一种钻孔倾斜测量仪探头的制作方法

本发明涉及一种地学观测仪器，适合安装在钻孔底部，测量区域地壳的微小倾斜变化，用于监测构造地震、火山地震、水库诱发地震等相关事件的孕育过程。

背景技术：

用于大地倾斜测量的钻孔倾斜观测仪有多种，基本的工作方式是在一个长金属圆筒中，由上而下安装两个或者多个倾斜传感器，使用机械卡爪或者水泥固结方式安装在钻孔底部，测量大地倾斜角度的两个参数：与重力方向的夹角倾角与地理北的水平方位角θ。这种方式在高精度连续倾斜测量应用中有一个明显的不足：当一个传感器的机械和电子系统可靠性降低时，出现的缓慢变化与真实的大地倾斜混淆在一起，无法进行有效的识别影响到数据分析。中国地震局地学测量专家苏恺之研究员提出改进方法：三个传感器按照等腰三角形布设，任意两个传感器可以计算出大地的倾角和方向，在仪器系统正常时，得到三组相同的计算结果，且三个传感器测量到的倾角的和恒为零(苏恺之著地震出版社2003钻孔地应变观测新进展P211)。

其校验仪器系统可靠性的简明公式为：

传统的结构为钢筒内置悬挂的摆体支架，摆体支架内悬挂摆体，摆体支架底部由驱动系统控制，做前后左右两个水平方向的调节使传感器到达测量区域，因结构较为复杂，自身漂移因素相对较多，两个方向倾斜传感器，无法做到自身可靠性校验，少数安装三个传感器的探头自身可靠性验证效果也不理想，导致系统自身可靠性验证效果差的原因主要是机械结构方面的问题。

技术实现要素：

为提高钻孔倾斜仪自身可靠性验证能力，本发明提供一种结构简单的钻孔倾斜测量仪，选择稳定性优良的合金金属圆柱棒做摆体支架，在金属圆柱棒同一水平高度设计三个倾斜传感器，在钻孔中安装并采用传统的水泥固结保证长期的稳定性。

本发明的技术方案是：使用直径110mm金属圆柱料做摆体支架，在金属圆柱的轴心周围，用数控线切割机床加工三个摆体安装槽，由数控机床进行分度加工，分度精度0.01°；摆体支架顶部设计三个靠电机驱动的支撑杆，实现倾斜仪的机械微调与锁紧；摆体支架底部设计三个卡爪，卡爪靠摆体支架自重撑开卡在井壁上。

本发明的有益效果是：使用金属圆柱棒做倾斜仪器的摆体支架材料，靠数控机床定位使三个倾斜测量元件安装位置获得精确的位置分度；顶部有三个用电机驱动的支撑杆，三个支撑杆伸出后将探头固定在钻孔的井壁上，三个支撑杆可独立进行调节，让探头到达垂直状态，使三个传感器处于正常工作区间；底部三个靠自重撑开的卡爪将底部固定在井壁上。在安装调试稳定后，使用自应力水泥对探头进行固结，降低机械结构造成的不稳定因素，水泥固结与简单的结构可以使三个倾斜测量单元获得较好的可靠性验证效果。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明

图1是本发明的纵向剖面图

图2是图1的A-A、B-B、C-C剖面图

图1中序号1.摆体支架；2.电缆；3.电缆密封套；4.涡轮；5.支撑杆；6.欧型环；7.传感器电路；8.绝缘陶瓷块；9.摆体悬挂线；10.摆体(传感器动片)；11.传感器定片；12.锁摆电机；13.锁摆杆；14.密封筒；15.卡爪导杆；16.卡爪；17.卡爪支撑锥；图2中序号18.驱动电机。

具体实施方式

在图1中，摆体支架(1)、电缆(2)、电缆密封套(3)、欧型环(6)、外壳(14)、构成一个密封腔体，保证在井底不会渗水导致仪器损坏；摆体支架(1)中间有三个槽子，槽子内安装三个摆体(10)，三个槽子的夹角120°，摆体同时作为三极板电容传感器的(中间片)动片，摆体两侧为电容传感器定片(11)，定片嵌入摆体支架中，当摆体(10)位置处于两个定片中间时，电路(7)输出为零，偏向摆体支架中心时输出为负值，偏向外部输出为正值，电路产生的电信号通过电缆(2)输送到地面；锁摆电机(12)与锁摆杆(13)组成锁摆系统，当锁摆电机转动提起锁摆杆时，将摆体托起并固定，便于搬运；上部由涡轮(4)、支撑杆(5)、电机(18)组成仪器微调系统，三个调节系统夹角120°；底部由导杆(15)、卡爪(16)、卡爪支撑锥(17)组成的自动定心锁紧系统，三个卡爪夹角120°，为了图示清楚，图纸中只给出一个卡爪示意，当卡爪支撑锥(17)到达井底时，探头继续下降，导杆(15)沿着卡爪支撑锥内孔下滑，通过连接杆将卡爪(16)撑开，三个卡爪同时撑开抵触到井壁，依靠探头自身重量将卡爪顶紧。

参见图2，A-A剖面，三个支撑杆(5)呈120°夹角，支撑杆由电机(18)带动涡轮(4)驱动沿着轴向移动，涡轮(4)与电机(18)均嵌入摆体支架(1)中，用食品级润滑硅脂填充缝隙，防止灰尘与杂质进入。用电机(18)调节支撑杆(5)，直到三个摆体(10)的位置到定片的中间位置；B-B剖面，绝缘陶瓷块(08)卡接到摆体支架(1)中，绝缘陶瓷块，两块一组，用于固定摆体悬挂线(09)，摆体由两根悬挂线悬挂；C-C剖面，三个摆体(10)与传感器定片(11)组成三个独立的电容位移传感器。电容传感器原理为常用结构，不再悉述。

需说明的是，本发明中的结构仅在测量小于0.05°的倾斜角变化时，三个摆体的运动关系严格符合公式(1)。

在地壳岩石稳定的区域，大地倾斜年变化小于1″，有记录以来，尚未有倾角大于2″的火山及构造地震前兆异常，本设计的电容位移传感器分辨力设计为10^-4″，量程±100″，动态范围120DB，可以记录日月潮汐引力形成的大地倾斜变化，也能保证数十年的地质构造运动累积的倾角不会超出量程范围。