巖石鉆孔中地應(yīng)力、應(yīng)變組合型測(cè)量傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種地應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)量傳感器的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是用于巖石鉆孔中地應(yīng)力、應(yīng)變的測(cè)量。其特征是：組合型傳感器同時(shí)具有地應(yīng)力測(cè)量元件10和應(yīng)變測(cè)量元件13，地應(yīng)力測(cè)量元件采用1J69型坡莫合金材料，應(yīng)變測(cè)量元件采用粘貼在高彈性材料皮青銅制成應(yīng)變環(huán)的電阻片。并且微動(dòng)的推動(dòng)螺桿3可以精密的控制將預(yù)加載荷控制在理論最佳范圍以實(shí)現(xiàn)巖石中地應(yīng)力對(duì)測(cè)量元件的最佳耦合。本實(shí)用新型不僅解決了測(cè)量在巖石鉆孔中同時(shí)水平方向地應(yīng)力和應(yīng)變的難題，同時(shí)可以在同一平面內(nèi)測(cè)定三個(gè)方向的地應(yīng)力值，以便計(jì)算該點(diǎn)的最大和最小主應(yīng)力及其方向，為地應(yīng)力的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。
【專利說(shuō)明】巖石鉆孔中地應(yīng)力、應(yīng)變組合型測(cè)量傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種地應(yīng)力、應(yīng)變組合型測(cè)量傳感器，特別是用于巖石鉆孔中地地應(yīng)力、應(yīng)變的測(cè)量。屬于測(cè)量設(shè)備的【技術(shù)領(lǐng)域】
【背景技術(shù)】
[0002]在礦山的安全監(jiān)測(cè)、水電站大壩的承載狀態(tài)、地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)工作中，人們都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到測(cè)量巖土中地應(yīng)力的大小及其變化情況的重要性，大量研究證明地震和諸多的地質(zhì)災(zāi)害都與地殼巖石中地應(yīng)力的變化密切相關(guān)。因此完善地應(yīng)力測(cè)量設(shè)備，提高其測(cè)量技術(shù)水平是一項(xiàng)非常迫切的任務(wù)。汶川特大地震后，人們重新肯定李四光先生在六十年代提出并領(lǐng)導(dǎo)的該項(xiàng)研究工作。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]要解決的問(wèn)題
[0004]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種測(cè)量巖石中水平方向地應(yīng)力和應(yīng)變的裝置，在同一平面內(nèi)測(cè)定三個(gè)方向的地應(yīng)力值，以便計(jì)算該點(diǎn)的最大和最小主應(yīng)力及其方向，為地應(yīng)力的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。
[0005]技術(shù)方案
[0006]為了達(dá)到本實(shí)用新型的目的，本實(shí)用新型是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本傳感器是用于測(cè)量巖石中水平方向地應(yīng)力和應(yīng)變的裝置。從理論計(jì)算的要求出發(fā)，應(yīng)該在同一平面內(nèi)測(cè)定三個(gè)方向的地應(yīng)力值，他們相互間成60°或45°夾角，以便可以依據(jù)其結(jié)果計(jì)算該點(diǎn)的最大和最小主應(yīng)力及其方向，但從技術(shù)上這種安排在鉆孔中難于實(shí)現(xiàn)，所以我們把三個(gè)方向的獨(dú)立測(cè)量單元安排在垂直方向上為上單元，中單元和下單元，他們緊密結(jié)合成一柱狀體，垂直方向上有一梯度，在IOcm范圍內(nèi)。在完整的基巖體中，把他們測(cè)量結(jié)果看成在同一水平面上的結(jié)果是可以成立的，所以我們的傳感器都設(shè)計(jì)成Φ90πιπι或ΦΙΙΟπιπι圓柱狀，見圖1。測(cè)量單元位于16、17、18，它的底部12是地應(yīng)力測(cè)量輔助元件Ltl和Lp，它的外形設(shè)計(jì)成圓弧狀以方便安裝時(shí)放入鉆孔中的特定位置。測(cè)量元件上部的5、4和I是支撐和安裝機(jī)械加載部分的殼體。4部分設(shè)計(jì)成有一定錐度的圓柱狀，在安裝過(guò)程中，這一錐度正好同安裝孔上部的同徑喇叭口相銜接，讓整個(gè)傳感器支撐在孔中，僅有測(cè)量單元進(jìn)入安裝孔中指定的部位，在地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操控下，自動(dòng)加載系統(tǒng)可以從容而圓滿地完成各測(cè)量單元的預(yù)加載任務(wù)。
[0008]以下單元以18為例，在剖面圖中可以看見沿徑向安裝的地應(yīng)力測(cè)量元件10和應(yīng)變測(cè)量環(huán)緊箍13同楔形槽塊8、14和一對(duì)弧頂塊11通過(guò)定位銷15串接起來(lái)的。采用精密的同心圓弧使應(yīng)變環(huán)同他們有良好的配合，徑向作用的力由滑塊傳遞給它們。楔形槽塊8的徑向外面有一個(gè)斜面同楔形槽塊9的斜面相對(duì)應(yīng)，使得楔形推桿7正好嵌入其間，在預(yù)加載荷中，同傳感器想連接的自動(dòng)加載器(見圖1)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)推動(dòng)螺桿3反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿，緩縱楔形推桿旋出。由于3是被固定在殼體上，只能旋轉(zhuǎn)而下不能上下移動(dòng)，迫使矩形的楔形體推桿7垂直向下運(yùn)動(dòng)，擠進(jìn)楔形槽塊8和9之間的間隙中。隨著楔形推桿繼續(xù)進(jìn)入楔形槽塊9和14的向殼體外伸出，直至同鉆孔壁緊密結(jié)合。不斷的推進(jìn)巖石孔壁對(duì)楔形槽塊9和14的反作用力使地應(yīng)力測(cè)量元件10接受預(yù)載荷，同時(shí)應(yīng)變測(cè)量環(huán)緊箍受同一作用力而形變，進(jìn)而影響到粘貼于環(huán)上的應(yīng)變片。不過(guò)內(nèi)側(cè)和外側(cè)的應(yīng)變片分別感受到拉伸和壓縮的變化。利用電橋電路將他們可以組裝成互補(bǔ)償式半橋或全橋電路均可以測(cè)量到應(yīng)變量并求出他們同外加載荷的關(guān)系。預(yù)加力的大小是由被測(cè)孔內(nèi)巖石的特性和孔內(nèi)原始的地應(yīng)力狀態(tài)來(lái)決定的。所以我們將加載器的推動(dòng)螺桿設(shè)計(jì)成為微動(dòng)的，精密的控制測(cè)量單元的滑塊同鉆孔壁的結(jié)合，將預(yù)加載荷控制在理論最佳范圍以實(shí)現(xiàn)巖石中地應(yīng)力對(duì)測(cè)量元件的最佳耦合。用同樣的方法將中單元和上單元安裝好，控制鉆孔自動(dòng)加載器同地應(yīng)力應(yīng)變傳感器脫離，將傳感器遺留在井內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
[0009]本新型的意義在于同時(shí)測(cè)量巖石鉆孔中的地應(yīng)力和應(yīng)變。使兩個(gè)測(cè)量值實(shí)現(xiàn)相互印證和檢驗(yàn)，提高了測(cè)量的可靠性，可排除許多無(wú)謂的紛爭(zhēng)。地應(yīng)力和應(yīng)變這一對(duì)物理量本質(zhì)上是可以互相替代的，本新型是將他們同時(shí)呈現(xiàn)出來(lái)對(duì)測(cè)量方法的改進(jìn)具有深遠(yuǎn)的意義。
[0010]本新型地應(yīng)力測(cè)量敏感元件鐵芯采用1J69型坡莫合金材料，其化學(xué)組成成分為鎳65 %、鑰2 %、錳I %，其余含量為鐵，冶煉成的棍料加工成如圖4的結(jié)構(gòu)，中間是工字型鐵芯軸，長(zhǎng)20mm，軸徑為12mm，屏蔽罩是同材料的圓筒，壁厚5mm。為了保證測(cè)力元件的剛性，同時(shí)盡可能高的磁導(dǎo)系數(shù)，所以加工后的全套元件在氫氧氣中隨爐溫升至1100高溫，保持恒溫2小時(shí)，然后以每小時(shí)100°C的速度下降至溫度600°C時(shí)，移出爐外快速冷卻的特定工藝處理后，以0.21mm高強(qiáng)度染色線雙線并行密繞200匝反向串聯(lián)成一鐵芯電感。在5KHz激勵(lì)頻率下，呈現(xiàn)約IkQ的感抗，該元件的室內(nèi)標(biāo)定靈敏度控制在2000Hz / MPa，最高可達(dá)5000Hz / MPa。
[0011]本新型的應(yīng)變測(cè)量是一個(gè)高彈性材料皮青銅制成的應(yīng)變環(huán)，圓環(huán)外徑為40mm，壁厚為0.5mm,環(huán)面寬20mm,有一對(duì)沿直徑方向3mm的固定孔(與圖2中的定位銷15配合)作為安裝孔。在同安裝孔正交的方向上背靠背地粘貼有兩對(duì)基質(zhì)為350 Ω的應(yīng)變電阻片，如圖4的Rbl和Rbl’、Rb2和Rb2’。如果僅用Rbl和Rbl’可以組成互補(bǔ)性半橋測(cè)量電路。因?yàn)樵谕饬ψ饔孟翿bl和Rbl’的型變量是相反的，也就是說(shuō)當(dāng)Rbl受拉伸電阻值增大，則Rbl’ 一定是受壓縮電阻變小。但由于它們是完全相同的器件，所以溫度等影響也是一致的。組成半橋電路具有互補(bǔ)性，如果把Rbl和Rbl’、Rb2和Rb2’組成適當(dāng)?shù)娜珮蛞灿邢嗤男Ч逸敵鲂盘?hào)可增大一倍。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1地應(yīng)力應(yīng)變組合型測(cè)量傳感器與其安裝加載系統(tǒng)總體圖
[0013]圖2地應(yīng)力應(yīng)變組合型測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)圖
[0014]圖3地應(yīng)力測(cè)量元件
[0015]圖4應(yīng)變測(cè)量元件
[0016]I支撐架，2電纜引出口，3推動(dòng)螺桿，4楔形殼體，5定位支撐架，6傳感器殼體，7楔形推桿，8楔形槽塊A, 9楔形槽塊B, 10地應(yīng)力測(cè)量單元，11圓弧頂快，12地應(yīng)力測(cè)量輔助元件，13應(yīng)變測(cè)量元件，14徑向滑塊，15定位銷，16上測(cè)量單元，17，中測(cè)量單元，18下測(cè)量單J Li ο
【具體實(shí)施方式】
[0017]將地應(yīng)力應(yīng)變組合型測(cè)量傳感器與其安裝加載系統(tǒng)如圖1所示安裝連接，通過(guò)地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操控，使得安裝加載系統(tǒng)施加預(yù)加載荷于地應(yīng)力應(yīng)變組合型傳感器。
[0018]測(cè)量傳感器上部的定位支撐架5、楔形殼體4和支撐架I是支撐和安裝機(jī)械加載部分的殼體。楔形殼體4部分設(shè)計(jì)成有一定錐度的圓柱狀，在安裝過(guò)程中，這一錐度正好同安裝孔上部的同徑喇叭口相銜接，讓整個(gè)傳感器支撐在孔中。安裝加載系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)推動(dòng)螺桿3反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),螺桿緩縱楔形推桿7旋出。由于推動(dòng)螺桿3是被固定在殼體上,只能旋轉(zhuǎn)而下不能上下移動(dòng)，迫使矩形的楔形體推桿7垂直向下運(yùn)動(dòng)，擠進(jìn)楔形槽塊8和9之間的間隙中。隨著楔形推桿繼續(xù)進(jìn)入楔形槽塊9和14的向殼體外伸出，直至同鉆孔壁緊密結(jié)合。不斷的推進(jìn)巖石孔壁對(duì)楔形槽塊9和14的反作用力使地應(yīng)力測(cè)量元件10接受預(yù)加載荷，同時(shí)應(yīng)變測(cè)量環(huán)緊箍受同一作用力而形變，進(jìn)而影響到粘貼于環(huán)上的應(yīng)變片。不過(guò)內(nèi)側(cè)和外側(cè)的應(yīng)變片分別感受到拉伸和壓縮的變化。利用電橋電路將他們可以組裝成互補(bǔ)償式半橋或全橋電路均可以測(cè)量到應(yīng)變量并求出他們同外加載荷的關(guān)系。預(yù)加力的大小是由被測(cè)孔內(nèi)巖石的特性和孔內(nèi)原始的地應(yīng)力狀態(tài)來(lái)決定的。我們將加載器的推動(dòng)螺桿設(shè)計(jì)成為微動(dòng)的，精密的控制測(cè)量單元的滑塊同鉆孔壁的結(jié)合，將預(yù)加載荷控制在理論最佳范圍以實(shí)現(xiàn)巖石中地應(yīng)力對(duì)測(cè)量元件的最佳耦合。用同樣的方法將中測(cè)量單元和上測(cè)量單元的測(cè)量元件安裝好后，控制鉆孔自動(dòng)加載器同地應(yīng)力應(yīng)變傳感器脫離，將地應(yīng)力應(yīng)變組合型測(cè)量傳感器遺留在井內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于地殼深部巖石鉆孔中地應(yīng)力、應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的組合型傳感器，包括一個(gè)殼體，所述殼體中集合了三個(gè)方位上相差60°成“米”字型排列的傳感器單元，以及所述各傳感器單元的安裝加載推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述三個(gè)性能相同的傳感器單元安裝在三個(gè)不同的梯度上，且測(cè)量同一點(diǎn)位三個(gè)方向的地應(yīng)力、應(yīng)變值。
2.如權(quán)利要求1所述的組合型傳感器，其傳感器單元包括:地應(yīng)力測(cè)量元件、應(yīng)變測(cè)量元件、應(yīng)變測(cè)量環(huán)緊箍、徑向槽塊(14)、楔形槽塊A和楔形槽塊B、定位銷(15)，其特征在于:所述地應(yīng)力測(cè)量元件的兩端各由一圓弧頂塊(11)所抱持，所述應(yīng)變測(cè)量環(huán)緊箍在兩圓弧頂塊(11)的外圓弧面上，所述應(yīng)變測(cè)量元件粘貼在應(yīng)變測(cè)量環(huán)緊箍的內(nèi)外側(cè)，同地應(yīng)力測(cè)量元件的軸線成正交方向設(shè)置，所述徑向槽塊(14)、楔形槽塊A緊貼在所述應(yīng)變測(cè)量環(huán)緊箍的外沿面，所述徑向槽塊(14)和楔形槽塊A由定位銷(15)串連為一體,楔形槽塊A和楔形槽塊B結(jié)合楔形推桿(7)組成推動(dòng)所述傳感器單元沿徑向伸縮的機(jī)構(gòu)，在同徑的巖孔中，所述楔形推桿(7)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，楔形槽塊B和徑向槽塊(14)伸出殼體同孔壁接觸，微調(diào)所述楔形推桿(7)的上下運(yùn)動(dòng)，可調(diào)節(jié)楔形槽塊B和徑向槽塊(14)同巖孔壁的接觸壓力，以達(dá)到所述組合型傳感器的最佳地應(yīng)力耦合安裝狀態(tài)。
3.如權(quán)利要2所述的組合型傳感器，其特征在于:所述地應(yīng)力測(cè)量元件為具有磁致伸縮體性能的坡莫合金鐵芯電感，所述應(yīng)變測(cè)量元件為應(yīng)變片，所述坡莫合金鐵芯電感由經(jīng)熱處理后的軸芯上安放線圈骨架后，用Φ0.21mm高強(qiáng)度漆色線雙線并行密繞200匝反相串聯(lián)成電感線圈，經(jīng)真空沒(méi)漆、硅橡膠灌封后測(cè)試配組，其長(zhǎng)度為20mm，軸芯直徑為3mm，端面直徑為12mm,夕卜罩為同材料的圓管,管壁厚0.5mm。
【文檔編號(hào)】G01B7/16GK203479434SQ201320419995
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月16日
【發(fā)明者】韓金良, 吳滿路, 王新富, 吳樹仁, 廖椿庭 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所