CN108168621A - 一种同时测量水压、温度、采动应力的装置 - Google Patents

一种同时测量水压、温度、采动应力的装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种同时测量水压、温度、采动应力的装置，属于岩体地下水和应力监测技术领域。该装置包括水压传感器(包括压电式压力传感器、温度传感器)和三维孔壁应变传感器，水压传感器端头设有透水石，透水石后安装压电式压力传感器，透水石和压电式压力传感器四周设有氟橡胶“o”型密封圈，在该装置内部安装温度传感器，水压传感器安装在三维孔壁应变传感器端头的挤胶塞上面，三维孔壁应变传感器端头设有储胶仓，三维孔壁应变传感器内部安装有三个应变花。本发明可以做到无线传输和实时监测，摆脱了恶劣环境对信号线的依赖，实时性高，稳定性强，且维持成本低、便捷实用，可以及时读取数据信息，做好防范措施，防止事故发生，实用性较强。

Description

一种同时测量水压、温度、采动应力的装置
技术领域
本发明涉及岩体地下水和应力监测技术领域，特别是指一种同时测量水压、温度、采动应力的装置。
背景技术
地下水和岩体开采应力是影响岩土工程安全的重要影响因素，进行水压力和岩体应力监测是保证岩土工程特别是地下开采安全不可缺少的监测内容。
目前市场上的水压力计种类较多，大部分是振弦式水压计和气压式水压计，振弦式水压计原理是岩土中的水通过装在探头前端的透水石，作用在压力薄膜上，压力薄膜受力产生挠曲变形，引起装在薄膜上的钢弦变形，随之引起振弦自振频率的改变，用频率计测定频率变化的大小，经过换算即得水压力，即可测出水荷的压力值。至于气压式水压计原理，目前常用的为气压平衡水压力计，其工作原理是：岩土中水通过装在探头前端的透水石，作用于薄膜上，薄膜向上变形与接触钮接触，电路接通，灯泡亮(或用电位计指示)，然后从进气口通入压缩空气，使薄膜上的压力与土的水压力平衡，灯泡熄灭，此时压力表指示的压力乘上有关标定系数后，即为水压力。
水压力监测方面，钟佳玉，郑永来(2010)在《实验室研究与探索》发表了“水压力传感器的改装设计”，将微型土压力传感器改装成水压力传感器，用于波浪作用下砂质海床水压力的测量取得成功，不足之处是改装后的水压计精确度和灵敏度都不高，也不能做到实时监测和无线传输。汤兆光，王永志等(2017)在《中国水利水电科学研究院学报》发表了“三种孔隙水压计量测性能对比初探”，对比分析了Druck、Keller和Kulite三种传感器的静力与动力响应特征，结果表明，三种传感器在静态响应上结果相对一致，而动态响应上具有显著滞后和幅值差别，因此，在动水压力测量方面还有待改进。
采动应力监测方面，付东波，齐庆新等(2009)在《煤矿开采》发表的了“采动应力监测系统的设计”，开发研制了KMJ30采动应力监测系统，能够监测到采动影响条件下工作面前方煤岩体的应力变化。崔中明(2014)在《煤》发表了“基于MSP430F149的矿井采动应力监测系统设计”，设计了基于MSP430F149的矿井采动应力监测系统。该系统使用压力传感器监测煤岩层压力，能够监测到井下煤岩层应力的变化。但是，这些测量难以一次性地获得岩体的三维应力。
综上，由于水压计和压力传感器存在各自的局限性，且不能满足一孔同时测量的要求，为满足现场测量方便、实时和无线的要求，研究开发高精度且同时能够实时监测水压、温度、采动应力等信息的装置意义重大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种同时测量水压、温度、采动应力的装置，以克服传统测量仪器测量不精确，不能一孔同时测量水压、温度和采动应力的缺陷。该装置采用高精度的压电式压力传感器，而且带有温度传感器和三维孔壁应变传感器，能同时监测渗流水压、温度和采动应力信息，并且自带存储和信号无线发射功能，采用自动存储模块和大功率信号发射装置，可自动存储和实时传送数据，做到实时监测。
该装置包括水压传感器和三维孔壁应变传感器，以及数字化采集存储和大功率无线发射组件的电路板，其中，水压传感器包括压电式压力传感器和温度传感器，水压传感器安装在三维孔壁应变传感器端头的挤胶塞上面，水压传感器端头设有透水石，透水石后安装压电式压力传感器，温度传感器安装在整个装置内部，三维孔壁应变传感器端头设有设置有两根不锈钢条一，水压传感器前端设有两根不锈钢条二，储胶仓设置在两根不锈钢条二之间，储胶仓端部设置挤胶塞，水压传感器外包金属外壳，压电式压力传感器和温度传感器分别安装在塑料模具上的压电式压力传感器卡槽和温度传感器卡槽中，压电式压力传感器导线、温度传感器导线和三维孔壁应变传感器导线在三维孔壁应变传感器中间的预留线孔中穿出，透水座设置在整个装置端部，透水座上设置透水石卡槽，挤胶塞上设有挤胶孔。
其中，透水石和压电式压力传感器四周设有氟橡胶“o”型密封圈。
该装置在安装时，储胶仓内放满环氧树脂胶。
三维孔壁应变传感器内部安装有三个应变花。
透水石安装在透水座上面的透水石卡槽中。
压电式压力传感器导线、温度传感器导线和三维孔壁应变传感器导线连接在该装置外部的大功率无线发射装置上，无线发射装置安装在防水安装盒内。
预留线孔两端用橡胶圈密封。
不锈钢条一和不锈钢条二安装时顶在岩孔端部。
大功率无线发射模块包括GPRS通信传输组件、CDMA通信传输组件、3G或4G通信传输组件、蓝牙模块、wifi模块的其中一种或任意组合。适合复杂地质环境，可以将信号顺利的发射出去，并且每间隔一定时间，就发射一次数据，保证测得渗流水压、温度、采动应力的变化，以便把握其变化范围及变化规律，准确获得水压、温度、采动应力的数据，同时，把水压、温度、采动应力的动态变化，实时传送到地面控制室。实时监测水压、温度、采动应力的变化，以便预测突水、岩体失稳等事故的发生，最大限度降低工程因突水、岩体失稳等事故造成的经济损失和人员伤亡。
整个装置的外壳材料采用高强度铝合金或者不锈钢，表面进行热处理，防止腐蚀，由于探头内部结构简单，零部件少，零部件尺寸小，所以外壳尺寸，可以做到小型化，方便安装和固定，适合各种特殊环境的安装使用。
三维孔壁应变传感器的量测要按照设计要求通过环氧树脂胶粘结在钻孔底部，三维孔壁应变传感器与钻孔之间的缝隙用环氧树脂胶密实填充，确保三维孔壁应变传感器能够牢牢固定在岩孔中，准确感知采动引起的岩体变形，顶部挤胶塞上安装有不锈钢条,紧紧顶住钻孔底部，在安装时，水压传感器端头用纱布包裹沙子作过滤层，同时，水压传感器外壳前端留有两根不锈钢条，用于安装时推进装置，装置整个随着仪器一起向孔内推进，到钻孔底部时，装置外壳前端留有的两根不锈钢条最先顶住孔端，随着继续推进，挤胶塞进入储胶仓，慢慢挤出环氧树脂胶，环氧树脂胶填充在仪器与孔壁之间的空隙，牢固固定整个仪器，直到挤胶塞上的不锈钢条顶在孔端上，密封外孔，仪器安装完成。
整套装置供电可以接入市政电系统供电、太阳能电池供电、蓄电池供电的其中一种。方便、安全，适用于多种工作环境。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
首先，本发明采用各部件分开安装的方法，水压传感器(包含压电式压力传感器和温度传感器)和三维孔壁应变传感器，安装在孔内，采集信息，而安装有存储模块和无线发射模块的电路板和供电设施则安装在孔外，大大降低了对孔径的要求，探头可以做到小型化，探头内各零部件采用插拔连接，方便设备的维护、维修，大大增长了整套设备的使用寿命。再次，本发明可以同时获得水压力、温度、采动应力等多种信息，可以做到一次安装，同时测量多种信息，方便高效。最后，本发明可以做到无线传输和实时监测，摆脱了恶劣环境对信号线的依赖，实时性高，稳定性强，且维持成本低、便捷实用，同时又可以及时读取数据信息，做好防范措施，防止事故发生，实用性较强。
附图说明
图1为本发明的同时测量水压、温度、采动应力的装置结构示意图。
其中：1-不锈钢条一；2-透水石；3-金属外壳；4-塑料模具；5-透水座；6-氟橡胶“o”型密封圈；7-透水石卡槽；8-压电式压力传感器卡槽；9-压电式压力传感器；10-温度传感器；11-挤胶塞；12-温度传感器导线；13-压电式压力传感器导线；14-储胶仓；15-应变花；16-预留线孔；17-不锈钢条二；18-温度传感器卡槽；19-三维孔壁应变传感器导线；20-挤胶孔。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种同时测量水压、温度、采动应力的装置。
如图1所示，该装置中，水压传感器安装在三维孔壁应变传感器端头的挤胶塞11上面，水压传感器端头设有透水石2，透水石2后安装压电式压力传感器9，温度传感器10安装在整个装置内部，三维孔壁应变传感器端头设有设置有不锈钢条一1和不锈钢条二17，储胶仓14设置在两根不锈钢条二17之间，储胶仓14端部设置挤胶塞11，水压传感器外包金属外壳3，压电式压力传感器9和温度传感器10分别安装在塑料模具4上的压电式压力传感器卡槽8和温度传感器卡槽18中，压电式压力传感器导线13、温度传感器导线12和三维孔壁应变传感器导线19在三维孔壁应变传感器中间的预留线孔16中穿出，透水座5设置在整个装置端部，透水座5上设置透水石卡槽7，挤胶塞11上设有挤胶孔20。
透水石2和压电式压力传感器9四周设有氟橡胶“o”型密封圈6。
该装置在安装时，储胶仓14内放满环氧树脂胶。
三维孔壁应变传感器内部安装有三个应变花15。
透水石2安装在透水座5上面的透水石卡槽7中。
压电式压力传感器导线13、温度传感器导线12和三维孔壁应变传感器导线19连接在该装置外部的无线发射装置上，无线发射装置安装在防水安装盒内。
在实际使用中，不锈钢条一1安装在三维孔壁应变传感器外壳前端，水压传感器安装在不锈钢条一1之间的空腔内，水压传感器的透水石2安装在透水座5上面的透水石卡槽7中，透水石四周安放有氟橡胶“o”型密封圈6，压电式压力传感器9和温度传感器10分别安装在塑料模具4上的压电式压力传感器卡槽8和温度传感器卡槽18中，压电式压力传感器导线13和温度传感器导线12在三维孔壁应变传感器中间的预留线孔16中穿出，引到孔外，整个水压传感器做在挤胶塞11前端，水压传感器金属外壳3前端安装有两根不锈钢条二17，安装时不锈钢条最先顶住钻孔底端，随着仪器向孔内推进，不锈钢条二17将水压计推入三维孔壁应变传感器的储胶仓14中，三维孔壁应变传感器的储胶仓14充满环氧树脂胶，水压计将环氧树脂胶从三维孔壁应变传感器的储胶仓14中通过挤胶孔20挤出，充满仪器与孔壁之间的空隙，牢固固定整个仪器，三维孔壁应变传感器中的应变花15测得岩体的采动应力数值，将其存储在孔外的存储模块，并通过孔外的无线发射模块将信号进行无线发射。
该装置具体工作原理(操作步骤)为:
1、如图1所示将压电式压力传感器安装在塑料模具上面；
2、将温度传感器安装在塑料模具上面；
3、将塑料模具插入水压传感器外壳内，在端头安装氟橡胶“o”型密封圈及透水石，确保水不能进入水压传感器内部；
4、将水压传感器和三维孔壁应变传感器的信号线、电源线从三维孔壁应变传感器中间预留的线孔穿出，同时，密封线孔两端，做好防水措施；
5、将水压传感器固定在三维孔壁应变传感器端头的不锈钢条中间的储胶仓内，跟三维孔壁应变传感器一起安装；
6、使用时在孔外安装电源，接通电源线；
7、在孔外安装带有存储装置和大功率无线传输装置的电路板，接通水压传感器、三维孔壁应变传感器信号线，确保数据的实时无线传输，同时，可以避免无线传输信号不良时，人工获取水压传感器和三维孔壁应变传感器所测得的数据。
本发明设计了一种能够实时测量水压力、采动应力和温度的装置。水压传感器采用压电式压力传感器，能够更灵敏更精确，采用高透水性的透水石，有较好的过滤作用，同时，又能确保水能及时渗入透水石，将水压作用在压电式压力传感器上，在水压计内部设计塑料模具，将各个部件插在塑料模具上，方便维修和拆换，在水压传感器尾部导线孔做好密封工作，确保不会有水进入，同时采用高灵敏度温度传感器，精确测量水压传感器所处的环境的温度，并将水压力与温度以及采动应力信息及时传送出来，存储在孔外的存储装置上，并通过大功率无线发射装置，实时将数据传送出去，做到实时的动态监测。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，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。

Claims (8)

1.一种同时测量水压、温度、采动应力的装置，其特征在于：包括水压传感器和三维孔壁应变传感器，水压传感器包括压电式压力传感器和温度传感器，水压传感器安装在三维孔壁应变传感器端头的挤胶塞(11)上面，水压传感器端头设有透水石(2)，透水石(2)后安装压电式压力传感器(9)，温度传感器(10)安装在整个装置内部，三维孔壁应变传感器端头设有设置有两根不锈钢条一(1)，水压传感器前端设有两根不锈钢条二(17)，储胶仓(14)设置在两根不锈钢条二(17)之间，储胶仓(14)端部设置挤胶塞(11)，水压传感器外包金属外壳(3)，压电式压力传感器(9)和温度传感器(10)分别安装在塑料模具(4)上的压电式压力传感器卡槽(8)和温度传感器卡槽(18)中，压电式压力传感器导线(13)、温度传感器导线(12)和三维孔壁应变传感器导线(19)在三维孔壁应变传感器中间的预留线孔(16)中穿出，透水座(5)设置在整个装置端部，透水座(5)上设置透水石卡槽(7)，挤胶塞(11)上设有挤胶孔(20)。
2.根据权利要求1所述的同时测量水压、温度、采动应力的装置，其特征在于：所述透水石(2)和压电式压力传感器(9)四周设有氟橡胶“o”型密封圈(6)。
3.根据权利要求1所述的同时测量水压、温度、采动应力的装置，其特征在于：该装置在安装时，储胶仓(14)内放满环氧树脂胶。
4.根据权利要求1所述的同时测量水压、温度、采动应力的装置，其特征在于：所述三维孔壁应变传感器内部安装有三个应变花(15)。
5.根据权利要求1所述的同时测量水压、温度、采动应力的装置，其特征在于：所述透水石(2)安装在透水座(5)上面的透水石卡槽(7)中。
6.根据权利要求1所述的同时测量水压、温度、采动应力的装置，其特征在于：所述压电式压力传感器导线(13)、温度传感器导线(12)和三维孔壁应变传感器导线(19)连接在该装置外部的无线发射装置上，无线发射装置安装在防水安装盒内。
7.根据权利要求1所述的同时测量水压、温度、采动应力的装置，其特征在于：所述预留线孔(16)两端用橡胶圈密封。
8.根据权利要求1所述的同时测量水压、温度、采动应力的装置，其特征在于：所述不锈钢条一(1)和不锈钢条二(17)安装时顶在岩孔端部。
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