[发明专利]一种同平面可多方向多角度测量解算的钻孔应变探头

说明书

本发明提供了一种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；在探头外钢筒内沿其中轴线固定设置的测量基轴；和多个应变传感器，设置于探头外钢筒与测量基轴之间，各应变传感器的一端通过各安装杯与探头外钢筒连接，另一端与所述测量基轴连接，各应变传感器在同一平面，以测量基轴为中心呈散射状均匀分布。当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。同一径向方向的两个应变传感器，其测值相加可获得探头外钢筒在这一分量的径向线应变值。根据各测量基线所得线应变值可解算多种应变状态。

技术领域

本发明涉及应变测量、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

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。

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。

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。

发明内容

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。

本发明的一种同平面可多方向多角度解算的钻孔应变探头，包括：

探头外钢筒；

在所述探头外钢筒内沿中轴线固定设置的测量基轴；和

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，

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。

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。

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。

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。

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。