專利名稱：應(yīng)變檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于檢測(cè)固體中的應(yīng)變和變形的裝置，特別是涉及適合于檢測(cè)地球應(yīng)變的裝置。
背景技術(shù)：
利用井孔應(yīng)變計(jì)和系統(tǒng)測(cè)量地下巖層運(yùn)動(dòng)是公知的，雖然目前已經(jīng)制造出各種不同的應(yīng)變計(jì)和系統(tǒng)的商品，但是這些商品大都存在缺點(diǎn)和操作上的局限性。
一種公知的井孔應(yīng)變計(jì)是一個(gè)通過可伸縮的膠泥以預(yù)應(yīng)力狀態(tài)固定到井孔中的彈性金屬管，以便使該金屬管精確地跟蹤巖層的變形。此變形經(jīng)液壓裝置放大后驅(qū)動(dòng)一個(gè)小的薄壁的膜盒，然后驅(qū)動(dòng)一個(gè)電動(dòng)傳感器。電源和信號(hào)全部通過一根電纜達(dá)到地面。目前有許多這樣的裝置在世界范圍內(nèi)使用。
有很多這樣的檢測(cè)裝置安裝在地震多發(fā)區(qū)，以研究震前產(chǎn)生的應(yīng)變以及近場(chǎng)變形及其發(fā)展。為了精確地檢測(cè)小到10-12的應(yīng)變，必須將最大的瞬時(shí)應(yīng)變測(cè)量限制在10-5左右，這是由于受到電傳感器即低噪聲LVDT(線性可變的差動(dòng)變壓器)的行程的限制。該檢測(cè)裝置的機(jī)械的和液壓的部件的運(yùn)動(dòng)范圍則大得多，比10-3還大，它可以跟蹤任何可能發(fā)生的地震應(yīng)變。由于比較接近地震發(fā)生這一事件，所以通過一個(gè)自動(dòng)打開的閥釋放檢測(cè)體積內(nèi)的壓力來防止傳感器和膜盒過壓。如果這個(gè)閥在一次地震期間打開，則這個(gè)階躍應(yīng)變的信息就丟失了。這種情況在最臨近地震發(fā)生時(shí)的檢測(cè)裝置中時(shí)有發(fā)生。
因此，需要提供一種能保證在一個(gè)瞬時(shí)的應(yīng)變幅值迫使閥打開時(shí)也不丟失應(yīng)變階躍變形信息的應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了滿足上述要求而提出的，這個(gè)目的是通過提供一個(gè)檢測(cè)固體變形的裝置而達(dá)到的。該裝置包括一個(gè)具有能插入在固體中的結(jié)構(gòu)和布置的殼體。該殼體具有限定一個(gè)大致密封的容器的壁。該容器有一個(gè)把該容器分隔成一個(gè)上密閉段和一個(gè)下密閉段的內(nèi)部分隔壁。流體大致充滿下密閉段并在下密閉段的內(nèi)壁間連動(dòng)。第一應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)與容器的下密閉段流體連通，這樣就可通過該第一應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)液體壓力變化所引起的壁的變形。而第二應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)則配置在上密閉段中，該上密閉段只部分填充流體。一個(gè)閥使第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)與下密閉段流體連通。該閥與第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)在工作上聯(lián)動(dòng)，并且是常閉的，以便防止下部的流體與第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)連通。閥的結(jié)構(gòu)和布置應(yīng)能完成下述功能當(dāng)?shù)谝粦?yīng)變傳感系統(tǒng)達(dá)到一應(yīng)變測(cè)量值的工作極限時(shí)，該閥響應(yīng)該第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)而打開，借此防止超過第一傳感系統(tǒng)的工作極限的應(yīng)變損壞該應(yīng)變傳感系統(tǒng)。第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布置能夠測(cè)量過大的應(yīng)變值。
該應(yīng)變傳感測(cè)量裝置主要由一個(gè)充滿流體的彈性管構(gòu)成，該彈性管通過可伸縮膠泥在預(yù)應(yīng)力的狀態(tài)下固定在井孔中。當(dāng)該彈性管在周圍介質(zhì)產(chǎn)生的力的作用下變形時(shí)，它的體積產(chǎn)生微小的變化，并使流體排出到一個(gè)小直徑的薄壁膜盒中。膜盒的長(zhǎng)度隨著排出的流體發(fā)生變化，而這個(gè)長(zhǎng)度的變化被線性差動(dòng)變壓器或其它公知的裝置監(jiān)測(cè)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種利用上述裝置檢測(cè)固體中變形的方法。該方法包括將該殼體插入到固體中，其方式應(yīng)可使固體的變形傳遞到該殼體的壁上。通過第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)檢測(cè)容器壁的變形，確定該固體的應(yīng)變，即第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)通過在容器壁變形時(shí)使下密閉段的流體與第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)流體連通而進(jìn)行傳感。為了保證第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)不發(fā)生由于固體中的過大應(yīng)變引起超過應(yīng)變測(cè)量值極限的現(xiàn)象，需要對(duì)第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)?shù)谝粦?yīng)變傳感系統(tǒng)大致達(dá)到其工作極限時(shí)，閥打開，使下密閉段與第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)流體連通，從而防止第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)受損壞。通過第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)測(cè)量該過大的應(yīng)變。
通過下面結(jié)合附圖
的構(gòu)成了本發(fā)明的說明書的詳細(xì)說明與權(quán)利要求可以更清楚地了解本發(fā)明的其它目的、特點(diǎn)和特征、操作方法與結(jié)構(gòu)有關(guān)的零部件和零部件組合的功能以及制造的經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明的詳細(xì)描述參看附圖可以更清楚地理解本發(fā)明，這個(gè)附圖是在地下巖層的井孔內(nèi)的傳感裝置的示意剖視圖。
參看附圖，整個(gè)裝置用10代表，它包括一個(gè)通過水泥封裝14形成的連接結(jié)構(gòu)緊密地配置在大地13的井孔12中的殼體或容器11。封裝14是一種可伸縮的水泥，例如在美國(guó)專利USP 3155526、USP 3251701和USP3030037中所描述的含有硫酸鈣鋁的可伸縮的水泥之一，這三篇美國(guó)專利被本申請(qǐng)作為參考文件而引用。
殼體11由一個(gè)在巖層中的有預(yù)應(yīng)力的鋼管組成，以便使其精確地跟蹤巖層中的細(xì)微變形。殼體11包括一個(gè)充有傳感流體36并在打開時(shí)與一個(gè)小的膜盒16連通的下密閉段26。一個(gè)常閉的電子控制閥18安裝在上段24和下段26之間的壁20上。上段24部分充有流體34，而流體上面充有一層氣體32。在所述的流體水平面上的氣體空間允許膜盒16和28隨很小的回壓變形。
裝置10的靈敏度正比于傳感體積與膜盒16面積的比值，因此為了獲得某些研究所需要的最高靈敏度，膜盒16的面積應(yīng)該小。通常這些裝置的測(cè)量范圍在10-12到約3×10-6之間，超過這個(gè)范圍，膜盒就處在過度伸長(zhǎng)狀態(tài)。然而鄰近地震時(shí)的應(yīng)變可以超過10-4。為了防止這些裝置在這樣的狀態(tài)下被損壞，按照慣例是配置一個(gè)電子控制閥，當(dāng)小膜盒16的行程達(dá)到其安全工作極限時(shí)，該閥就打開，與一個(gè)非增壓的儲(chǔ)液桶連通。一旦閥打開，流體就流出該傳感體積，同時(shí)引起應(yīng)變信息的丟失，而這個(gè)信息對(duì)于研究地震過程卻具有特別重要的價(jià)值。
按照本發(fā)明，這個(gè)電子控制閥18與連接到膜盒28上的管22流體連通。一個(gè)常閉的閥30安裝在膜盒28的下密閉段上，閥30用于填充流體階段的操作，將流體供給裝置10。
在裝置10中，一旦閥18打開，流出打開的閥18的流體就進(jìn)入直徑大得多的第二膜盒28中，如下面將更詳細(xì)說明的那樣。第二膜盒28的直徑和體積大到足以能適應(yīng)大于10-4的應(yīng)變并能測(cè)量該應(yīng)變。
在上段24和下段26中使用的流體34和36可以是如美國(guó)專利USP3635076中所描述的與裝置結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的任何流體，該篇美國(guó)專利作為本申請(qǐng)的參考文件被引證。
雖然可以采用三氯甲烷飽和水溶液和其它流體，但硅油被認(rèn)為是最適合于本發(fā)明這個(gè)目的的流體。氣體32可以采用任何與裝置結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的氣體。適合的氣體包括氬、氮等氣體。
在實(shí)際操作中，當(dāng)周圍結(jié)構(gòu)的應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，井孔12將變形，殼體11的壁33將跟蹤井孔變形。隨著殼體的變形，傳感流體36的體積發(fā)生變化，并使其中的流體壓力發(fā)生變化，這個(gè)壓力的變化通過膜盒16的膨脹被檢測(cè)出。膜盒16最好是一個(gè)波紋管膜盒，該膜盒與一個(gè)線性差動(dòng)變壓器38或其它適合的測(cè)量裝置相連。差動(dòng)變壓器(LVDT)38以一種公知的方式提供膜盒16的長(zhǎng)度上變化的電信號(hào)指示。膜盒16和差動(dòng)變壓器38確定一個(gè)應(yīng)變傳感系統(tǒng)。產(chǎn)生的相應(yīng)于應(yīng)變的電信號(hào)可以通過適合的引線40傳送到地面上。
在正常運(yùn)行中，閥18關(guān)閉，在傳感流體36中的任何體積變化都能引起膜盒16的伸長(zhǎng)(或收縮)。通過LVDT38或類似的裝置測(cè)量膜盒16的上述運(yùn)動(dòng)。如果井孔12的變形大到使膜盒16伸長(zhǎng)(或壓縮)到其工作極限，并被所連接的LVDT檢測(cè)到時(shí)，閥18被從膜盒16上的LVDT38上引出的線44所傳送的電信號(hào)打開。
流體將通過閥18流入大直徑的膜盒28中，該膜盒28的膨脹(或壓縮)被第二LVDT42測(cè)量。因此，過大的應(yīng)變可以利用膜盒28和與其相連的線性差動(dòng)變壓器(LVDT)42測(cè)量，于是膜盒28和LVDT42確定了第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)。
在這個(gè)大的變形發(fā)生過后，即在這個(gè)地震引起的變形發(fā)生后閥18關(guān)閉，裝置10恢復(fù)到其高靈敏度狀態(tài)。
雖然在此是就用于大地變形檢測(cè)裝置進(jìn)行詳細(xì)說明的，但是應(yīng)該指出，本發(fā)明的裝置可以用于檢測(cè)想要檢測(cè)的任何固體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變，例如水壩、墻壁等。
可以認(rèn)為，本發(fā)明的各項(xiàng)目的已經(jīng)有效地達(dá)到。通過提供大體積的第二膜盒28，保證了即使最大的預(yù)期應(yīng)變也不會(huì)將LVDT42驅(qū)動(dòng)到其工作極限位置之外。
雖然上面是結(jié)合被認(rèn)為是最實(shí)用的和優(yōu)選的實(shí)施例描述本發(fā)明的，但是不難理解，本發(fā)明并不限于所描述的實(shí)施例，正好相反，本發(fā)明應(yīng)覆蓋包括在權(quán)利要求書限定的精神和范圍內(nèi)的各種改型和等同結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)固體應(yīng)變和變形的裝置，包括一個(gè)在結(jié)構(gòu)和配置上適合于插入固體中的殼體，所述殼體具有限定一個(gè)大致密閉容器的壁，所述容器有一個(gè)把該容器分隔成一個(gè)上密閉段和一個(gè)下密閉段的內(nèi)部分隔壁；一種大致充滿下密閉段并且可在下密閉段的內(nèi)壁間流動(dòng)的流體，所述流體至少部分充填所述上密閉段；一個(gè)與容器的下密閉段流體連通的第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)，以便通過該第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)檢測(cè)所述壁變形引起的體積變化；一個(gè)安裝在上密閉段中的第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)，以及一個(gè)使第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)與所述下密閉段流體相連通的閥，所述的閥與所述第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)工作，并且是常閉的，以防止下密閉段與所述第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)流體連通，所述閥的結(jié)構(gòu)和配置適合于在第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)達(dá)到應(yīng)變測(cè)量值的工作極限時(shí)響應(yīng)第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)而打開，從而使第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)不被超過其工作極限的應(yīng)變損壞，所述第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置適合于測(cè)量過大的應(yīng)變。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，還包括一個(gè)連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的構(gòu)成和配置能使容器壁與殼體插入的固體剛性連接，以便把固體的變形傳送給容器壁，并在容器的下密閉段的流體中產(chǎn)生壓力脈沖。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述的連接結(jié)構(gòu)是封裝水泥。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述的流體是硅油和三氯甲烷飽和水溶液中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述殼體是鋼管。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一和第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)各包括一個(gè)與下密閉段流體連通的膜盒和一個(gè)與相連的膜盒連接并且被膜盒操縱的差動(dòng)變壓器。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)的膜盒具有一個(gè)大到能保證即使預(yù)期最大的應(yīng)變也不會(huì)使與其相連的差動(dòng)變壓器工作到該差動(dòng)變壓器的工作極限之外的有效面積。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述的閥是一個(gè)電子控制閥，并且在第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)的差動(dòng)變壓器檢測(cè)到第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)的膜盒運(yùn)動(dòng)至其工作極限位置時(shí)，該閥受到一個(gè)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)而打開，以便允許流體從下密閉段流入第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)的膜盒中。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，第一和第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)分別被在上密閉段中的流體包圍，在流體的上方有一個(gè)氣體空間，該氣體空間使每個(gè)膜盒隨小的回壓而變形。
10.一種利用傳感裝置檢測(cè)固體中的應(yīng)變和變形的方法，該傳感裝置包括一個(gè)具有限定一個(gè)大致密閉容器的壁，該容器有一個(gè)把該密閉容器分隔成一個(gè)上密閉段和一個(gè)下密閉段的內(nèi)部分隔壁；一些大致充滿下密閉段并可在下密閉段的內(nèi)壁間流動(dòng)的流體，該流體至少部分充填上密閉段中；還包括一個(gè)與容器的下密閉段連通的第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)；一個(gè)安裝在上密閉段的第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)和一個(gè)使第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)與下密閉段流體相連通的閥，該閥與第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)操作，并且是常閉的，以便防止下密閉段中的流體與第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)連通；其特征在于該方法包括以一種可以使固體的變形傳遞給該殼體壁的方式將殼體插入到固體中；利用第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)，在容器壁變形時(shí)使下密閉段中的流體與第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)連通，通過檢測(cè)容器壁的變形測(cè)定固體的應(yīng)變；監(jiān)測(cè)第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)，以便保證第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)不因固體中的過大應(yīng)變而使其超過應(yīng)變測(cè)量值的極限；當(dāng)?shù)谝粦?yīng)變傳感系統(tǒng)大致達(dá)到工作極限時(shí)打開該閥，使下密閉段與第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)流體連通，借此防止第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)被損壞；以及用第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)檢測(cè)所述過大的應(yīng)變。
全文摘要
一種用于檢測(cè)固體變形的裝置(10),包括一個(gè)插入殼體(11),該殼體具有內(nèi)部分隔壁(20)和充有流體(36和34)的下密閉段(26)和上密閉段(24)。第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)(38)和第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)(42)分別安裝在下密閉系統(tǒng)和上密閉系統(tǒng)中。一個(gè)使第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)與下密閉段(26)相連的閥(18)是常閉的,該閥的結(jié)構(gòu)適于在響應(yīng)第一應(yīng)變傳感系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)時(shí)打開。第二應(yīng)變傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置使之能測(cè)量過大的應(yīng)變。
文檔編號(hào)G01B7/16GK1201518SQ96198041
公開日1998年12月9日 申請(qǐng)日期1996年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月31日
發(fā)明者艾弗·S·薩克斯 申請(qǐng)人:華盛頓卡內(nèi)基研究所