阅读说明：本技术 一种观测井内地下水流向流速监测的光纤探测装置 (Optical fiber detection device for monitoring flow direction and flow velocity of underground water in observation well ) 是由 茅昌平 宋政锦 杨张阳 于 2020-05-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种观测井内地下水流向流速监测的光纤探测装置,包括装置外壳(1),装置外壳(1)内活动设置有电子罗盘(3),电子罗盘(3)的下部连有连接管(7),连接管(7)下部在垂直方向连有转向扇(6),电子罗盘(3)中心中空设置,钢管(8)穿过电子罗盘(3)中心,钢管(8)与装置外壳(1)固定连接,钢管(8)用于固定光纤(2),钢管(8)和光纤(2)穿过连接管(7),装置外壳(1)的下端连有光纤支架(10),光纤支架(10)用于固定光纤(2)的下部端点。本发明提供的一种观测井内地下水流向流速监测的光纤探测装置,成本较低,不易受周围电磁环境的干扰,比普通探头更为精准稳定。(The invention discloses an optical fiber detection device for monitoring the flow direction and the flow speed of underground water in an observation well, which comprises a device shell (1), wherein an electronic compass (3) is movably arranged in the device shell (1), the lower part of the electronic compass (3) is connected with a connecting pipe (7), the lower part of the connecting pipe (7) is connected with a steering fan (6) in the vertical direction, the center of the electronic compass (3) is arranged in a hollow manner, a steel pipe (8) penetrates through the center of the electronic compass (3), the steel pipe (8) is fixedly connected with the device shell (1), the steel pipe (8) is used for fixing an optical fiber (2), the steel pipe (8) and the optical fiber (2) penetrate through the connecting pipe (7), the lower end of the device shell (1) is connected with an optical fiber support (10), and the. The optical fiber detection device for monitoring the flow direction and the flow speed of underground water in the observation well, provided by the invention, has the advantages of low cost, difficulty in being interfered by the surrounding electromagnetic environment and higher accuracy and stability than a common probe.)

一种观测井内地下水流向流速监测的光纤探测装置

技术领域

本发明涉及一种观测井内地下水流向流速监测的光纤探测装置，属于水文地质参数监测技术领域。

背景技术

大坝地下水观测井可以为我们观测大坝附近的水文地质情况，目前，地下水流向的测得方法较多，传统方法主要有抽水试验法和示踪法传统的抽水试验法，这些方法不适合单井监测，且耗时费力。示踪法又有放射性同位素示踪法、电位差法、热示踪法等。放射性同位素示踪法所需放射性物质，可能对人体及环境造成危害。示踪法所使用示踪剂可与地下水及岩土体发生离子交换、吸附、沉淀等理化反应，影响测量结果。而热示踪法对热敏元件的精度要求较高。另外，中子活化等技术，但中子活化的成本高且需采取防护措施。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种成本较低，不易受周围电磁环境的干扰，比普通探头更为精准稳定的观测井内地下水流向流速监测的光纤探测装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种观测井内地下水流向流速监测的光纤探测装置，包括装置外壳，所述装置外壳内活动设置有电子罗盘，所述电子罗盘的下部连有连接管，所述连接管下部在垂直方向连有转向扇，所述电子罗盘中心中空设置，钢管穿过所述电子罗盘中心，所述钢管与所述装置外壳固定连接，所述钢管用于固定光纤，所述钢管和光纤穿过所述连接管，所述装置外壳的下端连有光纤支架，所述光纤支架用于固定所述光纤的下部端点，所述光纤上部和电子罗盘与设置在所述装置外壳外的地面信息处理控制系统通讯相连。

所述装置外壳内设置有凹轨，所述凹轨内镶嵌有滚珠，所述滚珠与所述电子罗盘的外侧接触。

所述凹轨位于所述电子罗盘的上下侧以及侧壁。

所述光纤支架为钢管结构。

所述钢管与所述电子罗盘中心之间密封设置。

所述连接管的材质为不锈钢。

本发明的有益效果：本发明提供的一种观测井内地下水流向流速监测的光纤探测装置，解决了普通探头仅能探测基本水质信息而无法判断水流方向的缺点，便于准确地确定探测区的水流方向和应力情况等数据；解决了普通探头使用水深范围较小的问题。；光纤测量不易受周围电磁环境的干扰，比普通探头更为精准稳定；装置结构简单，设计一体化，操作简便，无需繁琐的人力物力支撑。

附图说明

图1为本发明一种观测井内地下水流向流速监测的光纤探测装置的截面结构示意图；

图2为本发明中转向扇的转动轨迹示意图。

图中附图标记如下：1-装置外壳；2-光纤；3-电子罗盘；4-凹轨；5-滚珠；6-转向扇；7-连接管；8-钢管；9-地面信息处理控制系统；10-光纤支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明提供一种观测井内地下水流向流速监测的光纤探测装置，包括装置外壳1，装置外壳1保护内部设备防止遭受外力而产生损伤。装置外壳1内活动设置有电子罗盘3，电子罗盘3用于测定水流方向，在中心部位避开元件位置开一孔，用于通过光纤2和钢管8，钢管8穿过电子罗盘3中心，钢管8与装置外壳1固定连接，钢管8焊接在装置外壳1上，用于固定光纤2，防止其在装置内部发生弯折。钢管8用于固定光纤2，钢管8和光纤2穿过连接管7，光纤2用于数据的测量，布置在装置外壳1和连接管7之中。

并将开孔之后造成的内侧空隙封闭防止进水。装置外壳1内设置有凹轨4，凹轨4内镶嵌有滚珠5，滚珠5与电子罗盘3的外侧接触。凹轨4位于电子罗盘3的上下侧以及侧壁。电子罗盘3的下部连有连接管7，连接管7的材质为不锈钢。连接管7下部在垂直方向连有转向扇6。4凹轨用于固定5滚珠的运行轨迹，凹轨4和滚珠5拥有极高的灵敏度，并共同限制着电子罗盘3、连接管7和转向扇6的转向。转向扇6指向固定为与电子罗盘3同向，随水流转动，转向扇6的扇叶总是指向水流流向的方位。连接管7连接转向扇6和电子罗盘3，使三者共同转动，连接管7管内为中空，光纤2和钢管8在中空部位，不与管内壁接触。

装置外壳1的下端连有光纤支架10，光纤支架10用于固定光纤2的下部端点，和钢管8一同限制暴露在水体里光纤2的两端，并对其起一定保护作用，为了使光纤支架10对水流检测结果造成的影响最小，光纤支架10采用细钢管作为材料。光纤2上部和电子罗盘3与设置在装置外壳1外的地面信息处理控制系统9通讯相连，地面信息处理控制系统9基于BOTDR光纤传感技术，用于光信息的数据处理。

本发明提供的一种观测井内地下水流向流速监测的光纤探测装置工作原理如下：

安装装置各个部件，如附图1和图2所示。禁止触碰光学端部，测量之前确保各个部件安装到位，先用附近可用水体进行测试，检查无误之后可以进行测量。将装有本探测装置的光缆放入井内，记录首次出现数据的光缆下放长度，即地下水埋藏深度。保持装置稳定，进行数据测量。

流向测定：自地下埋藏水面始，以水面下第一个整数深度开始测量，每隔一米测量一组数据，每次测量需等待度数稳定之后进行记录。实际操作可由操作人员根据自身需求采用其他测量方案。井内有渗流水流过时，水流会扰动转向扇6，使扇叶指向水流去向的方位，由电子罗盘3得到水流流向。记录罗盘指向的方位，即为水流的去向，相反方向即为水流来向。

受力情况和温度测定：

由光纤2最前端露出部分反馈的布里渊频移经由地面信息处理控制系统9处理，得到光学端部测得的应变情况和长度变化等信息，由应变情况和光纤热膨胀推得应力分布情况和水温。

测量完成后将装置从井内取出。

参考公式：

1、应变测定：

式中n为纤芯折射率；V_A为声速；λ为前向传输的光波在自由空间的波长；E为光纤材料的弹性模量；ρ为光纤密度；k为泊松比；ε为应变

理论与实践证明，布里渊散射频移与材料性质有关，对应变较为敏感，且与应变ε呈线性关系，可表示为：

V_B(t)＝V_BO(1-αt)

式中V_B(t)为应变t时的频移；V_BO为无应变时的频移；α为常数。

测得布里渊散射光的频移差，即可得某点的应变大小，进而了解光纤受力情况。

2、温度测定：

温度对密度和折射率的影响通过热膨胀效应实现，布里渊频移和温度的关系为：

v_B(T)＝(1.1134+0.0001T)×10¹⁰

其中v_B为布里渊频移，T为温度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。