补偿式地应力绝对值测量系统的制作方法

本实用新型发明涉及补偿式地应力绝对值测量系统，特别是用于岩石钻孔中测量地应力绝对值，属于测量设备技术领域。

背景技术：

地壳深部岩石中地应力测量是一种意义深远的地学工程，它直接关系到地下矿产的勘探开发，地下及地面大型人工建筑物的安全以及地质灾害的预测与预防。所以，在当今的地学研究领域，对岩层中的地应力测量和监测非常重视。近年来发展了诸多测量方法和技术手段，常见的有水压致裂法、钻孔变形法、套芯应力解除法及孔壁崩落法等。实践证明，岩石钻孔套芯应力解除法测量地应力的可信度要高得多。随着发明专利《无线深井地应力绝对值测量传感器》，专利号ZL201120270437.9的成功应用，推动钻孔取芯解除测量地应力的技术大大的前进了一步。但目前钻孔取芯解除地应力测量技术在不同的地质条件下应用，仍然存在诸多的困难和问题，亟待解决：

1.岩石不够完整，钻孔深度过大，套钻取芯都比较困难。

2.原设备机械结构比较复杂，自动化程度不够高，测量部件同外界很难完全密封，容易受钻进过程中的高压水、岩石粉尘侵入，设备反复使用中，修复工作量大，专业技术要求高。

3.完成测量工作不仅需要详细记录钻进过程中的实验数据，而且换需要传感器带芯完整取出，地面原位率定取值后才能计算求取该点的实际地应力绝对值的大小和方向，效率低，成功率更低。

因此，研制和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。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本实用新型提供一种测量岩石中水平方向地应力的设备，它采用液压式加载，智能伺服补偿方式测量，其安装、加载、钻进解除一次完成。记录的数据是测点的原始地应力值分量值，套芯解除过程完结后直接给出该点的地应力绝对值的大小和方向(同方位测定数据相配合)，所以测点岩芯是否十分完整，能否取出完整套取钻岩芯都变得不重要了。克服了专利ZL201120270437.9的缺点，大大地拓展了绝对地应力测量的范畴，在断层破碎地带和强度不太大的松散岩层中都有可能开展钻孔解除法地应力测量。

为了达到本实用新型发明的目的，本实用新型是通过如下技术方案实现的：

补偿式地应力绝对值测量系统，包括壳体，壳体的顶部有连接杆和天线，壳体内有测量和控制电路板、伺服电机驱动电路板、电池组和伺服电机，伺服电机下端连接液压式测力传感器；

液压式测力传感器，包括缸体，缸体有空腔，空腔顶部有驱动螺杆，驱动螺杆下端连接压块，压块下方连接加载活塞；空腔的旁路安装测力敏感元件；缸体下端通过管路连接水平活塞缸体，管路上端与加载活塞下方油腔连通；水平活塞缸体内有三组活塞，分别为水平活塞组A、水平活塞组B、左水平活塞组C；每组活塞左右两部分间的间隙区与管路连接；

测力敏感元件通过测量信号差值放大器与测量和控制电路板连接；测力敏感元件同时还与伺服电机连接，伺服电机与伺服电机驱动电路板连接.伺服电机驱动电路板通过环路锁定开关与测量和控制电路板连接，测量和控制电路板分别与天线和电池组连接。

本实用新型提供的补偿式地应力绝对值测量系统由两部分构成：智能测量和伺服控制电路部分、液压式测力传感器机械部分。置于传感器中的测力敏感元件将测得之液压回路中的压力电信号传送给智能测量和伺服控制电路部分中信号差值放大器，实现两部分的连接，单片机完成对信号的数字处理和测量后，送出控制伺服电机运转的信号，伺服电机的传动轴同传感器的驱动螺杆是机械性连接，形成机电一体化的闭合测量控制环路。

为了实现地应力绝对值测量，同一个测点上必须设定三个方位相差60°的应力测定，所以传感器必须有三套独立的液压测量回路，其技术性能完全相同，它们的实现则利用Φ36mm测量缸体上开三组水平面互差60°夹角的水平孔，在缸体上以最小梯度差开三个水平孔，约等同在同一水平面上，将测量的水平活塞组分别装入孔中来实现的，每组活塞左右两部分间的间隙区通过管路沟通液压缸，水平活塞外端面加工成Φ36mm缸体曲率相同的曲面，便于更好地与同径的测量岩石钻孔吻合。活塞均自带密封环同光滑的水平孔形成密封通道。当伺服电机旋转时驱动螺杆推动缸内的压块，推动测力敏感元件和加载活塞前进时，液压缸中压力增加，液压经管路送到两个水平活塞间隙之间，压力推动左右活塞做相反的径向运动，水平活塞感受到的钻孔岩壁的反作用力，作为液压的变化被位于液压回路中的测力敏感元件测到，其测量信号将液压缸中的压力和岩石中的应力载荷相关联，这就是本测量设备的技术基础，它们各量值间相关联的系数，在实验室中已经通过各类特定岩石样本作为率定介质一一预先作为常数求得，所以在应用中可以直接得到各测量应力分量，然后给出该点的绝对地应力值的大小和方向。

在设备的系统设计中，本实用新型采用了补偿式自动平衡测量技术。系统工作简述如下：首先，给测量钻孔加载预应力(其量值确定与岩性、地质构造等诸多因素有关)，譬如σ₀，其对应测量信号差值放大器的对应输出V₀，打开环路锁定开关，调节定标信号送入测量信号差值放大器-端，使其输出等于V₀，闭合环路锁定开关，系统自动加载预应力，液压回路的加载压力，由测力敏感元件以电信号送到测量信号差值放大器的+端，使其输出V₀渐渐变小直至等于0，系统进入平衡锁定状态，套芯应力解除过程可以开始了，随着套芯钻进测量部位的岩芯渐渐同周边围岩剥离，岩石中原始应力被释放直接导致液压系统的压力做相应的变化，该变化经由测力敏感元件输出相应的电信号与测量信号差值放大器+端，使测量信号差值放大器输出从0变为V_i，V_i送到测量和控制电路板22由单片机完成数字化处理，完成原始数据记录后，输出相应的伺服电机控制信号，伺服电机的启动调节液压回路的压力，使测量信号差值放大器的输出从V_i变化到0，系统重新回到锁定平衡状态。一次测量已完成，V_i的量值可以直接换算成地应力的原始值，岩石中释放的地应力量是经由液压回路压力调节量补偿掉而使测量回路重新回到平衡状态，所以叫做补偿式全自动测量系统。

附图说明

图1是本实用新型的原理结构图；

图2是本实用新型的液压式测力传感器结构示意图；

图3是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

结合附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1、图2和图3所示，补偿式地应力绝对值测量系统，包括壳体25，壳体25的顶部有连接杆20和天线21，壳体25内有测量和控制电路板22、伺服电机驱动电路板23、电池组24和伺服电机26，伺服电机26下端连接液压式测力传感器27；

液压式测力传感器27，包括缸体13，缸体13有空腔，空腔顶部有驱动螺杆9，驱动螺杆9下端连接压块10，压块10下方连接加载活塞12；空腔的旁路安装测力敏感元件11；缸体13下端通过管路14连接水平活塞缸体15，管路14上端与加载活塞12下方油腔连通；水平活塞缸体15内有三组活塞，分别为水平活塞组A16、水平活塞组B17、左水平活塞组C18；每组活塞左右两部分间的间隙区与管路14连接；

测力敏感元件11通过测量信号差值放大器2与测量和控制电路板22连接；测力敏感元件11同时还与伺服电机26连接，伺服电机26与伺服电机驱动电路板23连接.伺服电机驱动电路板23通过环路锁定开关4与测量和控制电路板22连接，测量和控制电路板22分别与天线21和电池组24连接。

测力敏感元件11采用压磁电感测力敏感元件，也可选用各类测力元件，如：压容式、压阻式等。

测量信号差值放大器2采用AD698型差动变压器传感器专用电路，利用其良好的信号处理特性和强大的差动输入功能。在+端输入传感器测力信号，在-端输入辅助测力信号，由于两者均由性能完全相同的敏感元件担当，所以产生之电信号除了有测量者和悬空者之外，非它感受的环境条件完全相同，所以差动的结果，可以大大的消除各类干扰，提高系统的性能，而且辅助测力元件还方便地为系统预应力加载提供了便捷的可能。

测量和控制电路板22采用了单片机80C552芯片。它带有高精度的A/D输入和D/A控制输出，在测力输入信号ΔVx作用下，2部件输出相应直流电压V_i经由A/D转换，数字滤波后完成测量和数据保存，同时经由数字PID调节器由D/A送出控制电机的模拟信号。本电路还有向上位机发送测量数据和井下设备工作状态信息的能力，以致接收上位机发来的控制命令操作系统等使测量系统真正智能化。

环路锁定开关4为外部开关，作为系统开环设定还是闭环测量的选择功能。

伺服电机驱动电路板23由大功率TTL信号控制电路MC33030担当。

伺服电机26为伺服电机maxon motor 224864型。

天线21包括高频无线数据传输模块，如BM100等。

电池组24为4Ah容量12V电压的锂电池组。