CN1123761C - 应变检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测固体变形的装置(10)，包括一个插入壳体(11)，该壳体具有内部分隔壁(20)和充有流体(36和34)的下密闭段(26)和上密闭段(24)。第一应变传感系统(38)和第二应变传感系统(42)分别安装在下密闭系统和上密闭系统中。一个使第二应变传感系统与下密闭段(26)相连的阀(18)是常闭的，该阀的结构适于在响应第一应变传感系统发出的信号时打开。第二应变传感系统的结构和配置使之能测量过大的应变。
Description
技术领域
本发明一般涉及用于检测固体中的应变和变形的装置，特别是涉及适合于检测地球应变的装置。
背景技术
利用并孔应变计和系统测量地下岩层运动是公知的，虽然目前已经制造出各种不同的应变计和系统的商品，但是这些商品大都存在缺点和操作上的局限性。
一种公知的井孔应变计是一个通过可伸缩的胶泥以预应力状态固定到井孔中的弹性金属管，以便使该金属管精确地跟踪岩层的变形。此变形经液压装置放大后驱动一个小的薄壁的膜盒，然后驱动一个电动传感器。电源和信号全部通过一根电缆达到地面。目前有许多这样的装置在世界范围内使用。
有很多这样的检测装置安装在地震多发区，以研究震前产生的应变以及近场变形及其发展。为了精确地检测小到10-12的应变，必须将最大的瞬时应变测量限制在10-5左右，这是由于受到电传感器即低噪声LVDT(线性可变的差动变压器)的行程的限制。该检测装置的机械的和液压的部件的运动范围则大得多，比10-3还大，它可以跟踪任何可能发生的地震应变。由于比较接近地震发生这一事件，所以通过一个自动打开的阀释放检测体积内的压力来防止传感器和膜盒过压。如果这个阀在一次地震期间打开，则这个阶跃应变的信息就丢失了。这种情况在最临近地震发生时的检测装置中时有发生。
因此，需要提供一种能保证在一个瞬时的应变幅值迫使阀打开时也不丢失应变阶跃变形信息的应变传感系统。
发明内容
本发明是为了满足上述要求而提出的，这个目的是通过提供一个检测固体变形的装置而达到的。该装置包括一个具有能插入在固体中的结构和布置的壳体。该壳体具有限定一个大致密封的容器的壁。该容器有一个把该容器分隔成一个上密闭段和一个下密闭段的内部分隔壁。流体大致充满下密闭段并在下密闭段的内壁间流动。第一应变传感系统与容器的下密闭段流体连通，这样就可通过该第一应变传感系统检测液体压力变化所引起的壁的变形。而第二应变传感系统则配置在上密闭段中，该上密闭段只部分填充流体。一个阀使第二应变传感系统与下密闭段流体连通。该阀与第一应变传感系统在工作上联动，并且是常闭的，以便防止下部的流体与第二应变传感系统连通。阀的结构和布置应能完成下述功能：当第一应变传感系统达到一应变测量值的工作极限时，该阀响应该第一应变传感系统发出的信号而打开，借此防止超过第一应变传感系统的工作极限的应变损坏该应变传感系统。第二应变传感系统的结构和布置能够测量过大的应变值。
该应变传感测量装置主要由一个充满流体的弹性管构成，该弹性管通过可伸缩胶泥在预应力的状态下固定在井孔中。当该弹性管在周围介质产生的力的作用下变形时，它的体积产生微小的变化，并使流体排出到一个小直径的薄壁膜盒中。膜盒的长度随着排出的流体发生变化，而这个长度的变化被线性差动变压器或其它公知的装置监测。
本发明的另一目的是提供一种利用上述装置检测固体中变形的方法。该方法包括：将该壳体插入到固体中，其方式应可使固体的变形传递到该壳体的壁上。通过第一应变传感系统检测容器壁的变形，确定该固体的应变，即第一应变传感系统通过在容器壁变形时使下密闭段的流体与第一应变传感系统流体连通而进行传感。为了保证第一应变传感系统不发生由于固体中的过大应变引起超过应变测量值极限的现象，需要对第一应变传感系统进行监测。当第一应变传感系统大致达到其工作极限时，阀打开，使下密闭段与第二应变传感系统流体连通，从而防止第一应变传感系统受损坏。通过第二应变传感系统测量该过大的应变。
其中，还包括一个连接结构，该结构的构成和配置能使容器壁与壳体所插入的固体刚性连接，以便把固体的变形传送给容器壁，并在容器的下密闭段的流体中产生压力脉冲。
其中，所述的连接结构是封装水泥。
通过下面结合附图的构成了本发明的说明书的详细说明与权利要求可以更清楚地了解本发明的其它目的、特点和特征、操作方法与结构有关的零部件和零部件组合的功能以及制造的经济性。本发明的详细描述
参看附图可以更清楚地理解本发明，这个附图是在地下岩层的井孔内的传感装置的示意剖视图。
参看附图，整个装置用10代表，它包括一个通过水泥封装14形成的连接结构紧密地配置在大地13的井孔12中的壳体或容器11。封装14是一种可伸缩的水泥，例如在美国专利USP3155526、USP3251701和USP3030037中所描述的含有硫酸钙铝的可伸缩的水泥之一，这三篇美国专利被本申请作为参考文件而引用。
壳体11由一个在岩层中的有预应力的钢管组成，以便使其精确地跟踪岩层中的细微变形。壳体11包括一个充有传感流体36并在打开时与一个小的膜盒16连通的下密闭段26。一个常闭的电子控制阀18安装在上段24和下段26之间的壁20上。上段24部分充有流体34，而流体上面充有一层气体32。在所述的流体水平面上的气体空间允许膜盒16和28随很小的回压变形。
装置10的灵敏度正比于传感体积与膜盒16面积的比值，因此为了获得某些研究所需要的最高灵敏度，膜盒16的面积应该小。通常这些装置的测量范围在10-12到约3×10-6之间，超过这个范围，膜盒就处在过度伸长状态。然而邻近地震时的应变可以超过10-4。为了防止这些装置在这样的状态下被损坏，按照惯例是配置一个电子控制阀，当小膜盒16的行程达到其安全工作极限时，该阀就打开，与一个非增压的储液桶连通。一旦阀打开，流体就流出该传感体积，同时引起应变信息的丢失，而这个信息对于研究地震过程却具有特别重要的价值。
按照本发明，这个电子控制阀18与连接到膜盒28上的管22流体连通。一个常闭的阀30安装在膜盒28的下密闭段上，阀30用于填充流体阶段的操作，将流体供给装置10。
在装置10中，一旦阀18打开，流出打开的阀18的流体就进入直径大得多的第二膜盒28中，如下面将更详细说明的那样。第二膜盒28的直径和体积大到足以能适应大于10-4的应变并能测量该应变。
在上段24和下段26中使用的流体34和36可以是如美国专利USP3635076中所描述的与装置结构相适应的任何流体，该篇美国专利作为本申请的参考文件被引证。
虽然可以采用三氯甲烷饱和水溶液和其它流体，但硅油被认为是最适合于本发明这个目的的流体。气体32可以采用任何与装置结构相适应的气体。适合的气体包括氩、氮等气体。
在实际操作中，当周围结构的应变发生变化时，井孔12将变形，壳体11的壁33将跟踪井孔变形。随着壳体的变形，传感流体36的体积发生变化，并使其中的流体压力发生变化，这个压力的变化通过膜盒16的膨胀被检测出。膜盒16最好是一个波纹管膜盒，该膜盒与一个线性差动变压器38或其它适合的测量装置相连。差动变压器(LVDT)38以一种公知的方式提供膜盒16的长度上变化的电信号指示。膜盒16和差动变压器38确定一个应变传感系统。产生的相应于应变的电信号可以通过适合的引线40传送到地面上。
在正常运行中，阀18关闭，在传感流体36中的任何体积变化都能引起膜盒16的伸长(或收缩)。通过LVDT38或类似的装置测量膜盒16的上述运动。如果井孔12的变形大到使膜盒16伸长(或压缩)到其工作极限，并被所连接的LVDT检测到时，阀18被从膜盒16上的LVDT38上引出的线44所传送的电信号打开。
流体将通过阀18流入大直径的膜盒28中，该膜盒28的膨胀(或压缩)被第二LVDT42测量。因此，过大的应变可以利用膜盒28和与其相连的线性差动变压器(LVDT)42测量，于是膜盒28和LVDT42确定了第二应变传感系统。
在这个大的变形发生过后，即在这个地震引起的变形发生后阀18关闭，装置10恢复到其高灵敏度状态。
虽然在此是就用于大地变形检测装置进行详细说明的，但是应该指出，本发明的装置可以用于检测想要检测的任何固体结构中的应变，例如水坝、墙壁等。
可以认为，本发明的各项目的已经有效地达到。通过提供大体积的第二膜盒28，保证了即使最大的预期应变也不会将LVDT42驱动到其工作极限位置之外。
虽然上面是结合被认为是最实用的和优选的实施例描述本发明的，但是不难理解，本发明并不限于所描述的实施例，正好相反，本发明应覆盖包括在权利要求书限定的精神和范围内的各种改型和等同结构。
Claims (10)
1.一种用于检测固体应变和变形的装置，包括：
一个在结构和配置上适合于插入固体中的壳体，所述壳体具有限定一个密闭容器的壁，所述容器有一个把该容器分隔成一个上密闭段和一个下密闭段的内部分隔壁；
一种充满下密闭段并且可在下密闭段的内壁间流动的流体，所述流体至少部分充填所述上密闭段；
一个与容器的下密闭段流体连通的第一应变传感系统，以便通过该第一应变传感系统检测所述壁变形引起的体积变化；
一个具有比第一应变传感系统的量程大并位于所述上密闭段中的第二应变传感系统，该第二应变传感系统可以在固体的变形超过第一应变传感系统的测量极限时工作，以及
一个使第二应变传感系统与所述下密闭段流体相连通的阀，所述的阀与所述第一应变传感系统联动工作，并且是常闭的，以防止下密闭段与所述第二应变传感系统流体连通，所述阀的结构和配置适合于在第一应变传感系统达到应变测量值的工作极限时响应第一应变传感系统发出的信号而打开，使流体从下密闭段流入第二应变传感系统，从而使第一应变传感系统不被超过其工作极限的应变损坏，所述第二应变传感系统的结构和配置适合于测量超过第一应变传感系统的工作极限的应变。
2.如权利要求1所述的装置，其中，还包括一个连接结构，该结构的构成和配置能使容器壁与壳体所插入的固体刚性连接，以便把固体的变形传送给容器壁，并在容器的下密闭段的流体中产生压力脉冲。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述的连接结构是封装水泥。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述的流体是硅油和三氯甲烷饱和水溶液中的一种。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述壳体是钢管。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一和第二应变传感系统各包括一个与下密闭段流体连通的膜盒和一个与相关的膜盒连接并且被膜盒操纵的差动变压器。
7.如权利要求6所述的装置，其中，第二应变传感系统的膜盒具有一个大到能保证即使预期最大的应变也不会使与其相连的差动变压器工作到该差动变压器的工作极限之外的有效面积。
8.如权利要求6所述的装置，其中，所述的阀是一个电子控制阀，并且在第一应变传感系统的差动变压器检测到第一应变传感系统的膜盒运动至其工作极限位置时，该阀受到一个电信号驱动而打开，以便允许流体从下密闭段流入第二应变传感系统的膜盒中。
9.如权利要求6所述的装置，其中，第一和第二应变传感系统分别被上密闭段中的流体包围，并且在流体的上方有一个气体空间，该气体空间使每个膜盒随小的回压而变形。
10.一种利用传感装置检测固体中的应变和变形的方法，该传感装置包括一个具有限定一个密闭容器的壁，该容器有一个把该密闭容器分隔成一个上密闭段和一个下密闭段的内部分隔壁；一种充满下密闭段并可在下密闭段的内壁间流动的流体，该流体至少部分充填在上密闭段中；第一应变传感系统与容器的下密闭段流体连通；一个量程比第一应变传感系统大并且安装在上密闭段的第二应变传感系统和一个使第二应变传感系统与下密闭段流体相连通的阀，该阀与第一应变传感系统联动工作，并且是常闭的，以便防止在下密闭段中的流体与第二应变传感系统连通；其特征在于，该方法包括：
以一种可以把固体的变形传递给该壳体壁的方式将壳体插入到固体中；
利用第一应变传感系统，在容器壁变形时使下密闭段中的流体与第一应变传感系统连通，通过检测容器壁的变形测定固体的应变；
监测第一应变传感系统，以便保证第一应变传感系统不因固体中的过大应变而使其超过应变测量值的极限；
当第一应变传感系统达到工作极限时打开该阀，使下密闭段与第二应变传感系统流体连通，借此防止第一应变传感系统被损坏；以及
用第二应变传感系统检测超过第一应变传感系统的工作极限的应变，借此保证在瞬时应变幅值超过第一应变传感系统的工作极限时响应第一应变传感系统发出的信号将阀打开，从而不丢失应变阶跃信息。
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