應變檢測裝置的製作方法
2023-05-30 20:00:56
專利名稱：應變檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於檢測固體中的應變和變形的裝置，特別是涉及適合於檢測地球應變的裝置。
背景技術：
利用井孔應變計和系統測量地下巖層運動是公知的，雖然目前已經製造出各種不同的應變計和系統的商品，但是這些商品大都存在缺點和操作上的局限性。
一種公知的井孔應變計是一個通過可伸縮的膠泥以預應力狀態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。此變形經液壓裝置放大後驅動一個小的薄壁的膜盒，然後驅動一個電動傳感器。電源和信號全部通過一根電纜達到地面。目前有許多這樣的裝置在世界範圍內使用。
有很多這樣的檢測裝置安裝在地震多發區，以研究震前產生的應變以及近場變形及其發展。為了精確地檢測小到10-12的應變，必須將最大的瞬時應變測量限制在10-5左右，這是由於受到電傳感器即低噪聲LVDT(線性可變的差動變壓器)的行程的限制。該檢測裝置的機械的和液壓的部件的運動範圍則大得多，比10-3還大，它可以跟蹤任何可能發生的地震應變。由於比較接近地震發生這一事件，所以通過一個自動打開的閥釋放檢測體積內的壓力來防止傳感器和膜盒過壓。如果這個閥在一次地震期間打開，則這個階躍應變的信息就丟失了。這種情況在最臨近地震發生時的檢測裝置中時有發生。
因此，需要提供一種能保證在一個瞬時的應變幅值迫使閥打開時也不丟失應變階躍變形信息的應變檢測系統。
發明內容
本發明是為了滿足上述要求而提出的，這個目的是通過提供一個檢測固體變形的裝置而達到的。該裝置包括一個具有能插入在固體中的結構和布置的殼體。該殼體具有限定一個大緻密封的容器的壁。該容器有一個把該容器分隔成一個上密閉段和一個下密閉段的內部分隔壁。流體大致充滿下密閉段並在下密閉段的內壁間連動。第一應變檢測系統與容器的下密閉段流體連通，這樣就可通過該第一應變檢測系統檢測液體壓力變化所引起的壁的變形。而第二應變檢測系統則配置在上密閉段中，該上密閉段只部分填充流體。一個閥使第二應變傳感系統與下密閉段流體連通。該閥與第一應變傳感系統在工作上聯動，並且是常閉的，以便防止下部的流體與第二應變傳感系統連通。閥的結構和布置應能完成下述功能當第一應變傳感系統達到一應變測量值的工作極限時，該閥響應該第一應變傳感系統發出的信號而打開，藉此防止超過第一傳感系統的工作極限的應變損壞該應變傳感系統。第二應變傳感系統的結構和布置能夠測量過大的應變值。
該應變傳感測量裝置主要由一個充滿流體的彈性管構成，該彈性管通過可伸縮膠泥在預應力的狀態下固定在井孔中。當該彈性管在周圍介質產生的力的作用下變形時，它的體積產生微小的變化，並使流體排出到一個小直徑的薄壁膜盒中。膜盒的長度隨著排出的流體發生變化，而這個長度的變化被線性差動變壓器或其它公知的裝置監測。
本發明的另一目的是提供一種利用上述裝置檢測固體中變形的方法。該方法包括將該殼體插入到固體中，其方式應可使固體的變形傳遞到該殼體的壁上。通過第一應變傳感系統檢測容器壁的變形，確定該固體的應變，即第一應變傳感系統通過在容器壁變形時使下密閉段的流體與第一應變傳感系統流體連通而進行傳感。為了保證第一應變傳感系統不發生由於固體中的過大應變引起超過應變測量值極限的現象，需要對第一應變傳感系統進行監測。當第一應變傳感系統大致達到其工作極限時，閥打開，使下密閉段與第二應變傳感系統流體連通，從而防止第一應變傳感系統受損壞。通過第二應變傳感系統測量該過大的應變。
通過下面結合附圖
的構成了本發明的說明書的詳細說明與權利要求可以更清楚地了解本發明的其它目的、特點和特徵、操作方法與結構有關的零部件和零部件組合的功能以及製造的經濟性。本發明的詳細描述參看附圖可以更清楚地理解本發明，這個附圖是在地下巖層的井孔內的傳感裝置的示意剖視圖。
參看附圖，整個裝置用10代表，它包括一個通過水泥封裝14形成的連接結構緊密地配置在大地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，這三篇美國專利被本申請作為參考文件而引用。
殼體11由一個在巖層中的有預應力的鋼管組成，以便使其精確地跟蹤巖層中的細微變形。殼體11包括一個充有傳感流體36並在打開時與一個小的膜盒16連通的下密閉段26。一個常閉的電子控制閥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的靈敏度正比於傳感體積與膜盒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的面積應該小。通常這些裝置的測量範圍在10-12到約3×10-6之間，超過這個範圍，膜盒就處在過度伸長狀態。然而鄰近地震時的應變可以超過10-4。為了防止這些裝置在這樣的狀態下被損壞，按照慣例是配置一個電子控制閥，當小膜盒16的行程達到其安全工作極限時，該閥就打開，與一個非增壓的儲液桶連通。一旦閥打開，流體就流出該傳感體積，同時引起應變信息的丟失，而這個信息對於研究地震過程卻具有特別重要的價值。
按照本發明，這個電子控制閥18與連接到膜盒28上的管22流體連通。一個常閉的閥30安裝在膜盒28的下密閉段上，閥30用於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的流體就進入直徑大得多的第二膜盒28中，如下面將更詳細說明的那樣。第二膜盒28的直徑和體積大到足以能適應大於10-4的應變並能測量該應變。
在上段24和下段26中使用的流體34和36可以是如美國專利USP3635076中所描述的與裝置結構相適應的任何流體，該篇美國專利作為本申請的參考文件被引證。
雖然可以採用三氯甲烷飽和水溶液和其它流體，但矽油被認為是最適合於本發明這個目的的流體。氣體32可以採用任何與裝置結構相適應的氣體。適合的氣體包括氬、氮等氣體。
在實際操作中，當周圍結構的應變發生變化時，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的體積發生變化，並使其中的流體壓力發生變化，這個壓力的變化通過膜盒16的膨脹被檢測出。膜盒16最好是一個波紋管膜盒，該膜盒與一個線性差動變壓器38或其它適合的測量裝置相連。差動變壓器(LVDT)38以一種公知的方式提供膜盒16的長度上變化的電信號指示。膜盒16和差動變壓器38確定一個應變傳感系統。產生的相應於應變的電信號可以通過適合的引線40傳送到地面上。
在正常運行中，閥18關閉，在傳感流體36中的任何體積變化都能引起膜盒16的伸長(或收縮)。通過LVDT38或類似的裝置測量膜盒16的上述運動。如果井孔12的變形大到使膜盒16伸長(或壓縮)到其工作極限，並被所連接的LVDT檢測到時，閥18被從膜盒16上的LVDT38上引出的線44所傳送的電信號打開。
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測量。因此，過大的應變可以利用膜盒28和與其相連的線性差動變壓器(LVDT)42測量，於是膜盒28和LVDT42確定了第二應變傳感系統。
在這個大的變形發生過後，即在這個地震引起的變形發生後閥18關閉，裝置10恢復到其高靈敏度狀態。
雖然在此是就用於大地變形檢測裝置進行詳細說明的，但是應該指出，本發明的裝置可以用於檢測想要檢測的任何固體結構中的應變，例如水壩、牆壁等。
可以認為，本發明的各項目的已經有效地達到。通過提供大體積的第二膜盒28，保證了即使最大的預期應變也不會將LVDT42驅動到其工作極限位置之外。
雖然上面是結合被認為是最實用的和優選的實施例描述本發明的，但是不難理解，本發明並不限於所描述的實施例，正好相反，本發明應覆蓋包括在權利要求書限定的精神和範圍內的各種改型和等同結構。
權利要求
1.一種用於檢測固體應變和變形的裝置，包括一個在結構和配置上適合於插入固體中的殼體，所述殼體具有限定一個大緻密閉容器的壁，所述容器有一個把該容器分隔成一個上密閉段和一個下密閉段的內部分隔壁；一種大致充滿下密閉段並且可在下密閉段的內壁間流動的流體，所述流體至少部分充填所述上密閉段；一個與容器的下密閉段流體連通的第一應變傳感系統，以便通過該第一應變傳感系統檢測所述壁變形引起的體積變化；一個安裝在上密閉段中的第二應變傳感系統，以及一個使第二應變傳感系統與所述下密閉段流體相連通的閥，所述的閥與所述第一應變傳感系統聯動工作，並且是常閉的，以防止下密閉段與所述第二應變傳感系統流體連通，所述閥的結構和配置適合於在第一應變傳感系統達到應變測量值的工作極限時響應第一應變傳感系統發出的信號而打開，從而使第一應變傳感系統不被超過其工作極限的應變損壞，所述第二應變傳感系統的結構和配置適合於測量過大的應變。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，還包括一個連接結構，該結構的構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，並在容器的下密閉段的流體中產生壓力脈衝。
3.如權利要求2所述的裝置，其中，所述的連接結構是封裝水泥。
4.如權利要求1所述的裝置，其中，所述的流體是矽油和三氯甲烷飽和水溶液中的一種。
5.如權利要求1所述的裝置，其中，所述殼體是鋼管。
6.如權利要求1所述的裝置，其中，所述第一和第二應變傳感系統各包括一個與下密閉段流體連通的膜盒和一個與相連的膜盒連接並且被膜盒操縱的差動變壓器。
7.如權利要求6所述的裝置，其中，第二應變傳感系統的膜盒具有一個大到能保證即使預期最大的應變也不會使與其相連的差動變壓器工作到該差動變壓器的工作極限之外的有效面積。
8.如權利要求6所述的裝置，其中，所述的閥是一個電子控制閥，並且在第一應變傳感系統的差動變壓器檢測到第一應變傳感系統的膜盒運動至其工作極限位置時，該閥受到一個電信號驅動而打開，以便允許流體從下密閉段流入第二應變傳感系統的膜盒中。
9.如權利要求6所述的裝置，其中，第一和第二應變傳感系統分別被在上密閉段中的流體包圍，在流體的上方有一個氣體空間，該氣體空間使每個膜盒隨小的回壓而變形。
10.一種利用傳感裝置檢測固體中的應變和變形的方法，該傳感裝置包括一個具有限定一個大緻密閉容器的壁，該容器有一個把該密閉容器分隔成一個上密閉段和一個下密閉段的內部分隔壁；一些大致充滿下密閉段並可在下密閉段的內壁間流動的流體，該流體至少部分充填上密閉段中；還包括一個與容器的下密閉段連通的第一應變傳感系統；一個安裝在上密閉段的第二應變傳感系統和一個使第二應變傳感系統與下密閉段流體相連通的閥，該閥與第一應變傳感系統聯動操作，並且是常閉的，以便防止下密閉段中的流體與第二應變傳感系統連通；其特徵在於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；利用第一應變傳感系統，在容器壁變形時使下密閉段中的流體與第一應變傳感系統連通，通過檢測容器壁的變形測定固體的應變；監測第一應變傳感系統，以便保證第一應變傳感系統不因固體中的過大應變而使其超過應變測量值的極限；當第一應變傳感系統大致達到工作極限時打開該閥，使下密閉段與第二應變傳感系統流體連通，藉此防止第一應變傳感系統被損壞；以及用第二應變傳感系統檢測所述過大的應變。
全文摘要
一種用於檢測固體變形的裝置(10),包括一個插入殼體(11),該殼體具有內部分隔壁(20)和充有流體(36和34)的下密閉段(26)和上密閉段(24)。第一應變傳感系統(38)和第二應變傳感系統(42)分別安裝在下密閉系統和上密閉系統中。一個使第二應變傳感系統與下密閉段(26)相連的閥(18)是常閉的,該閥的結構適於在響應第一應變傳感系統發出的信號時打開。第二應變傳感系統的結構和配置使之能測量過大的應變。
文檔編號G01B7/16GK1201518SQ96198041
公開日1998年12月9日 申請日期1996年10月21日 優先權日1995年10月31日
發明者艾弗·S·薩克斯 申請人:華盛頓卡內基研究所