用于深井连续监测的高分辨率温度传感器的关键技术研究

来源 :中国地震局地震预测研究所 | 被引量 : 1次 | 上传用户:w19870602
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在地震观测中,希望通过监测地下应力的动态变化来识别亚失稳应力状态,亚失稳阶段是断层进入失稳(发震)的关键阶段,可以通过识别亚失稳阶段来判定发生地震的可能性。一般大地震前后需要有效地观测到0.01MPa的应力变化,要想获得足够的观测信噪比,要求观测仪器的测量分辨率至少达到0.001Mpa。由马瑾等研究表明亚失稳过程中,在弹性变形下体应力变化与温度变化之间表现出明确的线性关系。另外,温度是一个标量,处理温度数据更加容易。由公式ΔT=αTΔθ,α≈7.5×10-4K/MPa(以闪长花岗岩为例),T为绝对温标,室温下T≈300K,可得,ΔT≈2.25×10-4K,即对应的温度测量分辨力至少要达到1×10-4℃量级。由马瑾等研究表明,在亚失稳阶段断层附近的测点均有过微弱的升温和降温,但幅度很小(0.1mK量级)。要想获得足够的温度观测信噪比,就要求温度传感器分辨率可以达到1×10-5℃量级。当前的用于地震前兆的温度计分辨率可达1×10-4°C,而这对于深井温度监测识别亚失稳状态是远远不够的,那么就需要优化温度计的分辨率以达到要求。为了可以实现高分辨率地监测井下温度变化,本文采用分布式测温方法,将N组温度传感器均匀分布在测温环境中,均匀监测多点的环境温度变化,并对获得的N组数据求平均以提高测温分辨率。选用贴片式Pt1000电阻作为温度敏感单元,采用四线制的接线方法,设计基于串联多个Pt1000传感器的平衡电桥测温电路。利用(Li-ion)锂离子充电电池作为驱动电源;测温电路输出电压信号经过差分放大电路放大后,经由EDAS-24GN数据采集器转换成数字信号传送给PC端,并进行温度数据处理。同时为了降低测温系统的自发热影响,只将测温度传感器放置在井下,其他装置都放在井上。本文通过采用分布式测温方法、多只铂电阻串联、提高电桥供电电压、使用导热良好的铝基电路板等多项措施,提高了测温电路的灵敏度,改善了测温电路与被测介质的热传导耦合,减少了铂电阻自发热对温度测量的影响。在温度分辨率和噪声测试方面,引入了对比观测和相关分析方法。实验结果表明本文方案构造的温度传感器温度监测范围可调、监测分辨率达到1×10-5℃量级,系统噪声有效值优于最初提出的分辨率1×10-5℃的指标,可以满足地震前兆温度观测的需要。
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