[发明专利]一种三分向式双波定位拾震器及其工作方法

权利要求书

1.一种三分向式双波定位拾震器，其特征在于，包括x分向双波接收器、y分向双波接收器和z分向双波接收器，y分向双波接收器通过一个固定器与x分向双波接收器固定连接，y分向双波接收器通过另一个固定器与z分向双波接收器固定连接，且x分向双波接收器的接收方向、y分向双波接收器的接收方向和z分向双波接收器的接收方向均相互垂直；

所述x分向双波接收器、y分向双波接收器和z分向双波接收器的结构相同，其中z分向双波接收器包括第一空心圆柱外壳、第二空心圆柱外壳、第三空心圆柱外壳、高硬度钢丝、惯性质量块、转向滚轮、柔性钢丝、环形弹簧、滑动连接块、光纤布拉格光栅和光纤顺位器，第一空心圆柱外壳、第二空心圆柱外壳和第三空心圆柱外壳均同轴固定，且第一空心圆柱外壳一端密封、另一端与第二空心圆柱外壳一端连通，第三空心圆柱外壳一端与第二空心圆柱外壳另一端连通、另一端中心开设光纤通孔；所述第一空心圆柱外壳的直径和第三空心圆柱外壳的直径均小于第二空心圆柱外壳的直径；所述惯性质量块的直径略小于第一空心圆柱外壳的直径，惯性质量块设置在第一空心圆柱外壳内、且能沿第一空心圆柱外壳的轴向滑动；转向滚轮处于第一空心圆柱外壳内的轴线上，转向滚轮的转轴与高硬度钢丝一端连接，高硬度钢丝另一端与第一空心圆柱外壳一端的中心固定连接；所述惯性质量块中心开设贯通孔、且贯通孔的直径大于转向滚轮的直径，环形弹簧固定在第二空心圆柱外壳内、且环形弹簧的轴线与第二空心圆柱外壳的轴线同轴；所述惯性质量块在滑动过程中能部分进入第二空心圆柱外壳内对环形弹簧施加压紧力；所述滑动连接块的直径略小于第三空心圆柱外壳的直径，滑动连接块设置在第三空心圆柱外壳内、且能沿第三空心圆柱外壳的轴向滑动，柔性钢丝一端与环形弹簧靠近第一空心圆柱外壳的一端固定连接，柔性钢丝另一端先经过转向滚轮转向后、穿过环形弹簧的中心通孔进入第三空心圆柱外壳内与滑动连接块一端固定连接；光纤顺位器固定在第三空心圆柱外壳内，光纤布拉格光栅处于第三空心圆柱外壳的轴线上，光纤布拉格光栅一端与滑动连接块另一端固定连接，光纤布拉格光栅另一端依次穿过光纤顺位器及光纤通孔伸出第三空心圆柱外壳另一端，且穿过光纤通孔后与其压紧固定。

2.根据权利要求1所述的一种三分向式双波定位拾震器，其特征在于，所述环形弹簧的内圆环和外圆环的对数根据矿井平均矿震能量的大小确定。

3.根据权利要求1所述的一种三分向式双波定位拾震器，其特征在于，所述第一空心圆柱外壳的直径为第二空心圆柱外壳直径的1/2，第三空心圆柱外壳的直径为第一空心圆柱外壳直径的1/4；第一空心圆柱外壳的高度等于第三空心圆柱外壳高度，第二空心圆柱外壳的高度为第三空心圆柱外壳高度的1/4；惯性质量块的高度等于第一空心圆柱外壳高度的1/3。

4.一种根据权利要求1至3任一项所述三分向式双波定位拾震器的工作方法，其特征在于，具体步骤为：

A、将三分向式双波定位拾震器固定在所需监测的矿井内，并将从第三空心圆柱外壳伸出的光纤布拉格光栅另一端与监测装置连接，形成矿井微震监测系统；

B、开始进行微震监测，当煤矿内部震动能量产生的P波或S波达到拾震器时，拾震器产生震动，此时三个双波接收器中与P波或S波震动方向相同的双波接收器进行接收测量，具体接收测量过程为：

①若P波或S波震动方向与z分向双波接收器的接收方向相同，则其内部的惯性质量块受惯性作用会产生加速度，以去除惯性质量块之外的拾震器作为参照物时，惯性质量块的加速度等于拾震器的加速度，进而惯性质量块运动状态满足下式

F₁＝ma (1)

式中，F₁为惯性质量块所受惯性力，m为惯性质量块的质量，a为惯性质量块的加速度；其中m为已知值；

②惯性质量块在第一空心圆柱外壳滑动，并与环形弹簧接触后对其施加压紧力，且施加的压紧力等于惯性质量块所受惯性力，然后环形弹簧受力后其内圆环向内收缩、外圆环向外伸展，且内圆环和外圆环相互摩擦，利用摩擦力和自身弹性变形来吸收和转化撞击能量，其中环形弹簧设计压紧力为：

式中，F为压紧力；δ为轴向压缩量；E_B、E_H分别为内圆环及外圆环的弹性模量；F_B及D_B分别为内圆环的横截面积及直径；F_H及D_H分别为外圆环的横截面积及直径；β为圆锥角；为摩擦角；n为环形弹簧的内圆环和外圆环的对数；其中E_B、E_H、F_B、D_B、F_H、D_H、β、n均为已知值；

③环形弹簧的轴向受力形变后，会带动柔性钢丝移动，进而柔性钢丝拉动滑动连接块在第三空心圆柱外壳内滑动，最终拉伸光纤布拉格光栅使其发生形变，从而使光纤布拉格光栅的光栅常数发生改变，达到改变输出波长的目的，具体公式为：

当光纤布拉格光栅发生形变时，光栅常数Λ发生改变，导致其输出波长发生变化，中心波长与应变关系如下：

上式中P_ε＝0.22是光纤的弹光系数；Δλ为光纤布拉格光栅受应变影响产生的波长漂移量；λ为光纤布拉格光栅不受外力时的中心波长；ε为光纤布拉格光栅受外力产生的应变；其中λ为已知值；

④由于环形弹簧轴向压缩量与光纤布拉格光栅受外力产生的应变相等，惯性质量块的加速度与光纤布拉格光栅受外力产生应变的关系表示为

惯性质量块的加速度与光纤布拉格光栅受外力产生应变后中心波长的关系表示为

最终通过测量输出波长的漂移量代入公式(5)即得到所测的加速度具体值；

⑤x分向双波接收器和y分向双波接收器的接收测量过程与z分向双波接收器的接收测量过程相同；

C、将得出的加速度值反馈给矿井微震监测系统，完成拾震器的接收测量过程。