专利名称：无线深井地应力绝对测量压磁传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及无线深井地应力绝对测量压磁传感器。属于测量设备的技术领域。
背景技术：
自1966年河北邢台大地震后，我国开始了地壳深部的地应力测量研究。测量内容分两个方面，一是地壳岩石中的残存应力测量，亦称地应力绝对值测量；二是在岩石钻孔中安放长期测量的地应力传感器，测量地应力的相对变化。地应力绝对值测量方法，业内人称地应力解除法，或叫做钻孔应力恢复法。是在完整的岩石中，先打一个口径较大的钻孔，直到目标岩层。当岩石条件满足应力解除的需要条件时，然后用锥形钻头将孔底打出锥面，再用小钻头(譬如常用的D = 36mm)打一段表面光滑平直的小孔。将专用于地应力解除的压磁应力传感器放入小孔中，分别对互成120°夹角三个方位上的传感器相对小孔壁预加载荷，完成这一过程后，再用大钻头套钻，完整的取出装有传感器的岩芯，重新对岩芯施加压力，恢复它在地层中的受力状态。通过对这一过程测量数据的计算处理，求取岩石中残存应力的大小和方向。这一过程的操作是相当复杂和困难的，首先我们希望套钻过程中不间断地记录传感器数据变化，传感器引线和数据记录一直限制这一方法的应用。本实用新型采用无线电电子技术，较好地解决了困扰科研工作多年的难题。不仅使应力解除的深度增加了近百米，而且工作速度成倍提高，节约大量人力物力。在地质灾害、矿山安全、电站大坝等各领域的地质监测中有广阔的应用前景。
实用新型内容要解决的问题本实用新型所要解决的技术问题是，深井地应力绝对值测量传感器的机电一体化。在加载过程中通过无线通讯传递数据，脱离加载器后，在井下独立完成全部测量和存储记录，直至全部应力解除工作结束。技术方案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本实用新型的无线深井地应力绝对测量压磁传感器，传感器5是高性能的单片机 AT89C55，测量电感元件信号处理采用AD598，数字通信模块采用市售FC211AT，其中，电气测量部分及供电锂电池全部封装在一个环状密封空间中，密封空间的外壳17采用强度高的非金属材料，与控制器1中的控制器天线2进行无线数字通信连接，环状密封壳体15的两端以及走线孔采用“0”型密封圈14、18密封。上述的传感器5机械为上端90mm直径与加载器3对接，下端36mm直径与测量岩孔配合，三分量地应力传感器的敏感元件13安装在直径36mm壳体内，各组元件垂直间距 23mm，方向角相差120°，36mm壳体外套装环状电气盒10，其内是电气测量通信部分及供电锂电池。上述的传感器5内装有可供电气部分工作5小时的锂电池。为了完整地反应钻进过程中，岩芯与围岩缓慢剥落时不同梯度上的三个方位相差 120°的传感器应力敏感元件13的不同变化，对钻进进尺与记录信息的时间的对应有较高要求。本发明包括机械和电子两个部分。图2是本实用新型的传感器机械结构图。地应力绝对值测量要求测量孔尽可能的小，以保证真实岩石中原始残存应力状态。但在钻取岩芯过程中为得到完整岩芯，钻孔直径较大为佳。另外，加载器3由于结构原因，直径不可能很小。为了解决这一矛盾，在加载螺杆7和推杆9之间增加一个变距滑块8，保证加载螺杆7与推杆9联动，而且改变了推杆 9的中心距，实现小直径内推力传递。加载电机逆时针旋转时，加载螺杆7推动变距滑块8 向下运动，继而带动推杆9和推杆9下端的楔杆11向下运动，楔杆11推动楔形滑块12沿径向向外运动，直至接触岩壁，使应力敏感元件13处于最佳耦合预应力状态，反之，相反动作，可卸掉应力敏感元件13上的载荷。图4中的五个图是本新型电气原理图，它包括电感传感器、信号处理，电压频率变换、系统时钟、数据存储、电源控制和单片机测频等部分。以1(认0598为核心的模拟信号处理器，完成测量元件1^1丄2丄3仏4在三分量测量中空缺)的压力电信号变量的放大、检波、滤波，消除干扰而输出直流电压的任务。它是一款处理差动变压器电感信号性能优异的功能集成电路，我们非常成功地将它引入我们的压磁应力电感法元件的信号处理中，表现出优良的技术特征。在实际中，R、C和Lx(Ll、L2、L3) 为测量桥路的一个臂。R、C和LO (实际中可用RO替代)组成测量桥路的另一个臂。该电桥是由同源激励信号所激励，AD598的PIN2和PIN3输出约5V交流(频率3 5KHz)正弦波电压，桥路的输出分别接在检测差动输入端Pmio和prnii。经由内部一系列信号处理， 用输出形式te = KAte · RL表达测量结果。式中，Ate可以简单认为是AULx-AULO 的纯传感器输出测量变化信号，K是一个包含多种参量的固定常数。i0 = 500 μ A也是一个不变的恒流源电流，RL是由输入信号和输出信号间关系决定的负载电阻，从表达式中我们看出了输出方式的简洁和单纯，因而使测量可靠性大大提高。外围器件Cl = C2 = C3可在0. 47-2. 2 μ f间选择，决定系统频带宽度的滤波器时间常数，C4是决定激励信号频率的振荡器参数电容，在5-10Nf间选择。Pl是调节激励信号幅度的电位器，可在3-10KΩ间选择，Ρ2作为零点调整用。关于作为测量补偿桥臂元件的LO和RO选择，选择LO为测量元件相同电感可以有较好的互补性，可以消除测量环境温度和磁环境的影响，但安装较麻烦。选择RO代替LO简单方便，修改测程容易，较短时间的地应力解除工作周期中可以采用，然而做为长期观测我们从来只采用LO的形式。IC2MAX309是一款双四路的高性能模拟开关，在单片机的I/O信号AO和Al的控制下，按8-4-2-1的译码逻辑选择，Li、L2、L3和L4分别进入测量和断开，由于辅助测量四路公用LO(RO)，所以将相应引脚短接，使测量在L1-L0、L2-L0、L3-L0和L4-L0间比较决定输出信号，于ΡΙΝ9和ΡΙΝ8间直接输出至AD598芯片的引脚Pin1 和PINl0[0016]IC3AD650芯片是一高性能的电压频率转换电路，通常称为V/F变换器，它是模拟数字转换的一种方便途径，单片机作为测频器既方便又可靠，所以我们选择了 AD650芯片， 将AD598输出的测量直流电压te变换成频率测量的数字化手段。本电路设置成通用的士 5V信号输入由PIN4的1. 24K电阻和PIN2的IOK电阻来保证，频率输出0-65. 535KHz,由PIN3 的输入电阻和PIN3、Pim和PIN9之间的电容来决定，我们选电容C = 1000_1500Pf、电阻 R = 35-55K Ω 间。IC6和IC5是I2C功能的外围芯片，应用它使单片机连接异常简单，硬件资源花费极少，而且操作简单方便。IC6是高性能时钟模块SD2203。IC5是通用的串行总线Flash存储器，根据数据量可选MC32或MC64以及同类的更大容量芯片。IC4单片机，作为自动测量系统的核心，其通信口 T)(D和R)(D连接无线模块，作为接收命令和传输数据的通道。系统时钟IC6和串行存储器IC5通过I2C接口同单片机连接。 PO 口的两位作为传感器选通控制。另一位选作系统定时开关控制。IC7作为复位和看门狗， 同单片机连接。传感器测量信号通过V/F变换，待测频率信号fx从PIN2输入。由单片机软件保证系统进行测频、数据存储和同上位机的通信联络。电源控制部分，由低压差并联稳压四40作为传感器+5V供电的基准，在电池电压 5. 6V-9V间变化，均可以保证系统工作电压稳定可靠。B0512S-2W是DC-DC变换模块，将经稳压的+5V系统电压转换出士 12V两种电源，供IC1AD598、IC2MAX309、IC3AD650工作所需， 保证了他们正常稳定的工作。IC6AQ201是一款电流开关，在此应用是对处在全密封盒内的锂电池进行机外充电控制。无线通讯，采用了市售FC211AT数字收发模块，任何一种工作在VHF/UHF频段的数字无线模块，它一只接在单片机的通讯口Pmio(RXD)和Pimi(T)(D)上，连同天线一同置于非金属的传感器电器部件盒中，另一只置于安装工具——自动加载系统的控制器中，将收发天线伸出铜壳外。虽然在深井水中对通信电磁波有较大衰减，但我们选用了功率为IW的模块，地面收发间距1000米，在我们实际应用中收发间距在3米以内，所以可保证通信的可靠和稳定。图3是本新型的重要发明点，为了将传感器的电子测量电路、无线通信模块以及供电锂电池同传感器的机械部分在有限的空间中整合在一起，同时要做到在深井中承受高的深水压力，如图3我们采用了铝合金的中空线轴式环状密封壳体15，两个端有两道“0”型密封圈14，非金属材料的圆筒外壳17同密封圈紧密配合，于是中空线轴式环状密封壳体15 同外壳17构成环状电气盒10，巧妙地套在传感器5上，其内部安装了全部传感器的电器部分，不仅解决了无线通信的收发问题，也使测量元件到电子测量部分的连接线在中空管内引入，较好的解决了深井水压下的密封问题，在整个应力解除过程中的震动和高压循环水作用下均没有出现漏水问题，使本方案得到完满的实施。
图1无线深井地应力绝对值测量传感器与自控定向加载系统连接图图2无线深井地应力绝对值测量传感器结构图图3传感器环状电气盒结构图图4中，4-1，4-2，4-3，4-4，4_5，为传感器电原理图1控制器，2控制器天线，3加载器，4传感器环状电器盒(内藏天线)，5传感器，6 端盖，7加载螺杆，8变距滑块，9推杆，10传感器环状电器盒，11楔杆，12楔形滑块，13应力敏感元件，14 “0”型密封圈，15环状密封壳体，16电气测量通信部分、天线及锂电池，17外壳，18 “0”型密封圈具体实施方式
将无线深井地应力绝对测量传感器与自控定向加载系统如图1所示组装好，确保传感器5的三个加载螺杆7的六方头扦入与加载器对应的三个加载轴的轴端连接套中，并使传感器5的端盖6与加载器的挂钩挂接牢固。加载器的控制电缆同直流电源盒地面控制计算机都连接好后，启动控制程序，通过加载控制器中的单片机读出电子罗盘所测的方位角，再由它连接的无线模块2和传感器中的无线模块4完成无线通信任务，读取传感器5中的测量元件Li、L2和L3的值，由于传感器5之前已通上电，可以读到Li、L2和L 3所存储的每分钟的历史值，确定这一切完整无误，即可用钻机将全套设备统统送入井内，在下井的过程中，不断地读取电子罗盘和测量元件的测量值，以判断全套设备的各个部位工作状态。当传感器5到达指定的位置，并顺利进入解除小钻孔中后，传感器5按自己的操作程序工作，当确定加载器3处于对传感器5的测量元件Ll加载位置时，启动加载电机，加载螺杆7推动变距滑块8向下运动，继而带动推杆9和推杆9下端的楔杆11向下运动，带动楔形滑块12沿径向向外运动，当触及岩壁时，测量元件Ll受力，传感器5的输出电压Ate 随之变化(随压力增大是线性减小的)，变化的Ate经IC1AD598处理后，输出一个变化的直流电压Ux，由IC3AD650转变为变化的频率Δ&。传感器5的单片机测频系统记录测频变化值，同时通过天线通信模块4发送出去，由井上控制计算机给出数值和曲线来确认每一次加载的有效性和加载量。加载的时间是由定时程序控制的，由于压磁测力元件和机械传动机构产生的时滞，为了加载精确，加载过程是渐进的，也可以是反复的，两次加载之间有一个短时间等待，待加载数值稳定后，再决定加载方向和时间，如此反复操作，确定Ll测量元件进入最佳应力耦合状态后，依次对L2、L3重复以上操作。直至加载完成后， 操作加载器3与深井应力解除传感器5脱离，加载器3由钻机提出地面，后者留存井内。在用大口径钻头进行应力解除钻进过程中，传感器5的各应力敏感元件13的变化值均存储在存储器中，对照数据的时间值，可以准确地判断它同钻进岩心的位置关系，所以非常容易恢复解除的动态过程。
权利要求1.无线深井地应力绝对测量压磁传感器，其特征在于传感器( 是高性能的单片机 AT89C55，测量电感元件信号处理采用AD598，数字通信模块采用市售FC211AT，其中，电气测量部分及供电锂电池全部封装在一个环状密封空间中，密封空间的外壳(17)采用强度高的非金属材料，与控制器(1)中的控制器天线( 进行无线数字通信连接，环状密封壳体 (15)的两端以及走线孔采用“0”型密封圈(14)、(18)密封。
2.如权利要求1所述的无线深井地应力绝对测量压磁传感器，其特征在于所述的传感器( 机械为上端90mm直径与加载器C3)对接，下端36mm直径与测量岩孔配合，三分量地应力传感器的敏感元件(1 安装在直径36mm壳体内，各组元件垂直间距23mm，方向角相差120°，36mm壳体外套装环状电气盒(10)，其内是电气测量通信部分及供电锂电池。
3.如权利要求1所述的无线深井地应力绝对测量压磁传感器，其特征在于所述的传感器(5)内装有可供电气部分工作5小时的锂电池。
专利摘要本实用新型涉及无线深井地应力绝对测量压磁传感器。属于测量设备的技术领域。其特征是传感器(5)是高性能的单片机AT89C55，测量电感元件信号处理采用AD598，数字通信模块采用市售FC211AT，其中，电气测量部分及供电锂电池全部封装在一个环状密封空间中，密封空间的外壳(17)采用强度高的非金属材料，与控制器(1)中的控制器天线(2)进行无线数字通信连接，环状密封壳体(15)的两端以及走线孔采用“O”型密封圈(14)、(18)密封。本实用新型产品不仅解决了无线通信的收发问题，也使测量元件到电子测量部分的连接线在中空管内引入，较好的解决了深井水压下的密封问题，在整个应力解除过程中的震动和高压循环水作用下均没有出现漏水问题，使本方案得到完满的实施。
文档编号G01L1/12GK202305065SQ20112027043
公开日2012年7月4日 申请日期2011年7月28日 优先权日2011年7月28日
发明者吴满路, 廖椿庭, 赵桂荣, 陈群策 申请人:中国地质科学院地质力学研究所