CN202083345U - 一种用于钻孔应变仪的位移传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于钻孔应变仪的位移传感装置，包括安装于钻孔应变仪密封钢筒内的电容式位移传感器，该电容式位移传感器包括电容极板和两组位移传递杆，每组位移传递杆分别与电容极板和密封钢筒内壁连接，其特征在于，两组位移传递杆中的一组包括有第一传递杆和第二传递杆，该第一传递杆与电容极板连接，该第二传递杆与密封钢筒内壁连接，在第一传递杆与第二传递杆之间连接有标定器。本实用新型在该传感装置上设有标定器，通过与标定器连接的标定控制器，能就地、定时给出一个已知的位移来测试该位移传感装置的输出量与待测量的关系，获得准确的记录格值，以保证所获得数据的连续性和准确性。

Description

一种用于钻孔应变仪的位移传感装置

技术领域

本实用新型涉及钻孔应变测量技术领域，更具体的说是涉及一种用于钻孔应变仪的位移传感装置。

背景技术

在地球物理观测中，需要对地壳的微小变形、倾斜与振动等进行长期、连续的精密观测，特别是在相关地震前兆的观测与研究工作中，通常要在建立的观测站进行数年、甚至数十年连续的精密测量，才有可能发现一些与构造活动以及地震孕育有关的规律性的现象。在观测站仪器的长期工作中，不可避免地会发生元件性能老化，故障，甚至损坏等问题出现，在进行必要的维修后，应在原地对仪器做基本性能的标定，以重新确定检测对象的变化与输出数据变化之间的定量关系。这样，才能保证所获得数据的连续性和准确性，才能为科学研究提供翔实的资料。

比如地震仪，记录地震波的仪器称为地震仪(seismograph)，它能客观而及时地将地面的振动记录下来。其基本原理是利用一件悬挂的重物的惯性，地震发生时地面振动而它保持不动。由地震仪记录下来的震动是一条具有不同起伏幅度的曲线，称为地震波。为记录这种地面振动，在高倍率或高灵敏度地震仪中，通常利用换能器(动圈式、电容式、磁阻式等)将机械量转换成电量，在用电子放大器放大后进行记录。目前，在中国的基准地震台上，广泛使用带动圈换能器的摆式地震仪。一个装在摆上的线圈，可在与机架(固定于地面)相连结的磁***所形成的气隙磁场内运动，产生的电动势，输入电子放大器内进行放大，以便进行记录。所记录的地震波形曲线与地震引起地面振动的振幅相应，它标志着地震的强烈程度，我们可以由此计算出地震震级。从地震波可以清楚地辨别出各类震波的效应。纵波与横波到达同一地震台的时间差，即时差与震中离地震台的距离成正比，离震中越远，时差越大。由此规律即可求出震中离地震台的距离，即震中距。

地震仪在观测台站长期、连续工作中，因为换能器性能的退化，与电子放大器的参数变化，或者因器件损坏而更换元件，都会引起仪器技术指标发生变化，这可能造成记录的地震波形不能真实地反映地震引起的地面振动的振幅特性，使得地震震级和震中距计算不准确，导致错误的结果。为了防止这类问题出现，对仪器性能进行定期标定就是十分必要的。地震仪的标定是通过装在摆上的标定线圈实现的，向标定线圈输入一个设定的激励电流，地震仪就会记录到一个相应的标定输出信号，分析该标定信号幅度及波形的特征，我们就能够知道地震仪的性能指标是否发生了变化。

再比如形变测量仪器，伸缩仪是精密测量地壳岩体两点间水平距离相对变化的仪器，适用于观测地壳应变和固体潮水平分量的连续变化，可为研究地震的孕育过程，为地球弹性特性研究提供重要数据。标定则是为了确定伸缩仪的输出量与相应的待测量的关系。一般，伸缩仪设有标定装置，它可以产生一个标准的或者已知的位移来确定仪器的格值，所以，通常称作“格值标定”。

早期伸缩仪的标定装置采用水银胀盒，水银胀盒连着一个水银储存池，将储存池升高到一个确定的位置，水银胀盒会在压张方向产生一个已知的位移，用以确定仪器的格值。发明专利CN1278603(2001.01.03公布)公开了一种短基线伸缩仪设计，为了解决现有技术中存在的基线长，水银胀盒容易炸裂及带来的汞泄漏等问题，该发明除了选用铟钢棒作为基线，并垂直自由悬挂，及选用了电涡流传感器外，标定器采用斜楔块位移传感原理构成一种精密超微量位移标定平台，解决了上述问题。近来，还有采用压电陶瓷材料来做标定器的。总之，在地球物理观测中，标定技术一直是伴随着相关观测仪器的进步向前发展的。

钻孔应变观测是将应变仪安装在深钻孔中进行测量的，井下测量***由于传感测量单元安装在深井底部，可以显著减弱地表岩石风化与地形的影响，人类活动、降雨以及雷电等干扰因素均受到很好的屏蔽，有利于获得高精度的测量结果。发展深井地壳变形观测技术不但是解决大、中型城市“地震监测盲区”问题的有效措施之一，也是获得高质量的地壳应力场动态变化观测数据的主要方法，这些基础数据对认识地震发生过程具有重要意义。

中国欧阳祖熙等研制的RZB-1型钻孔应变仪(见图1)，直径102mm的钢筒不同方向上固定了4个相同的电容式位移传感器a、b、c与d，整个钢筒用膨胀水泥固结在岩石钻孔内，位移传感器d的工作原理与前述伸缩仪相似，可精密测量地壳岩体两点间(d₁-d₂)水平距离的相对变化。这类钻孔应变仪在台站进行长期、连续的观测中，同样需要通过标定来确定仪器性能是否发生了变化。由于井下仪器空间狭窄，尤其是一旦出故障无法维修，故RZB-1型钻孔应变仪初期为简单计，只是采用人为改变电桥读数，产生一个确定的电信号，可对测量***电子放大器的增益进行标定，未能完全实现***的原位标定。

专利“弦频式钻孔应变仪”(CN86100074，1987.10.21)提出了一种钻孔应变仪设计，由探头、壳体、电缆、加力装置、激发器、接收器、调压装置、数模记录***、数字传入***等部分组成，其特征是：a、全金属密封组合式传感器；b、伺服加力装置为遥控式自动加力装置；c、有自动调压平衡装置；具有全自动控制、数字显示、打印记录等功能。传感器可整体下井，为直接接触的线应变测量。该仪器未考虑原位标定装置。

专利“多分量同平面径向位移式钻孔应变仪”(CN2676143，2005.02.02)提出的设计是：多分量同平面径向位移式钻孔应变仪，它包括探头和装在探头内的径向位移传感器，径向位移传感器由电容测微定片、电容测微动片和传动杆组成，其特征在于装接在圆筒形探头内至少有两个立交的等分圆周角分布的径向位移传感器，且立交的等分圆周角分布的径向位移传感器的两端头与圆筒形探头的圆柱形内壁连接在垂直于圆筒形探头轴线的同一平面上。该设计也未解决原位标定这一问题。

关于国外情况，澳大利亚人Gladwin等在美国设置的钻孔应变仪也是如此，井下电容式位移传感器及测量***均无有效的原位标定技术。因此，用于地壳应变观测的钻孔应变仪，目前尚无有效的原位标定技术，可以像地震仪，或者伸缩仪等形变观测仪器那样，通过产生一个标准的或者已知的位移来确定仪器的格值，确定仪器的输出量与相应的钻孔应变量之间的关系，以保证所获得数据的连续性和准确性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于钻孔应变仪的位移传感装置，在该传感装置上设有标定器，通过与标定器连接的标定控制器，能就地、定时给出一个已知的位移来测试该位移传感装置的输出量与待测量的关系，获得准确的记录格值，以保证所获得数据的连续性和准确性。

本实用新型是采用如下技术方案来实现上述目的：一种用于钻孔应变仪的位移传感装置，包括安装于钻孔应变仪密封钢筒内的电容式位移传感器，该电容式位移传感器包括电容极板和两组位移传递杆，每组位移传递杆分别与电容极板和密封钢筒内壁连接，其特征在于，两组位移传递杆中的一组位移传递杆包括有第一传递杆和第二传递杆，该第一传递杆与电容极板连接，该第二传递杆与密封钢筒内壁连接，在第一传递杆与第二传递杆之间连接有标定器。

作为上述方案的进一步说明：

优选地，所述标定器包括有壳体、磁致伸缩微位移器和整体导轨，该壳体为一个圆筒状结构，该壳体底部与第二传递杆连接，该磁致伸缩微位移器和整体导轨依次安装在壳体内，该整体导轨与第一传递杆连接。

优选地，所述磁致伸缩微位移器包括稀土超磁致伸缩棒、散热铜架、激励线圈和磁轭，该散热铜架为两端翻边的圆管结构，该稀土超磁致伸缩棒安装在散热铜架的中心圆孔处，该激励线圈缠绕在该散热铜架***，该磁轭包括上磁轭和下磁轭，所述上磁轭和下磁轭均为铁镍合金的圆盘状结构，在上磁轭中心处设有一个圆柱状导杆，在下磁轭中心处设有一个圆柱状凸起，该圆柱状凸起与散热铜架的中心圆孔下端配合连接，所述上磁轭的导杆与散热铜架的中心圆孔上端配合连接。

优选地，所述整体导轨包括一个圆柱状导块，该导块下表面与上磁轭的导杆连接，该导块的上表面与第一传递杆连接，在该导块外缘设有一个环状的弹片，该弹片外缘设有与之垂直的圆筒，该圆筒配合连接在壳体内表面。

本实用新型采用以上技术方案所能达到的有益效果是：

1.本实用新型位移传感器内设置有标定器，通过与其相配的标定控制器，能就地、定期测试该位移传感装置的输出量与待测量的关系，获得准确的记录格值，以保证所获得数据的连续性和准确性。

2.本实用新型采用稀土功能材料REMA的微位移机构，不仅可以快速、精确、稳定地控制复杂的位移运动，还可显著地优化结构、改善性能、提高效率、降低损耗。

附图说明

图1是欧阳祖熙等研制的RZB-1型钻孔应变仪结构示意图；

图2是本实用新型安装于钻孔应变仪密封钢筒内的结构示意图；

图3是本实用新型所述标定器的结构示意图。

附图标记说明：

1-水泥，2-密封钢筒，3-平板式电容，31-第一电容极板，32-第二电容极板，33-第三电容极板，4-位移传递杆，41-第一传递杆，42-第二传递杆，5-标定器，6-稀土超磁致伸缩棒，61-散热铜架，62-激励线圈，63-下磁轭，64-上磁轭，641-导杆，7-整体导轨，71-导块，72-弹片，73-圆筒，8-壳体。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型的结构和功能，以下结合附图和优选的实施例对本实用新型作详细说明，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本实施例涉及图2和图3，图2是本实施例安装于钻孔应变仪密封钢筒2内的结构示意图，如图中所示，钻孔应变仪密封钢筒2用水泥1和钻井的岩石孔壁固结成一体，本实施例所述的位移传感装置沿密封钢筒2径向安装于该密封钢筒2内，本实施例所述的位移传感装置包括一个电容式位移传感器，该位移传感器包括一个平板式电容3和两组位移传递杆4，该平板式电容3包括平行设置的第一电容极板31、第二电容极板32、第三电容极板33这三个电容极板，第三电容极板33外侧由一组位移传递杆与密封钢筒2内壁连接，第一电容极板31由另外一组位移传递杆与密封钢筒2内壁连接，这组位移传递杆包括第一传递杆41和第二传递杆42，该第二传递杆42与第一电容极板31连接，该第一传递杆41与密封钢筒2内壁连接，在第一传递杆41与第二传递杆42之间连接有标定器5，通过与该标定器5相配的标定控制器，就可以测试该位移传感器的输出量与待测量的关系，从而获得准确的记录格值，以保证所获得数据的连续性和准确性。

图3是磁致伸缩式标定器的结构示意图，如图中所示，所述标定器包括有壳体8、磁致伸缩微位移器和整体导轨7，该壳体8为一个圆筒状结构，该壳体8底部与第二传递杆连接，该磁致伸缩微位移器和整体导轨7依次安装在壳体8内，该整体导轨7与第一传递杆连接。所述磁致伸缩微位移器包括稀土超磁致伸缩棒6、散热铜架61、激励线圈62和磁轭，该散热铜架61为两端翻边的圆管结构，该稀土超磁致伸缩棒6安装在散热铜架61的中心圆孔处，该激励线圈62缠绕在该散热铜架61***，该磁轭包括上磁轭64和下磁轭63，磁轭与稀土超磁致伸缩棒6一起构成封闭磁路，一方面可形成有效的驱动场，另一方面也防止漏磁，引起干扰。所述上磁轭64和下磁轭63均为铁镍合金的圆盘状结构，在上磁轭64中心处设有一个圆柱状导杆641，在下磁轭63中心处设有一个圆柱状凸起，该圆柱状凸起与散热铜架61的中心圆孔下端配合连接，所述上磁轭64的导杆641与散热铜架61的中心圆孔上端配合连接。所述整体导轨7包括一个圆柱状导块71，该导块71下表面与上磁轭64的导杆641连接，该导块71的上表面与第一传递杆连接，在该导块71外缘设有一个环状的弹片72，该弹片72外缘设有与之垂直的圆筒73，该圆筒73配合连接在壳体8内表面。

本实施例中，标定控制器输出具有一定幅度与功率的激励电流至标定器线圈，使散热铜架61内的磁场发生变化，进而使稀土超磁致伸缩棒6的长度发生变化，当稀土超磁致伸缩棒6变长时，上磁轭64的导杆641受力并传递给与导杆641连接的整体导轨7导块71上，整体导轨7的导块71受力使弹片72变形，因而导块71发生位移并带动第一传递杆发生位移，使第一电容极板31和第二电容极板32之间的距离发生改变，这样就给位移传感器施加了一个确定的位移，实现了对测量***的原位标定。当采用交流电激磁时，超磁致伸缩材料在正负磁场的作用下都为伸长，其产生机械运动的频率是外加电流频率的两倍，这便是所谓的“倍频现象”。当驱动器采用脉冲宽度调制(PWM)信号激磁时，由于没有负磁场，不会出现倍频现象。

基于微处理器的标定控制器可以置于地表，也可以放在井下探头内，它输出的测量控制信号分时段连接到各个测量元件的位移发生器激励端子。由于稀土超磁致伸缩棒6的内部应变与激励磁场强度、材料特性常数、应力状态等直接相关，其位移输出、推力输出为磁场-弹性场相互耦合的结果。所以，适当配置机械和电气的结构参数，可使稀土超磁致伸缩棒6处于最优的机电耦合状态，提高能量转换效率，以获得稳定的纳米级位移的标定信号。

本实用新型上述实施例和附图所示仅为本实用新型较佳实施例之一，并不能以此局限本实用新型，在不脱离本实用新型精髓的条件下，本领域技术人员所做的任何变动，都属本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于钻孔应变仪的位移传感装置，包括安装于钻孔应变仪密封钢筒内的电容式位移传感器，该电容式位移传感器包括电容极板和两组位移传递杆，每组位移传递杆分别与电容极板和密封钢筒内壁连接，其特征在于，两组位移传递杆中的一组包括有第一传递杆和第二传递杆，该第一传递杆与电容极板连接，该第二传递杆与密封钢筒内壁连接，在第一传递杆与第二传递杆之间连接有标定器。

2.根据权利要求1所述的用于钻孔应变仪的位移传感装置，其特征在于，所述标定器包括有壳体、磁致伸缩微位移器和整体导轨，该壳体为一个圆筒状结构，该壳体底部与第二传递杆连接，该磁致伸缩微位移器和整体导轨依次安装在壳体内，该整体导轨与第一传递杆连接。

3.根据权利要求2所述的用于钻孔应变仪的位移传感装置，其特征在于，所述磁致伸缩微位移器包括稀土超磁致伸缩棒、散热铜架、激励线圈和磁轭，该散热铜架为两端翻边的圆管结构，该稀土超磁致伸缩棒安装在散热铜架的中心圆孔处，该激励线圈缠绕在该散热铜架***，该磁轭包括上磁轭和下磁轭，所述上磁轭和下磁轭均为铁镍合金的圆盘状结构，在上磁轭中心处设有一个圆柱状导杆，在下磁轭中心处设有一个圆柱状凸起，该圆柱状凸起与散热铜架的中心圆孔下端配合连接，所述上磁轭的导杆与散热铜架的中心圆孔上端配合连接。

4.根据权利要求2或3所述的用于钻孔应变仪的位移传感装置，其特征在于，所述整体导轨包括一个圆柱状导块，该导块下表面与上磁轭的导杆连接，该导块的上表面与第一传递杆连接，在该导块外缘设有一个环状的弹片，该弹片外缘设有与之垂直的圆筒，该圆筒配合连接在壳体内表面。

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