技术领域
[0001] 本
发明涉及地应
力测量技术领域，具体而言，涉及一种应变片测量电路及空心包体应变计测量系统。
背景技术
[0002] 空心包体
应力解除法是国内外普遍采用的地应力测量方案，通过安装胶把空心包体应变计
探头安装在合适的钻孔中，然后通过钻探将钻孔周围的
岩石与所在岩体解除关联，测量在解除关联过程中
岩心上的应变变化，根据岩石的力学性质可以测量出被测岩体的应力状态。岩石的力学性质可以根据查询获取，也可以通过对钻取的带空心包体应变计的岩心进行率定操作进行获取。率定是指将钻取岩心安装在特定率定装备中，通过率定装备对岩心加压，测量空心包体应变计上的形变与加载压力的关系获取岩石的力学特性。
[0003] 当前技术使用多通道静态应变仪对空心包体应变计内安装的应变片进行测量，一般采集仪器距应变计的距离约20米。空心包体应变计中包含若干个测量应变片及一个补偿应变片，所有应变片的一端连接在一起并通过一根
导线连接到静态应变仪，另外一端通过一根导线连接到静态应变仪，共需14芯
电缆线，常用16芯电缆制作，其中空余两芯连接到公共
节点，连接示意图如
说明书附图部分图1所示。
[0004] 应变片测量应变的原理是：导体或
半导体材料在外力作用下产生机械形变时其
电阻值也发生相应变化，因此可以通过测量应变片电阻的变化可以反映应变片发生形变的情况，电阻相对变化与形变变化的比例由应变片的灵敏系数来表达，常用的应变片的灵敏系数为2。测量应变片电
阻变化的仪器为应变仪，测量过程中，应变片的机械形变带来的电阻变化的量值很小，灵敏系数为2阻值为120欧姆的应变片每个微应变(微应变为常用应变单位，一般工程中以微应变记录测量结果)引起的电阻变化仅为2.4微欧姆，应变仪一般使用电桥电路对应变片进行测量。
[0005] 空心包体应变测量过程中会有较长导线的接入，进而会有接线
端子的接入，导线本身具有线缆电阻，导线与接线端子的连接面也会具有
接触电阻，这些电阻的阻值远大于微欧姆，因此上述导线、接线端子等电路如果连接在电桥内部，相关接入会对测量结果带来十分显著的影响，影响测量的零点，带来测量干扰；虽然测量零点的干扰可以通过后续技术方法进行修正，但是测量过程上述因素带来的影响极易受环境变化的而发生变化，比如环境
温度变化、导线受力情况变化、导线重新连接等多种因素都会影响线缆电阻、接触电阻的阻值大小变化，这样会引入很多不可控制的干扰，这些干扰很难通过
数据处理方法进行消除，进而导致测量结果的不稳定，以下通过计算来分析
现有技术中测量过程中干扰对测量结果的影响情况。
[0006] 以空心包体应变计制作使用的阻值为120欧姆、灵敏系数为2的应变片为例进行计算。应变片到应变仪之间电缆长度约20米，线芯使用0.12平方毫米，每根线芯电阻约-82.9欧姆(20摄氏度时
铜电阻率为1.75×10 欧姆*米)，正常制备过程中，由于线芯直径差异等影响，线芯间电阻差为0.3欧姆左右，约为线阻的10％。当电缆裁短2米(电缆长度的10％)时，线缆间电阻差变化为0.3欧姆*2米/20米＝0.03欧姆，对应的应变测量误差为0.03欧姆/120欧姆/2欧姆/应变＝125微应变。
[0007] 铜的温度系数为4.1×10-31/摄氏度。当环境变化为10摄氏度时，线芯电阻变化约为0.12欧姆，线芯间电阻差变化约0.012欧姆，对应引入测量误差为0.012/120/2＝50微应变。
[0008] 另外测量电缆与应变仪测量通道之间一般使用接线端子进行连接，正常使用时保障接触电阻小于0.005欧姆，根据经验，每次连接电阻变化大约0.001欧姆，引入的测量误差为0.001/120/2＝4微应变。
[0009] 当前测量技术中导线、接线端子的电阻是直接接入电桥内部的，空心包体应变解除测量过程中泥浆循环，
钻头摩擦等复杂因素会引起空心包体应变计探头及电缆的电阻发生变化，率定时重新对应变计与电桥采集器进行连接也会引起端子上接触电阻的变化，对空心包体应变计进行测量时会有较大的误差，对测量结果的准确性有一定影响。另外，当前有在工程中将空心包体应变计用于应变过程监测的应用，监测过程中需要在较长时间段内多次对同一应变计进行测量，测量之间的时间间隔可以根据需要进行设计，每个监测点安装一台应变仪进行监测的方案避免了重新连接端子引入的监测误差，但是成本会极大提高，巡检的方式对空心包体应变计进行测量，重新连接端子测量误差会极大的影响监测的数据
质量，对应用的效果有一定的负面影响。
[0010] 当前空心包体应变计的结构及测量方法中，导线电缆及连接端子引起的测量干扰较大，且难以通过后期数据处理消除影响，测量的准确度及稳定度不高，对其使用的效果带来不利的影响。
发明内容
[0011] 有鉴于此，本发明
实施例的目的在于提供一种应变片测量电路及空心包体应变计测量系统，以达到减小导线线缆及连接端子的接入引起的测量干扰、提高测量准确度和测量
稳定性的目的。
[0012] 为达上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0013] 一种应变片测量电路，包括：电桥；
[0014] 所述电桥具有第一参考桥臂、第二参考桥臂、工作应变片桥臂、参考应变片桥臂、第一抗干扰电路单元和第二抗干扰电路单元；
[0015] 所述第一参考桥臂与所述第二参考桥臂相连接构成参考半桥，所述参考应变片桥臂还与所述工作应变片桥臂相连接构成工作半桥；
[0016] 所述第一参考桥臂与所述工作应变片桥臂通过所述第一抗干扰电路单元相连接，所述第二参考桥臂与所述参考应变片桥臂通过所述第二抗干扰电路单元相连接；
[0017] 所述第一参考桥臂与所述第二参考桥臂之间的节点以及所述工作应变片桥臂与所述参考应变片桥臂之间的节点为测量
输出节点；
[0018] 所述第一参考桥臂与所述第一抗干扰电路单元之间的节点以及所述第二参考桥臂与所述第二抗干扰电路单元之间的节点为电桥驱动节点；
[0019] 所述第一抗干扰电路单元以及所述第二抗干扰电路单元，用于减小导线线缆及连接端子的接入而带来的测量干扰。
[0020] 所述应变片测量电路还包括：与所述测量输出节点相连接的第三放大电路。
[0021] 所述工作应变片桥臂包括工作应变片，所述工作应变片用于与所述第一抗干扰电路单元连接的端部设置两个导线连
接口；
[0022] 所述参考应变片桥臂包括参考应变片，所述参考应变片用于与所述第二抗干扰电路单元连接的端部设置两个导线连接口。
[0023] 所述第一抗干扰电路单元设有第一
放大器，所述第二抗干扰电路单元设有第二放大器；
[0024] 所述工作应变片用于与所述第一抗干扰电路单元连接的端部通过两根导线分别连接至所述第一放大器的输出通道和反馈通道；
[0025] 所述参考应变片用于与所述第二抗干扰电路单元连接的端部通过两根导线分别连接至第二放大器的输出通道和反馈通道。
[0026] 所述工作应变片用于与所述第一抗干扰电路单元连接的端部通过两根导线分别连接至所述第一放大器的输出通道和反馈通道包括：
[0027] 其中，所述导线上设置有多路模拟
开关，所述第一抗干扰电路单元同时对应多个工作应变片；
[0028] 所述参考应变片用于与所述第二抗干扰电路单元连接的端部通过两根导线分别连接至第二放大器的输出通道和反馈通道也包括：
[0029] 其中，所述导线上设置有多路模拟开关，所述第二抗干扰电路单元同时对应多个参考应变片。
[0030] 所述第三放大电路与所述测量输出节点的连接也通过多路模拟开关实现，从而实现多路应变输出
信号的程控切换测量。
[0031] 一种空心包体应变计测量系统，包括：应变
传感器测量模
块和空心包体应变计，所述空心包体应变计包括工作应变片和参考应变片，工作应变片安装在空心应变计
外壳表面，所述参考应变片安装在空心包体应变计内部；所述应变传感器测量模块用于对所述工作应变片和所述参考应变片进行测量，所述应变传感器测量模块包括至少一个应变片测量电路。
[0032] 所述空心包体应变计具有十二个工作应变片和一个参考应变片，所述工作应变片分别布置于所述空心包体应变计壳体表面的不同方位；每个所述工作应变片与所述参考应变片均具有两个端点，每个所述工作应变片以及所述参考应变片的其中一个端点连接到同一节点，使用两根电缆引出；另外一个端点均独立，并使用两根导线引出，分别与所述应变传感器测量模块中的应变片测量电路的第一抗干扰电路单元以及第二抗干扰电路单元相连接。
[0033] 优选地，所述的空心包体应变计测量系统，还包括：低温度漂移的标准电阻；
[0034] 所述低温度漂移的标准电阻安装在应变计壳体内，所述低温度漂移的标准电阻具有两个端点，其中一个端点与所述工作应变片以及所述参考应变片的其中一个端点连接到同一节点；另外一个端点独立，并使用两根导线引出，与所述应变传感器测量模块相连接；
[0035] 所述低温度漂移的标准电阻，用于测量参考应变片随温度的变化，修正补偿测量结果。
[0036] 优选的，所述空心包体应变计还包括：温度传感器；
[0037] 所述温度传感器为
热敏电阻、铂电阻和
热电偶中的一种，或者所述温度传感器为单总线数字温度传感器；
[0038] 所述温度传感器安装在应变计壳体内部，并与壳体紧密接触；
[0039] 所述温度传感器，用于测量所述空心包体应变计工作环境的温度变化。
[0040] 本发明所提供的一种应变片测量电路及空心包体应变计测量系统，由于工作应变片和参考应变片分别设置有第一抗干扰电路单元、第二抗干扰电路单元，因此，在使用工作应变片进行应力测量时，可以抑制导线电缆、连接端子的引入所带来的零点误差，并且也抑制了因测量
环境温度等的变化和导线电缆长度的变化所带来的进一步的测量干扰，具有提高应变片测量的准确性与稳定性的积极效果，对提高空心包体地应力测量的成功率和准确程度有极大帮助。
[0041] 为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0042] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0043] 图1示出了现有技术中的空心包体应变计测量系统的连接示意图；
[0044] 图2示出了本发明实施例中所提供的一种应变片测量电路的原理示意图；
[0045] 图3示出了本发明实施例中所提供的一种应变片测量电路工作片切换原理示意图；
[0046] 图4示出了本发明实施例中所提供的一种空心包体应变计测量系统的结构示意图；
[0047] 图5示出了本发明实施例中所提供的另一种空心包体应变计测量系统的结构示意图；
[0048] 图6示出了本发明实施例中所提供的另一种空心包体应变计测量系统的结构示意图；
[0049] 附图标记如下：
[0050] 110、第一放大器；111、第一接触电阻；112、第一线缆电阻；113、第二接触电阻；114、第二线缆电阻；120、第一参考桥臂；130、第二参考桥臂；140、第二放大器；141、第三接触电阻；142、第三线缆电阻；143、第四线缆电阻；144、第四接触电阻；150、第三放大电路；
160、工作应变片；170、参考应变片；310、应变传感器测量模块；320、多路模拟开关；340、标准电阻；410、温度传感器；
[0051] 其中，A、As、C、Cs、A’、C’分别代表电路节点。
具体实施方式
[0052] 下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的
选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053] 如图2所示的实施例提供的一种应变片测量电路，包括：电桥；
[0054] 上述电桥具有第一参考桥臂120、第二参考桥臂130、工作应变片桥臂、参考应变片桥臂、第一抗干扰电路单元和第二抗干扰电路单元。
[0055] 上述第一参考桥臂120与上述第二参考桥臂130相连接构成参考半桥，上述参考应变片桥臂还与上述工作应变片桥臂相连接构成工作半桥。
[0056] 上述第一参考桥臂120与上述工作应变片桥臂通过第一抗干扰电路单元相连接，上述第二参考桥臂130与上述参考应变片桥臂通过所述第二抗干扰电路单元相连接。
[0057] 第一参考桥臂120与第二参考桥臂130之间的节点以及工作应变片桥臂与参考应变片桥臂之间的节点为测量输出节点；
[0058] 第一参考桥臂120与第一抗干扰电路单元之间的节点以及所述第二参考桥臂130与第二抗干扰电路单元之间的节点为驱动节点；
[0059] 上述第一抗干扰电路单元以及上述第二抗干扰电路单元，用于减小导线线缆及连接端子的接入而带来的测量干扰。
[0060] 由于工作应变片桥臂和参考应变片桥臂分别连接有第一抗干扰电路单元、第二抗干扰电路单元，因此，在使用工作应变片进行应力测量时，可以抑制导线电缆、连接端子的引入所带来的测量干扰，并且也抑制了因测量环境温度等的变化和导线电缆长度的变化所带来的进一步的测量干扰，因此具有提高应变片测量的准确性与稳定性的积极效果。
[0061] 如图2所示，上述的应变片测量电路，还包括：与所述测量输出节点相连接的第三放大电路150，该第三放大电路用于改善电桥电路的输出特性；具体的，上述测量输出节点分别与该第三放大电路150的输入通道相连接；在一些实施例中，该第三放大电路150的输出通道连接到A/D转换器。
[0062] 上述工作应变片桥臂包括工作应变片160，该工作应变片160用于与所述第一抗干扰电路单元连接的端部设置有两个导线连接口；
[0063] 上述参考应变片桥臂包括参考应变片170，上述参考应变片170用于与所述第二抗干扰电路单元连接的端部设置两个导线连接口；之所以分别设置两个导线连接口，是为了使工作应变片160的一端可以通过两根导线连接至第一抗干扰电路单元，同样也可以满足参考应变片170的一端通过两根导线连接至第二抗干扰电路单元。
[0064] 进一步的，上述第一抗干扰电路单元设有第一放大器110，上述第二抗干扰电路单元设有第二放大器140；上述工作应变片160用于与所述第一抗干扰电路单元连接的端部通过两根导线分别连接至所述第一放大器110的输出通道和反馈通道；上述参考应变片170用于与所述第二抗干扰电路单元连接的端部通过两根导线分别连接至第二放大器140的输出通道和反馈通道。
[0065] 下面结合附图2，对本实施例作更具体的介绍，上述工作应变片160的一端通过两根导线连接至第一放大器110，两根导线的接入都会带来干扰电阻即：接触电阻和线缆电阻，设两根导线的干扰电阻分别为第一接触电阻111、第一线缆电阻112以及第二接触电阻113、第二线缆电阻114；同样，如果参考应变片170的一端通过两根导线连接至第二放大器
140，则该两根导线引入的干扰电阻分别为：第三接触电阻141、第三线缆电阻142以及第四线缆电阻143、第四接触电阻144，并且用A、As、C、Cs、A’、C’分别标注不同的电路节点。
[0066] 在如图2所示的实施例提供的应变片测量电路中，由于设置有第一抗干扰电路单元和第二抗干扰电路单元，其中第一放大器的存在和第二放大器的存在会使得应变片测量电路具有以下特性：
[0067] 1、节点A处与节点As处的电位相同，节点C处与节点Cs处的电位相同；
[0068] 2、节点As及节点Cs处的
电流极小，可以达到皮安(10-12安培)级别；
[0069] 下面以A节点为例对本实施例的干扰情况进行分析，C节点也可以得出类似结论：
[0070] A与As电位相同，
电压VAA’＝VAsA’＝Rsen*Isen，其中，Isen为AsA’通道的电流，Rsen为AsA’通道的电阻，令干扰电阻为Rn1，则Rn1＝Rsen*Isen/IAA’，电流IAA’的大小与电桥桥压及工作应变片阻值有关，在一些实施例中普遍应用的测量电路中一般使用2.4伏电桥电压，-3阻值为120欧姆的工作应变片，此时IAA’约为10毫安(10 安培，而Isen仅与第一放大器特性有关，约为1皮安(选用第一放大器的型号为ADA4505时，Isen的参数指标为0.5皮安)，
7
因此干扰电阻Rn1≈Rsen/10，即干扰电阻降低为原来的千万分之一，极大的提高了测量电路的抗干扰能力。
[0071] 因此可以进一步得出，采用本实施例所提供的应变片测量电路，可以将测量电路的干扰电阻降低为现有测量电路的千万分之一，甚至使得在测量过程中完全可以忽略干扰电阻所带来的测量影响，极大的提高了测量电路的抗干扰能力。
[0072] 此外，由于上述应变片测量电路能够极大地降低导线线缆的接入以及接线端子的引入所带来的测量干扰，因此在实际应用中，工作人员在进行导线线缆的选用时只需考虑使电缆线芯的一致性较好即可，因此进一步降低了对应变片的测量导线线缆的质量要求。
[0073] 此外，上述工作应变片160用于与所述第一抗干扰电路单元连接的端部通过两根导线分别连接至所述第一放大器的输出通道和反馈通道还可以包括：其中，所述导线上设置有多路模拟开关，所述第一抗干扰电路单元可以同时对应多个工作应变片；如图3所示，上述第一放大器110可以通过多路模拟开关320连接多个工作应变片，通过控制多路模拟开关选通不同的工作应变片进行测量工作。多路模拟开关实现多个应变片的选通激励，减少多通道电桥测量电路的复杂程度和功耗。
[0074] 上述参考应变片170用于与所述第二抗干扰电路单元连接的端部通过两根导线分别连接至第二放大器的输出通道和反馈通道也包括：
[0075] 其中，所述导线上设置有多路模拟开关，所述第二抗干扰电路单元可以同时对应多个参考应变片。使用模拟开关可以实现多个参考应变片的选通使用，实现测量电路的补偿
位置的灵活设置。
[0076] 另外，第三放大电路150与上述测量输出节点的连接也可以通过多路模拟开关实现，从而实现多路应变
输出信号的程控切换测量，降低测量电路对A/D转换器的要求。
[0077] 综上所述，本实施例所提供的测量电路，极大地降低了导线线缆的电阻、接线端子引入的电阻等外界干扰电阻对应变测量工作的干扰，具有以下积极效果：
[0078] 1、测量电缆裁短或重新连接不影响测量数据的连续性；
[0079] 2、测量环境的变化不影响测量数据的稳定性；
[0080] 3、长时间间隔非连续测量的数据保持一致，巡检数据可以用于进行对比分析；
[0081] 4、极大地提高了测量的稳定性和准确度；
[0082] 5、对导线线缆的质量要求较低，节省成本；
[0083] 6、可以降低电路功耗。
[0084] 本发明所提供的应变片测量电路，除了可以用于测量应变，也可以用于对温度、压力等其他类型的电阻输出型传感器进行测量。
[0085] 本发明使用低功耗电路设计，采用
电池供电的模式即可满足工作需要，无需额外进行供电，满足了其在野外等特殊环境下工作时的电源需求；另外，第一抗干扰电路单元以及第二抗干扰电路单元的设计具有电流电压输出限制功能，因此，本发明所提供的测量电路还满足防爆电路设计的需求。
[0086] 如图4所示的实施例中，本实施例提供了一种空心包体应变计测量系统，包括：应变传感器测量模块310和空心包体应变计，空心包体应变计包括工作应变片160和参考应变片170，工作应变片160安装在空心应变计外壳表面，工作中与岩石胶结，测量岩石的
变形，上述参考应变片170安装在空心包体应变计内部，工作中不与任何物体胶结，用于测量电桥电路的补偿桥臂；上述应变传感器测量模块310用于对工作应变片160和参考应变片170进行测量，应变传感器测量模块310包括至少一个应变片测量电路。
[0087] 进一步的，上述空心包体应变计具有十二个工作应变片160和一个参考应变片170，工作应变片分160别布置于所述空心包体应变计壳体表面的不同方位，以实现对不同方向地应力的测量；每个工作应变片160与参考应变片170均具有两个端点，每个工作应变片以及每个参考应变片的其中一个端点共同连接到同一节点，使用两根电缆引出；另外一个端点均独立，并使用两根导线引出，分别与所述应变传感器测量模块310中的应变片测量电路的第一抗干扰电路单元以及第二抗干扰电路单元相连接。
[0088] 如图5所示的实施例中，上述的空心包体应变计测量系统，还包括：低温度漂移的标准电阻340；该低温度漂移的标准电阻340安装在应变计壳体内，低温度漂移的标准电阻340具有两个端点，其中一个端点与工作应变片以及参考应变片的其中一个端点共同连接到同一节点；另外一个端点独立，并使用两根导线引出，与应变传感器测量模块310相连接；所述的低温度漂移的标准电阻340，用于测量参考应变片随温度的变化，修正补偿测量结果。
[0089] 上述低温度漂移的标准电阻340在温度变化时，其阻值变化极小，应用此特性，可使用该低温度漂移的标准电阻340来测量参考应变片随温度的变化，为测量工作的得到的测量结果提供参考，进一步提高了测量的准确性。
[0090] 如图6所示的实施例中，上述的空心包体应变计测量系统，所述的空心包体应变计还包括：温度传感器410。
[0091] 上述的温度传感器可以为数字式的温度传感器或者模拟式的温度传感器，其中模拟式的温度传感器优选为热敏电阻、铂电阻或者热电偶等，数字式的温度传感器优选为单总线数字温度传感器。
[0092] 上述温度传感器安装在应变计壳体内部，并与壳体紧密接触。
[0093] 所述温度传感器，用于测量所述空心包体应变计工作环境的温度变化，为工作人员对测量结果的分析提供温度变化方面的参考数据，进而可以进一步的提高测量结果的准确性。
[0094] 现有空心包体应变计在使用时，温度变化时应变计的输出变化较大，会影响测量的
精度，而且，应变计测量导线线缆裁剪会引入测量误差，影响率定工作；并且导线线缆引入的误差与其线缆长度成正比，因此会限制应变计电缆长度的改变，进一步会使应变计的使用受到限制；此外，接线的重新连接工作会引入测量误差，影响率定及应变计巡检模式测量精度。
[0095] 因此，而本发明所提供的空心包体应变计采用上述应变片测量电路后，同样可以达到以下积极效果：
[0096] 1、测量电缆裁短或重新连接不影响测量数据的连续性；
[0097] 2、测量环境的变化不影响测量数据的稳定性；
[0098] 3、长时间间隔非连续测量的数据保持一致，巡检数据可以用于进行对比分析；
[0099] 4、测量的稳定性和准确度极高；
[0100] 5、提高了测量的灵活性。
[0101] 本发明所提供的空心包体应变计，每个工作应变片节点和参考应变片节点引出两根导线(电缆线芯)连接至所述应变片测量电路的第一抗干扰电路单元和第二抗干扰电路单元，该空心包体应变计探头与所述应变片测量电路配合，可以极大提高空心包体应变计的抗干扰能力，进而可以极大地提高其测量的稳定性、准确度和使用的灵活性。
[0102] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述
权利要求的保护范围为准。
