分叉成核行为,且Ｄ越大分叉成核越多;无核生长比有核生长的Ｄ大等等．本模型的Ｄ在１～１＋ｌｎ２／ｌｎ（２β）（β≥１）之间的多变性可与多重分形类比,且可与扩散限制聚集（ＤＬＡ）模型周界点集的多分维特点类比．     

热水沉积成矿盆地的热状态及热演化分析与研究思路——热水沉积 …

根据对秦岭泥盆地纪沉积盆地的构造成盆－后期构造变形特征研究,秦岭造山带泥盆纪热水沉积成矿盆地中构造－热流体地质事件可初步厘定如下：（１）中泥盆世伸展构造成盆－热水同生沉积成矿事件（Ｄ１）。（２）晚泥盆世－石炭纪伸展变形－深源热流体叠加事件（Ｄ２）。（３）印支期挤压收缩变形－热改造事件（Ｄ３）。（４）燕山期逆冲推覆构造改造－深源热流体加及脆性变形事伯（Ｄ４）。（５）喜玛拉雅山期胞性变形（Ｄ５）。从盆     

光纤布拉格光栅波长解调系统的研制

光纤布拉格光栅波长解调系统利用光纤光栅的平均折射率和栅格周期对外界参量的敏感特性,将外界参量的变化转化为其布拉格波长的移动,通过解调布拉格波长的偏移来确定待测物理量的变化。采用波分复用技术构成光纤光栅传感网络,提出了由光源、布拉格光栅传感网络、光栅波长检测电路构成FBG波长解调系统的硬件设计方案。利用LabVIEW丰富的功能函数库,设计光纤布拉格光栅波长解调系统软件的各功能模块。最后在室内进行了FBG波长解调系统的调试实验。结果表明：在相同测试环境下,传感器的测试波长变化较稳定,数据的重复性较好,系统软硬件运行稳定可靠。     

GPRS无线网络传输通道在沧州供电调度通信系统中的应用

供电调度通信系统中需要对变电站设备进行实时监测,调度中心多架设光纤和变电站终端(RTU)进行通信。但是变电站一般地处偏远,光缆布设线路复杂,很容易被破坏,调度通信中断时有发生。GPRS无线网络可以在各个变电站的远端采集单元RTU和调度中心服务器之间架设传输通道,有效地利用供电调度数据网实现数据传输,性能稳定可靠,几乎不受站点位置的限制,可作为光纤调度通信通道的有效补充。     

山西中条群多期变形的厘定

采用构造解析方法，研究中条山胡—篦铜矿区地质构造，鉴别中条群经历五期构造变形。即层内紧闭褶皱及近水平韧性剪切带、剥离断层（Ｄ１）、一系列大型同斜褶皱、翼部伴随断层（Ｄ２）、余家山剥离断层（Ｄ３）、主褶皱期——短轴褶皱（Ｄ４）和区域性伸展构造（Ｄ５）的叠加改造，地层的多次强烈构造置换。重新建立了篦子沟组的层序。     

断裂分维值对矿产资源预测的指示意义—— 以西藏地区为例

应用分形几何的原理,采用数盒维法计算了西藏地区（Ｄ＝１７８４）及其内部羌塘（Ｄ＝１２１７）、比如盆地西部（Ｄ＝１２２７）、措勤（Ｄ＝１２９７）三个油气勘探区和三江金属矿产勘探区（Ｄ＝１８２０）的断裂分维值。分别与四川盆地含油气区、江西德兴和湘中金属矿产区的断裂分维值比较,发现含油气区的断裂分维值大致介于１＜Ｄ＜１２４,明显低于整个区域断裂分维值,Ｄ值越小,越有利于油气成藏;金属矿产区Ｄ＞１．８０左右,大于整个区域分维质,Ｄ值越大,矿床规模越大。此预测了羌塘、比如盆地西部具备含油气区的构造条件,三江地区的构造情况利于形成大规模金属矿床。     

分布埋入式光纤与隧道衬砌耦合性能试验及应用

为探究埋入式光纤与隧道衬砌的耦合性能,分别从理论与试验两个方面进行研究,并在实际工程中进行了验证。构建了光纤、中间体和基体结构力学分析模型,进行光纤应变传递机制理论分析,计算了光纤应变传递效率;使用钢筋混凝土梁模拟隧道衬砌,进行了2组不同加载速率的试验。其中,在同一根梁内（同一工况）设计6种光纤的布设方式,以位移控制的方式在梁跨中部位进行单点多级加载,使用BOFDA（布里渊散射光频域分析）技术分别对6条光纤进行监测。试验结果表明：6条光纤均可以有效监测梁从开始加载至钢筋开始屈服阶段,光纤与梁耦合性最好;钢筋开始屈服直至梁破坏阶段,光纤应变不再增加甚至减小或呈现出光纤断裂的状态,此过程光纤与梁耦合性较差;除开槽埋入式光纤的有效监测应变差为3 000×10?6外,其余布设方式光纤有效监测应变差为2 000×10?6;光纤在长距离（>>146 mm）埋入式布设情况下可认为其应变传递效率接近100%,2组不同试验结果呈现相似规律。在北京市新机场线地铁暗挖隧道CRD工法区间进行了工程应用研究,监测结果表明分布埋入式光纤布设工艺是可行的,可为分布式光纤技术在地下工程结构监测中的应用提供有价值的参考。     

FBG-BOTDA联合感测管桩击入土层模型试验研究

管桩施工过程中常出现桩身裂缝、爆桩等病害。将具有实时动态监测功能的布拉格光纤光栅（FBG）准分布式光纤传感监测技术和具有分布式监测功能的布里渊散射光时域分析技术（BOTDA）联合应用到管桩打入过程中的监测,提出了分布式光纤传感技术数据处理方法,设计了管桩打入过程的模型试验。试验结果表明,FBG传感技术能够较好地动态监测打入过程中桩身应变变化特征,反映桩身不同部位随不同深度应变变化规律;BOTDA分布式光纤传感技术能够较好地监测管桩在打入过程中暂停（接管）状态下桩身应变变化特征;根据应变变化分析管桩受偏心荷载程度,分析管桩是否出现裂缝、破坏等病害,研究管桩打入过程中桩土作用规律。试验结果还表明,FBG联合BOTDA光纤监测技术在管桩打入过程中监测管桩质量具有广阔的技术优势和应用前景。     

基于GIS的岩溶塌陷分布式光纤监测系统的研发

结合某地区的岩溶塌陷分布式光纤监测的工程实例,开发出一套基于GIS技术的分布式光纤监测数据管理系统。该系统具有监测数据自动入库、监测数据可视化、监测信息查询与对比、监测点实时预警等功能,是一套集智能化分析与决策化管理为一体的多功能管理系统。     

植入式光纤传感器在隧道结构中的边界效应研究

为探究植入式光纤传感器与隧道衬砌的应变传递的边界效应,分别从理论、试验和现场应用3个方面进行研究,并在实际工程中进行了验证。构建了光纤在混凝土衬砌中的应变传递模型,进行光纤应变传递机制分析,计算了光纤应变传递效率,并与数值计算结果对比,验证了力学计算模型的准确性。使用钢筋混凝土梁模拟隧道的混凝土衬砌,在其表面植入分布式光纤,进行了2组试验。对试验梁进行分级加载并使用BOFDA技术对光纤进行测试。试验结果表明：植入式光纤传感器存在边界效应,结构两端为光纤的低效率应变传递区,不能完全传递试验梁的应变;试验梁中部为光纤的高效率应变传递区,能够完全传递试验梁的应变。基于以上研究成果,在北京市新机场线地铁暗挖隧道CRD工法区间,采用植入式工艺在隧道衬砌内布设了分布式光纤传感器,进行了工程应用研究。监测结果表明,边界效应对工程监测结果影响很小,分布埋入式光纤布设工艺是可行的。该研究可为分布式光纤技术在地下工程结构监测中的应用提供参考。     

基于光栅传感的模型测量系统应用研究

模型试验作为解决复杂工程问题的一种有效手段已越来越受到重视。然而,与目前发展较快的模型试验系统和较为成熟的相似理论相比,测试技术相对滞后的问题依然存在。测量的精度与稳定性不能满足模型试验的需求。基于光纤/光栅传感技术的高精密性、稳定性和机光电一体的特性,结合模型试验的特殊测量要求,通过改进数据接收算法,研制了基于光学传感技术的模型位移/应变测量系统,包括光栅传感模型位移和光纤传感模型应变测试系统。该系统稳定、精度高、抗干扰,并能监测不连续位移。将该系统应用于注采气压变化条件下盐岩地下储气库变形特征地质力学模型试验中,测得了气压变化条件下围岩位移收敛和径向应变蠕变规律,测得在不同稳压阶段和不同注采气速率条件下围岩变形的不同特征。试验数据为合理确定盐岩储气库运营气压和注采气速率提供帮助,对盐岩储气库的安全稳定运营有重要意义。     

光纤和砂土界面耦合性能的分布式感测试验研究

地质与岩土工程领域中，变形监测一直是评价岩土体稳定性的一个重要指标，其时空演化规律可为工程设计与施工 技术参数优化、地质灾害预警阈值设定提供科学的依据。随着光电感测技术的不断发展，其在地质与岩土工程变形监测中 的作用越来越重要，然而分布式感测光纤与岩土体之间的耦合性对监测结果有显著影响，阐明两者间的作用机理成为该技 术应用的关键环节。文章在综合分析当前地质与岩土工程变形监测技术的基础上，开展了基于BOTDA感测技术的光纤—砂 土界面耦合性能拉拔试验，从试验结果和感测光纤特性两方面分析了感测光纤与砂土的耦合性及二者间的应变传递规律。 试验结果表明：除第一级拉拔外，数据拟合R2均在0.99以上，显示了光纤实测应变分布具有良好的规律性；由试验数据反 算得出的光纤弹性模量约为0.35 GPa，与给定值基本一致；通过感测光纤的F-S端和F-S尾关系，得出光纤—土界面作用过程 可分为全耦合、半耦合和相对滑动三个阶段。上述研究结果为分布式感测技术在各类地质与岩土工程变形监测中的应用提 供指导，同时为开展各类室内模型试验提供参考依据。     

光纤和砂土界面耦合性能的分布式感测试验研究

地质与岩土工程领域中,变形监测一直是评价岩土体稳定性的一个重要指标,其时空演化规律可为工程设计与施工 技术参数优化、地质灾害预警阈值设定提供科学的依据。随着光电感测技术的不断发展,其在地质与岩土工程变形监测中 的作用越来越重要,然而分布式感测光纤与岩土体之间的耦合性对监测结果有显著影响,阐明两者间的作用机理成为该技 术应用的关键环节。文章在综合分析当前地质与岩土工程变形监测技术的基础上,开展了基于BOTDA感测技术的光纤-砂 土界面耦合性能拉拔试验,从试验结果和感测光纤特性两方面分析了感测光纤与砂土的耦合性及二者间的应变传递规律。 试验结果表明：除第一级拉拔外,数据拟合R2均在0.99以上,显示了光纤实测应变分布具有良好的规律性;由试验数据反 算得出的光纤弹性模量约为0.35 GPa,与给定值基本一致;通过感测光纤的F-S端和F-S尾关系,得出光纤-土界面作用过程 可分为全耦合、半耦合和相对滑动三个阶段。上述研究结果为分布式感测技术在各类地质与岩土工程变形监测中的应用提 供指导,同时为开展各类室内模型试验提供参考依据。     

基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统研究

BOTDR是一种新型的分布式光纤传感监测技术,其分布式、高精度、长距离、实时性、远程控制等特点,已逐渐受到工程界的广泛关注。本文结合工程实践中遇到的具体问题,研发了一套基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统,讨论了系统的设计要求。并结合某隧道BOTDR监测工程实例,开发了一套相应的监测数据管理系统。该系统集工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化、监测信息的对比查询等功能于一体,是一套集智能化分析与决策化管理为一体的多功能管理系统。     

分布式光纤监测在阜阳地面沉降监测中的应用

分布式光纤监测是利用光纤作为传感介质,采用先进的OTDR技术,探测出沿光纤不同位置土层的应变情况,实现真正分布式测量。阜阳地面沉降是由于过量抽汲阜阳城区地下水引起水位下降,在正常固结和超固结[1]土层分布区,由土层固结压密而造成的大面积地面下沉现象。省地质测绘院、阜阳市测绘院、安徽省地质调查研究院在该区域进行大量的高程测量工作,仅查明了地面沉降范围及垂直沉降量,但对地面沉降的形成机理,各压缩层的变化量缺少统一认识。采用分布式光纤监测技术能准确测出各压缩层的变化关系,为阜阳地面沉降防治研究提供科学依据。     

岩溶塌陷光纤传感试验装置的标定试验

根据岩溶土洞(塌陷)变形演化特点,分析土体与传感光纤之间的力学关系,简化塌陷力学模型,加工塌陷模拟试验装置并进行试验。首先通过对光纤加载和卸载来模拟土洞形成过程顶板荷载的变化及分析传感光纤相应的变形和轴向应变特点,然后研究了土洞规模变化对光纤传感监测的影响。研究表明:在土洞形成过程中,因土洞规模和上覆土层荷载不一而导致的应力场的分布变化,以及不同光缆对应力场变化响应灵敏性的差异,是影响分布式光纤传感技术在岩溶土洞中应用的关键因子。文中所标定的光纤传感试验装置能较好地显示岩溶土洞形成演化过程中的应变变化特征,说明分布式光纤传感技术可应用于岩溶土洞的监测预警。      

基于分布式光纤传感技术的流速测量方法研究

简要介绍了分布式光纤传感技术的流速测量方法的主要仪器设备。在研究加热光纤与流水之间传热过程的基础上,推导了流速与光纤稳定温升、加热功率等参数之间的基于分布式光纤传感技术的流速测量方法的理论方程。设计了模型试验,对不同流速与加热功率下,光纤温升情况进行了试验研究。在试验数据分析的基础上,研究了静水与流水中光纤温升情况,结果表明：所有温升曲线都可以分为上升和稳定两个阶段,流水中的光纤温升明显低于静水中的光纤温升,两者的差值随着功率及流速的不同而不同。加热功率越大,两者温差越大;流速越大,温差越大。研究了加热功率对静水中光纤温升的影响,通过分析发现：静水中的光纤稳定温升与加热功率之间存在着良好的线性关系。重点分析了在一定功率下,流速与光纤稳定温升之间的关系,结果表明光纤稳定温升与水流速度呈非直线的反比关系。最后,对该方法进行了讨论,提出了下一步研究建议。