技术领域
[0001] 本实用新型涉及应变测量、弹性
力学机械测量技术领域，尤其涉及一种用于
水平同平面可多方向多角度测量解算的钻孔应变探头。
背景技术
[0002] 在地球物理及大地测量中，经常使用钻孔应变仪对地下岩体的应变进行测量。测量中，首先在
地壳待测部位钻孔，再将测量探头下放到待测孔段，使用
水泥浇注或机械
支撑等方式将探头与孔壁耦合。这样，钻孔内
岩石的
变形便会传递到测量探头上，应变测量元件根据这一变形达到测量岩体
应力应变状态的目的。这一类钻孔应变仪利用了钻孔本身的圆柱形空间特点和圆柱形
钢筒在水平剖面向各向同性的力学特性，使用圆柱型的钢筒作为其外筒和力学测量结构。
[0003]
现有技术中，使用RZB型分量式钻孔应变仪进行测量。图1为RZB型分量式钻孔应变仪的
传感器安装分布结构示意图。如图1所示，各水平分量的应变传感器分层安装在应变仪探头内，圆柱型的钢筒在水平方向各向同性，因此4个分量的传感器通过测量各个分向的钢筒变形，即可测量、解算平面内的岩体应变。
[0004] 钻孔应变测量假定钢筒在其水平剖面各向同性，使用无限平板三层嵌套的弹性力学模型，如图2所示。根据这一弹性力学原理，传感器应处于同一平面，传感器测量基线在钢筒水平剖面圆心处交汇相交。但是，在现实中，并不存在理论模型所描述的在一个平面内交汇相交后又彼此穿过的线应变传感器。现实中，传感器只能分层安装或在中心点相互绕行后彼此穿过。而分层安装方式由于结构简单，安装便捷，被广泛采用。传感器分层安装的结构，在外部岩层的岩性均匀，各向同性时，测量结果与理论模型的差别并不大，但是当钻孔测量段岩性沿轴线分布不均匀或存在裂隙时，测量及应变状态解算的误差较大，有时甚至会影响到正常的观测。实用新型内容
[0005] 针对现有技术的上述
缺陷，提出了一种同平面可多方向多角度解算的钻孔应变探头，使水平分量钻孔应变测量不仅实现了真正意义的同平面测量，而且可以多路多角度解算，极大的提高了测量效率。
[0006] 本实用新型的一种同平面可多方向多角度解算的钻孔应变探头，包括：
[0007] 探头外钢筒；
[0008] 在所述探头外钢筒内沿
中轴线固定设置的测量基轴；和
[0009] 多个应变传感器，设置于所述探头外钢筒与所述测量基轴之间，各应变传感器的一端通过各安装杯与所述探头外钢筒连接，另一端与所述测量基轴连接，各应变传感器在同一平面，以所述测量基轴为中心呈散射状均匀分布，
[0010] 当所述探头外钢筒随着地下岩层发生径向变形时，所述多个应变传感器以其与所述测量基轴之间的
接触部位为基点，沿应变传感器至探头外钢筒内壁之间的径向连线为测量基线，进行位移变形测量。
[0011] 优选地，所述多个应变传感器为8个应变传感器，所述应变传感器为位移型传感器。
[0012] 优选地，进一步包括与每个应变传感器对应的多个精密调节杆，通过各精密调节杆分别将各应变传感器的一端与所述测量基轴连接。
[0013] 优选地，所述精密调节杆为伸缩调节机构，当所述应变传感器安装完成后，所述精密调节杆可由用户控制伸长或缩短，调节所述应变传感器处于最佳的安装与测量状态。
[0014] 优选地，各应变传感器的一端通过各传感器安装杯及各传感器安装密封螺钉分别固定于所述探头外钢筒。
[0015] 优选地，所述传感器安装杯
焊接固定在所述探头外钢筒上，为所述应变传感器的安装
基座，所述各传感器密封螺钉穿过所述各传感器安装杯拧入各应变传感器，使各应变传感器固定在各传感器安装杯上，所述密封螺钉与所述传感器安装杯设有专用的密封面，并在所述传感器安装杯内部使用“O”型圈密封进行密封安装。
[0016] 优选地，所述测量基轴为实心金属杆，所述测量基轴的一端与所述探头的下底座固定连接，所述测量基轴的另一端通过固定安装组件相对于所述探头外钢筒进行安装固定。
[0017] 优选地，所述固定安装组件为由测量基轴上固定盘、固定盘下台阶、测量基轴固定
螺母组成的安装结构。
[0018] 优选地，所述固定盘下台阶固定在探头外钢筒的内壁上，所述测量基轴上固定盘通过固定盘安装螺钉压紧固定在所述固定盘下台阶上，所述测量基轴穿过所述测量基轴上固定盘的中心孔，并使用所述测量基轴固定螺母进行固定。
[0019] 优选地，探头外钢筒为圆柱型钢筒，除了两端的密封及安装部分以外，其余部分壁厚相同且均匀。
[0020] 优选地，沿同一径向方向的两个应变传感器的测值之和即探头外钢筒在这一分量的径向线应变值，根据各测量分量所得的线应变值可解算多种应变状态。
[0021] 本实用新型具有如下有益效果：本实用新型的钻孔应变探头通过将各应变传感器位于同一平面内，可多方向多角度测量解算。本实用新型在探头中
心轴线设置测量基轴结构，测量基轴位于探头中轴线
位置。在测量基轴与外钢筒之间的圆环空间内，安装多个应变传感器，形成了以测量基轴为中心的多个应变传感器同平面、散射状均布的测量结构。当探头外钢筒随着地下岩层发生径向变形时，多个应变传感器以测量基轴的安装面为基点，沿应变传感器至探头外钢筒内壁之间的径向连线为测量基线，进行位移测量。这样，同一径向方向的两个应变传感器，其测值相加即为探头外钢筒在这一分量的径向应变值(去除测量基轴的厚度)。
[0022] 应变传感器设置于所述探头外钢筒与所述测量基轴之间，各应变传感器的一端与所述探头外钢筒的安装杯连接，另一端与所述测量基轴连接，安装杯与钢筒例如采用焊接方式连接，并设有安装孔与密封面，使用专用的密封螺钉安装密封应变传感器。本实用新型中应变传感器与所安装基轴和安装杯分别独立，这种独特模
块化的设计，使得应变传感器、安装杯、安装基轴均可随意拆卸更换，使得探头的加工、密封、装配更简便和精确。
[0023] 此外，以测量基轴为中心，用户可以任意选取应变传感器的测值进行联立求解，快速得出想要的应变状态值，可极大地提高测量效率。
附图说明
[0024] 图1是现有的RZB型分量式钻孔应变仪的传感器安装分布结构示意图。
[0025] 图2是弹性力学无限平板三层嵌套应变观测模型。
[0026] 图3是本实用新型的一
实施例的同平面可多方向多角度测量解算的钻孔应变探头的纵剖面示意图。
[0027] 图4是本实用新型的一实施例的同平面可多方向多角度测量解算的钻孔应变探头的水平剖面俯视示意图。
具体实施方式
[0028] 下面通过实施例对本实用新型作进一步说明，其目的仅在于更好地理解本实用新型的研究内容而非限制本实用新型的保护范围。
[0029] 图3是本实用新型的一实施例的同平面可多方向多角度测量解算的钻孔应变探头的纵剖面示意图。图4是本实用新型的一实施例的同平面可多方向多角度测量解算的钻孔应变探头的水平剖面俯视示意图。如图3、图4所示，本实用新型的一具体实施例的同平面可多方向多角度测量解算的钻孔应变探头，包括：探头外钢筒1、测量基轴2、8个应变传感器3、精密调节杆4、传感器安装杯5、传感器安装密封螺钉6、安装密封螺钉“O”型圈14、下底座7、测量基轴上固定盘8、固定盘下台阶9、测量基轴固定螺母10、固定盘安装螺钉11、测量
电路板12和上密封头13。
[0030] 其中，探头外钢筒1为圆柱型钢筒，除了两端的密封及安装部分以外，其余部分壁厚相等且均匀。在探头外钢筒1下端，按照“O”型圈密封要求，加工密封配合面，用于下密封头7的密封；在探头外钢筒1上端，按照“O”型圈密封要求，加工密封配合面，用于上密封头13的密封。如此形成了本实用新型的钻孔应变探头1的
外壳部分。
[0031] 如图3所示，测量基轴2在探头外钢筒内沿中轴线固定设置。该测量基轴2例如为硬度较高的实心金属杆。该测量基轴2的一端(下端)与下底座7焊接相连或以其他方式固定连接，随下底座7插入探头外钢筒1下端进行固定安装。该测量基轴2的另一端(上端)通过固定安装组件相对于所述探头外钢筒1进行安装固定。该固定安装组件例如为由测量基轴上固定盘8、固定盘下台阶9和测量基轴固定螺母10组成的安装结构。
[0032] 固定盘下台阶9通过例如焊接的方式固定在探头外钢筒1上部的内壁上。固定盘下台阶9上具有螺孔，测量基轴上固定盘8通过固定盘安装螺钉压紧固定在固定盘下台阶9上。另外，测量基轴2穿过所述测量基轴上固定盘8的中心孔，并使用测量基轴固定螺母10进行固定。从而测量基轴2在探头外钢筒内沿中轴线被固定设置。
[0033] 如图3和4所示，测量基轴2位于探头外钢筒1的中心轴上，8个应变传感器3(编号为3-1～3-8)安装在测量基轴2与探头外钢筒1之间。各应变传感器3的一端与探头外钢筒1连接，另一端与测量基轴2连接，各应变传感器3在同一平面，以所述测量基轴2为中心，以45°间隔顺序排列，呈散射状均匀分布。在本实施例中采用了8个应变传感器，在其他实施例中也可以根据需要采用其他数量，例如4个，6个，10个等。
[0034] 本实用新型中，通过各精密调节杆4将各应变传感器3的上述另一端与所述测量基轴2连接。具体地，测量基轴2与各应变传感器3对应的多个精密调节杆4连接，在测量基轴2上加工有精密调节杆4安装面(接触部)。精密调节杆4为伸缩调节机构，当应变传感器3安装完成后，精密调节杆4可由用户控制伸长或缩短，调节所述应变传感器3处于最佳的安装与测量状态。
[0035] 各应变传感器3的上述一端通过各传感器安装杯5、各传感器安装密封螺钉6分别固定于探头外钢筒1。传感器安装杯5通过例如焊接的方式固定在探头外钢筒1的中间部位上，为应变传感器3的安装基座。具体地，外钢筒1上设有8个开口1a，各传感器安装杯5的杯口对应一个开口1a而被焊接在外钢筒内壁上，这样各传感器密封螺钉6可以自外钢筒1外部通过该开口1a穿过各应变传感器安装杯5内部拧入各应变传感器3，使各应变传感器3固定在各传感器安装杯5的底部处，并且在安装杯5内部使用安装密封螺钉“O”型圈14进行密封。如图4的俯视图所示，在探头外钢筒1的水平剖面上均布焊接8个传感器安装杯5，每个相邻的传感器安装杯5相差45°。
[0036] 下面介绍本实用新型的同平面可多方向多角度测量解算的钻孔应变探头的装配过程。在实际装配中，首先将下底座7插入到探头外钢筒1中，测量基轴2焊接在下底座7上与下底座7一起进入探头外钢筒1中。下底座7安装有密封用“O”型圈，插入探头外钢筒1后，探头外钢筒1下端即被密封。下底座7插入到探头外钢筒1后，需要转动下底座7，使测量基轴2的各安装面与焊接在外钢筒1上的传感器安装杯5相对，保证8个应变传感器3能够顺利安装在测量基轴2与传感器安装杯5之间。在下底座7和测量基轴2插入后，即可安装应变传感器3。将应变传感器3的精密调节杆4紧贴测量基轴2的安装面插入到测量基轴2安装面与传感器安装杯5之间的安装位置，然后将传感器安装密封螺钉6穿过传感器安装杯5内部拧入应变传感器3的安装螺孔内，将各应变传感器5分别固定。传感器安装密封螺钉6带有“O”型圈
14，拧入后可将传感器安装杯5的安装位置处密封。依次将8个应变传感器3(应变传感器3-1～3-8)安装好后即可安装测量基轴上固定盘8，固定测量基轴2。测量基轴上固定盘8由固定盘安装螺钉11固定在固定盘下台阶9上，测量基轴上固定盘8中心处有用于测量基轴2的安装孔，测量基轴2由该孔中穿出，穿出后使用测量基轴固定螺母10拧紧测量基轴2。这样，测量基轴上固定盘8、固定盘下台阶9、测量基轴2就由测量基轴固定螺母10紧密结合、安装固定了。此时根据测量的需要，调节精密调节杆4，使应变传感器3处于用户所需的测量线性区域，处于最佳的安装与测量状态。
[0037] 经过上述安装过程，本实用新型的传感测量结构便安装完成了，此后还要将应变传感器3的电源及
信号线由测量基轴上固定盘8的出线口引出并接入到测量
电路板12上，测量电路板12的
电缆线经过上密封头13引出，并将上密封头13插入探头外钢筒1上端，即完成最后安装密封。
[0038] 由图4可知，在测量基轴2与探头外钢筒1之间的圆环型空间内，共安装8个应变传感器3(应变传感器3编号为3-1～3-8)，呈现8个应变传感器在同一平面上以测量基轴2为中心、以45°间隔排列、散射状均匀分布的测量结构。当探头外钢筒1随着地下岩层发生径向变形时，8个应变传感器3以测量基轴2的安装部位为基点，沿应变传感器3至探头外钢筒1内壁之间的连线为测量基线，进行位移测量。这样，同一径向方向的两个应变传感器3的测值相加即为探头外钢筒1在这一分量的径向线应变值(去除测量基轴2的厚度)。
[0039] 此外，以测量基轴为中心，用户可以任意选取应变传感器的测值进行联立求解，快速得出想要的应变状态值，可极大地提高测量效率。
[0040] 例如：将各分量的线应变值表示为：ε1，ε2，ε3，ε4，取ε4为X轴，ε2为Y轴建立XOY
坐标系，则可以通过多种数据组合解算出最大主应变值、最小主应变值，及主应变方向角度值。
[0041] 第一种组合：ε2，ε3，ε4
[0042]
[0043]
[0044]
[0045] 第二种组合：ε1，ε2，ε4
[0046]
[0047]
[0048]
[0049] 第三种组合：ε1，ε3，ε4
[0050]
[0051]
[0052]
[0053] 第四种组合：ε1，ε2，ε3
[0054]
[0055]
[0056]
[0057] 第五种组合：ε1，ε2，ε3，ε4
[0058]
[0059]
[0060]
[0061] 上述5中组合的解算中，η1与η2分别为最大主应变值、最小主应变值，θ为最大主应变值在XOY坐标系中的方位角度值。5种组合所计算的最大、最小主应变值及方向，可以相互印证比对。
[0062] 显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的
权利要求书范围。
