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

发布时间：2020-03-21 04:40

【摘要】：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~(-4)K/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~(-4)K,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。
【图文】：

体应变,剪应变,温度变化

1.0～2.5℃之间；碱性花岗岩的温度变化为 2.0～4.0℃。由陈究表明体应力变化与温度变化之间存在明确的线性关系，亚失体应变关系密切，体积减小温度升高，体积增大温度降低[2]。很低，热量传输极慢，体应变造成的热量变化得以保存[2]。另量，处理温度数据更加容易。因此获取观测温度数据对地震观义。那么，通过测量深井基岩温度变化可了解应力变化，与钻度观测与环境的耦合方式为热传导，耦合更加充分，通过在基变化引起）温度变化，可以与钻孔应变观测互相验证，同时也一种新的手段。

框图,总体设计,框图,高分辨率

2.总体方案设计设计要求本文研究的目标是温度的高分辨率连续监测，为地震预测提供高分辨率的温据。研究内容有：（1）通过推导温度计算公式和温度分辨率公式，提出高分辨率测温方法。（2）提出高分辨率（0.00001℃）温度测量装置的设计方案与并进行实现（3）系统测试与结果分析，对高分辨率温度测量装置进行分辨率测试和系声测试，为进一步研制完整的高分辨率监控系统打下基础。1 分布式测温系统设计根据高分辨率温度监测的设计要求，，系统总体是实现框图如图 2.1 所示。
【学位授予单位】：中国地震局地震预测研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P315.7

【参考文献】