CN105549073B - 机械式地质探测贴壁柔性耦合探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，包括套筒，以及在套筒内安装的振荡波传感器，其特征在于：该套筒的前端安装有轴向的柔性机械式限位头，套筒中部空腔内安装有原动机构，该原动机构连接有径向膨胀机构；原动机构受原动力驱动后，带动所述径向膨胀机构从套筒的侧壁向外膨胀。本发明的显著效果是：安装方便，易于回收，既取缔了黄油作为耦合剂的方式，又保证了探头与孔壁之间长期保持过盈配合，确保了信号传递效果。

Description

机械式地质探测贴壁柔性耦合探头

技术领域

本发明涉及的是一种地质探测贴壁耦合探测装置，具体涉及一种机械式地质探测贴壁柔性耦合探头。

背景技术

现有的主要几种地质超前预报方法为：雷达法、地震法、钻探法、电磁法等，本发明是一个基于地震法的传感器。目前国内外主要采用两种方式：套管式耦合探头和黄油式耦合探头。

套管式传感器耦合方式是：在传感器套上套管后放入钻孔中接收地震信号，(刘宝忠.TSP203地质超前预报系统在隧道施工中的应用.山西建筑.2004年6月第30卷第11期)，采用黄油作耦合剂(刘云祯，梅汝吾.TGP隧道地质超前预报新技术.北京市水电物探研究所)等。使用套管这种方法，首先要在钻孔完毕，再对钻孔进行清洗，将浸水后的锚固剂或环氧树脂3一5节送入孔底，再在孔口位置塞入1节锚固剂或环氧树脂,使锚固剂或环氧树脂将套管和围岩牢固、密贴地胶结在一起，随后将传感器送入套管并安放在套管的底部；TGP隧道预报系统的传感器采用黄油作耦合剂，传感器通过黄油直接与钻孔围岩接触。

使用套管作为耦合装置时，套管的安装极其重要，套管接收器钻孔孔壁紧密牢固接触，套管与孔壁硬性接触，这种套管传递的信号差。使用套管作为耦合装置时，需要使用两根套管，由于套管价格昂贵，回收困难，探测成本高。使用黄油作为耦合剂时，在黄油分布不均匀的情况下，信号接收效果不佳，且黄油为一次性使用，成本高，探测完成后，由于黄油的原因，设备难以拔出，且难以清理。

两种现有探头都存在各自的缺点：

一、黄油式耦合探头的缺陷主要有：信号在黄油中传递时，衰减大，探测效果差；黄油与土层之间容易渗透，使用成本高；探测回收时，需要清洗黄油，清洗难度大。

二、套管式耦合探头的缺陷主要有：探头结构复杂，安装困难；探头回收困难，成本高；完全的刚性耦合结构，不能适应孔洞内岩土的物理变化，长期使用，探头与孔壁的贴合度难以保证，影响信号传递效果。

发明内容

本发明的目的是，针对上述不足，提供了一种安装方便，易于回收的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，既能够取缔黄油作为耦合剂的方式，消除黄油所带来的缺陷，又能够保证探头与孔壁之间长期保持柔性贴合，以确保信号传递效果。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，包括套筒，以及在套筒内安装的振荡波传感器，其关键在于：该套筒的前端安装有轴向的柔性机械式限位头，套筒中部空腔内安装有原动机构，该原动机构连接有径向膨胀机构；原动机构受原动力驱动后，带动所述径向膨胀机构从套筒的侧壁向外膨胀。

机械式膨胀机构通过套筒侧壁向孔壁扩张，实现耦合探头与侧壁间的过盈配合，通过全固体结构实现震荡波的传递，避免了震荡波因液态介质、胶态介质造成的衰减问题。

同时膨胀机构的可伸缩性，便于驱动膨胀机构收缩，探头与钻孔脱离，实现探头回收。

所述原动机构包括椭圆状的凸轮，该凸轮经电机驱动旋转，凸轮的外沿抵接有滑动挺柱，该滑动挺柱伸入所述套筒侧壁上的过孔，并被所述过孔限位。

限制滑动挺柱只能沿过孔伸出套筒的侧壁，向孔壁膨胀，直至形成挤压。达到探头装置与探测孔的刚性连接，利于震荡波的无衰减传递。

所述滑动挺柱上设置有凸台，该滑动挺柱上套有复位弹簧，该复位弹簧抵接在所述凸台与套筒内壁之间。

所述滑动挺柱的后端与所述凸轮抵接，滑动挺柱的前端安装有形变簧片。

形变簧片可以加大探头与孔壁之间的接触面积，且能够吸收二者之间的挤压力度，易于震荡波的长期传递。

所述凸轮抵接有至少两个滑动挺柱，所有滑动挺柱均匀分布在所述套筒侧壁。

所述凸轮连接有所述振荡波传感器。

所述原动机构包括叶轮状的转盘，该转盘经电机驱动旋转，转盘的外沿抵接有滑动挺柱，该滑动挺柱伸入所述套筒侧壁上的过孔，并被所述过孔限位。

所述滑动挺柱上设置有凸台，该滑动挺柱上套有复位弹簧，该复位弹簧抵接在所述凸台与套筒内壁之间。

所述滑动挺柱的后端与所述转盘抵接，滑动挺柱的前端安装有形变簧片。

所述叶轮状的转盘设置有至少二扇叶片，每扇叶片对应装配有一个滑动挺柱，所有滑动挺柱均匀分布在所述套筒侧壁。

所述转盘连接有所述振荡波传感器。

所述原动机构为直线驱动机构。

所述直线驱动机构包括螺杆、该螺杆经电机驱动旋转，螺杆上套装有滑动螺母、滑动螺母上固定有至少二个支耳，该支耳作为移动点连接在形变簧片的一端，形变簧片的另一端连接在所述套筒上。

滑动螺母沿螺杆轴向移动，迫使形变簧片弯曲，向外膨胀，形变簧片形变量越大，探头与孔壁的接触越紧密，挤压效果越好，即使长期使用，探头与孔壁之间也能保持可靠贴合。

所述套筒上设置有直线滑槽，所述支耳在直线滑槽内滑动。

所述滑动螺母连接有至少三片形变簧片，所有形变簧片均匀分布在套筒外壁上。

所述螺杆连接有所述振荡波传感器。

无论从形变簧片到滑动螺母、到螺杆、到振荡波传感器，还是从形变簧片到套筒、到振荡波传感器，都是刚性结构件在传递震荡波，其传递效果明显强于黄油的传递效果。

所述直线驱动机构包括螺杆、该螺杆经电机驱动旋转，螺杆上套装有滑块(8)、滑块(8)的斜面抵接有滑动挺柱，该滑动挺柱伸入所述套筒侧壁上的过孔，并被所述过孔限位，所述滑动挺柱上设置有凸台，该滑动挺柱上套有复位弹簧，该复位弹簧抵接在所述凸台与套筒内壁之间。

所述滑动挺柱的一端抵接在滑块上，滑动挺柱的另一端固定有形变簧片。

所述套筒包括固定套筒和活动套筒，所述原动机构包括固定在固定套筒上的电机，该电机经螺杆连接所述活动套筒；

所述固定套筒和活动套筒的外壳之间连接有形变簧片；

所述固定套筒和活动套筒还配合安装有防转机构，该防转机构防止活动套筒旋转。

防转机构限制活动套筒沿螺杆直线运动，防转技术非常成熟，在此不做赘述。

所述固定套筒呈哑铃状，所述螺杆和活动套筒位于哑铃中部，其中螺杆一端经电机与固定套筒前端连接，另一端经轴承与固定套筒尾端连接。

哑铃状结构可以保证固定套筒不会再探测孔内转动，保证固定套筒不会转动的结构方式较多。设置通过外力固定住固定套筒，再驱动活动套筒，都可以实现。

所述套筒外包裹有胶套。

膨胀机构的设计，难免探测孔内的细微砂砾落入探头内，在套筒外包裹有胶套，起到了隔离砂砾的效果。

所述柔性机械式限位头包括设置在所述套筒前部的空腔，该空腔内安装有T形的轴向顶紧头，该轴向顶紧头的小头端穿出所述套筒前端的通孔，所述轴向顶紧头的小头端穿出套筒通孔后，固定有压块，轴向顶紧头的大头端位于空腔内，并与空腔腔底之间抵接有压缩弹簧。

压缩弹簧推动轴向顶紧头长期与孔底紧密接触。

压块增大了探头前端与孔底间的接触面积，提高了探头与孔底间的抵接效果。

所述原动机构的动力原为直流减速电机，该直流减速电机的供电回路上设置有过流保护电路。

当膨胀机构膨胀到位后，直流减速电机会发生堵转，电机电流瞬间提高，过流保护电路启动，电机停止工作，并锁定住当前状态，避免膨胀机构收缩。

所述套筒尾部设置有过孔，控制、电源及数据线经过孔传出。

与现有技术相比较，本发明的显著效果：提供了一种安装方便，易于回收的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，消除了黄油所带来的缺陷，又能够保证探头与孔壁之间长期保持过盈配合，确保了信号传递效果。

附图说明

图1是实施例三的结构示意图；

图2是实施例一收缩时的工作原理图；

图3是实施例一膨胀时的工作原理图；

图4是实施例二的结构原理图；

图5是实施例四的结构示意图；

图6是实施例五收缩时的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明是采用机械式膨胀结构达到耦合探头与孔壁间长期过盈配合，保证震荡波信号传递效果。

实施例一、

如图1所示，一种机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，包括套筒1，以及在套筒1内安装的振荡波传感器2，该套筒1的前端安装有轴向的柔性机械式限位头，套筒1中部空腔内安装有原动机构，该原动机构连接有径向膨胀机构；原动机构受原动力驱动后，带动所述径向膨胀机构从套筒1的侧壁向外膨胀。

振荡波传感器2为地震波传感器。

所述原动机构为旋转驱动机构。

如图2、3所示，所述原动机构包括椭圆状的凸轮3，该凸轮3经电机4驱动旋转，凸轮3的外沿抵接有滑动挺柱5，该滑动挺柱5伸入所述套筒1侧壁上的过孔1c，并被所述过孔1c限位。

所述原动机构的动力原为直流减速电机，该直流减速电机的供电回路上设置有过流保护电路。

电机过流保护电路属于常规电路设计，在此不做赘述。

所述滑动挺柱5上设置有凸台5a，该滑动挺柱5上套有复位弹簧5b，该复位弹簧5b抵接在所述凸台5a与套筒1内壁之间。

所述滑动挺柱5的后端与所述凸轮3抵接，滑动挺柱5的前端安装有形变簧片7。

所述凸轮3抵接有至少两个滑动挺柱5，所有滑动挺柱5均匀分布在所述套筒1侧壁。

所述凸轮3连接有所述振荡波传感器2。

所述套筒1外包裹有胶套10。

所述柔性机械式限位头包括设置在所述套筒1前部的空腔，该空腔内安装有T形的轴向顶紧头12，该轴向顶紧头12的小头端穿出所述套筒1前端的通孔后，并固定有压块。轴向顶紧头12的大头端位于空腔内，并与空腔腔底之间抵接有压缩弹簧11。

所述套筒1尾部设置有过孔，控制、电源及数据线经过孔传出。

实施例二、

实施例二与实施例一原理一致，但其原动机构也是旋转驱动机构。但其旋转驱动机构实叶轮：

如图4所示，所述原动机构包括叶轮状的转盘13，该转盘13经电机4驱动旋转，转盘13的外沿抵接有滑动挺柱5，该滑动挺柱5伸入所述套筒1侧壁上的过孔1c，并被所述过孔1c限位。

所述滑动挺柱5上设置有凸台5a，该滑动挺柱5上套有复位弹簧5b，该复位弹簧5b抵接在所述凸台5a与套筒1内壁之间。

所述滑动挺柱5的后端与所述转盘13抵接，滑动挺柱5的前端安装有形变簧片7。

所述叶轮状的转盘13设置有三扇叶片，每扇叶片对应装配有一个滑动挺柱5，所有滑动挺柱5均匀分布在所述套筒1侧壁。

所述转盘13连接有所述振荡波传感器2。

实施例三

实施例三与实施例一工作原理有所所差异，其原动机构为直线驱动机构。

如图1所示，所述直线驱动机构包括螺杆6、该螺杆6经电机4驱动旋转，螺杆6上套装有滑动螺母9、滑动螺母9上固定有至少二个支耳9a，该支耳9a作为移动点连接在形变簧片7的一端，形变簧片7的另一端连接在所述套筒1上。

所述套筒1上设置有直线滑槽，所述支耳9a在直线滑槽内滑动。

所述滑动螺母9连接有至少三片形变簧片7，所有形变簧片7均匀分布在套筒1外壁上。

所述螺杆6连接有所述振荡波传感器2。

实施例四

实施例四与实施例三原理一致，但其原动机构也是直线驱动机构。

如图5所示，但直线驱动机构包括螺杆6、该螺杆6经电机4驱动旋转，螺杆6上套装有滑块8、滑块8的斜面抵接有滑动挺柱5，该滑动挺柱5伸入所述套筒1侧壁上的过孔1c，并被所述过孔1c限位，所述滑动挺柱5上设置有凸台5a，该滑动挺柱5上套有复位弹簧5b，该复位弹簧5b抵接在所述凸台5a与套筒1内壁之间。

所述滑动挺柱5的一端抵接在滑块8上，滑动挺柱5的另一端固定有形变簧片7。

实施例五

实施例五的工作原理和实施例三原理一致，都是借助直线驱动机构启动，但其膨胀的执行部件却是套筒1外壳壁。

如图6所示，所述套筒1包括固定套筒1a和活动套筒1b，所述原动机构包括固定在固定套筒1a上的电机4，该电机经螺杆6连接所述活动套筒1b；

所述固定套筒1a和活动套筒1b的外壳之间连接有形变簧片7；

所述固定套筒1a和活动套筒1b还配合安装有防转机构，该防转机构防止活动套筒1b旋转。

实施例六、

实施例六是实施例五的一个变形，其可靠性比实施例五高

如图6所示，所述固定套筒1a呈哑铃状，所述螺杆6和活动套筒1b位于哑铃中部，其中螺杆6一端经电机与固定套筒1a前端连接，另一端经轴承与固定套筒1a尾端连接。

实施例七、

前述实施例一到实施例六的膨胀方式都是无级变速，但也可以采用有级变速的方式向外膨胀。

其结构可是采用类似圆珠笔的阶梯壁结构，通过对耦合探头尾部的受力头施压，受力头推动主杆在固定套筒1a内直线运动，并受弹簧和阶梯壁影响，做一个小角度旋转并被固定，同时直线运动带动膨胀机构向固定套筒外壁扩张，其膨胀方式可借鉴实施例三。

Claims (25)

1.一种机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，包括套筒(1)，以及在套筒(1)内安装的振荡波传感器(2)，其特征在于：该套筒(1)的前端安装有轴向的柔性机械式限位头，套筒(1)中部空腔内安装有原动机构，该原动机构连接有振荡波传感器(2)和径向膨胀机构；原动机构受原动力驱动后，带动所述径向膨胀机构从套筒(1)的侧壁向外膨胀；

所述套筒(1)外包裹有胶套(10)，形变簧片设于套筒外壁上，形变簧片形变量越大，探头与孔壁的接触越紧密；

机械式膨胀机构通过套筒侧壁向孔壁扩张，实现耦合探头与侧壁间的过盈配合，通过全固体结构实现震荡波的传递；

所述柔性机械式限位头包括设置在所述套筒(1)前部的空腔，该空腔内安装有T形的轴向顶紧头(12)，该轴向顶紧头(12)的小头端穿出所述套筒(1)前端的通孔，轴向顶紧头(12)的大头端位于空腔内，并与空腔腔底之间抵接有压缩弹簧(11)。

2.根据权利要求1所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述原动机构为旋转驱动机构。

3.根据权利要求2所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述原动机构包括椭圆状的凸轮(3)，该凸轮(3)经电机(4)驱动旋转，凸轮(3)的外沿抵接有滑动挺柱(5)，该滑动挺柱(5)伸入所述套筒(1)侧壁上的过孔(1c)，并被所述过孔(1c)限位。

4.根据权利要求3所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述滑动挺柱(5)上设置有凸台(5a)，该滑动挺柱(5)上套有复位弹簧(5b)，该复位弹簧(5b)抵接在所述凸台(5a)与套筒(1)内壁之间。

5.根据权利要求3所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述滑动挺柱(5)的后端与所述凸轮(3)抵接，滑动挺柱(5)的前端安装有形变簧片(7)。

6.根据权利要求3所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述凸轮(3)抵接有至少两个滑动挺柱(5)，所有滑动挺柱(5)均匀分布在所述套筒(1)侧壁。

7.根据权利要求3所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述凸轮(3)连接有所述振荡波传感器(2)。

8.根据权利要求2所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述原动机构包括叶轮状的转盘(13)，该转盘(13)经电机(4)驱动旋转，转盘(13)的外沿抵接有滑动挺柱(5)，该滑动挺柱(5)伸入所述套筒(1)侧壁上的过孔(1c)，并被所述过孔(1c)限位。

9.根据权利要求8所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述滑动挺柱(5)上设置有凸台(5a)，该滑动挺柱(5)上套有复位弹簧(5b)，该复位弹簧(5b)抵接在所述凸台(5a)与套筒(1)内壁之间。

10.根据权利要求8所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述滑动挺柱(5)的后端与所述转盘(13)抵接，滑动挺柱(5)的前端安装有形变簧片(7)。

11.根据权利要求8所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述叶轮状的转盘(13)设置有至少二扇叶片，每扇叶片对应装配有一个滑动挺柱(5)，所有滑动挺柱(5)均匀分布在所述套筒(1)侧壁。

12.根据权利要求8所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述转盘(13)连接有所述振荡波传感器(2)。

13.根据权利要求1所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述原动机构为直线驱动机构。

14.根据权利要求13所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述直线驱动机构包括螺杆(6)、该螺杆(6)经电机(4)驱动旋转，螺杆(6)上套装有滑动螺母(9)、滑动螺母(9)上固定有至少二个支耳(9a)，该支耳(9a)作为移动点连接在形变簧片(7)的一端，形变簧片(7)的另一端连接在所述套筒(1)上。

15.根据权利要求14所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述套筒(1)上设置有直线滑槽，所述支耳(9a)在直线滑槽内滑动。

16.根据权利要求14所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述滑动螺母(9)连接有至少三片形变簧片(7)，所有形变簧片(7)均匀分布在套筒(1)外壁上。

17.根据权利要求14所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述螺杆(6)连接有所述振荡波传感器(2)。

18.根据权利要求13所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述直线驱动机构包括螺杆(6)、该螺杆(6)经电机(4)驱动旋转，螺杆(6)上套装有滑块(8)、滑块(8)的斜面抵接有滑动挺柱(5)，该滑动挺柱(5)伸入所述套筒(1)侧壁上的过孔(1c)，并被所述过孔(1c)限位，所述滑动挺柱(5)上设置有凸台(5a)，该滑动挺柱(5)上套有复位弹簧(5b)，该复位弹簧(5b)抵接在所述凸台(5a)与套筒(1)内壁之间。

19.根据权利要求18所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述滑动挺柱(5)的一端抵接在滑块(8)上，滑动挺柱(5)的另一端固定有形变簧片(7)。

20.根据权利要求1所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述套筒(1)包括固定套筒(1a)和活动套筒(1b)，所述原动机构包括固定在固定套筒(1a)上的电机(4)，该电机经螺杆(6)连接所述活动套筒(1b)；

所述固定套筒(1a)和活动套筒(1b)的外壳之间连接有形变簧片(7)；

所述固定套筒(1a)和活动套筒(1b)还配合安装有防转机构，该防转机构防止活动套筒(1b)旋转。

21.根据权利要求20所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述固定套筒(1a)呈哑铃状，所述螺杆(6)和活动套筒(1b)位于哑铃中部，其中螺杆(6)一端经电机与固定套筒(1a)前端连接，另一端经轴承与固定套筒(1a)尾端连接。

22.根据权利要求1所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述轴向顶紧头(12)的小头端穿出套筒(1)通孔后，固定有压块。

23.根据权利要求1所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述原动机构的动力原为直流减速电机，该直流减速电机的供电回路上设置有过流保护电路。

24.根据权利要求1所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述套筒(1)尾部设置有过孔，控制、电源及数据线经过孔传出。

25.根据权利要求1所述的机械式地质探测贴壁柔性耦合探头，其特征在于：所述振荡波传感器(2)为地震波传感器。