[发明专利]地壳钻孔体积式应变仪

说明书

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。

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。