CN104613933A - 地下岩层分层沉降测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下岩层分层沉降测量装置及测量方法，涉及测量岩层的下降量装置技术领域。所述测量装置包括塑料探杆、中心绝缘柱、滑动电阻线圈、滑片、夹紧组件、电源、分压电阻Rg、开关S和电流表A，电源的正极与电阻线圈接线柱连接，电源的负极依次经电阻Rg、开关S和电流表A后分别与各个金属杆接线柱连接。所述测量装置采用滑动变阻器的设计原理，测量地下岩层沉降测量，具有测试结果精确，结构简单，使用方便的特点。

Description

地下岩层分层沉降测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及测量岩层的下降量装置技术领域，尤其涉及一种地下岩层分层沉降测量装置及测量方法。

背景技术

对于地下岩层分层沉降测量迄今为止依然没有一个良好的方法，为解决地下岩层复杂情况条件下的各层沉降而需要进行较为精确的测量工作，人们已经研究出将电磁法应用于地下岩层沉降测量的方法中。但由于地球本身就是一个巨大磁场，地下有些岩层也具有磁场，所以该方法受到磁场误差影响不能提供较为精确的测量结果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种地下岩层分层沉降测量装置及测量方法，所述测量装置采用滑动变阻器的设计原理，测量地下岩层沉降测量，具有测试结果精确，结构简单，使用方便的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种地下岩层分层沉降测量装置，其特征在于：所述测量装置包括塑料探杆、中心绝缘柱、滑动电阻线圈、滑片以及夹紧组件，所述塑料探杆为中空杆状结构，且底部密封，上部开口，上部开口设有密封顶盖，所述塑料探杆的侧壁上沿轴线方向开设有若干条槽缝，所述槽缝内固定有拉链组件，与所述槽缝相对的塑料探杆内设有与槽缝数量相同的竖直金属杆，所述金属杆的一端与塑料探杆的底座固定连接，所述拉链组件上的拉头与所述金属杆滑动配合，金属杆围合的中间设有一端与所述底座固定连接的竖直中心绝缘柱，所述中心绝缘柱的外周缠绕有所述滑动电阻线圈，每个拉链组件上设有一个位于塑料探杆外侧的夹紧组件和一个位于塑料探杆内侧的滑片，所述滑片与所述滑动电阻线圈直接接触，所述顶盖上分别设有与滑动电阻线圈的一端连接的电阻线圈接线柱和金属杆接线柱。

进一步的技术方案在于：所述测量装置还包括电源、分压电阻Rg、开关S和电流表A，电源的正极与电阻线圈接线柱连接，电源的负极依次经电阻Rg、开关S和电流表A后分别与各个金属杆接线柱连接。

进一步的技术方案在于：所述拉链组件包括固定连接在槽缝内的拉链和啮合于拉链上的拉头，所述滑片固定在所述拉头的内侧，所述夹紧组件固定在所述拉头的外侧。

进一步的技术方案在于：所述夹紧组件包括T型座和与塑料探杆的外周相适配的弧形板，T型座与弧形板之间通过被压缩的弹簧连接。

与上述测量装置想对应的，本发明还公开了一种地下岩层分层沉降测量方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

(1)根据打孔取得的岩层样本得到各岩层的位置信息；

(2)将夹紧组件安装在塑料探杆的外壁上并将塑料探杆伸入到孔中再到达相应的岩层处；

(3)将电源的正极与电阻线圈接线柱连接，电源的负极依次经电阻Rg、开关S和电流表A后分别与各个金属杆接线柱连接，将滑动电阻线圈接入测量电路中，并通过测量滑动电阻线圈的电流和电压计算出相应的夹紧组件的位置是否正确，是否能将滑动电阻线圈接入测量电路；

(4)如果接入不正确，调整夹紧组件的位置，使滑动电阻线圈能够接入测量电路，如果正确则进行下一步；

(5)调整夹紧组件，使其卡在相应岩层上；

(6)测量并记录各个岩层对应的电流值和电压值；

(7)根据电流值和电压值得到岩层的沉降变化量。

进一步的技术方案在于：所述方法具体如下：假设岩层样本有四个岩层，四个岩层的深度分别为a、b、c、d，将夹紧组件分别对应四个深度安装在绝缘探杆的外壁上；

绝缘探杆伸入到孔中再到达相应岩层，绝缘探杆固定后将电源的正极与电阻线圈接线柱连接，电源的负极依次经电阻Rg、开关S和电流表A后分别与各个金属杆接线柱连接，将滑动电阻线圈接入测量电路中，金属杆接线柱为接出端并对对应深度的接线柱标记为9-1-a、9-1-b、9-1-c、9-1-d；周期性的记录每个电流表A的电流值，根据已知的电源电压和各个周期测得的电流计算滑动电阻线圈各个深度的电阻值进而计算出对应a、b、c、d四个深度岩层的电阻变化值，具体的计算方法和计算公式为:

$I_i=I_{a_i}+I_{b_i}+I_{c_i}+I_{d_i};$

$R_{a_i}=\frac{U-I_{R_g}}{I_{a_i}};$

$R_{b_i}=\frac{U-I_{R_g}}{I_{b_i}};$

$R_{c_i}=\frac{U-I_{R_g}}{I_{c_i}};$

$R_{d_i}=\frac{U-I_{R_g}}{I_{d_i}};$

式中i＝1,2,…,k，代表不同的观测周期，U是电源电压；I_i为第i周期的电流值；是地下岩层不同深度处的电阻值，分别为地下岩层对应不同深度处的电流值；

根据电阻公式

可以得出 $l_1=\frac{\mathrm{US}}{{\mathrm{\ρI}}_1};l_2=\frac{\mathrm{US}}{{\mathrm{\ρI}}_2};$ Δl＝l₁-l₂；

由此得出变化量

其中：R是电阻；ρ是线圈的电阻率；S是滑动变阻器的截面积，U是电源的稳定电压，Δl就是滑动变阻器电阻丝的变化量，r是中心柱的半径，d是电阻丝的直径，L是不同深度的岩层的沉降变化量。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述测量装置是采用滑动变阻器的设计原理，运用电阻法测量地下岩层各层的沉降量，能克服大部分地下复杂岩层以及地球磁场的影响，具有测量精度高，结构简单，使用方便，实用性强的特点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明所述顶盖的结构示意图；

图2是本发明去掉顶盖后的俯视结构示意图；

图3是图1中所述拉头的结构示意图；

图4是本发明所述测量装置的立体结构示意图；

图5为所述测量装置的电路原理图；

其中：1、塑料探杆2、中心绝缘柱3、滑动电阻线圈4、滑片5、夹紧组件51、T型座52、弧形板53、弹簧6、拉链组件61、拉链62、拉头7、金属杆8、电阻线圈接线柱9、金属杆接线柱。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-4所示，本发明公开了一种地下岩层分层沉降测量装置，所述测量装置包括塑料探杆1、中心绝缘柱2、滑动电阻线圈3、滑片4以及夹紧组件5。

所述塑料探杆1为中空杆状结构，且底部密封，上部开口，上部开口设有密封顶盖，顶盖如图2所示。所述塑料探杆1的侧壁上沿轴线方向开设有若干条槽缝，所述槽缝内固定有拉链组件6，所述拉链组件6包括固定连接在槽缝内的拉链61和啮合于拉链上的拉头62，所述滑片4固定在所述拉头62的内侧，所述夹紧组件5固定在所述拉头62的外侧。所述夹紧组件5包括T型座51和与塑料探杆1的外周相适配的弧形板52，T型座51与弧形板52之间通过被压缩的弹簧53连接。

如图2-4所示，与所述槽缝相对的塑料探杆1内设有与槽缝数量相同的竖直金属杆7，所述金属杆7的一端与塑料探杆1的底座固定连接，所述拉链组件上的拉头与所述金属杆滑动配合，所述金属杆用于对所述拉链组件进行限位和支撑。金属杆7围合的中间设有一端与所述底座固定连接的竖直中心绝缘柱2，所述中心绝缘柱2的外周缠绕有所述滑动电阻线圈3。每个拉链组件6的拉头62上设有一个位于塑料探杆1外侧的夹紧组件5和一个位于塑料探杆1内侧的滑片4。所述滑片4与所述滑动电阻线圈3直接接触，所述顶盖上分别设有与滑动电阻线圈3的一端连接的电阻线圈接线柱8和金属杆接线柱9。滑动电阻线圈3、中心绝缘柱2和滑片构成滑动变阻器。

如图5所示，所述测量装置还包括电源、分压电阻Rg、开关S和电流表A构成的测试电路，电源的正极与电阻线圈接线柱8连接，电源的负极依次经电阻Rg、开关S和电流表A后分别与各个金属杆接线柱9连接。所述夹紧组件5用于锁定所述拉头62在所述拉链61上的位置，当所述测量装置被放入到岩层内时，随着岩层的下沉将带动所述夹紧组件5向下运动从而带动所述滑片向下运动，改变接入测试电路的滑动电阻线圈3的电阻值。

与上述测量装置相对应的，本发明还公开了一种地下岩层分层沉降测量方法，所述方法包括如下步骤：

(1)根据打孔取得的岩层样本得到各岩层的位置信息；

(2)将夹紧组件5安装在塑料探杆1的外壁上并将塑料探杆伸入到孔中再到达相应的岩层处；

(3)将电源的正极与电阻线圈接线柱8连接，电源的负极依次经电阻Rg、开关S和电流表A后分别与各个金属杆接线柱10连接，将滑动电阻线圈3接入测量电路中，并通过测量滑动电阻线圈3的电流和电压计算出相应的夹紧组件5的位置是否正确，是否能将滑动电阻线圈3接入测量电路；

(4)如果接入不正确，调整夹紧组件5的位置，使滑动电阻线圈3能够接入测量电路，如果正确则进行下一步；

(5)调整夹紧组件5，使其卡在相应岩层上；

(6)测量并记录各个岩层对应的电流值和电压值；

(7)根据电流值和电压值得到岩层的沉降变化量。

具体的，根据钻探资料可以得到岩层的不同深度值，假设岩层样本有四个岩层，四个岩层的深度分别为a、b、c、d，将夹紧组件5分别对应四个深度安装在绝缘探杆1的外壁上；

绝缘探杆1伸入到孔中再到达相应岩层，绝缘探杆固定后将电源的正极与电阻线圈接线柱连接，电源的负极依次经电阻Rg、开关S和电流表A后分别与各个金属杆接线柱连接，将滑动电阻线圈接入测量电路中，金属杆接线柱为接出端并对对应深度的接线柱标记为9-1-a、9-1-b、9-1-c、9-1-d；周期性的记录每个电流表A的电流值，根据已知的电源电压和各个周期测得的电流计算滑动电阻线圈各个深度的电阻值进而计算出对应a、b、c、d四个深度岩层的电阻变化值，具体的计算方法和计算公式为:

$I_i=I_{a_i}+I_{b_i}+I_{c_i}+I_{d_i};$

$R_{a_i}=\frac{U-I_{R_g}}{I_{a_i}};$

$R_{b_i}=\frac{U-I_{R_g}}{I_{b_i}};$

$R_{c_i}=\frac{U-I_{R_g}}{I_{c_i}};$

$R_{d_i}=\frac{U-I_{R_g}}{I_{d_i}};$

式中i＝1,2,…,k，代表不同的观测周期，U是电源电压；I_i为第i周期的电流值；是地下岩层不同深度处的电阻值，分别为地下岩层对应不同深度处的电流值；

根据电阻公式

可以得出 $l_1=\frac{\mathrm{US}}{{\mathrm{\ρI}}_1};l_2=\frac{\mathrm{US}}{{\mathrm{\ρI}}_2};$ Δl＝l₁-l₂；

由此得出变化量

其中：R是电阻；ρ是线圈的电阻率；S是滑动变阻器的截面积，U是电源的稳定电压，Δl就是滑动变阻器电阻丝的变化量，r是中心柱的半径，d是电阻丝的直径，L是不同深度的岩层的沉降变化量。

下面对所述测量方法的测量精度进行分析：

$\mathrm{\Δl}=l_1-l_2=\frac{\mathrm{US}}{{\mathrm{\ρI}}_1}-\frac{\mathrm{US}}{{\mathrm{\ρI}}_2};L=\frac{d}{2\mathrm{\πr}}(\frac{\mathrm{US}}{{\mathrm{\ρI}}_1}-\frac{\mathrm{US}}{{\mathrm{\ρI}}_2})$

根据误差传播定律：

$m_{\mathrm{\Δl}}=\frac{\mathrm{US}}{\mathrm{\ρ}}\sqrt{\frac{m_{I_1}^2}{I_1^2}+\frac{m_{I_2}^2}{I_2^2}}$

由于测量期间对应的电流表精度不发生改变，可以认为

由此得到： $m_{\mathrm{\Δl}}=\frac{{\mathrm{USm}}_0}{\mathrm{\ρ}}\sqrt{\frac{1}{I_1^2}+\frac{1}{I_2^2}};m_L=\frac{d}{2\mathrm{\πr}}{m}_{\mathrm{\Δl}}.$

目前最先进的电流标的测量精度可达:±0.1％F.S(直流信号输入)；±0.2％F.S(交流信号输入)；(F.S:full-scale，满量程)由此得到的岩层的沉降变化量的测量精度m_L可以达到毫米级精度，所以此方法是切实可行，且精确度较高的。

综上，所述测量装置是采用滑动变阻器的设计原理，运用电阻法测量地下岩层各层的沉降量，能克服大部分地下复杂岩层以及地球磁场的影响，具有测量精度高，结构简单，使用方便，实用性强的特点。

Claims (6)

1.一种地下岩层分层沉降测量装置，其特征在于：所述测量装置包括塑料探杆(1)、中心绝缘柱(2)、滑动电阻线圈(3)、滑片(4)以及夹紧组件(5)，所述塑料探杆(1)为中空杆状结构，且底部密封，上部开口，上部开口设有密封顶盖，所述塑料探杆(1)的侧壁上沿轴线方向开设有若干条槽缝，所述槽缝内固定有拉链组件(6)，与所述槽缝相对的塑料探杆(1)内设有与槽缝数量相同的竖直金属杆(7)，所述金属杆(7)的一端与塑料探杆(1)的底座固定连接，所述拉链组件(6)上的拉头(62)与所述金属杆(7)滑动配合，金属杆(7)围合的中间设有一端与所述底座固定连接的竖直中心绝缘柱(2)，所述中心绝缘柱(2)的外周缠绕有所述滑动电阻线圈(3)，每个拉链组件(6)上设有一个位于塑料探杆(1)外侧的夹紧组件(5)和一个位于塑料探杆(1)内侧的滑片(4)，所述滑片(4)与所述滑动电阻线圈(3)直接接触，所述顶盖上分别设有与滑动电阻线圈(3)的一端连接的电阻线圈接线柱(8)和金属杆接线柱(9)。

2.根据权利要求1所述的地下岩层分层沉降测量装置，其特征在于：所述测量装置还包括电源、分压电阻Rg、开关S和电流表A，电源的正极与电阻线圈接线柱(8)连接，电源的负极依次经电阻Rg、开关S和电流表A后分别与各个金属杆接线柱(9)连接。

3.根据权利要求2所述的地下岩层分层沉降测量装置，其特征在于：所述拉链组件(6)包括固定连接在槽缝内的拉链(61)和啮合于拉链上的拉头(62)，所述滑片(4)固定在所述拉头(62)的内侧，所述夹紧组件(5)固定在所述拉头(62)的外侧。

4.根据权利要求2所述的地下岩层分层沉降测量装置，其特征在于：所述夹紧组件(5)包括T型座(51)和与塑料探杆(1)的外周相适配的弧形板(52)，T型座(51)与弧形板(52)之间通过被压缩的弹簧(53)连接。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种地下岩层分层沉降测量方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

(1)根据打孔取得的岩层样本得到各岩层的位置信息；

(2)将夹紧组件(5)安装在塑料探杆(1)的外壁上并将塑料探杆伸入到孔中再到达相应的岩层处；

(3)将电源的正极与电阻线圈接线柱(8)连接，电源的负极依次经电阻Rg、开关S和电流表A后分别与各个金属杆接线柱(9)连接，将滑动电阻线圈(3)接入测量电路中，并通过测量滑动电阻线圈(3)的电流和电压计算出相应的夹紧组件(5)的位置是否正确，是否能将滑动电阻线圈(3)接入测量电路；

(4)如果接入不正确，调整夹紧组件(5)的位置，使滑动电阻线圈(3)能够接入测量电路，如果正确则进行下一步；

(5)调整夹紧组件(5)，使其卡在相应岩层上；

(6)测量并记录各个岩层对应的电流值和电压值；

(7)根据电流值和电压值得到岩层的沉降变化量。

6.根据权利要求5所述的地下岩层分层沉降测量方法，其特征在于所述方法具体如下：

假设岩层样本有四个岩层，四个岩层的深度分别为a、b、c、d，将夹紧组件(5)分别对应四个深度安装在绝缘探杆(1)的外壁上；

绝缘探杆(1)伸入到孔中再到达相应岩层，绝缘探杆固定后将电源的正极与电阻线圈接线柱连接，电源的负极依次经电阻Rg、开关S和电流表A后分别与各个金属杆接线柱连接，将滑动电阻线圈接入测量电路中，金属杆接线柱为接出端并对对应深度的接线柱标记为9-1-a、9-1-b、9-1-c、9-1-d；周期性的记录每个电流表A的电流值，根据已知的电源电压和各个周期测得的电流计算滑动电阻线圈各个深度的电阻值进而计算出对应a、b、c、d四个深度岩层的电阻变化值，具体的计算方法和计算公式为:

$I_i=I_{a_i}+I_{b_i}+I_{c_i}+I_{d_i};$

$R_{a_i}=\frac{U-I_{R_g}}{I_{a_i}};$

$R_{b_i}=\frac{U-I_{R_g}}{I_{b_i}};$

$R_{c_i}=\frac{U-I_{R_g}}{I_{c_i}};$

$R_{d_i}=\frac{U-I_{R_g}}{I_{d_i}};$

式中i＝1,2,…,k，代表不同的观测周期，U是电源电压；I_i为第i周期的电流值；是地下岩层不同深度处的电阻值，分别为地下岩层对应不同深度处的电流值；

根据电阻公式

可以得出 $l_1=\frac{\mathrm{US}}{{\mathrm{\ρI}}_1};l_2=\frac{\mathrm{US}}{{\mathrm{\ρI}}_2};$ Δl＝l₁-l₂；

由此得出变化量

其中：R是电阻；ρ是线圈的电阻率；S是滑动变阻器的截面积，U是电源的稳定电压，Δl就是滑动变阻器电阻丝的变化量，r是中心柱的半径，d是电阻丝的直径，L是不同深度的岩层的沉降变化量。