CN206757054U - 一种面波拾振传感器及面波检测*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种面波拾振传感器及面波检测***，所述面波拾振传感器包括：拾振传感器芯体、外壳以及金属板块；其中，所述拾振传感器芯体固定在外壳内；所述外壳下部具有安装孔；所述金属板块通过所述安装孔安装于所述外壳下部，所述拾振传感器芯体经由所述金属板块接收地面振动面波信号，并将地面振动面波信号转换成电信号。本实用新型克服了混凝土地面安装面波拾振传感器困难，保证了拾振传感器与混凝土地面的有效耦合问题。

Description

一种面波拾振传感器及面波检测***

技术领域

本实用新型涉及地震检测技术领域，尤其涉及一种面波拾振传感器及面波检测***。

背景技术

表面波是沿固体介质表层传播的一种弹性波，其具有两个显著的特性，一是它的传播速度与剪切波传播速度相近(V_R/V_S≈0.95)；二是在分层介质中具有频散特性。利用前一特性，通过测试表面波传播速度就可以计算得到介质的弹性模量，从而对介质的力学性质做出评价；利用后一特性，通过测试表面波的频散曲线(速度随频率或波长的变化曲线)，就可计算得到各层的厚度和波速，进而得到介质在不同深度范围内的力学性质变化情况。利用表面波测试方法技术，可以进行工程地质勘查、岩土物理参数测试和混凝土工程质量无损检测等。因此，面波勘探近年来得到发展，并在许多领域得到应用。

目前，我国铁路建设快速发展，高铁隧道的质量和安全性是关系乘客人身安全的备受关注的重要方面。高铁或地铁隧道基底为混凝土浇筑的硬质地面，可能出现不密实的情况，其是高铁隧道的基床底部与围岩连接处有虚渣、淤泥、或吊空充泥充水，这有可能对高铁或地铁运行安全带来隐患，因此很有必要对高铁或地铁隧道基底进行面波检测。

高铁隧道隧底表层是高刚度的混凝土层，下部又是刚度较高的围岩。对于这种硬质地面的检测，现有的带有尾椎的面波拾振传感器(如图1所示，图1中，标号11表示与外部的连接线，12为拾振传感器外壳，13为拾振传感器芯体，14为尾椎)的尾椎难以安装在水泥地面并难以与地面有效地耦合，从而会影响拾振传感器的检测准确度。因此，如何便于安装并保证拾振传感器与地面有效地耦合，从而提高对面波的检测准确度，是一个有待解决的问题。

实用新型内容

针对现有技术的问题，本实用新型的目的在于提供一种面波拾振传感器及面波检测***，其能够保证拾振传感器与检测面有效地耦合，从而能够提高对面波的检测准确度。

根据本实用新型的一方面，提供一种面波拾振传感器，其包括：

拾振传感器芯体、传感器外壳以及金属板块；

其中，所述拾振传感器芯体固定在传感器外壳内；

所述传感器外壳下部具有安装孔或螺柱；

所述金属板块为非铁磁性材料金属板块，其通过所述安装孔或螺柱安装于所述外壳下部；

所述拾振传感器芯体经由所述金属板块接收地面振动面波信号，并将地面振动面波信号转换成电信号。

优选地，所述拾振传感器芯体为单分量或三分量拾振传感芯体。

优选地，所述金属板块底部具有粘结层，如粘泥层。

优选地，所述金属板块的重量为拾振传感器芯体重量的200倍以上。

优选地，所述面波检波器的固有频率为4.5Hz或100Hz。

根据本实用新型的另一方面，还提供一种面波检测***，该***包括：两个或更多个如上所述的面波拾振传感器；以及

面波仪，其连接所述面波仪，用于接收所述拾振传感器检测到的电信号，并对接收的电信号进行放大和模/数转换处理，得到面波波形数据。

优选地，所述面波检测***还包括：处理器，其连接所述面波仪，用于对所述面波仪得到的波形数据进行数据处理。

优选地，所述面波检测***还包括震源，震源采用小型圆球锤与金属触发片，金属触发片通过连线连接所述面波仪，利用圆球锤与金属触发片的撞击，产生触发信号触发所述面波仪，有利于表面波的接收以及精准检测。

根据本实用新型公开的内容，用非铁磁性金属板块代替了现有面波检波器中的尾椎，能够保证拾振传感器与地面有效地耦合，提高了对面波的检测准确度，尤其适用于硬质地面，诸如高铁隧道基底。

本实用新型的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本实用新型的实践而获知。本实用新型的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本实用新型实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本实用新型能够实现的上述和其他目的。

附图说明

参考随附的附图，本实用新型更多的目的、功能和优点将通过本实用新型实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1为现有技术中面波拾振传感器的示意图。

图2为本实用新型一实施例中拾振传感器的示意图。

图3为本实用新型另一实施例拾振传感器的示意图。

图4为本实用新型一实施中面波检测***的结构示意图。

附图标记说明：

11：连接线； 12：拾振传感器外壳；

13：拾振传感器芯体； 14：尾椎；

21：连接线； 22：拾振传感器芯体；

23：拾振传感器外壳； 24：金属块体；

25：安装螺柱；

10：震源； 20：拾振传感器；

30：面波仪； 40：数据处理器；

50：混凝土板。

具体实施方式

下面，对本实用新型的优选实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本实用新型的实施方式仅仅是示例性的，并且本实用新型的技术精神及其主要操作不限于这些实施方式。在下文中，将参考附图描述本实用新型的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

如图2所示为本实用新型一实施例中的拾振传感器的示意图。该实施例中用金属板块(如铁板块、铜板块或其他金属板块)来代替尾锥。具体地，图2中示出的面波拾振传感器包括：拾振传感器芯体(单分量)22、传感器外壳23以及金属板块24。其中，拾振传感器芯体固定在传感器外壳内，外壳下部具有安装孔(如螺孔，但并不限于此)或螺柱25，金属板块通过安装孔安装固定于拾振传感器外壳下部，或者通过螺纹连接方式或其他方式安装固定于传感器外壳，并且优选是可拆卸的。传感器芯体经由金属板块接收地面振动信号，并将地面振动面波信号转换成电信号，得到的信号可经由与外部的连接线21传输至外部设备(如面波仪)。金属板块可以为铁板块、铜板块或其他金属板块等，但优选地为非铁磁性金属板块，如青铜板块。金属板块可为扁圆柱形或方块形，其重量优选地大于芯体重量的200倍，本实用新型采用1KG金属板块。

优选的，金属板块底部可以具有粘结层，以将面波拾振传感器的金属板块与硬质地面(如隧道底面混凝土)耦合。该粘结层可以是粘泥形成的粘性层，当然，还可以是其他粘性材料形成的粘性层，只要能将面波拾振传感器的金属板块与硬质地面有效地耦合。

本实用新型的拾振传感器克服了在水泥面等硬质地面安装现有检波器存在的困难，保证了面波拾振传感器与硬质地面的有效耦合，从而可以提高对面波的检测准确度。

面波拾振传感器又可称为检波器，其通常采用4.5Hz的低频，采用瞬态面波法来探测软弱地基下的地下空洞。采用瞬态面波法，通常是在地面上安置多道(大于6道)面波检波器，形成一条剖面，在剖面的一端用重锤锤击地面，从而产生沿地面传播的面波，检波器接收面波信号并传输给面波仪，以数字的形式存储，然后利用处理器对多道检波器接收的信号进行二维频谱分析，得到面波传播速度随频率变化曲线(频散曲线)，可进一步换算成深度-速度曲线，依据深度-速度曲线的形态可判断是否存在空洞，依据传播速度的快慢，还可判断地层的软硬程度。本实用新型，采用新型的拾振传感器，不仅可以采用低频速度型(如4.5Hz的固有频率)来检测硬质地面下比较大的空洞，还可以采用高频速度型(如100Hz固有频率)拾振传感器检测比较小的空洞。根据上述方法，可以检测硬质地面的大于0.2m的空洞。

图4示出了本实用新型中用于硬质地面瞬态面波检测的检测***的结构示意图。该***可包括：如前所述的带金属板块的面波拾振传感器(如单分量拾振传感器，作为信号采集器)、面波仪30以及处理***40。面波拾振传感器安放于混凝土板50上，通过面波拾振传感器和混凝土板之间的粘结层使得面波拾振传感器的金属板块与硬质地面粘合，从而有效地耦合。面波仪连接拾振传感器20，用于接收拾振传感器检测到的电信号，并对接收的电信号进行放大和模/数转换处理，得到处理器能够识别的面波波形数据。处理***的处理器40连接面波仪，用于对面波仪得到的面波波形数据进行数据处理，以得到频散曲线等数据。

优选地，本实用新型还可采用与常规的震源(如重锤)不同的震源10，作为一示例，本实用新型采用的震源采用小型圆球锤与金属触发片，小型圆球和金属触发片通过连线连接面波仪，利用圆球锤与金属触发片的撞击，产生触发信号触发面波仪，即在钢球释放并接触触发片时触发面波仪工作，有利于表面波的接收以及精准检测，从而使得面波仪能够接收到钢球震源撞击硬质地面产生的沿硬质地面(如遂底表面)传播的表面波。钢球在激振点冲击检测层表面时，在激振点产生垂向脉冲作用，从而在隧底激发出具有一定频带宽度的面波波动，通过安置于测点上的面波检波器拾取沿隧底表面传播的表面波振动信号并传送给面波仪。

在利用本实用新型的面波检测***探测隧道隧底0.2米以上的空洞的情况下，可以采用6道以上频率为100Hz的面波拾振传感器。

此外，由于本实用新型的发明人发现，通常的瞬态面波法信号经进行二维频谱变换，根据面波理论：转换的波数限(kmax)是采样道间距(dX)的倒数的一半(kmax＝0.5/dX)。在波数限定区间以外，会出现变换折叠造成的干扰。因此采样道间距(dX)直接影响到探测精度。通常的瞬态面波法采样道间距(dX)一般为2～5m，该道间距难以探测小于0.2m的空洞。

因此，为了实现0.2m以下空洞的检测，本实用新型采用小微道间距/小偏移距的瞬态面波探测，使得探测的面波波长提高了一个数量级，从而能够探测0.2m以下的空洞，更加满足了实际高铁隧道基底不密实检测的要求。

在采用小微道间距瞬态面波探测中，优选采用12道高频(100H_Z)速度型拾振传感器，且选择面波仪，如采用SW16-12A面波仪，其包括12个通道，通频带0.5-10000Hz，每个通道的采样率设定为0.1毫秒，采样点数设定为1024样点。偏移距h₂为0.6m，道间距h₁为0.1～0.3米，优选为0.1、0.2m或0.3m。

面波仪将来自面波拾振传感器的数据转换为数据处理器能够识别的数字形式的面波波形数据，并进行归一化处理，然后传输给处理器。处理器对来自面波仪的数据进行二维频谱分析，得到面波传播速度随频率变化曲线(频散曲线)，并进一步换算成深度-速度曲线，依据深度-速度曲线的形态可判断是否存在空洞，依据传播速度的快慢，可判断地层的软硬程度。由于本实用新型的改进在于拾振传感器部分，因此不对数据处理进行过多描述。

根据本实用新型公开的面波拾振传感器以及面波检波***，用金属板块代替了现有面波检波器中的尾椎，能够保证检波器与地面有效地耦合，提高了对面波的检测准确度，尤其适用于硬质地面，诸如高铁隧道基底。此外，本实用新型的震源采用小型钢球锤以及与面波仪连接的金属触发片，有利于表面波的接收以及精准检测。

此外，在本实用新型另一实施例中，可将面波带的拾振传感器芯体(单分量)改换为三分量拾振传感器(例如三分量高频速度型拾振传感器)。三分量传感器芯体例如可包含三个互相垂直的传感器，以记录质点振动速度向量的X、Y、Z三个分量，可以同时记录纵波、横波、面波，从而可以检测更多的数据，从而实现了多波多分量面波检测。

在采用三分量拾振传感器的情况下，本实用新型的建波***仍可采用如图4所示的结构，只不过面波仪得到的数据包括为三分量的震动检测数据，此时，数据处理器处理的是三分量的震动检测数据。

本实用新型的***不仅适用于高铁隧道，同样适用于其他具有类似结构的隧道。

本实用新型中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

需要说明的是，上述实施例仅为说明本实用新型而非限制本实用新型的专利范围，任何基于本实用新型的等同变换技术，均应在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种面波拾振传感器，其特征在于，该面波拾振传感器包括：

拾振传感器芯体、传感器外壳以及金属板块；

其中，所述拾振传感器芯体固定在传感器外壳内；

所述传感器外壳下部具有安装孔或螺柱；

所述金属板块通过所述安装孔或螺柱安装于所述外壳下部；

所述拾振传感器芯体经由所述金属板块检测地面振动面波信号，并将地面振动面波信号转换成电信号。

2.根据权利要求1所述的面波拾振传感器，其特征在于，所述拾振传感器芯体为单分量或三分量拾振传感器芯体。

3.根据权利要求1所述的面波拾振传感器，其特征在于，所述金属板块为非铁磁性金属板块。

4.根据权利要求1所述的面波拾振传感器，其特征在于，所述金属板块底部具有粘结层。

5.根据权利要求1所述的面波拾振传感器，其特征在于，

所述金属板块的重量为拾振传感器芯体重量的200倍以上。

6.根据权利要求1所述的面波拾振传感器，其特征在于，

所述面波拾振传感器芯体的固有频率为4.5Hz或100Hz。

7.一种面波检测***，其特征在于，所述***包括：

两个或更多个如权利要求1-6中任意一项所述的面波拾振传感器；以及；

面波仪，其连接所述面波仪，用于接收所述拾振传感器检测到的电信号，并对接收的电信号进行放大和模/数转换处理，得到面波波形数据。

8.根据权利要求7所述的面波检测***，其特征在于，所述面波检测***还包括：处理器，其连接所述面波仪，用于对所述面波仪得到的波形数据进行数据处理。

9.根据权利要求7所述的面波检测***，其特征在于，所述面波检测***还包括震源，所述震源包括钢球及金属触发片，金属触发片通过连线连接面波仪，通过圆球与金属触发片的撞击触发所述面波仪。