CN103712552B - 多分量钻孔应变仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多分量钻孔应变仪，属于地学应力应变观测技术领域，可广泛用于地震预测、地质灾害、矿区安全、城市安全和地球动力学研究的观测；这种多分量钻孔应变仪包括井下探头和地面主机，探头包括应力应变感知机构、微位移测量机构、位移标定机构和后置定向机构；这种多分量钻孔应变仪实现了模块化加工组装，提高了仪器的一致性；实现了位移标定，提高了观测可靠性；实现了后置定向，简化了仪器结构，方便了仪器使用，更利于台网式观测数据的对比分析。

Description

多分量钻孔应变仪
技术领域
本发明公开了一种多分量钻孔应变仪，属于地学观测技术领域，用于监测地壳内部应力应变场的动态变化，为地球动力学研究和地震监测预测提供科学观测数据。
背景技术
自上世纪70年代起，多分量钻孔应变观测一直是地学界关注的焦点，地学科技工作者倾注极大精力开展钻孔应变仪的研发，先后开发了多种分量钻孔应变仪，典型仪器如美国的Sacks、澳大利亚的Gladwin、中国的RZB型分量钻孔应变仪等，取得了重要的科学观测数据。但现有仪器由于技术原因，调试生产困难、使用复杂、互换性差、缺乏合理标定等，限制了实际推广应用，不能很好的满足实际的需要。本发明解决了现有钻孔应变观测技术的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的多分量钻孔应变仪。本发明仪器实现了仪器的模块化加工、组装，降低了生产难度，提高了互换性；实现了仪器的绝对位移标定，提高了观测数据的可靠性；实现了观测分量后置定向功能，简化了仪器结构，方便了仪器安装；更适于观测台网数据的联合分析。
为实现本发明的目的采取了如下技术方案：
制一种多分量钻孔应变仪，这种多分量钻孔应变仪包括井下探头和地面主机，探头包括应力应变感知机构、微位移测量机构、位移标定机构和后置定向机构。
本发明所述的应力应变感知机构包括底座(1)、顶盖套(3)、顶盖(16)和外套筒(2)，外套筒(2)通过激光焊接与底座(1)和顶盖(16)实现密闭联接，形成感知外部应力应变变化的腔体；顶盖套(3)通过螺栓与顶盖(16)联接，并用密封胶密封。
本发明所述的微位移测量机构包括传感器组件(9、10、11、12)、A／D电路板(14)和定向／标定控制电路板(15)。传感器组件包括：传感器支座(19)、传感导向座(20)、长扣板(21)、电容／电压转换电路板(22)、短扣板(23)、标定电机(24)、丝杠(25)、丝杠滑块(26)、差动电容位移传感器(27)；在传感器支座上有定向联接螺孔，可按一定角度将多个微位移测量机构固定在一起，实现多分量测量；标定电机(24)、丝杠(25)、丝杠滑块(26)、差动电容位移传感器(27)在传感导向座(20)的导向槽内成线性排列，在定向／标定控制电路板(15)控制下实现四部分的无缝对接，以及两侧外端与外套筒(2)的无间隙对接，从而实现对外套筒(2)径向变化的测量。
本发明所述的位移标定机构包括标定电机(24)、丝杠(25)、丝杠滑块(26)和在定向／标定控制电路板(15)，在前述微位移测量机构处于测量状态时，在标定控制电路控制下，丝杠滑块(26)可以按要求输出纳米级到微米级的定量微位移信号，施加在差动电容位移传感器(27)的动极板上，实现对仪器的位移标定。
本发明所述的后置定向机构包括：底座(1)、定向支套(6)、定向电 机(7)、过渡支架(8)、过度接盘(13)、滑环(17)、驱动滑块(18)和定向／标定控制电路板(15)。滑环(17)套在底座(1)的环形滑槽内，通过螺栓和定向支套(6)联接；定向电机(7)倒置固定在定向支套(6)上，驱动滑块(18)固定在定向电机(7)的输出轴上，并置于底座(1)的顶部滑槽内；过渡支架(8)和定向支套(6)、传感器组件(9)通过螺栓联接；过度接盘(13)和传感器组件(12)、定向／标定控制电路板(15)通过螺栓联接；定向控制电路带有电子罗盘，可以测定计算传感器组件(9)测量方向与地理北的夹角，通过控制定向电机(7)，可以使传感器组件(9)测量方向与地理北重合，实现测量方位定向。
本发明所述的地面主机(5)，通过电缆(4)负责对井下探头的供电、控制管理、测量数据接收存储，以及与台网中心的通信联络管理。
附图说明
图1本发明的外观结构示意图；
图2井下探头内部结构示意图1；
图3井下探头内部结构示意图2；
图4传感器组件结构示意图1；
图5传感器组件结构示意图2。
图中：1-底座，2-外套筒，3-顶盖套，4-电缆，5-地面主机，6-定向支套，7-定向电机，8-过渡支架，9-传感器组件1，10-传感器组件2，11-传感器组件3，12-传感器组件4，13-过度接盘，14-A／D电路板，15-定向／标定控制电路板，16-顶盖，17-滑环，18 -驱动滑块，19-传感器支座，20-传感导向座，21-长扣板，22-电容/电压转换电路板，23-短扣板，24-标定电机，25-丝杠，26-丝杠滑块，27-差动电容位移传感器。
具体实施方式
本实施案例以常用四分量钻孔应变仪为例，更多或更少分量的仪器可通过增加或减少相应模块实现。
如图1、图2、图3、图4、图5所示。
定向部件装配：在底座(1)的环形滑槽内放置两个半圆环滑环(17)；在定向支套(6)上用螺钉固定定向电机(7)，在定向电机(7)的输出轴上用紧钉固定驱动滑块(18)，然后将其扣在装有滑环的底座(1)上，并使驱动滑块(18)置于底座(1)顶部的滑槽内；用螺栓将定向支套(6)与滑环(17)联接。
传感器组件(9、10、11、12)装配：在传感器支座(19)开槽内放置传感器导向座(20)，从背面用螺钉固定在一起；将丝杠(25)用紧钉固定在标定电机输出轴上，再在丝杠(25)上安装丝杠滑块(26)，然后与差动电容位移传感器(27)一起线性放置在传感器导向座(20)的导向槽内；扣上长扣板(21)和短扣板(23)，用螺钉与传感器导向座(20)固定；然后将电容/电压转换电路板(22)用螺钉固定在传感器导向座(20)上；随后，将差动电容位移传感器(27)的三个输出端与电容/电压转换电路板(22)的三个输入端点用导线通过焊联接起来，即完成传感器组件的装配。
井下探头内部装配：将过渡支架(8)的下端用螺栓固定在定向部件装配体上，在过渡支架(8)的上端用螺栓固定传感器组件(9)，再在传感器组件(9)上用螺栓依次固定传感器组件(10)、传感器组件(11)、传感器组件(12)、过度接盘(13)；用带螺纹枝干在过度接盘(13)上固定A／D电路板(14)和定向／标定控制电路板(15)，并使定向／标定控制电路板(15)上的定向电子罗盘的指针与传感器组件(9)的测量方向一致。然后，用导线将传感器组件(9、10、11、12)内的电容／电压转换电路板(22)与A／D电路板(14)的对应端联接，用导线将传感器组件(9、10、11、12)内的标定电机(24)、定向电机(7)与定向／标定控制电路板(15)的对应端联接，即完成井下探头的内部装配。
井下探头装配：在完成的井下探头内部装配体外套上外套筒(2)，用导线将A／D电路板(14)和定向／标定控制电路板(15)的接线端与顶盖(16)上的对应接线端联接，然后将顶盖(16)扣在外套筒(2)上，用激光焊接的方式将外套筒(2)与底座(1)和顶盖(16)密封焊接在一起；将需要长度的电缆(4)的一端用航空密封接头与顶盖(16)内的接线端联接，在顶盖(16)的腔内灌满密封胶，装上顶盖套(3)，用螺栓与顶盖(16)固定连接，即完成井下探头的组装。
本发明仪器装配：用航空密封接头将井下探头的输出电缆(4)与地面主机(5)联接，给地面主机加电，通过地面主机(5)控制传感器组件(9、10、11、12)内的标定电机(24)，使传感器组件(9、10、11、12)内的差动电容位移传感器(27)的动极板处于中间位置，即完成仪器的装配。

Claims (4)

1.多分量钻孔应变仪，包括井下探头和地面主机，探头包括应力应变感知机构、微位移测量机构、位移标定机构和后置定向机构，其特征在于：微位移测量机构包括传感器组件1(9)、传感器组件2(10)、传感器组件3(11)、传感器组件4(12)，所述传感器组件的两端均不需要与外套筒(2)固结在一起；在传感器组件1(9)上用螺栓依次固定传感器组件2(10)、传感器组件3(11)、传感器组件4(12)，并通过控制后置定向机构中的定向电机(7)，可以使传感器组件1(9)的测量方向与地理北重合，实现测量方位定向。
2.按权利要求1所述的多分量钻孔应变仪，其特征在于：所述的微位移测量机构中的传感器组件(9、10、11、12)均包括：传感器支座(19)，由传感导向座(20)、长扣板(21)、电容/电压转换电路板(22)、短扣板(23)、标定电机(24)、丝杠(25)、丝杠滑块(26)、差动电容位移传感器(27)组成的传感器系统；在传感器支座上有定向联接螺孔，按一定角度将传感器组件1(9)、传感器组件2(10)、传感器组件3(11)、传感器组件4(12)上下固定在一起，实现多分量测量，并通过过渡支架(8)与定向支套(6)联接，实现轴向固定与定位；标定电机(24)、丝杠(25)、丝杠滑块(26)、差动电容位移传感器(27)在传感导向座(20)的导向槽内成线性排列，在定向/标定控制电路板(15)控制下能实现四部分的无缝对接，以及两侧的外端与外套筒(2)的无间隙对接，从而实现对外套筒(2)径向变化的测量。
3.按权利要求1所述的多分量钻孔应变仪，其特征在于：所述的位移标定机构包括标定电机(24)、丝杠(25)、丝杠滑块(26)、传感导向座(20)、定向/标定控制电路板(15)和外套筒(2)，形成闭合系统，在标定控制电路控制下，丝杠滑块(26)可以按要求输出纳米级到微米级的定量微位移信号，施加在差动电容位移传感器(27)的动极板上，实现对仪器的位移标定。
4.按权利要求1所述的多分量钻孔应变仪，其特征在于：所述的后置定向机构包括：底座(1)、定向支套(6)、定向电机(7)、过渡支架(8)、过度接盘(13)、滑环(17)、驱动滑块(18)和定向/标定控制电路板(15)；滑环(17)套在底座(1)的环形滑槽内，通过螺栓和定向支套(6)联接；定向电机(7)倒置固定在定向支套(6)上，驱动滑块(18)固定在定向电机(7)的输出轴上，并置于底座(1)的顶部滑槽内；过渡支架(8)和定向支套(6)、传感器组件1(9)通过螺栓联接；过度接盘(13)和传感器组件4(12)、定向/标定控制电路板(15)通过螺栓联接；定向控制电路带有电子罗盘，可以测定计算传感器组件1(9)测量方向与地理北的夹角。
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