[发明专利]用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪及其测量方法

权利要求书

1.一种用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪，其特征在于，包括：

应变仪主机、钻孔探头、第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头、第四水平向测量激光干涉仪探头、第一垂向测量激光干涉仪探头、第二垂向测量激光干涉仪探头和一个垂向应变测量激光干涉仪探头；其中，

所述钻孔探头为筒体结构；

所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头环向间隔设置在所述钻孔探头筒体结构的内壁上，所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头处于同一平面上，所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头中，相邻两个探头的测量方向之间的夹角为45度；

所述第一垂向测量激光干涉仪探头与第二垂向测量激光干涉仪探头环向间隔设置在所述钻孔探头筒体结构的内壁上，所述第一垂向测量激光干涉仪探头与第二垂向测量激光干涉仪探头处于同一平面，两者相对于所述钻孔探头圆心的夹角为90度；所述第一垂向测量激光干涉仪探头与第二垂向测量激光干涉仪探头的测量方向倾斜向下，两者测量方向与它们所在平面的夹角为45度；

所述一个垂向应变测量激光干涉仪探头，设置在所述钻孔探头筒体结构的内壁中间部位，该垂向应变测量激光干涉仪探头的测量方向与所述钻孔探头筒体结构的筒壁平行；

所述应变仪主机，分别与所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头、第四水平向测量激光干涉仪探头、第一垂向测量激光干涉仪探头、第二垂向测量激光干涉仪探头和一个垂向应变测量激光干涉仪探头电气连接，能接收所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头和第四水平向测量激光干涉仪探头分别测量钻孔内水平向的四个方向内径相对变化值；接收所述第一垂向测量激光干涉仪探头和第二垂向测量激光干涉仪探头分别测量钻孔内垂向的两个方向内径相对变化值；以及接收所述一个垂向应变测量激光干涉仪探头测量的钻孔内垂向的一个方向应变值，根据接收的各探头的测量值处理得出仪器应变。

2.根据权利要求1所述的用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪，其特征在于，所述第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头、第四水平向测量激光干涉仪探头、第一垂向测量激光干涉仪探头、第二垂向测量激光干涉仪探头和一个垂向应变测量激光干涉仪探头均采用皮米激光干涉仪探头。

3.一种用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪的测量方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的分量式钻孔应变仪，包括以下步骤：

步骤1，利用所述分量式钻孔应变仪的钻孔探头内设置的第一水平向测量激光干涉仪探头、第二水平向测量激光干涉仪探头、第三水平向测量激光干涉仪探头、第四水平向测量激光干涉仪探头、第一垂向测量激光干涉仪探头、第二垂向测量激光干涉仪探头和一个垂向应变测量激光干涉仪探头，分别测量得到钻孔内水平向的四个方向内径相对变化值，垂向的两个方向内径相对变化值和垂向的一个方向应变值；

步骤2，将所述步骤1测量得到的钻孔内水平向的四个方向内径相对变化值，垂向的两个方向内径相对变化值，垂向的一个方向应变值发送至所述分量式钻孔应变仪的应变仪主机进行处理，通过方位矩阵转化为仪器应变ε^I；

步骤3，根据所述步骤2得到的仪器应变ε^I通过耦合矩阵K计算得到入射地震应变波εⁱ。

4.根据权利要求3所述的用于测量地震应变波的分量式钻孔应变仪的测量方法，其特征在于，所述方法步骤1中，

测量得到钻孔内水平向的四个方向内径相对变化值U_r(θ_j)为：

垂向的两个方向内径相对变化值为：

垂向的一个方向应变值为：

所述步骤2中，通过方位矩阵转化为仪器应变ε^I，具体为：e＝Oε^I   (4)；

上述式(4)中，

e＝[U_r(θ₁) U_r(θ₂) U_r(θ₃) U_r(θ₄) U_zr(θ₅,z₁) U_zr(θ₆,z₁) U_z(θ₇,z₀)]^T；

所述步骤3中，根据得到的仪器应变ε^I通过耦合矩阵K计算得到入射地震应变波εⁱ，具体为：ε^I＝Kεⁱ   (5)；

上式(5)中，耦合矩阵K与岩石的泊松比v有关，为：

κ²＝2(1-ν)/(1-2ν)；

用入射波的振幅和方位角表示计算得到的入射应变波εⁱ，对于入射地震应变P波则入射应变波εⁱ为：

对于入射地震应变S波则入射应变波εⁱ为：