CN114593665A - 一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置，包括：加载框架，用于对垂向钻孔应变仪探头施加探头轴线方向的力；探头固定机构，用于对所述垂向钻孔应变仪探头进行固定；以及标准检测机构，用于检测所述垂向钻孔应变仪探头在轴线方向的压缩变形量。本发明的加载框架通过液压伺服模块提供力源，对垂向钻孔应变仪探头施加竖直方向的载荷。探头固定机构通过卡盘和卡爪将垂向钻孔应变仪探头竖直固定在加载框架的底板上。标准检测机构通过激光干涉仪探头测量垂向钻孔应变仪探头在轴向的变形。本发明能够对垂向钻孔应变仪进行室内整机标定，标定对象同时包含了作为核心弹性敏感元件的探头外壳以及探头内部的电容传感器。相比目前只针对探头内部电容传感器标定的方法，整机标定更能体现仪器的整体性能。

Description

一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置

技术领域

本发明涉及地壳应力应变观测领域，尤其涉及一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置。

背景技术

垂向钻孔应变仪用于观测地壳垂直方向应力应变状态的相对变化。垂向钻孔应变仪包括一个长圆筒形的探头，在使用时将探头竖直放进钻孔，并用水泥将探头和钻孔围岩耦合固结在一起。钻孔围岩的垂向应力应变通过水泥传递到垂向钻孔应变仪的探头上，使探头发生轴向的拉伸和压缩，并通过探头内部的高精度电容传感器记录这一变化。

垂向钻孔应变仪的探头外壳参与测量过程，是核心弹性敏感元件，在进行仪器的室内整机标定时，需要对整个探头进行加载并测量其弹性变形。由于垂向钻孔应变仪的测量精度极高，测量分辨力在10^-10应变量级，由标定装置的机械变形误差、力源稳定性、标准检测设备分辨力、温度变化、环境振动等造成的不确定性对测量结果影响较大，因此目前还没有一种有效地针对整机的室内标定装置。现在通用的做法是单独对探头内部的电容传感器进行标定，但这显然不能代表仪器的整机性能。

发明内容

本发明的目的在于解决上述目前没法在实验室内对垂向钻孔应变仪进行整机标定的问题，提出了一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置，能够以探头作为弹性敏感元件进行整机标定。

本发明的一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置，包括：加载框架，用于对垂向钻孔应变仪探头施加探头轴线方向的力；探头固定机构，用于对所述垂向钻孔应变仪探头进行固定；以及标准检测机构，用于检测所述垂向钻孔应变仪探头在轴线方向的压缩变形量。

优选地，所述加载框架包括：顶板、底板、立柱、锁紧螺母、液压伺服模块、活塞、自动找正球铰和加载头。

优选地，所述顶板和所述底板通过所述立柱固定连接，通过所述锁紧螺母进行锁紧，所述液压伺服模块固定于所述顶板中心处，所述活塞和所述液压伺服模块连接，并能在液压驱动下沿自身轴线移动，所述自动找正球铰一端连接所述活塞，另一端连接所述加载头。

优选地，所述探头固定机构包括卡盘、卡爪、下标定头和上标定头。

优选地，所述卡盘固定在所述底板中心处，所述卡盘上安装有3个卡爪，所述卡爪可沿径向调节位置，所述下标定头的上端与所述垂向钻孔应变仪探头连接，下端由所述卡爪固定，所述上标定头的下端与所述垂向钻孔应变仪探头连接，上端作为加载表面。

优选地，所述上标定头的下端具有凸出的边缘作为测量表面，所述下标定头还具有侧孔用于引出所述垂向钻孔应变仪的电缆。

优选地，所述标准检测机构包括水平移动台、支架、传感器固定装置和激光干涉仪探头。

优选地，所述水平移动台固定在所述底板上，所述支架安装在所述水平移动台上并可沿着所述水平移动台的长度方向调节位置，所述传感器固定装置安装在所述支架上并可在竖直方向调节位置，所述激光干涉仪探头安装在所述传感器固定装置上。

优选地，所述水平移动台共有4个，在水平面内间隔90度均匀分布，每一个所述水平移动台上固定有一个所述支架，每一个所述支架上均安装有2个所述传感器固定装置。

优选地，所述激光干涉仪探头分作两组，每组4个，均在水平面内间隔90度均匀分布，第一组用于测量所述上标定头的下表面在垂直方向的位移，第二组用于测量所述下标定头的上表面在垂直方向的位移。

本发明的有益效果是：

本发明的垂向钻孔应变仪室内整机标定装置能够针对垂向钻孔应变仪的探头进行标定，标定对象同时包含了作为核心弹性敏感元件的探头外壳以及探头内部的电容传感器，因此更能代表仪器的整机性能。

附图说明

图1为本发明的垂向钻孔应变仪室内整机标定装置的正面结构示意图。

图2为本发明的垂向钻孔应变仪室内整机标定装置的A-A向剖面图。

附图标记说明：

1-顶板，2-底板，3-立柱，4-锁紧螺母，5-液压伺服模块，6-活塞，7-自动找正球铰，8-加载头，9-卡盘，10-卡爪，11-下标定头，12-上标定头，13-水平移动台，14-支架，15-传感器固定装置，16-激光干涉仪探头，17-垂向钻孔应变仪探头，18-电缆。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明，其目的仅在于更好地理解本发明的研究内容而非限制本发明的保护范围。

本发明的一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置，能够针对探头进行整机标定。本发明装置包括：加载框架，用于对垂向钻孔应变仪探头施加探头轴线方向的力；探头固定机构，用于对所述垂向钻孔应变仪探头进行固定；以及标准检测机构，用于检测所述垂向钻孔应变仪探头在轴线方向的压缩变形量。下面结合图1和图2对本发明的结构进行详细说明。

如图1-2所示，本发明的垂向钻孔应变仪室内整机标定装置的加载框架包括：顶板1、底板2、立柱3、锁紧螺母4、液压伺服模块5、活塞6、自动找正球铰7和加载头8。其中，所述顶板1和所述底板2通过所述立柱3固定连接，并通过所述锁紧螺母4进行锁紧。所述液压伺服模块5固定于所述顶板2中心处，所述活塞6和所述液压伺服模块5连接，并能在液压驱动下沿自身轴线移动，所述自动找正球铰7一端连接所述活塞6，另一端连接所述加载头8。

本发明装置的探头固定机构包括卡盘9、卡爪10、下标定头11和上标定头12。其中，所述卡盘9固定在所述底板2中心处，所述卡盘上安装有3个卡爪10，所述卡爪10可沿径向调节位置。所述下标定头11的上端与所述垂向钻孔应变仪探头17连接，下端由所述卡爪10固定。所述上标定头12的下端与所述垂向钻孔应变仪探头17连接，上端作为加载表面。优选地，所述上标定头12、所述下标定头11的直径是垂向钻孔应变仪探头17的直径的1.5～2倍，所述上标定头12的下表面和所述下标定头11的上表面构成所述激光干涉仪探头17的测量表面。

优选地，所述上标定头12的下端具有凸出的边缘作为测量表面，所述下标定头还具有侧孔用于引出所述垂向钻孔应变仪17的电缆18。这里，由于垂向钻孔应变仪探头17在上表面中心处有一根电缆18，加载头8没法直接对垂向钻孔应变仪探头17的上表面进行加载，激光干涉仪探头16也没法直接测量垂向钻孔应变仪探头17上表面中心处的位移，因此本发明设计了上标定头12的上述特定结构来解决这两个问题。上标定头12的上端作为加载表面，下端的凸出边缘作为激光干涉仪探头16的测量表面，侧边开的孔用来引出电缆18。

接下来说明本发明装置的标准检测机构的结构。该标准检测机构具体包括水平移动台13、支架14、传感器固定装置15和激光干涉仪探头16。其中，所述水平移动台13固定在所述底板2上，所述支架14安装在所述水平移动台13上并可沿着所述水平移动台13的长度方向调节位置。所述传感器固定装置15安装在所述支架14上并可在竖直方向调节位置，所述激光干涉仪探头16安装在所述传感器固定装置15上。

优选地，所述水平移动台13共有4个，在水平面内间隔90度均匀分布，每一个所述水平移动台13上固定有一个所述支架14，每一个所述支架14上均安装有上下2个所述传感器固定装置15。每一个所述传感器固定装置15上均安装有1个所述激光干涉仪探头16。

所述激光干涉仪探头16分作上下两组，每组4个，均在水平面内间隔90度均匀分布，第一组(即上面的一组)用于测量所述上标定头的下表面在垂直方向的位移，第二组(即下面的一组)用于测量所述下标定头的上表面在垂直方向的位移。第一组激光干涉仪探头和第二组激光干涉仪探头在竖直方向上一一对应。

即本发明中，激光干涉仪探头16同时测量所述上标定头12下表面在四个不同位置的位移，以及所述下标定头11上表面在四个不同位置的位移，并由此拟合垂向钻孔应变仪探头17在中轴线处的垂向变形，从而能够减小系统测量误差。这是由于垂向钻孔应变仪的测量精度极高，用上标定头12下表面边缘处一个点的位移代替垂向钻孔应变仪探头17上表面中心处的位移所产生的误差不能忽略。因此本发明同时使用4个激光干涉仪探头16来测量上标定头12下表面在四个位置的位移，并由此拟合出垂向钻孔应变仪探头17上表面中心处的位移，可以大大减小这种误差的影响。为了获得更多垂向钻孔应变仪探头17的变形信息用作参考，垂向钻孔应变仪探头17下表面的位移测量采用了与上表面相同的方法。

下面对本发明的垂向钻孔应变仪室内整机标定装置的测量原理进行说明。本发明装置通过液压伺服模块5提供力源，并通过加载框架对垂向钻孔应变仪探头17施加探头轴线方向的力。垂向钻孔应变仪探头17在力的作用下产生轴向压缩变形，通过激光干涉仪探头16可以测得垂向钻孔应变仪探头17上表面和下表面的位移，两者相加就是垂向钻孔应变仪探头17在轴向的压缩变形量。同时通过垂向钻孔应变仪探头17内部的电容传感器可以测得一个电压变化量。将激光干涉仪探头16测得的垂向钻孔应变仪探头17在轴向的压缩变形量作为输入，将垂向钻孔应变仪探头17内部电容传感器测得的电压变化量作为输出，根据输入和输出的关系就可以对垂向钻孔应变仪探头17进行标定。

本发明的垂向钻孔应变仪室内整机标定装置可用于垂向钻孔应变仪的灵敏度标定、格值标定、线性度标定、量程标定，也可用于上述参数的校准。下面以灵敏度标定为实施例对本发明装置的工作过程进行详细介绍。

1、样品安装与调试。将本发明装置的下标定头11安装到垂向钻孔应变仪探头17的下表面，将上标定头12安装到垂向钻孔应变仪探头17的上表面，并将电缆18从上标定头12的侧孔中引出。将垂向钻孔应变仪探头17竖直放置在卡盘9上，并用卡爪10将下标定头11的下端固定。分别调节4个水平移动台13，使所有的激光干涉仪探头16都在水平面内对准预定的测量表面。分别调节8个传感器固定装置15在竖直方向的位置，使所有的激光干涉仪探头16都处在工作范围内。调试待标定的垂向钻孔应变仪样品，使其处于正常工作范围内。

2、样品标定。通过液压伺服模块5驱动活塞6向下移动，直到加载头8接触到上标定头12的上表面，并保持一定的起始压力。记录激光干涉仪16和垂向钻孔应变仪的观测数据(即垂向钻孔应变仪探头17内部的电容传感器测得的电压变化量)。继续加载至终止压力，再次记录激光干涉仪16和垂向钻孔应变仪的观测数据。将激光干涉仪16两次读数的差作为输入，将垂向钻孔应变仪两次读数的差作为输出，输出/输入即为所标定的垂向钻孔应变仪灵敏度。重复上述步骤5-10次，取平均值作为最终的标定结果。

3、样品拆卸。打开液压伺服模块5的泄压回路，使活塞6向上缩回原位。调节水平移动台13，使支架14、传感器固定装置15和激光干涉仪探头16远离中心位置。松开卡爪10，取出垂向钻孔应变仪探头17。将上标定头12和下标定头11从垂向钻孔应变仪探头17上卸下。

显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置，其特征在于，包括：

加载框架，用于对垂向钻孔应变仪探头施加探头轴线方向的力；

探头固定机构，用于对所述垂向钻孔应变仪探头进行固定；以及

标准检测机构，用于检测所述垂向钻孔应变仪探头在轴线方向的压缩变形量。

2.根据权利要求1所述的一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置，其特征在于，所述加载框架包括：顶板、底板、立柱、锁紧螺母、液压伺服模块、活塞、自动找正球铰和加载头。

3.根据权利要求2所述的一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置，其特征在于，所述顶板和所述底板通过所述立柱固定连接，通过所述锁紧螺母进行锁紧，所述液压伺服模块固定于所述顶板中心处，所述活塞和所述液压伺服模块连接，并能在液压驱动下沿自身轴线移动，所述自动找正球铰一端连接所述活塞，另一端连接所述加载头。

4.根据权利要求3所述的一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置，其特征在于，所述探头固定机构包括卡盘、卡爪、下标定头和上标定头。

5.根据权利要求4所述的一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置，其特征在于，所述卡盘固定在所述底板中心处，所述卡盘上安装有3个卡爪，所述卡爪可沿径向调节位置，所述下标定头的上端与所述垂向钻孔应变仪探头连接，下端由所述卡爪固定，所述上标定头的下端与所述垂向钻孔应变仪探头连接，上端作为加载表面。

6.根据权利要求5所述的一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置，其特征在于，所述上标定头的下端具有凸出的边缘作为测量表面，所述下标定头还具有侧孔用于引出所述垂向钻孔应变仪的电缆。

7.根据权利要求6所述的一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置，其特征在于，所述标准检测机构包括水平移动台、支架、传感器固定装置和激光干涉仪探头。

8.根据权利要求7所述的一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置，其特征在于，所述水平移动台固定在所述底板上，所述支架安装在所述水平移动台上并可沿着所述水平移动台的长度方向调节位置，所述传感器固定装置安装在所述支架上并可在竖直方向调节位置，所述激光干涉仪探头安装在所述传感器固定装置上。

9.根据权利要求8所述的一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置，其特征在于，所述水平移动台共有4个，在水平面内间隔90度均匀分布，每一个所述水平移动台上固定有一个所述支架，每一个所述支架上均安装有2个所述传感器固定装置。

10.根据权利要求9所述的一种垂向钻孔应变仪室内整机标定装置，其特征在于，所述激光干涉仪探头分作两组，每组4个，均在水平面内间隔90度均匀分布，第一组用于测量所述上标定头的下表面在垂直方向的位移，第二组用于测量所述下标定头的上表面在垂直方向的位移。

Images