CN208239004U - 一种钻孔全方向应力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种钻孔全方向应力测量装置，属于监测岩土应力的传感器技术领域。所述钻孔全方向应力测量装置包括壳体，以及设置在壳体的内腔中的角度测量装置和至少两个传感元件；角度测量装置所在的平面、每个传感元件所在的平面均与壳体的中心轴线垂直；每个所述传感元件包括振弦，相邻两个传感元件的振弦之间形成夹角；所述角度测量装置固定在任意一个振弦的一侧。本实用新型在安装时不需要预先控制应力测量装置的初始安装方向，无需专用的定向安装工具，安装简便，而且能够测量钻孔全方向应力，更有利于指导工程实践，满足了工程对应力测量的要求，且测量方法简单，造价成本低廉。
Description
技术领域
本实用新型属于监测岩土应力的传感器技术领域，具体涉及一种钻孔全方向应力测量装置，用于钻孔壁应力测量。
背景技术
钻孔应力测量装置安装于深盲孔内，现有的钻孔应力测量装置只有一个受力敏感方向，实际应用中也仅是用来测量垂直方向的孔壁应力，进而确定测量装置所处位置的岩体垂直应力，对于同一位置其他方向的应力，目前的钻孔应力测量装置还无法实现同步测量，而且也无法通过调换测量装置受力敏感方向来实现，但钻孔应力在各个方向的大小差异往往很大，仅测量垂直方向的钻孔应力往往不能满足实际工作需要。现有的钻孔应力测量装置在安装时，为了尽量保证测量装置受力敏感方向接近于垂直方向，一般都需要使用专门的安装杆之类的工具来将测量装置一点一点送入钻孔内，以控制其朝向，费时费力。同时，由于无法目视钻孔内的情况，因而就无法确定应力测量装置的受力敏感方向是否正好是垂直方向，因此，就连在垂直方向的钻孔应力的准确测量都难以保证。
目前，针对钻孔应力测量，现有技术中还没有一种能够全方向精确测量钻孔应力的测量装置。
授权公告号为CN 203515560U的实用新型专利公开了一种钻孔应力计测量装置。该装置通过放置在钻孔内的囊状承压球来受力，承压球内的液压油作为传压介质，孔壁的压力作用于承压球上，压力通过液压油传导到压力变送器，由压力变送器输出与压力值成正比的电信号。这种典型的钻孔应力计的承压球有可能承受的是孔壁任意方向的力，而非垂直方向的力，但是其结构形式决定了其无法精确的指示具体测量的是孔壁哪一方向的力。
申请公布号为CN 102914393A的发明专利公开了一种主动承压式可定位钻孔应力计及其使用方法。该装置在壳体上固定有角度传感器。用竿子将钻孔应力计推入钻孔内后，通过观察角度测量仪的转动角度来使刚性承载件的受压轴线与预知的受力方向一致。该发明专利解决了精确测量某一个方向压力的问题。但是，该专利需要在安装时通过观察角度测量仪的转动角度来预先固定测量方向，无法做到随意安装。并且，该专利仍然只能测量一个方向的压力，无法同时测量360度全方向的压力。
实用新型内容
本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种钻孔全方向应力测量装置，该装置可任意方向安装，即在安装时不需要预先控制应力测量装置的初始安装方向，无需专用的定向安装工具，且能够测量360度全方向的孔壁受力，测量准确性高、精度高，实用性强，结构简单，施工简单。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种钻孔全方向应力测量装置，包括壳体，以及设置在壳体的内腔中的角度测量装置和至少两个传感元件；
所述角度测量装置所在的平面、每个传感元件所在的平面均与壳体的中心轴线垂直；
每个所述传感元件包括振弦，相邻两个传感元件的振弦之间形成夹角；
所述角度测量装置固定在任意一个振弦的一侧。
在所述壳体的轴线方向上相邻两个振弦之间设有间距。
所述角度测量装置采用角度测量环，其包括角度测量环壁、电阻丝、导电测珠和测量电极；
所述角度测量环壁为中空圆环结构；
所述导电测珠放置在所述角度测量环壁的空腔中，并能够在空腔内沿角度测量环壁的圆周方向自由滚动；
所述电阻丝设置在所述角度测量环壁的空腔中，并固定在所述角度测量环壁的内侧；
所述电阻丝包括内环电阻丝和外环电阻丝；
所述内环电阻丝和外环电阻丝均为不闭合的圆环形，一端为起始端，另一端为末尾端；
所述内环电阻丝和外环电阻丝同轴平行设置，所述内环电阻丝的轴线、外环电阻丝的轴线与所述角度测量环壁的中心轴线位于同一条直线上。
所述角度测量环壁的横截面的形状为圆环形；
所述导电测珠为圆球形；
所述导电测珠与内环电阻丝和外环电阻丝同时接触。
所述内环电阻丝和外环电阻丝的起始端、末尾端设置为：当导电测珠与内环电阻丝的起始端、外环电阻丝的起始端同时接触时，其与内环电阻丝的末尾端和外环电阻丝的末尾端均不接触。
优选地，所述外环电阻丝的起始端与末尾端之间的间隙、所述内环电阻丝的起始端与末尾端之间的间隙均为0.5-1毫米。
所述测量电极包括外环测量电极和内环测量电极；
所述外环电阻丝的起始端与外环测量电极的一端连接，所述内环电阻丝的起始端与内环测量电极的一端连接；
所述外环测量电极的另一端和内环测量电极的另一端分别伸出到所述角度测量环壁的外部。
所述壳体采用密封的柱状壳体；
所述电阻丝采用精密电阻丝；
所述角度测量环壁采用非导电材料制成；
所述导电测珠采用导电材料制成。
每个所述传感元件均采用振弦式应力传感器，其包括所述振弦、激振电磁线圈、感应电磁线圈。
所述装置进一步包括信号线和测量电路，所述测量电路位于柱状壳体的外部；
所述信号线采用多芯电线；
所述测量电路包括振弦应力测量电路和电压测量电路；
所述振弦应力测量电路通过信号线与各个振弦式应力传感器分别连接；
所述电压测量电路包括恒流源电路和A/D转换电路；
所述恒流电源电路通过信号线与角度测量环的两个测量电极连接，用于为角度测量环提供恒定的电流；
所述A/D转换电路通过信号线与角度测量环的两个测量电极连接，用于测量两个测量电极之间的电压。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
(1)由于采用基于重力原理和欧姆定律的角度测量环，本实用新型能够精确确定各振弦所处方向与铅垂线的夹角，进而能够精确测量钻孔各个方向的应力，在安装时不需要预先控制应力测量装置的初始安装方向，无需专用的定向安装工具，安装简便；
(2)由于采用彼此成一定角度的多根振弦分别测量所处方向的钻孔应力，本实用新型能够测量钻孔全方向应力，更有利于指导工程实践，满足工程对应力测量的要求，且测量方法简单，造价成本低廉；
(3)本实用新型安装时无需使用大型钻机钻孔，降低了施工强度。
附图说明
图1是本实用新型一种钻孔全方向应力测量装置的结构示意图；
图2是图1中的A－A向剖视结构示意图；
图3是本实用新型钻孔全方向应力测量装置中的角度测量环的结构示意图。
图中标记为：1-柱状壳体，2-第一传感元件，3-第二传感元件，4-第三传感元件，5-角度测量环，6-信号线，7-测量电路，8-钻孔，201-第一振弦，202-第一激振电磁线圈，203-第一感应电磁线圈，301-第二振弦，302-第二激振电磁线圈，303-第二感应电磁线圈，401-第三振弦，402-第三激振电磁线圈，403-第三感应电磁线圈，501-角度测量环壁，502-电阻丝，503-导电测珠，504-测量电极。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述：
图1—图3是本实用新型一种可任意方向安装的钻孔全方向应力测量装置的优选实施例。
本实施例中，该装置包括柱状壳体1、第一传感元件2、第二传感元件3、第三传感元件4、角度测量环5、信号线6和测量电路7。所述柱状壳体为密封结构，可以采用多种方式来实现密封，例如采用螺纹密封、端盖加密封圈密封等等。
实际使用时，可以设置多于3个或者少于3个的传感元件，多个传感元件在圆周上均布或者不均布均可。设置的传感元件越多，测量结果越精确，例如如果每隔1度布置一个传感元件，即360度布置360个传感元件，就可以直接测量出每一度方向的力。基于加工成本及制作方便和计算方便的综合考虑，本实施例中设置了3个传感元件。
所述第一传感元件2、第二传感元件3和第三传感元件4间隔一定距离依次安装于所述柱状壳体1内。将钻孔内某一段的压力值近似认为是一个相等的值，理论上第一传感元件2、第二传感元件3和第三传感元件4距离越近越好，最好是重叠在一个截面，但这是目前的加工工艺无法实现的，因为传感元件之间不能太紧密，否则无法加工，但是随着加工和集成的工艺技术不断进步，传感元件之间的距离可能会越来越近。
所述第一传感元件2、第二传感元件3和第三传感元件4分别包括第一振弦201、第二振弦301和第三振弦401。
所述第一振弦201、第二振弦301和第三振弦401固定在柱状壳体1的内表面(固定振弦的工艺方式有很多，这是业内公知的技术，例如可以在柱状壳体上钻两个螺纹孔，将振弦穿过两个螺纹孔，然后用螺钉将两个螺纹孔拧上)，均不平行设置,即相互之间均有夹角(第一振弦201、第二振弦301和第三振弦401、角度测量环5分别所在的4个平面是平行的、且4个平面均与壳体的轴线垂直)；所述第一传感元件2、第二传感元件3和第三传感元件4还分别包括第一激振电磁线圈202和第一感应电磁线圈203、第二激振电磁线圈302和第二感应电磁线圈303、第三激振电磁线圈402和第三感应电磁线圈403，第一振弦201、第二振弦301和第三振弦401分别通过所述第一激振电磁线圈202和第一感应电磁线圈203、第二激振电磁线圈302和第二感应电磁线圈303、第三激振电磁线圈402和第三感应电磁线圈403将所承受的压力信号转换为电信号。
所述振弦应力测量电路分别向第一激振电磁线圈202、第二激振电磁线圈302和第三激振电磁线圈402提供激励信号；所述第一激振电磁线圈202、第二激振电磁线圈302和第三激振电磁线圈402分别用于激励振弦振动，即分别使所述第一振弦201、第二振弦301和第三振弦401产生振动；所述第一感应电磁线圈203、第二感应电磁线圈303和第三感应电磁线圈403用于分别接收由于所述第一振弦201、第二振弦301和第三振弦401振动产生的感应电势，再将感应电势传递给所述振弦应力测量电路。
上述的振弦、激振电磁线圈、感应电磁线圈构成典型的振弦式应力传感器，所有振弦式应力传感器都与同一个振弦应力测量电路连接，该振弦应力测量电路具有多路采集能力，当各个所述振弦在各自的激振电磁线圈的激励下正常工作时，所述振弦应力测量电路可通过测量得到的各个感应电磁线圈两端的感应电势计算出该方向的柱状壳体所承受的应力，其实现原理是物理学和电子学领域所公知的。现有的振弦应力测量电路有的输出的是纯模拟量，有的输出的是计算后的应力值，有的输出的是感应电势，不管输出哪种物理量最终都可获得应力值。实际使用时，根据需要选择相应的振弦应力测量电路即可。
实际应用时，相邻两个振弦之间的夹角可以相等也可以不相等，只要预先设定好各个振弦之间的夹角即可。在本实施例中，所述第二振弦301与第一振弦201和第三振弦401的夹角均为60°，
在所述柱状壳体1内还安装有角度测量环5(可以采用多种方式来固定角度测量环5，例如可以在角度测量环边上做两个开有小孔的凸台，相应的在柱状壳体内壁做两个螺纹孔，用螺钉把角度测量环拧在壳体上；或者在柱状壳体内壁铣出环形槽，用胶把角度测量环粘牢等等。),所述角度测量环5固定在所述第一振弦201或第二振弦301或第三振弦401的一侧，用以测定第一振弦201或第二振弦301或第三振弦与铅垂线之间的夹角。
所述角度测量环5为中空结构，包括角度测量环壁501(采用非导电材料制成)、电阻丝502、导电测珠503和测量电极504，所述测量环壁501优选为圆环形，这样能确保导电测珠能在环内自由滚动，静止状态时能始终停在环的底部，这样测量方向才能准确。
在测量环壁501的内壁上，设置有两条所述电阻丝502。在内壁上一侧沿圆周方向设置有外环电阻丝502，在内壁上的另一侧沿圆周方向设置有内环电阻丝502，两者同轴平行设置(即两者在任何位置均不接触)，所述内环电阻丝的轴线、外环电阻丝的轴线与所述壳体的中心轴线位于同一条直线上，电阻丝的轴线是指电阻丝围成圆环形后的圆心所在的直线，该直线与电阻丝所在的平面垂直，所述中心轴线是指角度测量环壁的圆心所在的直线，该直线与角度测量环壁所在的平面垂直。因为角度测量环壁的横截面为圆环形，导电测珠为球形，导电测珠能够与测量环壁接触到，所以从测量环的横截面来看，两个电阻丝之间有一定角度即可，本实施例中两者相隔180度，此时两者的圆心均位于角度测量环壁的圆心处，如图3所示。实际使用时，可以将电阻丝粘接在环壁上，也可以采用其它集成工艺，只要能将电阻丝固定住，且使得导电测珠能平滑的在测量环壁的空腔中滚动。
每条所述电阻丝502均为不闭合的圆，其起始端与末尾端靠得很近(如图3所示，当两个电阻丝的起始端均位于铅垂线上、且导电测珠静止在测量环的铅垂线方向的底部时，导电测珠与两个电阻丝的起始端刚好接触并形成回路，但导电测珠与两个电阻丝的末尾端均不接触。例如，两者之间的距离可以为0.5毫米或者1毫米)，外环电阻丝的起始端与外环测量电极504连接，内环电阻丝的起始端与内环测量电极504连接，两个测量电极可以位于测量环壁的同一位置处，此时导电测珠能同时连接两个测量电极，此时外环测量电极与导电测珠之间、内环测量电极与导电测珠之间的电阻为0；两个测量电极也可以位于测量环壁的不同位置处，此时导电测珠与某个测量电极接触时，该测量电极与另一个测量电极之间的电阻丝的电阻值不为0，但是可以将该电阻值记录下来，在后续的计算过程中减去该电阻值即可。
所述导电测珠503安置于所述角度测量环5的内部，并可自由滚动且与两条所述电阻丝502接触，当所述导电测珠503在所述角度测量环5内滚动时，由于重力作用，最终会停止在所述角度测量环5的底部。由于所述导电测珠503的导电作用，两个所述测量电极504之间的电阻是随所述导电测珠503的转动而变化的。本实施例中，两根电阻丝的起始端(连接有两个测量电极)在加工时与第一振弦201或第二振弦301或第三振弦401的某一端靠近，即确保在加工或者生产组装时就让第一振弦201或第二振弦301或第三振弦401与铅垂线的夹角为0度时，导电测珠分别与两个测量电极504接触，这样两个测量电极与导电测珠之间的电阻是0欧姆(图3中显示的就是0欧姆时的状态)。也可以在加工时就让两个测量电极与振弦成固定的角度，然后在角度计算的时候减去这个固定角度即可。
在加工时，可将在所述第一振弦201或第二振弦301或第三振弦401所指方向与铅垂线夹角为0°时的两个测量电极504之间的电阻设定为0欧姆或接近0欧姆。加工时角度测量环以其中任意一根振弦作为参考即可，因为其它两根振弦与这根选定的振弦之间的夹角是已知的。
上述振弦、激振电磁线圈、感应电磁线圈和角度测量环均采用MEMS加工工艺制造。
所述测量电路7的电路板上设有多种功能模块电路，主要包括：用于测量各个振弦的应力值的振弦应力测量电路和用于测量角度测量环的两个测量电极之间的电压值的电压测量电路，所述电压测量电路包括恒流源电路和A/D转换电路。实际使用时，还可以根据需要配置数据输出接口、电压转换电路、主控单片机、存储芯片等等，角度的计算可以由主控单片机完成，也可以把测量到的应力值和角度测量环的压力值通过无线或有线的传输方式发送给计算机，由计算机完成计算。
利用所述钻孔全方向应力测量装置获得钻孔全方向应力的方法如下：
将所述柱状壳体1随意方向放置到水平钻孔8内。并将快速填充材料(在岩土工程领域的常用基本材料，例如水泥、高水膨胀材料以及各种新材料等都可以)充填到所述柱状壳体1与所述钻孔壁之间的空隙内，使所述柱状壳体1承压，导电测珠503必停止在角度测量环5底部，然后，通过电压测量电路中的恒流源电路给测量电极504输入恒定大小的电流，导电测珠503与精密电阻丝502、两个测量电极504及地之间形成导电回路，通过电压测量电路中的A/D转换电路可测得两个测量电极504之间为恒定大小的电压，该电压值与所述第一振弦、第二振弦或第三振弦(即前面选定的用于设定0欧姆时的振弦)所指方向与铅垂线之间的夹角成正比例关系。利用本实用新型装置获得电压后，通过计算两个测量电极504之间的电压值，可计算出所述第一振弦、第二振弦或第三振弦所指方向与铅垂线之间的夹角。由于三根振弦之间的角度固定(本实施例中相邻振弦相互之间成60度夹角)，因此，可以进一步计算出其他两根振弦的角度。
本实用新型钻孔全方向应力测量装置无需控制初始安装方向，可随意放入钻孔8内，安装完毕后读取角度测量环5测量电极的电压即可计算出每组振弦与铅垂线之间的夹角：
由欧姆定律可知：
U＝I×R
其中：
U为两个测量电极之间的电压，I为施加的恒定电流，R为两个测量电极之间的等效电阻。
由角度测量环的结构可知，两个测量电极之间的等效电阻R由内环电阻丝电阻R1，外环电阻丝电阻R2和导电测珠电阻R3组成。即：
R＝R1+R2+R3
内环电阻丝电阻R1可表示为：
其中，ρ为电阻丝电阻，L1为导电测珠与内环测量电极之间的弧长；S为电阻丝的横截面积。
外环电阻丝电阻R2可表示为：
其中，ρ为电阻丝的电阻，L2为导电测珠与外环测量电极之间的弧长；S为电阻丝的横截面积。
弧长可表示为：
其中：
n为圆心角度数，即振弦与铅垂线之间的夹角；r为半径。
由此可知：
其中：
L1为导电测珠与内环测量电极之间的弧长；r1为内环电阻丝的半径。L2为导电测珠与外环测量电极之间的弧长；r2为外环电阻丝的半径。
由此可得出：
可求得振弦与铅垂线之间的夹角为：
其中I、ρ、π、S、R3、r1、r2均为已知量。
通过所述的振弦应力测量电路获得对应该振弦方向的柱状壳体1承受的应力值。
进一步的，通过上述公式计算出每组振弦与铅垂线之间的夹角后，在每个振弦处即可利用力的平行四边形法对力进行合成与分解，计算出每个振弦的两个端点处任意方向的应力，工程应用中将振弦两个端点处的力近似认为是这个附近的钻孔壁的应力。例如，如果测量这个点的压力是10Mpa，就认为这个附近这1米范围(根据实际情况来确定该长度范围)的压力就是10Mpa。该力的平行四边形法则是静力学领域所公知的理论。
上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施例所描述的结构，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (10)
1.一种钻孔全方向应力测量装置，其特征在于：所述钻孔全方向应力测量装置包括壳体，以及设置在壳体的内腔中的角度测量装置和至少两个传感元件；
所述角度测量装置所在的平面、每个传感元件所在的平面均与壳体的中心轴线垂直；
每个所述传感元件包括振弦，相邻两个传感元件的振弦之间形成夹角；
所述角度测量装置固定在任意一个振弦的一侧。
2.根据权利要求1所述的钻孔全方向应力测量装置，其特征在于：在所述壳体的轴线方向上相邻两个振弦之间设有间距。
3.根据权利要求1或2所述的钻孔全方向应力测量装置，其特征在于：所述角度测量装置采用角度测量环，其包括角度测量环壁、电阻丝、导电测珠和测量电极；
所述角度测量环壁为中空圆环结构；
所述导电测珠放置在所述角度测量环壁的空腔中，并能够在空腔内沿角度测量环壁的圆周方向自由滚动；
所述电阻丝设置在所述角度测量环壁的空腔中，并固定在所述角度测量环壁的内侧；
所述电阻丝包括内环电阻丝和外环电阻丝；
所述内环电阻丝和外环电阻丝均为不闭合的圆环形，一端为起始端，另一端为末尾端；
所述内环电阻丝和外环电阻丝同轴平行设置，所述内环电阻丝的轴线、外环电阻丝的轴线与所述角度测量环壁的中心轴线位于同一条直线上。
4.根据权利要求3所述的钻孔全方向应力测量装置，其特征在于：所述角度测量环壁的横截面的形状为圆环形；
所述导电测珠为圆球形；
所述导电测珠与内环电阻丝和外环电阻丝同时接触。
5.根据权利要求4所述的钻孔全方向应力测量装置，其特征在于：所述内环电阻丝和外环电阻丝的起始端、末尾端设置为：当导电测珠与内环电阻丝的起始端、外环电阻丝的起始端同时接触时，其与内环电阻丝的末尾端和外环电阻丝的末尾端均不接触。
6.根据权利要求5所述的钻孔全方向应力测量装置，其特征在于：所述外环电阻丝的起始端与末尾端之间的间隙、所述内环电阻丝的起始端与末尾端之间的间隙均为0.5-1毫米。
7.根据权利要求6所述的钻孔全方向应力测量装置，其特征在于：所述测量电极包括外环测量电极和内环测量电极；
所述外环电阻丝的起始端与外环测量电极的一端连接，所述内环电阻丝的起始端与内环测量电极的一端连接；
所述外环测量电极的另一端和内环测量电极的另一端分别伸出到所述角度测量环壁的外部。
8.根据权利要求7所述的钻孔全方向应力测量装置，其特征在于：每个所述传感元件均采用振弦式应力传感器，其包括所述振弦、激振电磁线圈、感应电磁线圈。
9.根据权利要求8所述的钻孔全方向应力测量装置，其特征在于：所述装置进一步包括信号线和测量电路，所述测量电路位于所述壳体的外部；
所述信号线采用多芯电线；
所述测量电路包括振弦应力测量电路和电压测量电路；
所述振弦应力测量电路通过信号线与各个振弦式应力传感器分别连接；
所述电压测量电路包括恒流源电路和A/D转换电路；
所述恒流源电路通过信号线与角度测量环的两个测量电极连接；
所述A/D转换电路通过信号线与角度测量环的两个测量电极连接。
10.根据权利要求9所述的钻孔全方向应力测量装置，其特征在于：所述壳体采用密封的柱状壳体；
所述电阻丝采用精密电阻丝。
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| CN110470419A (zh) * | 2018-05-09 | 2019-11-19 | 中国科学院地理科学与资源研究所 | 一种钻孔全方向应力测量装置及方法 |
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