阅读说明：本技术 地壳钻孔体积式应变仪 (Earth crust drilling volume type strain gauge ) 是由 李海亮 马京杰 于 2020-05-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种地壳钻孔体积式应变仪,设于地下钻孔内,感受腔(7)内设两个以上的MEMS压力传感器(12),MEMS压力传感器(12)固定于金属柱芯(8)或隔板(11)的下表面上；所述的测量腔(5)上顶部设有独立的顶腔(13),顶腔(13)内设电路模块(14),MEMS压力传感器(12)的连接线穿过隔板(11)与测量腔(5)顶板(16)绝缘连接电路模块(14),电路模块(14)通过外接电缆(15)与地面电子线路连接。压力传感器采用MEMS数字芯片,精度高,功耗小,有效地解决了传统工艺在膜片破裂后上下腔导通的技术难题,延长了应变仪的使用寿命,无需多次频繁的维修,节约人力成本,体积小,安装简单。(The invention discloses a ground shell borehole volume type strain gauge which is arranged in an underground borehole, wherein more than two MEMS pressure sensors (12) are arranged in a sensing cavity (7), and the MEMS pressure sensors (12) are fixed on the lower surface of a metal column core (8) or a partition plate (11); the measuring cavity (5) is provided with an independent top cavity (13) at the top, a circuit module (14) is arranged in the top cavity (13), a connecting line of the MEMS pressure sensor (12) penetrates through the partition plate (11) and is connected with the circuit module (14) in an insulation mode with a top plate (16) of the measuring cavity (5), and the circuit module (14) is connected with a ground electronic circuit through an external cable (15). The pressure sensor adopts the MEMS digital chip, has high precision and low power consumption, effectively solves the technical problem of the conduction of the upper cavity and the lower cavity after the diaphragm is broken in the traditional process, prolongs the service life of the strain gauge, does not need frequent maintenance, saves the labor cost, and has small volume and simple installation.)

地壳钻孔体积式应变仪

技术领域

本发明涉及一种机械电子测量结构技术领域，尤其涉及一种应用于地震前兆应变观测、矿山及其他工程测量等钻孔体应变观测领域的地壳钻孔体积式应变仪。

背景技术

目前地壳钻孔应变观测仪器的探头一般置于钻孔中数十米深的地壳的基岩中，观测的是地壳表层的应变变化。观测对象包括：体应变。地壳钻孔体积式应变仪的观测原理是：当盛有不可压缩液体的可变形容器所受压力发生变化时，向上的出口处的液面高度就会随之变化。目前钻孔应变观测台网使用的体应变观测仪器。

如图1所示，现有的地壳钻孔体积式应变仪，结构上包括一个长圆形筒体，中间设置隔板分上下两个腔室，上腔为测量腔5，下腔为感受腔7，内设金属柱芯8，感受腔7内充满硅油9，测量腔内装有压力传感器3及电磁阀4，并充有硅油9和氩气2。压力传感器3及电磁阀4连接外接电缆，外接电缆通过端帽1伸出与地面电子线路连接。由于氩气2的存在，测量腔5的压力P₀基本恒定，但在感受腔7，只要外力使得腔室的体积有微量变化时，硅油9的压力P₁即会产生明显的变化。压力传感器3用来感受测量腔5与感受腔7的压力之差，即P₁-P₀，但实际上P₀基本不变(制作时已将P₀设定为一个大气压，即约 0.1MPa)，所以压力传感器3所反映的信息，只是感受腔7的压力变化。压力传感器3的电输出值e与长圆筒的体积应变ΔV1/V1成正比。通常会采用两个压力传感器3，目的是其中一个损坏，启用另外一个。

电磁阀4，当它通电时能够开启，使得测量腔5与感受腔7连通，两腔间的压力差变为零，P₁＝P₀，又由于P₀是恒定的标准压力(一个大气压)，因而开启电磁阀4时可使感受腔7的硅油9压力恢复为原有的标准压力。开启电磁阀4时，液体状态的硅油9会有少量 (如0.003cm³量级)的流动，所需的时间仅需0.2s左右，因此电磁阀4在绝大多数的时间内是关闭的(不通电状态)。

当地壳的基岩的体应变变化达6×10^-6量级时，地面电子线路能自动开启电磁阀4一次，使压力传感器3的工作点恢复到零位(P₁≈P₀，电子线路的零位输出近于0V)。

工作原理：结构上一个长圆形的弹性筒内，充满了硅油，当它受到四周岩石的挤压或拉伸时，筒内的硅油液体压力发生改变，通过液压的增大或缩小，即可得知岩石的应变状态是压缩还是拉伸。当电压向正向变大时，表示受压缩，即正为压，曲线向上变化；电压值朝负向变时，表示受拉伸，即负为张，曲线向下变化。

现有技术中存在的缺点主要是，目前压力传感器3采用扩散硅差压传感器，其安装在隔板上，差压传感器膜片作为测量腔5与感受腔7的感受部分完成测量腔5与感受腔7压力差的测量。

地壳钻孔体积式应变仪应用时需要用膨胀水泥将探头耦合到井下岩孔内，虽然目前安装了2个压力传感器3，一个是主传感器，另一个是备份差压传感器，如果工作时地下压力传感器3遭到雷击损坏，大部分情况是压力传感器3的膜片遭雷击损坏破损，使得上下腔由于膜片的损坏而导通，上下腔压力差不能保持，导致压力传感器3失去灵敏度，即使备份传感器完好无损，也造成地壳钻孔体积式应变仪也不能正常工作，不能测量出应变的变化。由于水泥固结使得探头不能够取出进行维修。如果需要恢复观测，只能靠钻井将井下探头钻出，进行维修后或更换重新安装，另外，这种高灵敏度的仪器重新安装后需要稳定时间非常长，恢复观测成本非常大。

发明内容

本发明的目的是提供一种地壳钻孔体积式应变仪，延长了应变仪的使用寿命，无需多次频繁的维修，节约人力成本，体积小，安装简单。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种地壳钻孔体积式应变仪，设于地下钻孔内，包括圆筒体10，圆筒体10内设隔板11将圆筒体10分为上腔与下腔，上腔为测量腔5，下腔为感受腔7；感受腔7内设金属柱芯 8，感受腔7内充满硅油9；测量腔5下部充硅油9上部充氩气2；所述的隔板11上有电磁阀 4，连通或封闭测量腔5与感受腔7的硅油通路；

所述的感受腔7内设两个以上的MEMS压力传感器12，MEMS压力传感器12固定于金属柱芯8或隔板11的下表面上；

所述的测量腔5上顶部设有独立的顶腔13，顶腔13内设电路模块14，MEMS压力传感器12的连接线穿过隔板11与测量腔5顶板16绝缘连接电路模块14，电路模块14通过外接电缆15与地面电子线路连接。

所述的MEMS压力传感器12包括的两个、三个、四个、五个或六个。

所述的MEMS压力传感器12每个均采用相互独立的屏蔽线作为连接线，独立连接。

所述的感受腔7内设电阻丝6，电阻丝6的连接线穿过隔板11与测量腔5顶板16绝缘连接外接电缆15。

所述的圆筒体10下端设有下锥体17。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种地壳钻孔体积式应变仪，安装多个MEMS压力传感器，且压力传感器采用MEMS数字芯片，精度高，功耗小，有效地解决了传统工艺在膜片破裂后上下腔导通的技术难题，延长了应变仪的使用寿命，无需多次频繁的维修，节约人力成本，体积小，安装简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为现有技术的地壳钻孔体积式应变仪的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的地壳钻孔体积式应变仪的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

实施例

如图2所示，一种地壳钻孔体积式应变仪，设于地下钻孔内，用于钻孔应变测量，包括圆筒体10，圆筒体10内设隔板11将圆筒体10分为上腔与下腔，上腔为测量腔5，下腔为感受腔7；感受腔7内设金属柱芯8，金属柱芯8的作用：一个是金属比硅油9更不易压缩，使测量结果更精确；另一个是配重，在应变仪安装时易于下沉到钻孔中的膨胀水泥之中。感受腔7内充满硅油9；测量腔5下部充硅油9上部充氩气2；氩气2的压力为P0(制作时已将P0设定为一个大气压，即约0.1MPa)，所述的隔板11上有电磁阀4，连通或封闭测量腔5与感受腔7的硅油通路；电磁阀4的控制线通过测量腔5顶板16的绝缘连接外接电缆15。这里的绝缘连接指的是与顶板16间电绝缘，具体的在顶板16上设有绝缘子，通过绝缘子进行电路连接。

所述的感受腔7内设两个以上的MEMS压力传感器12，MEMS(微机电系统Microelectro Mechanical Systems)，MEMS压力传感器12采用压力传感器。MEMS压力传感器12固定于金属柱芯8或隔板11的下表面上；所述的MEMS压力传感器12包括的两个或三个。当然也可以更多，只要满足经济上与空间的要求即可，多达5-6个也没有问题。所述的MEMS压力传感器12每个均采用相互独立的屏蔽线作为连接线，独立连接。一个损坏后，可以启用其他的MEMS压力传感器12，实现雷击保护功能。由于只有导线穿过隔板11，安装难度降低。

在地壳钻孔体积式应变仪受到四周岩石的挤压或拉伸时，感受腔7内硅油9液体压力发生改变，MEMS压力传感器12测量液压的增大或缩小，即可得知岩石的应变状态是压缩还是拉伸。当压力向正向变大时，表示受压缩，即正为压，曲线向上变化；压力值朝负向变时，表示受拉伸，即负为张，曲线向下变化。

所述的测量腔5上顶部设有独立的顶腔13，顶腔13内设电路模块14，MEMS压力传感器12的连接线穿过隔板11与测量腔5顶板16的绝缘连接电路模块14，这里的绝缘连接指的是与隔板11和顶板16间电绝缘。具体的在隔板11与顶板16上设有绝缘子，通过绝缘子进行电路连接；电路模块14通过外接电缆15与地面电子线路连接。

电路模块14具有以下功能：(1)给下腔的MEMS压力传感器12提供电源；(2)通导线对MEMS压力传感器12的MEMS芯片数据的读取；(3)通过外接电缆15与地面电子线路与地面仪器进行通讯。

所述的圆筒体10下端设有下锥体17。便于应变仪放入钻孔内。所述的感受腔7内设电阻丝6，电阻丝6的作用是在应变仪工作时，通过电阻丝6通电使得硅油9加热后膨胀来对MEMS压力传感器12进行标定，电阻丝6的连接线穿过隔板11与测量腔5顶板16绝缘连接外接电缆15。这里的绝缘连接指的是与隔板11和顶板16间电绝缘，具体的在隔板11与顶板16上设有绝缘子，通过绝缘子进行电路连接。外接电缆15通过端帽1伸出与地面电子线路连接。

相比现有技术的压力传感器3的体应变探头，由于采用了MEMS压力传感器12，且不是安装于隔板的通孔处，在感受腔7安装的MEMS压力传感器12损坏不会导致上下腔由于差压传感器膜片的损坏而导致的上下腔导通。同时，MEMS压力传感器12体积非常小，可以装配多个，一个损坏后启用其他的MEMS压力传感器12，从而解决雷击损坏导致的上下腔由于差压传感器膜片的损坏压力差不能保持的问题，大大延长传感器的使用寿命。避免遭受雷击后使得传感器上下腔导通而使得传感器报废的缺点。MEMS压力传感器12是高精度的数字芯片，同时提高了测量精度、降低功耗和提高了可靠性。

经力学计算核定，采用目前的高分辨率的数字式MEMS压力传感器12的各项性能指标，组装的传感器会有高精度和高分辨率，使得体应变的性能得到提高。还节省了钻机成本、探头成本、安装人员成本及更换的中断观测时间损失，效益显著。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求书的保护范围为准。