CN207689055U - 一种地应力测量探头以及地应力测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种地应力测量探头以及地应力测量系统，涉及岩体的地应力测量技术领域，包括探头本体、压力传感单元和数据传输单元；所述探头本体具有内腔，所述压力传感单元和所述数据传输单元设置在所述探头本体的内腔中；所述数据传输单元与所述压力传感单元电连接，用于将所述压力传感单元与预设的终端通讯连接；所述压力传感单元包括至少一个FBG光学传感器，所述FBG光学传感器包括FBG应变传感器。在上述技术方案中，所述地应力测量探头在进行地应力测量的时候，采用的是FBG光学传感器，而FBG光学传感器具有体积小、反应灵敏的优点，可以大大的提高测量精度，减少测量误差。

Description

一种地应力测量探头以及地应力测量系统

技术领域

本实用新型涉及岩体的地应力测量技术领域，尤其是涉及一种地应力测量探头以及地应力测量系统。

背景技术

地应力是赋存于岩体中的一种应力，它不仅是地质环境与地壳稳定性评价的主要因素，也是地质工程设计和施工的重要资料之一。

目前工程上应用最广泛的应力测量方法是水压致裂法和套孔应力解除法，由于水压致裂法存在必须事先假定地应力张量的一个主方向与钻孔轴向一致的局限，因此，套孔应力解除法因其可靠性和稳定性被认为是获得空间三维应力的理想测试方法。

目前，工程中套孔解除法使用最多的是36-2型钻孔变形计，其传感器为钢FBG光学传感器，套孔应力解除过程中将应力释放产生的钻孔变形转化为钢环的变形。

但是，这种36-2型钻孔变形计在进行地应测量的时候误差较大，已经不能够满足现有的工作需求，所以，如何提高地应力测量的精准度已经成为本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种地应力测量探头以及地应力测量系统，以解决现有技术中存在的地应力测量中误差较大的技术问题。

经过对现有技术中的地应力测量过程进行研究，发现现有的地应力测量探头一般都采用压电式传感器进行地应力的测量，而这种压电式传感器体积较大，所以导致每个环式钢片是只能贴2～4个压电式传感器，组成的应变测量单体只能测出一组数据。

在对测量的数据处理时，四个钢片测出四组不同方向上的应变数据，任取三组带入三元一次方程组，算出四组钻孔截平面上的二维地应力(最大、最小主应力值和方向)，最后取平均处理，得到该测量孔段最佳的平面主应力。

上述过程相当于一次测量只能测出四组值，仅仅能够满足统计平均计算的基本要求，因此这种小数量样本的统计会使测量误差较大。

并且，这种压电传感器受温度影响也很大，当地应力测量探头在岩体内被大钻头套芯钻进的过程中，钻头会高速摩擦地应力测量探头周围的岩芯，进而导致局部温度上升，通过钻探用水喷在地应力测量探头尾部来冷却，其效果也是较差的，而遇有温度异常导致的应变数据变化不能识别，所以会带来测量误差。

基于上述压电式传感器所带来的技术问题，本申请提供了如下的技术方案予以解决。

本实用新型提供的一种地应力测量探头，包括探头本体、压力传感单元和数据传输单元；

所述探头本体具有内腔，所述压力传感单元和所述数据传输单元设置在所述探头本体的内腔中；

所述数据传输单元与所述压力传感单元电连接，用于将所述压力传感单元与预设的终端通讯连接；

其中，所述压力传感单元包括至少一个FBG光学传感器，所述FBG光学传感器包括FBG应变传感器。

在上述技术方案中，所述地应力测量探头在进行地应力测量的时候，采用的是FBG光学传感器，而FBG光学传感器具有体积小、反应灵敏以及耗能少的优点，并且其精度为压电式传感器的1000倍左右，可以大大的提高测量精度，减少测量误差。

并且，在地应力测量的时候，基于所述FBG光学传感器体积小的特点，还能够在同体积下的地应力测量探头中设置更多的FBG光学传感器，一次采集到更多的样本数据，这样就能够提高数据处理的精度。

进一步的，在本实用新型的实施例中，所述FBG光学传感器还包括FBG温度传感器；

所述FBG温度传感器与所述FBG应变传感器连接。

进一步的，在本实用新型的实施例中，所述数据传输单元包括数据采集芯片和无线收发芯片；

所述数据采集芯片，用于获取测量数据；

所述无线收发芯片与所述数据采集芯片电连接，用于与预设的终端无线传递所述测量数据。

进一步的，在本实用新型的实施例中，所述数据传输单元还包括电子罗盘芯片；

所述电子罗盘芯片与所述数据采集芯片电连接。

进一步的，在本实用新型的实施例中，所述地应力测量探头还包括定向芯片；

所述定向芯片设置在所述探头本体的内腔内。

进一步的，在本实用新型的实施例中，所述地应力测量探头还包括钢环；

所述FBG光学传感器设置在所述钢环的表面。

进一步的，在本实用新型的实施例中，所述FBG光学传感器通过环氧型胶黏剂粘贴在所述钢环的表面。

进一步的，在本实用新型的实施例中，所述地应力测量探头还包括传感器座；

所述FBG光学传感器设置在所述传感器座上。

进一步的，在本实用新型的实施例中，所述压力传感单元还包括光纤信号解调仪；

所述光纤信号解调仪与所述FBG光学传感器连接。

进一步的，在本实用新型的实施例中，所述探头本体的尾部设置有锥形卡紧器。

本申请还提供了一种地应力测量系统，包括所述地应力测量探头。

在上述技术方案中，所述地应力测量系统采用了所述地应力测量探头，利用所述地应力测量探头中FBG光学传感器的体积小、反应灵敏以及耗能少的优点，可以大大的提高测量精度，减少测量误差。

其中，在地应力测量的时候，基于所述FBG光学传感器体积小的特点，还能够在同体积下的地应力测量探头中设置更多的FBG光学传感器，一次采集到更多的样本数据，这样就能够提高数据处理的精度。

所述FBG光学传感器精度为压电式传感器的1000倍左右，也可以大大的提高测量精度，减少测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一个实施例提供的探头本体的结构示意图；

图2为本实用新型一个实施例提供的压力传感单元和无线数据单元的电连接结构示意图；

图3为本实用新型一个实施例提供的电子罗盘芯片的电连接结构示意图；

图4为本实用新型另一实施例提供的探头本体的结构示意图。

附图标记：

1-探头本体；

21-FBG光学传感器；

31-数据采集芯片；32-无线收发芯片；33-电子罗盘芯片；

41-定向芯片。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

图1为本实用新型一个实施例提供的探头本体的结构示意图；

图2为本实用新型一个实施例提供的压力传感单元和无线数据单元的电连接结构示意图。

首先，如图1和图2所示，本实施例提供的一种地应力测量探头，包括探头本体1、压力传感单元和数据传输单元。

在此，所述压力传感单元可进行地应力的测量，而当所述压力传感单元获得了地应力的测量数据以后，就可以与所述数据传输单元进行数据传输，将测得的测量数据传输给所述无线数据单元。

所述探头本体1具有内腔，所述压力传感单元和所述数据传输单元设置在所述探头本体1的内腔中。

而所述数据传输单元与所述压力传感单元电连接，用于将所述压力传感单元与预设的终端通讯连接，这样就能够把测量数据传输出去。

其中，所述压力传感单元包括至少一个FBG光学传感器21，所述FBG光学传感器21包括FBG应变传感器，所述FBG应变传感器就是用来具体测量地应力的部分。

所以说，由于所述地应力测量探头在进行地应力测量的时候，采用的是FBG光学传感器21，而FBG光学传感器21具有体积小、反应灵敏以及耗能少的优点，并且其精度为压电式传感器的1000倍左右，所以就可以大大的提高测量精度，减少测量误差。

并且，在地应力测量的时候，基于所述FBG光学传感器21体积小的特点，还能够在同体积下的地应力测量探头中设置更多的FBG光学传感器21，一次采集到更多的样本数据，这样就能够提高数据处理的精度。

举例说明，若采用压电式传感器进行测量的时候，假设采样频率为每进尺2cm读一次数，那么进尺2cm一般需要20s左右，即采样频率为20s/bit，而采用FBG光学传感器21则可以实现1bit/s，这将大大的提高测量效率。

而基于这种高效的测量效果，就可以在单位时间内测得更多的数据样本，进而充分利用统计学进行数据分拣和平均整理，提高测量的精度。

不仅如此，FBG光学传感器21还具有质量轻的优点，可以降低人力成本，增加测量深度。

进一步的，在本实用新型的实施例中，所述FBG光学传感器21还包括FBG温度传感器；

所述FBG温度传感器与所述FBG应变传感器连接。

由于压电传感器受温度影响也很大，当地应力测量探头在岩体内被大钻头套芯钻进的过程中，钻头会高速摩擦地应力测量探头周围的岩芯，进而导致局部温度上升，通过钻探用水喷在地应力测量探头尾部来冷却，其效果也是较差的，而遇有温度异常导致的应变数据变化不能识别，所以会带来测量误差。

所以当采用了FBG光学传感器21以后，可以采用FBG光学传感器21中的一种FBG温度传感器来实时监测钻进过程中钻头的温度，根据温度判断应力解除过程是否结束，以及在此过程中是否有异常现象，同时，根据温度实时标定其他应变传感器，以解决温度对测量精度的影响温度。

继续参考图2，在本实用新型的实施例中，所述数据传输单元包括数据采集芯片31和无线收发芯片32，这样就可以利用所述数据采集芯片31和所述无线收发芯片32来完成数据的无线传输。

其中，所述数据采集芯片31，用于获取测量数据，也就是利用所述数据采集芯片31与所述压力传感单元电连接，进而获取所述压力传感单元所测量到的测量数据。

而所述无线收发芯片32与所述数据采集芯片31电连接，用于与预设的终端无线传递所述测量数据。

图3为本实用新型一个实施例提供的电子罗盘芯片的电连接结构示意图。

如图3所示，在本实用新型的实施例中，所述数据传输单元还包括电子罗盘芯片33。

其中，所述电子罗盘芯片33与所述数据采集芯片31电连接，可以将获取到的测量数据通过电子罗盘芯片33进行数据转化，然后再传给所述数据采集芯片31。

图4为本实用新型另一实施例提供的探头本体的结构示意图。

如图4所示，在本实用新型的实施例中，所述地应力测量探头还包括定向芯片41，利用所述定向芯片41可以实时地测量地应力测量探头在钻孔切平面上方位角，误差在±0.1°。

而现有技术中，送进钻孔过程中探头转动不超过20°，且难以控制，有时在钻进过程中，钻头的高频振动会导致探头在孔中发生轻微转动，使其偏离钻进前定向器测量的探头位置，又增加了定向误差。

所以采用了所述定向芯片41以后可以大大降低误差，而且简单省事。

其中，所述定向芯片41设置在所述探头本体1的内腔内。

优选的，在本实用新型的实施例中，所述地应力测量探头还包括钢环；

所述FBG光学传感器21设置在所述钢环的表面。

优选的，在本实用新型的实施例中，所述FBG光学传感器21通过环氧型胶黏剂粘贴在所述钢环的表面。

其中，可以在每个所述钢环布置带三个FBG光学传感器21的光纤一条，四个所述钢环便可布置12个FBG光学传感器21。

在12个FBG光学传感器21中，十个为FBG应变传感器，其余两个为FBG温度传感器，利用所述FBG应变传感器进行地应力的测量，而利用所述FBG温度传感器可以实时监测钻进过程中钻头的温度，根据温度判断应力解除过程是否结束，以及在此过程中是否有异常现象，同时，根据温度实时标定其他应变传感器。

进一步的，在本实用新型的实施例中，所述地应力测量探头还包括传感器座。

所述FBG光学传感器21设置在所述传感器座上，可以使FBG光学传感器21更加的牢靠。

进一步的，在本实用新型的实施例中，所述压力传感单元还包括光纤信号解调仪；

所述光纤信号解调仪与所述FBG光学传感器21连接，这样的话，所述光纤信号解调仪可以与FBG光学传感器21的宽度相匹配。

进一步的，在本实用新型的实施例中，所述探头本体1的尾部设置有锥形卡紧器。

本申请还提供了一种地应力测量系统，包括所述地应力测量探头。

由于所述地应力测量探头的具体结构、功能原理以及技术效果已经在前文详述，在此便不再赘述。

所以，任何有关于所述地应力测量探头的技术内容，均可参考前文的记载即可。

由上可知，所述地应力测量系统采用了所述地应力测量探头，利用所述地应力测量探头中FBG光学传感器21的体积小、反应灵敏以及耗能少的优点，可以大大的提高测量精度，减少测量误差。

其中，在地应力测量的时候，基于所述FBG光学传感器21体积小的特点，还能够在同体积下的地应力测量探头中设置更多的FBG光学传感器21，一次采集到更多的样本数据，这样就能够提高数据处理的精度。

所述FBG光学传感器21精度为压电式传感器的1000倍左右，也可以大大的提高测量精度，减少测量误差。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种地应力测量探头，其特征在于，包括探头本体(1)、压力传感单元和数据传输单元；

所述探头本体(1)具有内腔，所述压力传感单元和所述数据传输单元设置在所述探头本体(1)的内腔中；

所述数据传输单元与所述压力传感单元电连接，用于将所述压力传感单元与预设的终端通讯连接；

其中，所述压力传感单元包括至少一个FBG光学传感器(21)，所述FBG光学传感器(21)包括FBG应变传感器。

2.根据权利要求1所述的地应力测量探头，其特征在于，所述FBG光学传感器(21)还包括FBG温度传感器；

所述FBG温度传感器与所述FBG应变传感器连接。

3.根据权利要求1所述的地应力测量探头，其特征在于，所述数据传输单元包括数据采集芯片(31)和无线收发芯片(32)；

所述数据采集芯片(31)，用于获取测量数据；

所述无线收发芯片(32)与所述数据采集芯片(31)电连接，用于与预设的终端无线传递所述测量数据。

4.根据权利要求3所述的地应力测量探头，其特征在于，所述数据传输单元还包括电子罗盘芯片(33)；

所述电子罗盘芯片(33)与所述数据采集芯片(31)电连接。

5.根据权利要求1所述的地应力测量探头，其特征在于，还包括定向芯片(41)；

所述定向芯片(41)设置在所述探头本体(1)的内腔内。

6.根据权利要求1所述的地应力测量探头，其特征在于，还包括钢环；

所述FBG光学传感器(21)设置在所述钢环的表面。

7.根据权利要求6所述的地应力测量探头，其特征在于，所述FBG光学传感器(21)通过环氧型胶黏剂粘贴在所述钢环的表面。

8.根据权利要求1所述的地应力测量探头，其特征在于，还包括传感器座；

所述FBG光学传感器(21)设置在所述传感器座上。

9.根据权利要求1所述的地应力测量探头，其特征在于，所述压力传感单元还包括光纤信号解调仪；

所述光纤信号解调仪与所述FBG光学传感器(21)连接。

10.一种地应力测量系统，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的地应力测量探头。