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钻孔应变仪

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1.1.1   DCH-Str10钻孔应变仪

1.1.1.1        设计背景

美国PBO计划说明：“钻孔应变仪”未来将成为一种重要的地学观测手段，这种仪器可以弥补测震和GPS观测的不足，在数秒直到数月的时段范围里发挥高精度的优势，为研究地壳运动提供观测资料。这种仪器与其它观测仪器一起安装在同一个钻孔中进行综合观测已经成为一种发展趋势。

以美国、日本等国迅速转向发展深井地壳应力-应变场动态变化综合观测技术为标志，新世纪伊始，钻井式地壳应力应变场动态变化观测技术即进入“深钻井、多分量、宽频带”的新阶段。通过井下多种传感器和观测技术的集成，实现在一口深井中进行地壳受力变形状态的多参数综合观测。井下综合观测的内容主要包括地壳应力、倾斜、地震以及井温、水位与孔隙压等。在一个深孔内开展岩体受力变形多参数的综合观测，便于比较、检验数据质量和排除气压，地形、地壳横向不均匀性及地下水等环境因素的影响，在数秒至数月的时间段内准确记录地壳应变场的积累，记录固体潮汐、应变阶、慢地震，研究它们的幅度和速率变化特征，认识地壳构造变形能量积累与释放的过程，探索其与构造活动及地震发生的关系。我国近十多年来在该领域未见有新成果问世，与学术发展形成较大的反差。

1.1.1.2        系统设计需求

按照本项目技术要求，要求四分量应变仪探头动态范围优于100dB，分辨率优于 ε，灵敏度优于 ε，其安装深度要求大于 150m。

从专家总结出的地壳应变规律，并结合本项目应变仪的技术指标做参考，分量应变观测项目还具备以下特征：

l        地壳表层年应变幅在 ，且为正弦变化；

l        固体潮日变幅度在 量级；

l        在数百公里范围内7级左右强震其分量应变异常为 量级；

l        在200公里范围内，5级左右地震的应变异常在 数量级；

在此基础上，提出系统设计方案。

1.1.1.3        影响系统稳定的因素

（1）地面和井内温差的影响

假设井上和井底的温度差为 ，弹性筒的材料为不锈钢，其线膨胀系数为 ；传动杠的材料为殷钢，其线膨胀系数为 ；则 将主要带来两个方面变化，一个是弹性筒壁厚的变化（ ），一个是传动杆长度的变化（ ）。两者的和：

即是温差带来的中心位置偏移的值。取D为100mm，d为90mm。得到的温差变化的影响为：

应变，即 位移

当 为10 时，地面和井内温差的影响为 应变量，相当于位移偏移量 约为2.3um。

（2）井内压强对弹性筒体的影响

钻井内的水压和水泥的围压将会对弹性筒体产生压强，以使其收缩。在百米井深的弹性筒体所受到的总压强可以用下面公式计算：

为水的密度，为1000 ； 为当处重力加速度，取9.8 ；当 取400m时（应变仪安装位置）， 为水泥的围压，初步估算其为2MPa。故外部系统给弹性筒体的总压力 约为6MPa。

受此压强的影响，弹性筒体内径的相对变化量为：

为不锈钢材料的弹性模量，取200GPa；

为外径与内径的比值，为 （加工后的不锈钢筒体其外径约为100mm，内径约为90mm）；

则在400m井深处，水压给弹性筒带来的形变为 应变量，相当于位移 =17.6um。

（3）温漂的影响

井下的温度基本恒定，假设400m井下温度日稳定度为0.001 。按照公式：

日应变量为：

取 为0.001 ，则每天的温度影响应变量的量级约为 应变量。

1.1.1.4        分量应变仪机械系统示意图

图1 DCH-Str10分量应变仪机械系统示意图

1.1.1.5        分量应变仪电子系统框图

针对影响系统稳定的因素，为保障系统的稳定可靠，达到分量应变测量的需求确定本系统电子部分的原理框图如下：

图2 DCH-Str10分量应变仪电子系统框图

如图2所示，DCH-Str10分量应变仪实际上是一个电容换能无反馈系统的纯位移检测器，（设计电容换能器其灵敏度为 ，而此灵敏度下信号检出力远大于 m，即 应变量）。