一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置，包括多觸針測量部件和光學顯微成像部件，所述的多觸針測量部件中成對安裝著多組觸針，觸針的觸頭與鉆孔孔壁接觸，感知孔徑的變化，而觸針的針尖端則集中在一個微小區(qū)域內(nèi)，與觸頭的變化同步；所述的光學顯微成像部件是一個帶有視窗和光源窗的密封筒體，攝像機、顯微鏡頭、數(shù)字羅盤和環(huán)狀光源都位于其中；所述的多觸針測量部件和光學顯微成像部件通過絲扣連接在一起，且顯微鏡頭通過視窗對準包含觸針尖端的微小區(qū)域。總之，本發(fā)明提供了一種利用多觸針孔徑變形感知結(jié)構(gòu)和光學顯微測量技術(shù)的地應力測試裝置，實現(xiàn)了同步多組測試的能力。該方法設計巧妙，構(gòu)思嚴密，結(jié)構(gòu)簡單，易于實施。
【專利說明】—種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置，更具體涉及一種利用光學顯微測量技術(shù)獲取鉆孔內(nèi)多點孔徑變形以及利用孔徑變形原理解算地應力的測量裝置；突破了以應變片/位移傳感器為主的地應力測試裝置的局限性，拓展了地應力測試的應用范圍，推動了地應力測試技術(shù)的進一步發(fā)展，更適用于頁巖氣的開發(fā)和利用。

【背景技術(shù)】
[0002]地應力廣泛存在，但難以獲取和揭示，同時它對深部工程的規(guī)劃、設計和決策又起著重要的作用。隨著人類向深部地殼的不斷探索，地應力的重要性日益顯現(xiàn)。目前，針對地應力測量原理、技術(shù)和方法的研究正不斷地深入，相應的測量儀器和設備也不斷地涌現(xiàn)，為實現(xiàn)地應力測試技術(shù)的突破創(chuàng)造了條件。
[0003]人類對地應力的認識最早出現(xiàn)于20世紀初，而地應力的實測工作則開始于20世紀30年代。隨著實測工作的開展，各種測量原理和測試裝置不斷涌現(xiàn)。其中，最具代表性的測試裝置是于20世紀50年代由美國礦務局研制出來的USBM鉆孔變形計，實現(xiàn)了對巖體進行應力解除的地應力測試方法；而到20世紀60年代后期，美國人費爾赫思特和海姆森提出了水壓致裂法測量地應力的理論，并研制出相應的地應力測試裝置，使水壓致裂法隨后成為了和應力解除法并駕齊驅(qū)的兩大地應力測量方法。
[0004]水壓致裂法對環(huán)境要求比較寬松，測量應力的空間范圍很大，能測量較深處的地應力狀態(tài)，受局部因素影響較小，又不需要套芯等復雜的工序，對鉆孔設備的要求很低，成功率很高。但是，該方法隨著深度的增加其所需要的水壓開裂值也需要加大，這樣增加了對測試裝置的要求，而且測量精度受靜水壓的影響也較大。另外，雖然該方法能直接確定位于鉆孔平面內(nèi)的最大和最小主應力的量值，但是在確定主應力方向時仍很困難，即使使用印模技術(shù)，也難以準確獲取，且成功率也較低。
[0005]應力解除法的測試裝置多采用壓磁和應變式傳感器，通過測量應力解除前后鉆孔孔徑的變化來計算地應力的大小和方向。通常，這種測試裝置在淺孔測量時效果較好，但是隨著測試深度的增加，溫度和地下水的條件都會發(fā)生變化，常用的傳感器就很難滿足要求了，使得這種測試裝置的測試深度往往局限在幾百米的范圍內(nèi)，很難實現(xiàn)千米測試深度的突破。另外，應力解除法的設備安裝和測試過程較為復雜，包括了測量孔鉆進、傳感器布設和解除孔鉆進與實時測量等多個步驟，每一步都需鉆機配合且分離完成，特別是傳感器布設時的引線問題嚴重阻礙了該方法在深孔中的應用。
[0006]因此，如何突破長期以來困擾著地應力測試過程中應力方向的確定性問題、測試深度的局限性問題和測試過程的復雜性問題，實現(xiàn)復雜環(huán)境下深孔和超深孔的地應力測試，是地應力測試技術(shù)發(fā)展的重要方向。
[0007]鑒于現(xiàn)有地應力測試技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置，利用先進的光學顯微測量技術(shù)實現(xiàn)的孔徑變形測量以替代傳統(tǒng)的壓磁和應變式傳感器實現(xiàn)的孔徑變形測量，從根本上解決了地應力測試過程中的主要技術(shù)難題，使地應力測試技術(shù)和裝置得到了突破性和實質(zhì)性的進展。該裝置采用對稱布置多觸針結(jié)構(gòu)，將孔徑變化通過接觸孔壁的觸針引入到一個微小區(qū)域，利用光學顯微測量技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，獲取孔徑變形的微小影像變化，并對其進行數(shù)字化，通過應用數(shù)字羅盤技術(shù)，實現(xiàn)各個觸針的準確定位，獲得對應方向上的孔徑變形。根據(jù)彈性力學的基本原理和多觸點上的孔徑變形數(shù)據(jù)，利用最優(yōu)化分析方法，最終獲得地應力解算的最優(yōu)解。該裝置的優(yōu)點在于:1)孔徑變形數(shù)據(jù)豐富。由多觸點上獲取的孔徑變形數(shù)據(jù)不僅可以用于解算地應力的大小和方向，還可以用于優(yōu)化處理和對比分析；2)測量精度高。采用光學顯微測量技術(shù)，提高了對微小影像變化的識別能力，測量到的孔徑變形數(shù)據(jù)精度更高；3)對環(huán)境要求低。利用剛性觸針可適應高溫高壓的復雜環(huán)境，而顯微測量裝置獨立封裝并與其分離，克服了環(huán)境的影響，可用于深孔和超深孔的地應力測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的就是為了克服以往地應力測試裝置中存在的缺點和不足，提出一種基于孔徑變形原理的利用多觸針感知孔徑變化和光學顯微測量孔徑變形的地應力測試裝置。該裝置構(gòu)思新穎、設計巧妙、結(jié)構(gòu)合理、測試精度高、易于實現(xiàn)，突破了地應力測試技術(shù)在深孔和超深孔應用的局限性，是新一代的地應力測試裝置，具有廣闊的應用前景。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施:
一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置，包括光學顯微成像部件，還包括多觸針測量部件，多觸針測量部件包括殼體，殼體的外壁設置有觸針安裝孔，觸針安裝孔的觸針安裝孔沿設置有若干個限位卡，各個限位卡構(gòu)成限位穿孔，觸針安裝孔的觸針安裝孔底開設有觸針尖端穿孔，觸針安裝孔內(nèi)設置有觸針，觸針包括依次連接的觸頭、觸桿、觸桿彈簧桿和觸針尖端，觸頭穿過限位穿孔，觸針尖端穿過觸針安裝孔進入到殼體內(nèi)部的容腔，觸桿彈簧桿上套設有彈簧，彈簧的兩端分別與觸桿和觸針安裝孔底相抵。
[0010]如上所述的觸頭為半圓球狀；觸針尖端為針尖狀。
[0011]如上所述的觸針尖端的最大直徑和觸桿彈簧桿的直徑小于觸針尖端穿孔的孔徑，觸針尖端穿孔的孔徑大于彈簧的直徑，觸頭的直徑小于限位穿孔的直徑，限位穿孔的直徑小于觸桿的直徑。
[0012]如上所述的容腔填充有透明的液壓油或者透明的高溫脂。
[0013]如上所述的觸針至少為3對且對稱分布，觸針均處于殼體中的同一橫斷面上。
[0014]如上所述的光學顯微成像部件包括筒狀的外殼,外殼一端與固定座一端連接，固定座另一端設置有光源窗，設置在固定座內(nèi)的環(huán)狀光源發(fā)出的光通過光源窗透射出固定座，外殼內(nèi)設置有攝像機和與攝像機匹配的顯微鏡頭，顯微鏡頭前設置有視窗，還包括為攝像機所成的圖像定向的數(shù)字羅盤。
[0015]如上所述的環(huán)狀光源包括發(fā)光元件；發(fā)光元件為環(huán)形燈帶或環(huán)形熒光燈或環(huán)形分布的小燈泡或環(huán)形分布的發(fā)光二極管；發(fā)光元件發(fā)出光的顏色為白色。
[0016]如上所述的視窗和光源窗分別通過軟性膠與固定座連接。
[0017]如上所述的顯微鏡頭的光軸、攝像機的光軸、數(shù)字羅盤的光軸、各個觸針尖端在觸桿與限位卡相抵狀態(tài)下構(gòu)成的圓的中心軸線共線。
[0018]基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置的工作原理為: 1、將光學顯微地應力測量裝置置于鉆孔中，多觸針測量部件I中觸針11在彈簧12的作用下向外移動，觸針11的觸頭111接觸到鉆孔孔壁，并隨鉆孔孔壁的變化而變化；
2、觸頭111的任何變化必然帶動觸針尖端112的變化，觸針尖端112的這種變化反映在一個微小的區(qū)域內(nèi)；
3、環(huán)狀光源24發(fā)出的光線經(jīng)過光源窗28直接照射觸針尖端112，為光學顯微成像提供照明；
4、顯微鏡頭22通過視窗27對準包含觸針尖端112的微小區(qū)域，攝像機21則獲取該區(qū)域圖像；
5、數(shù)字羅盤23為攝像機21獲取的圖像定向，即確定觸針尖端112方向；
6、對攝像機21獲取的圖像進行數(shù)字化，確定觸針尖端112的坐標，計算觸針尖端112對應鉆孔孔壁處的變形量；
7、根據(jù)孔徑變形原理，解算地應力的大小和方向。
[0019]通過以上方案及措施設計的基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置，利用了多觸針感知孔徑變化和光學顯微測量技術(shù)，以更直觀的方式實現(xiàn)了同步獲取鉆孔孔徑多個方向上的微小變化，并在硬件上有效地分離了孔徑變形感知部件與光學顯微成像部件，解決了耐高溫、耐高壓設計和實施難題，推進了地應力測試技術(shù)的實質(zhì)性進展，具有顯著的科學意義和經(jīng)濟實用價值。
[0020]本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果:
1)本發(fā)明利用觸針感知孔徑變化和光學顯微測量技術(shù)，使孔徑變形測量更加直觀和準確；
2)本發(fā)明采用多觸針測量結(jié)構(gòu)，獲得的數(shù)據(jù)更加豐富，取得的結(jié)果更加可靠，避免了為驗證而進行的重復測試；
3)本發(fā)明采用獨立設計模式，解決了耐高溫、耐高壓問題，使測試能力得到了顯著提高，對測試環(huán)境的要求顯著下降；
4)本發(fā)明的構(gòu)思嚴密、設計巧妙、尺寸合理；
5)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體系和總體布局簡單，易于實施。
[0021]總之，本發(fā)明提供了一種利用多觸針孔徑變形感知結(jié)構(gòu)和光學顯微測量技術(shù)的基于孔徑變形原理的地應力測試裝置，實現(xiàn)了同步多組測試的能力，提高了測試的可靠性和應用范圍。該方法設計巧妙，構(gòu)思嚴密，結(jié)構(gòu)體系簡單，易于實施。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為多觸針測量部件結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為光學顯微成像部件結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為觸針結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為觸針安裝示意圖。
[0023]圖中:
1-多觸針測量部件；2_光學顯微成像部件；3_絲扣；
I1-觸針；12_彈簧；13_限位卡；14_容腔；15-平衡塊；16_殼體；17_底蓋；18_中心軸線；
21-攝像機；22-顯微鏡頭；23_數(shù)字羅盤；24_環(huán)狀光源；25_固定座；26_外殼；27_視窗；28_光源窗；29_觸針安裝孔；2901_觸針安裝孔沿；2902_觸針安裝孔底；2903_觸針尖端芽孔；
111-觸頭；112-觸針尖端；113-觸桿；114-觸桿彈簧桿。

【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實施示例對本發(fā)明進一步說明:
如圖廣4所示，一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置包括多觸針測量部件I和光學顯微成像部件2。通過絲扣3將多觸針測量部件I和光學顯微成像部件2連接成為一體。
[0025]多觸針測量部件I包括觸針11，彈簧12，限位卡13，平衡塊15，殼體16，底蓋17。觸針11成對，且數(shù)量不少于三對；觸針11對稱布置，處于殼體16中的同一橫斷面上；
觸針11包括依次連接的觸頭111、觸桿113、觸桿彈簧桿114和觸針尖端112，觸頭111為半圓球狀；觸針尖端112為針尖狀，尖端斷面直徑小于0.0lmm ;觸頭111的直徑小于觸桿113的直徑；觸桿113的直徑大于觸桿彈簧桿114的直徑。
[0026]殼體16的外壁設置有觸針安裝孔29，觸針安裝孔29的觸針安裝孔沿2901設置有若干個限位卡13，各個限位卡13構(gòu)成限位穿孔，觸針安裝孔29的觸針安裝孔底2902開設有觸針尖端穿孔2903，觸針11設置在觸針安裝孔29內(nèi)，觸頭111的直徑小于限位穿孔的直徑，限位穿孔的直徑小于觸桿113的直徑，觸針尖端112穿過觸針安裝孔29進入到殼體16內(nèi)部的容腔14。容腔14可以用透明液體充填，如液壓表油、高溫脂等。觸針尖端112的最大直徑和觸桿彈簧桿114的直徑小于觸針尖端穿孔2903的孔徑，觸桿彈簧桿114上套設有彈簧12，彈簧12的兩端分別與觸桿113和觸針安裝孔底2902相抵。
[0027]觸針尖端112位于容腔14之中，觸針尖端112的延伸方向穿過容腔14的中心軸線18，觸針尖端112可延伸至容腔14的中心軸線18附近的微小區(qū)域內(nèi)，但不能達到中心軸線18，且所有觸針11的觸針尖端112不能有任何的接觸；
殼體16下部開設有與容腔14連通的孔槽，平衡塊15位于孔槽內(nèi)，可自由地在孔槽內(nèi)上下移動，用于保持容腔14內(nèi)部與殼體16外部的壓力平衡；孔槽的槽沿處蓋設有底蓋17，底蓋17中心鉆孔，位于平衡塊15的下方，限制平衡塊15的最大移動距離，起著限位和殼體16外部連通的作用。
[0028]光學顯微成像部件2包括攝像機21，顯微鏡頭22，數(shù)字羅盤23，環(huán)狀光源24，固定座25，外殼26，視窗27和光源窗28。
[0029]筒狀的外殼26 —端與固定座25 —端連接，固定座25另一端設置有光源窗28，設置在固定座25內(nèi)的環(huán)狀光源24發(fā)出的光通過光源窗28透射出固定座25，攝像機21和顯微鏡頭22構(gòu)成整體設置在外殼26內(nèi)，顯微鏡頭22前設置有視窗27，數(shù)字羅盤23為攝像機21所成的圖像定向。
[0030]攝像機21可為CXD、CMOS等攝像機；
顯微鏡頭22為攝像機21的配套定焦鏡頭；
數(shù)字羅盤23與攝像機21構(gòu)成為一體，并為攝像機21所成的圖像定向； 環(huán)狀光源24為攝像機21的成像提供照明；環(huán)狀光源24包括環(huán)形布置的一組發(fā)光元件；發(fā)光元件的數(shù)量可根據(jù)空間大小和照射范圍來確定；發(fā)光元件可采用小燈泡、發(fā)光二極管等；發(fā)光元件發(fā)出光的顏色應為白色，以模擬日光照射。
[0031]視窗27為圓形透明玻璃片，是攝像機21的攝像窗口 ；
光源窗28為環(huán)狀透明玻璃片，是環(huán)狀光源24的照明透視窗口 ；
如圖4所示，攝像機21，顯微鏡頭22，數(shù)字羅盤23和環(huán)狀光源24都固定在固定座25之上；
視窗27和光源窗28粘接于固定座25之中；
外殼26與固定座25通過絲扣連接，并將攝像機21，顯微鏡頭22，數(shù)字羅盤23和環(huán)狀光源24密封于其中。
[0032]固定座25為金屬材料，由于這二種材料的膨脹系數(shù)存在著差異，因此，視窗27和光源窗28與固定座25之間的連接需采用軟性膠(例如704硅膠)的連接方式，其間需留有足夠的伸縮縫。
[0033]光學顯微成像部件2中的攝像機21、顯微鏡頭22、數(shù)字羅盤23和環(huán)狀光源24安裝在固定座25上，密封于由固定座25、外殼26、視窗27和光源窗28構(gòu)成的殼體中。
[0034]安裝于固定座25上的攝像機21和數(shù)字羅盤23位于光學顯微成像部件2的中央，顯微鏡頭22對準觸針尖端112的區(qū)域，攝像機21和數(shù)字羅盤23的光軸與多觸針測量部件I的中心軸線18共線(即與多觸針測量部件I的中心軸線共線)。
[0035]部件材料及加工要求:
觸針11采用金屬材料，例如45號鋼，在加工完成后形成以觸頭111和觸針尖端112為二端的圓形桿狀。觸頭111需進行硬化處理，硬度達到HRC > 55 ;觸針尖端112可采用車床加工或滾壓加工處理，保證尖端斷面直徑小于0.0lmm ;觸桿113成形后，需進行拋光處理，使其表面光潔度達到8級。
[0036]彈簧12可采用0.5mm的彈簧鋼絲，加工形成螺旋狀彈簧。彈簧12的內(nèi)徑要略大于觸桿彈簧桿114的外徑；彈簧12的壓縮量要大于觸頭111的圓球半徑，即要大于觸針11的最大位移量。
[0037]視窗27采用透明的玻璃材料，形狀為圓形平板。平板二面都需進行拋光處理，消除在制作過程中形成的紋波；另外，視窗27內(nèi)部含渣滓、氣泡等影響光學特性的物質(zhì)應達到一定的要求，具體是:在成像范圍內(nèi)應無任何物質(zhì)，確保完全透明；在非成像范圍內(nèi)允許少量的物質(zhì)存在，不影響滲透和抗壓的能力。
[0038]光學顯微成像設計:
顯微鏡頭22是光學顯微成像設計的關(guān)鍵。其焦距越大，視場角就越小，而物距越近，圖像就越大。因此，光學顯微地應力測量裝置的成像設計原則是采用長焦距的鏡頭和微距成像的方式。為此，可選擇25mm或更長焦距的鏡頭和物距為30mm以內(nèi)的成像設計。而為了實現(xiàn)這種微距成像設計，又需采用一種后焦距可調(diào)的CXD或CMOS攝像機。
[0039]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領域】的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置，包括光學顯微成像部件(2)，其特征在于，還包括多觸針測量部件(1)，多觸針測量部件(I)包括殼體(16)，殼體(16)的外壁設置有觸針安裝孔(29)，觸針安裝孔(29)的觸針安裝孔沿(2901)設置有若干個限位卡(13)，各個限位卡(13)構(gòu)成限位穿孔，觸針安裝孔(29)的觸針安裝孔底(2902)開設有觸針尖端穿孔(2903 )，觸針安裝孔(29 )內(nèi)設置有觸針(11)，觸針(11)包括依次連接的觸頭(111)、觸桿(113 )、觸桿彈簧桿(114 )和觸針尖端(112 )，觸頭(111)穿過限位穿孔，觸針尖端(112)穿過觸針安裝孔(29)進入到殼體(16)內(nèi)部的容腔(14)，觸桿彈簧桿(114)上套設有彈簧(12)，彈簧(12)的兩端分別與觸桿(113)和觸針安裝孔底(2902)相抵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置，其特征在于，所述的觸頭(111)為半圓球狀；觸針尖端(112)為針尖狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置，其特征在于，所述的觸針尖端(112)的最大直徑和觸桿彈黃桿(114)的直徑小于觸針尖端芽孔(2903)的孔徑，觸針尖端穿孔(2903)的孔徑大于彈簧(12)的直徑，觸頭(111)的直徑小于限位穿孔的直徑，限位穿孔的直徑小于觸桿(113)的直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置，其特征在于，所述的容腔(14)填充有透明的液壓油或者透明的高溫脂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置，其特征在于，所述的觸針(11)至少為3對且對稱分布，觸針(11)均處于殼體(16 )中的同一橫斷面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1飛所述的任意一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置，其特征在于，所述的光學顯微成像部件(2)包括筒狀的外殼(26),外殼(26) —端與固定座(25) 一端連接，固定座(25)另一端設置有光源窗(28)，設置在固定座(25)內(nèi)的環(huán)狀光源(24)發(fā)出的光通過光源窗(28 )透射出固定座(25 )，外殼(26 )內(nèi)設置有攝像機(21)和與攝像機(21)匹配的顯微鏡頭(22)，顯微鏡頭(22)前設置有視窗(27)，還包括為攝像機(21)所成的圖像定向的數(shù)字羅盤(23)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的任意一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置，其特征在于，所述的環(huán)狀光源(24)包括發(fā)光元件；發(fā)光元件為環(huán)形燈帶或環(huán)形熒光燈或環(huán)形分布的小燈泡或環(huán)形分布的發(fā)光二極管；發(fā)光元件發(fā)出光的顏色為白色。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置，其特征在于，所述的視窗(27)和光源窗(28)分別通過軟性膠與固定座(25)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于孔徑變形原理的光學顯微地應力測量裝置，其特征在于，所述的顯微鏡頭(22)的光軸、攝像機(21)的光軸、數(shù)字羅盤(23)的光軸、各個觸針尖端(112 )在觸桿(113 )與限位卡(13)相抵狀態(tài)下構(gòu)成的圓的中心軸線共線。
【文檔編號】G01L1/24GK104279976SQ201410555291
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】王川嬰, 韓增強, 胡勝 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所