一种钻孔重力仪探头论文和设计-宋光珍

全文摘要

本实用新型公开一种钻孔重力仪探头，涉及一种地学测量仪，其结构有五个主要部分：1.密封腔体，由金属外壳、密封塞、O型圈构成；2.重力测量系统，由压电陶瓷促动器、主弹簧、电容位移传感器、辅助弹簧为主要构件组成，所述重力测量系统将重力值变化转换为主弹簧长度变化，由电容位移传感器将主弹簧长度变化转换为电压信号，电压信号通过电缆输送到数据采集主机；3.恒温与温度测量系统，由热敏电阻、恒温元件、温度传感器构成；4.锁紧机构，由锁紧销、锁紧电机组成；5.定位与垂直度微调机构，由支撑销、锥度销、斜度滑块、微调螺杆、电子水准器组成。本实用新型结构简单，用水泥安装在恒温好、振动干扰少的钻孔中，有利于提高重力观测质量。

主设计要求

1.一种钻孔重力仪探头，主要部件包括压电陶瓷促动器(4)、陶瓷套筒(7)、主弹簧(11)、中极板(12)、上极板(13)、下极板(14)、传感器电路(22)，其特征是：所述的压电陶瓷促动器固定在陶瓷套筒上部；压电陶瓷促动器下端与主弹簧上端固定；主弹簧下端与中极板的中心轴上端固定。

设计方案

2.根据权利要求1所述的钻孔重力仪探头，其特征是：压电陶瓷促动器由压电锁A(5)、压电锁B(6)锁定在陶瓷套筒顶部中心部位。

3.根据权利要求1所述的钻孔重力仪探头，其特征是：主弹簧由高纯度石英材料制造，主弹簧的下端为倒锥形。

4.根据权利要求1所述的钻孔重力仪探头，其特征是：中极板、上极板、下极板、传感器电路组成电容位移传感器。

5.根据权利要求1所述的钻孔重力仪探头，其特征是：钻孔重力仪探头在运输、安装状态中极板(12)由锁摆销(15)锁定，锁摆销侧面有齿条，由锁摆电机(16)的齿轮驱动，三个锁摆销与三个锁摆电机在中极板周围120°夹角均布。

设计说明书

技术领域

本发明涉及一种地学测量仪，具体为一种钻孔重力仪探头。

背景技术

在地震研究领域，重力观测是重要手段之一，其原理是弹簧悬挂一个重块，重力加速度的大小与弹簧的伸缩呈正相关，例如：重力增大拉长弹簧，用电容位移传感器测出弹簧长度的增量，通过传递函数计算获得重力加速度的增量。弹簧一般用金属或者石英材料，受温度、振动影响较大。重力仪安装在远离振动源的山洞中，山洞建设投资巨大，多与其他仪器合用山洞，重力网点发展受到制约；重力仪以美国LaCoste&Romberg-Scintrex公司产品为主，售价高达130万元人民币，也阻碍了网点发展。

发明内容

本发明所解决的技术问题是针对上述的山洞建设投资巨大、仪器价格昂贵两个方面，提出一种钻孔重力仪探头。

本发明的技术方案是：重力仪探头设计为直径110mm、高度500mm的圆柱形；重力仪探头借助安装工具，能够在钻孔中自动定心和调整垂直度；重力仪探头核心部件是：压电陶瓷促动器、陶瓷套筒、主弹簧、电容位移传感器。

上述压电陶瓷促动器固定在陶瓷套筒上部；压电陶瓷促动器下端与主弹簧上端固定；主弹簧下端与电容位移传感器的中极板上端固定，中极板处于悬挂状态；重力值变化使中极板重量同步变化，主弹簧长度遵循胡克定律同步变化，传感器将主弹簧长度变化转换为电信号。

上述重力仪探头，具有电容位移传感器调零、恒温、测温、锁定中极板的功能。

上述重力仪探头，使用膨胀水泥固结在钻孔底部，有效避开温度扰动和振动扰动。

本发明的有益效果是：重力仪安装在恒温良好的钻孔中，能够避开地表的温度和振动干扰，有利于提高观测数据可靠性；钻孔开凿方便快捷，具有选择观测点零活，占地面积小的优势，不再依赖造价昂贵的观测山洞；测量系统结构简单成本较低，适合推广应用。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明的纵向剖面图

图2是图1的AA剖面

图3是钻孔重力仪探头工作示意图

图1中序号1.电缆；2.密封塞；3.不锈钢壳；4.压电陶瓷促动器；5.压电锁A；6.压电锁B；7.陶瓷套筒；8.金属套筒；9.恒温元件；10.热敏电阻；11.主弹簧；12.中极板(兼顾重量块)；13.上极板；14下极板；15.锁紧销；16.锁紧电机；17.支撑销；18.锥度销；19. 陶瓷堵；20.辅助调节螺栓；21.辅助弹簧；22.传感器电路；23.石英垫片A；24.石英垫片B； 25.温度传感器；26.斜度滑块；27.微调螺杆；28.电子水准器；29.O型圈；30.密封锥套。

图2中序号3.不锈钢壳；7.陶瓷套筒；16.锁紧电机；15.锁紧销；12.中极板；22.传感器电路。

图3中序号31.光伏电池；32.3G天线；33.重力仪主机；34.钻孔钢套管；35.重力探头；36.膨胀水泥。

具体实施方式

在图1中，电缆(1)的功能是供电、信号传输、锁摆控制、恒温控制；密封塞(2)、不锈钢壳(3)、O型圈(29)、密封锥套(30)构成密封腔体；压电陶瓷促动器(4)、压电锁A(5)、压电锁B(6)、陶瓷套筒(7)、金属套筒(8)、主弹簧(11)、中极板(12)、上极板(13)、下极板(14)、陶瓷堵(19)、辅助调节螺栓(20、)辅助弹簧(21)、传感器电路(22)、石英垫片A(23)、石英垫片B(24)构成重力测量系统；恒温元件(9)、热敏电阻(10)、温度传感器(25)组成恒温与温度测量系统；锁紧销(15)、锁紧电机(16)构成锁紧机构；支撑销(17)、锥度销(18)、斜度滑块(26)、微调螺杆(27)、电子水准器(28)构成定位与垂直度微调机构。

所述密封腔体，O型圈(29)安装在密封塞(2)外圆窄槽中，密封塞涂胶后压入不锈钢壳(3)上端；密封锥套(30)套在电缆上，涂胶后压入密封塞中，密封后保证在1Mpa水压下长期工作不泄漏。

所述重力测量系统，压电陶瓷促动器(4)、压电锁A(5)、压电锁B(6)的作用是：压电陶瓷促动器由压电锁A、压电锁B固定在陶瓷套筒顶部，三者配合完成促动器在垂直方向的微小移动，使电容位移传感器的工作位置处于测量范围的中间位置，在地震仪器测量行业称为“零点”。以压电陶瓷促动器向上移动为例：压电锁A通电→压电陶瓷促动器上端自由→压电陶瓷促动器加10V电压→促动器向上伸长1um→压电锁A锁断电锁紧压电陶瓷促动器上端→压电锁B通电→压电陶瓷促动器断电缩短1um→压电锁B断电锁紧压电陶瓷促动器；以上操作完成一个向上移动1um的动作，连续重复这个动作，压电陶瓷促动器以1um的步距向上移动。以上步骤反向操作，压电陶瓷促动器以1um的步距向下移动。

所述重力测量系统，压电锁A在断电状态将压电陶瓷促动器与陶瓷套筒锁在一起，锁紧力为20N；压电锁B在断电状态将压电陶瓷促动器与陶瓷套筒锁在一起，锁紧力为100N。

所述重力测量系统，中极板、上极板、下极板、传感器电路、石英垫片A、石英垫片B组成电容位移传感器。上极板、中极板、下极板相互平行，间距0.5mm，此时传感器处于零点，中极板向下移动5um传感器输出+5V信号，中极板向上移动5um传感器输出-5V。

所述重力测量系统，金属套筒(8)作用是：电磁屏蔽、平衡弹簧周围温度、防静电。

所述重力测量系统，主弹簧(11)上端与压电陶瓷促动器连接，下端与传感器中极板(12) 连接；上极板(13)、下极板(14)与陶瓷套筒(7)固定在一起。

所述重力测量系统，主弹簧(11)由高质量石英材料制作，主弹簧下端为倒锥形。

所述重力测量系统，陶瓷堵(19)、辅助调节螺栓(20、)辅助弹簧(21)组成辅助调节机构，其作用是陶瓷堵固定在陶瓷套筒底部，辅助调节螺栓固定在陶瓷堵中心，辅助调节螺栓上端连接辅助弹簧下端，辅助弹簧上端连接中极板中心轴下端。主弹簧K_{1<\/sub>值是辅助弹簧K_{2<\/sub>值的100倍，辅助弹簧给中极板一个微弱的拉力，阻尼中极板在水平方向的地脉动幅度，提高数据稳定性。}}

所述重力测量系统，辅助弹簧为铍青铜游丝弹簧，辅助弹簧兼顾中极板信号引线。

所述重力测量系统，传感器电路(22)其作用是供给上极板、下极板激励电压；将中极板输出电压信号解调放大。

所述重力测量系统，石英垫片A(23)用于支撑下极板，石英垫片B(24)是上极板与下极板之间垫片。

所述恒温与温度测量系统，其恒温系统由两个热敏电阻(10)和控制恒温元件(9)组成，控制恒温元件电流大小，让重力仪探头核心温度略高于环境温度，并恒定在一个温度值；温度测量系统由两个温度传感器组成，对恒温系统性能做同步监测。

所述锁紧机构，由三个锁紧电机与三个锁紧销组成，在水平面120°夹角均布，用于锁紧中极板(重量块)，避免运输安装过程中极板剧烈振动、大幅度转动损坏主弹簧。

所述定位与垂直度微调机构，由支撑销(17)、锥度销(18)、斜度滑块(26)、微调螺杆 (27)组成，重力仪探头三个支撑销在水平面120°夹角均布，当重力仪缓慢下落到钻孔底部，锥度销被钻孔底部顶起，重力仪靠自身重量继续下落，锥度销推动三个支撑销沿径向伸出，卡在钻孔井壁上，实现自动定位；三个斜度滑块在水平面呈120度夹角分布，微调螺杆(27)带动斜度滑块(26)支撑井壁，根据电子水准器的给出的倾角调节三个微调螺杆，使重力仪探头轴线垂直于水平面；微调螺杆使用专用安装工具操作驱动。

测量系统基本格值参数设计：

1)重力\/位移换算参数：以生产地的重力值980Gal为例，中极板重量将主弹簧在自由悬挂状态拉伸98mm为标准，由此计算：980Gal\/98mm＝10mGal\/um；

2)位移\/电压换算参数：设计电容位移传感器量程为±5um\/±5V；

3)重力\/电压换算参数：重力\/位移、位移\/电压两个换算参数计算，

(10mGal\/um)÷(±5um\/±5V)＝±50mGal\/±5V

±50mGal为重力仪设计量程，即：总量程100mGal

±5V为设计量程输出电压信号，即：总量程10V

4)分辨力参数设计：电容位移传感器动态范围120dB(100，0000字)为设计标准100mGal÷1000000＝0.0001mGal＝0.1uGal，即：有效分辨力0.1uGal

在图3中，光伏电池(31)给重力仪主机(33)和重力探头(35)供电，富裕电力存储在主机内置锂电池中，维持夜间和阴雨天工作；3G天线(32)将观测数据送入互联网；膨胀水泥(36)用于重力探头固结。

本发明所述钻孔重力仪探头，使用膨胀水泥在钻孔中固结重力仪探头，缺点是维修成本高，需要用岩芯钻机解除后两名专业人员10个工作日完成修复，维修一次5万元。但是本发明有三个优势：首先，数据可靠，在钻孔50-100m深度用水泥固结重力仪探头，有效避开温度变化与振动的干扰，观测数据的可靠性得到保证；其次，长寿命，采用军品电子器件及生产工艺，可靠工作寿命20年-30年，可以缓解维修困难的缺点；第三，仪器结构简单，生产及安装成本8万元左右，仅为进口仪器十五分之一，采用双机热备工作，一个点安装两个相同重力仪探头，平行观测相互验证可靠性，修复单个探头故障时不影响重力测量数据的连续性。所述三个优势使本发明钻孔重力仪探头具有较好的实用性。

本发明所述“重力”在地震行业是指“重力加速度”的简称、“120°夹角均布”是所述部分以附图中仪器轴心径向截面为参考。

设计图

一种钻孔重力仪探头论文和设计

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