岩石钻孔中地应力、应变组合型测量传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种地应力、应变测量传感器的【技术领域】，特别是用于岩石钻孔中地应力、应变的测量。其特征是：组合型传感器同时具有地应力测量元件10和应变测量元件13，地应力测量元件采用1J69型坡莫合金材料，应变测量元件采用粘贴在高弹性材料皮青铜制成应变环的电阻片。并且微动的推动螺杆3可以精密的控制将预加载荷控制在理论最佳范围以实现岩石中地应力对测量元件的最佳耦合。本实用新型不仅解决了测量在岩石钻孔中同时水平方向地应力和应变的难题，同时可以在同一平面内测定三个方向的地应力值，以便计算该点的最大和最小主应力及其方向，为地应力的长期监测提供数据支持。
【专利说明】岩石钻孔中地应力、应变组合型测量传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种地应力、应变组合型测量传感器，特别是用于岩石钻孔中地地应力、应变的测量。属于测量设备的【技术领域】
【背景技术】
[0002]在矿山的安全监测、水电站大坝的承载状态、地质灾害的预警预报工作中，人们都已经认识到测量岩土中地应力的大小及其变化情况的重要性，大量研究证明地震和诸多的地质灾害都与地壳岩石中地应力的变化密切相关。因此完善地应力测量设备，提高其测量技术水平是一项非常迫切的任务。汶川特大地震后，人们重新肯定李四光先生在六十年代提出并领导的该项研究工作。
实用新型内容
[0003]要解决的问题
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种测量岩石中水平方向地应力和应变的装置，在同一平面内测定三个方向的地应力值，以便计算该点的最大和最小主应力及其方向，为地应力的长期监测提供数据支持。
[0005]技术方案
[0006]为了达到本实用新型的目的，本实用新型是通过如下技术方案实现的:
[0007]本传感器是用于测量岩石中水平方向地应力和应变的装置。从理论计算的要求出发，应该在同一平面内测定三个方向的地应力值，他们相互间成60°或45°夹角，以便可以依据其结果计算该点的最大和最小主应力及其方向，但从技术上这种安排在钻孔中难于实现，所以我们把三个方向的独立测量单元安排在垂直方向上为上单元，中单元和下单元，他们紧密结合成一柱状体，垂直方向上有一梯度，在IOcm范围内。在完整的基岩体中，把他们测量结果看成在同一水平面上的结果是可以成立的，所以我们的传感器都设计成Φ90πιπι或ΦΙΙΟπιπι圆柱状，见图1。测量单元位于16、17、18，它的底部12是地应力测量辅助元件Ltl和Lp，它的外形设计成圆弧状以方便安装时放入钻孔中的特定位置。测量元件上部的5、4和I是支撑和安装机械加载部分的壳体。4部分设计成有一定锥度的圆柱状，在安装过程中，这一锥度正好同安装孔上部的同径喇叭口相衔接，让整个传感器支撑在孔中，仅有测量单元进入安装孔中指定的部位，在地面计算机系统的操控下，自动加载系统可以从容而圆满地完成各测量单元的预加载任务。
[0008]以下单元以18为例，在剖面图中可以看见沿径向安装的地应力测量元件10和应变测量环紧箍13同楔形槽块8、14和一对弧顶块11通过定位销15串接起来的。采用精密的同心圆弧使应变环同他们有良好的配合，径向作用的力由滑块传递给它们。楔形槽块8的径向外面有一个斜面同楔形槽块9的斜面相对应，使得楔形推杆7正好嵌入其间，在预加载荷中，同传感器想连接的自动加载器(见图1)的电机驱动推动螺杆3反时针转动螺杆，缓纵楔形推杆旋出。由于3是被固定在壳体上，只能旋转而下不能上下移动，迫使矩形的楔形体推杆7垂直向下运动，挤进楔形槽块8和9之间的间隙中。随着楔形推杆继续进入楔形槽块9和14的向壳体外伸出，直至同钻孔壁紧密结合。不断的推进岩石孔壁对楔形槽块9和14的反作用力使地应力测量元件10接受预载荷，同时应变测量环紧箍受同一作用力而形变，进而影响到粘贴于环上的应变片。不过内侧和外侧的应变片分别感受到拉伸和压缩的变化。利用电桥电路将他们可以组装成互补偿式半桥或全桥电路均可以测量到应变量并求出他们同外加载荷的关系。预加力的大小是由被测孔内岩石的特性和孔内原始的地应力状态来决定的。所以我们将加载器的推动螺杆设计成为微动的，精密的控制测量单元的滑块同钻孔壁的结合，将预加载荷控制在理论最佳范围以实现岩石中地应力对测量元件的最佳耦合。用同样的方法将中单元和上单元安装好，控制钻孔自动加载器同地应力应变传感器脱离，将传感器遗留在井内进行长期监测。
[0009]本新型的意义在于同时测量岩石钻孔中的地应力和应变。使两个测量值实现相互印证和检验，提高了测量的可靠性，可排除许多无谓的纷争。地应力和应变这一对物理量本质上是可以互相替代的，本新型是将他们同时呈现出来对测量方法的改进具有深远的意义。
[0010]本新型地应力测量敏感元件铁芯采用1J69型坡莫合金材料，其化学组成成分为镍65 %、钥2 %、锰I %，其余含量为铁，冶炼成的棍料加工成如图4的结构，中间是工字型铁芯轴，长20mm，轴径为12mm，屏蔽罩是同材料的圆筒，壁厚5mm。为了保证测力元件的刚性，同时尽可能高的磁导系数，所以加工后的全套元件在氢氧气中随炉温升至1100高温，保持恒温2小时，然后以每小时100°C的速度下降至温度600°C时，移出炉外快速冷却的特定工艺处理后，以0.21mm高强度染色线双线并行密绕200匝反向串联成一铁芯电感。在5KHz激励频率下，呈现约IkQ的感抗，该元件的室内标定灵敏度控制在2000Hz / MPa，最高可达5000Hz / MPa。
[0011]本新型的应变测量是一个高弹性材料皮青铜制成的应变环，圆环外径为40mm，壁厚为0.5mm,环面宽20mm,有一对沿直径方向3mm的固定孔(与图2中的定位销15配合)作为安装孔。在同安装孔正交的方向上背靠背地粘贴有两对基质为350 Ω的应变电阻片，如图4的Rbl和Rbl’、Rb2和Rb2’。如果仅用Rbl和Rbl’可以组成互补性半桥测量电路。因为在外力作用下Rbl和Rbl’的型变量是相反的，也就是说当Rbl受拉伸电阻值增大，则Rbl’ 一定是受压缩电阻变小。但由于它们是完全相同的器件，所以温度等影响也是一致的。组成半桥电路具有互补性，如果把Rbl和Rbl’、Rb2和Rb2’组成适当的全桥也有相同的效果，而且输出信号可增大一倍。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1地应力应变组合型测量传感器与其安装加载系统总体图
[0013]图2地应力应变组合型测量传感器结构图
[0014]图3地应力测量元件
[0015]图4应变测量元件
[0016]I支撑架，2电缆引出口，3推动螺杆，4楔形壳体，5定位支撑架，6传感器壳体，7楔形推杆，8楔形槽块A, 9楔形槽块B, 10地应力测量单元，11圆弧顶快，12地应力测量辅助元件，13应变测量元件，14径向滑块，15定位销，16上测量单元，17，中测量单元，18下测量单J Li ο
【具体实施方式】
[0017]将地应力应变组合型测量传感器与其安装加载系统如图1所示安装连接，通过地面计算机系统的操控，使得安装加载系统施加预加载荷于地应力应变组合型传感器。
[0018]测量传感器上部的定位支撑架5、楔形壳体4和支撑架I是支撑和安装机械加载部分的壳体。楔形壳体4部分设计成有一定锥度的圆柱状，在安装过程中，这一锥度正好同安装孔上部的同径喇叭口相衔接，让整个传感器支撑在孔中。安装加载系统的电机驱动推动螺杆3反时针转动,螺杆缓纵楔形推杆7旋出。由于推动螺杆3是被固定在壳体上,只能旋转而下不能上下移动，迫使矩形的楔形体推杆7垂直向下运动，挤进楔形槽块8和9之间的间隙中。随着楔形推杆继续进入楔形槽块9和14的向壳体外伸出，直至同钻孔壁紧密结合。不断的推进岩石孔壁对楔形槽块9和14的反作用力使地应力测量元件10接受预加载荷，同时应变测量环紧箍受同一作用力而形变，进而影响到粘贴于环上的应变片。不过内侧和外侧的应变片分别感受到拉伸和压缩的变化。利用电桥电路将他们可以组装成互补偿式半桥或全桥电路均可以测量到应变量并求出他们同外加载荷的关系。预加力的大小是由被测孔内岩石的特性和孔内原始的地应力状态来决定的。我们将加载器的推动螺杆设计成为微动的，精密的控制测量单元的滑块同钻孔壁的结合，将预加载荷控制在理论最佳范围以实现岩石中地应力对测量元件的最佳耦合。用同样的方法将中测量单元和上测量单元的测量元件安装好后，控制钻孔自动加载器同地应力应变传感器脱离，将地应力应变组合型测量传感器遗留在井内进行长期监测。
【权利要求】
1.一种用于地壳深部岩石钻孔中地应力、应变同时测量的组合型传感器，包括一个壳体，所述壳体中集合了三个方位上相差60°成“米”字型排列的传感器单元，以及所述各传感器单元的安装加载推进机构，其特征在于:所述三个性能相同的传感器单元安装在三个不同的梯度上，且测量同一点位三个方向的地应力、应变值。
2.如权利要求1所述的组合型传感器，其传感器单元包括:地应力测量元件、应变测量元件、应变测量环紧箍、径向槽块(14)、楔形槽块A和楔形槽块B、定位销(15)，其特征在于:所述地应力测量元件的两端各由一圆弧顶块(11)所抱持，所述应变测量环紧箍在两圆弧顶块(11)的外圆弧面上，所述应变测量元件粘贴在应变测量环紧箍的内外侧，同地应力测量元件的轴线成正交方向设置，所述径向槽块(14)、楔形槽块A紧贴在所述应变测量环紧箍的外沿面，所述径向槽块(14)和楔形槽块A由定位销(15)串连为一体,楔形槽块A和楔形槽块B结合楔形推杆(7)组成推动所述传感器单元沿径向伸缩的机构，在同径的岩孔中，所述楔形推杆(7)向下运动时，楔形槽块B和径向槽块(14)伸出壳体同孔壁接触，微调所述楔形推杆(7)的上下运动，可调节楔形槽块B和径向槽块(14)同岩孔壁的接触压力，以达到所述组合型传感器的最佳地应力耦合安装状态。
3.如权利要2所述的组合型传感器，其特征在于:所述地应力测量元件为具有磁致伸缩体性能的坡莫合金铁芯电感，所述应变测量元件为应变片，所述坡莫合金铁芯电感由经热处理后的轴芯上安放线圈骨架后，用Φ0.21mm高强度漆色线双线并行密绕200匝反相串联成电感线圈，经真空没漆、硅橡胶灌封后测试配组，其长度为20mm，轴芯直径为3mm，端面直径为12mm,夕卜罩为同材料的圆管,管壁厚0.5mm。
【文档编号】G01B7/16GK203479434SQ201320419995
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年7月16日 优先权日:2013年7月16日
【发明者】韩金良, 吴满路, 王新富, 吴树仁, 廖椿庭 申请人:中国地质科学院地质力学研究所