CN103399343A - 移动式传感器插置装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可移动的传感器插置系统装置，该装置由行走系统、往复式插置系统、自动控制系统组成，通过装载行走系统上的往复式插置系统，由自动控制系统控制，将传感器竖直插入地下，并由往复式插置系统中的往复式气动活塞加压保持传感器与被测目标紧密耦合，完全替代人工的方式进行传感器插置。本发明可以根据勘探的需要，对插置传感器的压力及方向进行精确的调节，并可以实现大规模传感器阵列连接，相对于人工插置传感器的方式，本发明具有插置传感器快速简便、连接可靠并保证传感器与地面紧密耦合的特点，并在陆地地震勘探领域革命性地实现快速连续移动测量。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理勘探设备，具体涉及可移动的传感器插置装置。发明实现后可替代目前人工插置的方法，极大提高传感器的插置效率、勘探精度以及成倍降低地震勘探成本。
背景技术
传统的地球物理勘探方法中，为获得人工激发或自然激发信号源的回波，需要将大量的传感器或电极通过人工插置的方式垂直安置于地下，然后通过现场组网的方式将遍布于被测区域内的传感器或电极连接于采集仪器上。最重要的是人工插置是用手将传感器插入地下或使用设备钻孔或挖坑等方式置入传感器，会造成填埋方向、垂直度无法保证，并且由于是二次作业无法使土壤与传感器可靠耦合，造成耦合效果差。同时根据勘探测量的需要，在一次测量采集完成后，还需将已插置好的传感器或电极拔出，然后移动到相邻的区域进行下次采集。随着现代勘探技术的发展，对勘探精度的要求越来越高，对传感器及电极的插置密度及重叠次数也越来越高。在这种情况下人工插置的成本也越来越高，同时，大量的线材插拔也使得人工插置的可靠性越来越低。到目前为止，在勘探应用中针对大面积人工插置传感器的高成本和低可靠性问题，仍未找到一种完美的解决方案。
发明内容
本发明针对人工插置传感器高成本低可靠性的现状，提供了一种可移动的传感器插置装置，相对于人工插置传感器，本发明具有插置传感器快速简便、连接可靠并保证传感器与地面紧密耦合的特点，并在陆地地震勘探领域革命性地实现连续移动测量。
本发明公开的实施方案涉及一种移动式传感器插置装置，由行走系统﹑往复式插置系统﹑自动控制系统组成，往复式插置系统及自动控制系统均装载于行走系统，自动控制系统控制行走系统的运动，并控制往复式插置系统中传感器17的插入地下及收回，当传感器17插入地下时，由往复式插置系统中的往复式气动活塞总成2持续加压来保持传感器17与被测目标的紧密耦合。该移动式传感器插置装置的行走系统中还可包括停车系统和垂直校正系统，因为地震勘探中要求传感器插入方向为重力加速度方向而非与被测面垂直，因此对于不同的被测面环境需要作角度调整。系统工作时，小车由被牵引状态，通过行走系统中的停车系统控制刹车，使小车准确定位于测试区域，同时自动控制系统通过垂直校正系统校准传感器插入方向，启动往复式插置系统将传感器插入被测点，传感器在预定的压力下进入静止采集状态保持与被测面竖直紧密耦合并实施数据采集，再由自动控制系统控制往复式插置系统将传感器收回，然后行走系统松开刹车，本系统装置再次回到可被牵引行进状态，进入下一轮插置采集流程。
所述的行走系统，其停车系统中停车控制动力来自气动、液压、电动、弹簧等多种动力。
所述的行走系统，根据不同的地形环境可采用各种材质的轮胎、三角带、雪橇、沙撬等方式。
所述的往复式插置系统，除采用实例中的压缩空气为动力源外，也可采用其他气源如压缩二氧化碳、氮气等。
所述的往复式插置系统中，其结构除本实例中所述的往复式气动活塞总成外，也可以使用具有相同或类似功能的总成结构，包含但不限于电动往复式推杆、电动齿轮齿条、电动活塞机构、液压式往复式活塞，电动、液压、气动弹簧、电磁铁往复式装置等。其插置行程、压力及速度均可以根据实际情况由用户自行调整。
所述的自动控制系统是由单片机、电源、三维重力传感器、可控自动校准垂直云台、气路电磁开关所组成的控制系统，可以在一定范围内保证传感器按照规定的方向准确插置。
所述的软连接系统为往复式气动活塞总成与传感器之间的连接，为避免整车系统对传感器的影响而采用声波阻尼系数大且具备一定强度的材料如橡胶、硅胶、尼龙、聚氨酯等材料。
所述的传感器可以为地震勘探使用的检波器、电法仪使用的电极以及其他需要插置并拔出的装置。
所述的移动插置系统装置可以单个或多个使用，动力供给可以每个单元单独配备也可多个单元共用。
所述的移动插置系统装置也可根据需要，自行配备动力，通过自控或遥控方式按预置要求进行移动插置。
本发明的有益效果：用移动式传感器插置装置完全取代人工来完成插置传感器的工作。随着小车的移动，自行将传感器准确垂直地插置于被测位或紧密贴合被测位。通过对若干小车的矩阵组合，可以使野外大面积勘测实现高速探测且成本可控。本发明中的往复式插置系统及自动控制系统确保了传感器插置方向的精确性以及与地面耦合的可靠性，从而进一步确保了所采集数据的准确性。同时，由于在本系统中传感器与采集仪器只在初次连接时进行接插，所以在整个工作过程中传感器与仪器之间一直保持可靠连接，彻底去除了人工插置中接插不可靠的问题，极大地提高了勘探工程的工作效率，减少了故障环节，推广应用前景极广。
附图说明：
以下结合附图和具体实例实施方式对本发明做详细说明。
图1(a)为本发明整体结构右侧正前45度示意图
图1(b)为本发明带停车系统及垂直校正系统整体结构示意图
图2为本发明停车系统局部放大示意图
图3为本发明整体结构右侧正90度示意图
图4为本发明整体结构前视图
图5为本发明整体结构左侧正前45度示意图
图6为本发明垂直校正系统结构示意图
图7为本发明在正常工作状态时插置示意图
图8为本发明在组成阵列的单车示意图
图9为本发明在组成阵列示意图
图10为本发明采用电动插置的方式示意图
图11为本发明中软连接示意图
图12为本发明组合成多行多列阵列示意图
图13为本发明中自动控制系统工作流程图
图中：1、耦合靴备件 2、往复式气动活塞总成 3、工作气压调节阀 4、小车轮胎 5、电控单元盒 6、储气罐 7、车架 8、弹簧气管 9、调压表 10、气路三通阀11、输气定型铜管 12、气路电磁开关 13、正行程气管 14、负行程气管 15、软连接部件 16、连接环 17、传感器 18、油水分离器 19、方向转动盘 20、储气罐气压表 21、电池盒 22、云台垂直面板 23、三维重力传感器 24、气动刹车片 25、刹车弹簧 26、刹车顶杆 27、刹车气动活塞总成 28、云台水平倾角调整电机 29、云台垂直倾角调整电机 30、云台垂直轴 31、云台垂直倾角调整齿条 32、云台水平倾角调整盘 33、刹车气路电磁开关 34、刹车气路三通 35、刹车气动活塞总成进气管 36、刹车顶杆支点
具体实施方式：
系统工作时，由在电控单元盒5中的单片机发出指令，如果该插置装置带垂直校正系统，则通过三维重力传感器23及可控自动校准垂直云台，自动校准往复式气动活塞总成2的行程方向，保证在不同地形中往复式气动活塞总成2的行程方向与重力方向一致，校准完成后再打开气路电磁开关12；如果该插置装置不带垂直校正系统，则由电控单元盒5中的单片机发出指令直接打开气路电磁开关12。开启往复式气动活塞总成2上的正行程进气管13，预先存储在储气罐6中的压缩空气充入往复式活塞系统总成2，充入往复式活塞系统总成2的压缩空气压力根据工作场地的不同（如湿地、草地、沙地等）预先通过工作气压调节阀3调整准确，本实例中往复式气动活塞总成产生的插置压力可在0kg-12kg可调，往复式气动活塞总成2在正行程气管13充气后，推动往复式气动活塞总成2内部的活塞连杆带动软连接部件上的传感器17向下运动，将传感器17前端的尖锥压入地面，由于往复式气动活塞总成2的进气压力根据场地的不同预先调整准确，因此，当插置传感器的阻力等于进气压力时，活塞连杆停止前进，系统静止，此时传感器被活塞连杆抵住，传感器与大地紧密耦合，满足传感器采集状态。当传感器完成采集任务后，再由电控单元盒5中的单片机发出指令，通过气路电磁开关12关闭往复式气动活塞总成2上的正行程进气管13，开启往复式气动活塞总成2上的负行程进气管14，活塞连杆带动软连接部件15连同传感器17回缩至初始工作状态，完成一次信号的采集。由小车轮胎4、车架7、方向转动盘19和停车系统组成的行走系统，在外力的牵引下移动插置的位置，重复上述传感器插入及回收的步骤，实现了移动插置的全部过程。图中所示的耦合靴备件1是根据不同场地及硬度来进行快速更换的备件，以保证传感器与被测面达到最佳的耦合度。
下面以各个系统分别详细说明本装置:
行走系统：本发明行走系统见图1、图2、图3所示，由小车轮胎4、车架7、连接环16、方向转动盘19组成。行走系统构成本发明的基本框架，小车轮胎4、车架7实现行走系统的移动及装载功能，连接环16、方向转动盘19构成行走系统的牵引转向装置，其中，车架7置于小车轮胎4之上，车架7底部设置方向转动盘19，连接环16则置于车架7的另一端，用于牵引连接；行走系统还可以包括停车系统：由气动刹车片24、刹车弹簧25、刹车顶杆26、刹车气动活塞总成27、刹车气路三通34、刹车气动活塞总成进气管35、刹车顶杆支点36组成。如例图中所示，车架7上一端设有刹车气动活塞总成27，刹车气动活塞总成27通过刹车气动活塞总成进气管35与刹车气路三通34相连，同时刹车气路三通34另一端与工作气压调节阀3相连；固定于车架7上的刹车弹簧25通过刹车顶杆26外端抵住刹车片24，刹车顶杆26则通过刹车顶杆支点36固定于车架7上，小车行进时，刹车片悬于车轮之上。
图2是本发明中的停车系统示意图，本实例中，停车系统的动力来自刹车气动活塞总成27及刹车弹簧25。设备静止状态时，刹车弹簧25通过刹车顶杆26外端抵住刹车片24，气动刹车片24抱紧小车轮胎，使小车停止移动便于传感器定位及数据采集。当小车行进时，由电控单元盒5中单片机发出指令，开启刹车气路电磁开关33，压缩气体通过刹车气动活塞总成进气管35进入刹车气动活塞总成27，推动其活塞向下运行，压迫刹车顶杆26内端，以刹车顶杆支点36为支点通过杠杆作用将刹车弹簧25压缩，抬起气动刹车片24，小车可自由移动；当到达指定位置后，单片机关闭刹车气路电磁开关33，同时开启刹车气路电磁开关33放气阀，使刹车气动活塞总成27压力降为为0，解除其活塞压迫于刹车顶杆26内端的压力，此时刹车弹簧25伸展回位，通过下压刹车顶杆26外端抵住刹车片24抱紧小车轮胎，使小车停止移动。
在行走系统，小车轮胎根据不同的地形环境可采用各种材质的轮胎以及采用三角带、雪橇、沙撬等行走部件，来替代小车轮胎。在停车系统中，其停车控制动力来自气动、液压、电动、弹簧等多种动力。
往复式插置系统：本发明往复式插置系统见图1、图2、图4、图5中所示，由耦合靴备件1、 往复式气动活塞总成2、工作气压调节阀3、储气罐6、弹簧气管8、调压表9、气路三通阀10、输气定型铜管11、正行程气管13、负行程气管14、软连接部件15、传感器17、油水分离器18、储气罐气压表20组成。本案例中往复式气动活塞总成2通过软连接部件15与传感器17相连，对于没有垂直校正系统的装置，往复式气动活塞总成2直接固定在车架上，如图1(a)所示；对于有垂直校正系统的装置，往复式气动活塞总成2通过垂直校正系统中的云台垂直面板22固定于车架7前端，且往复式气动活塞总成2的上端设有三维重力传感器23，并与之相连；储气罐6设置于车架7内通过调压表9、油水分离器18及工作气压调节阀3连接气路电磁开关12进气端，气路电磁开关12的出气端分别与正行程气管13、负行程气管14连接，正、负行程气管另一端与往复式气动活塞总成2连接。在所述的往复式插置系统中，通过工作气压调节阀3调整插置的压力，调压表9显示当前的工作压力，油水分离器18用于分离压缩空气中的水份；弹簧气管8与输气定型铜管11通过气路三通阀10与储气罐6进气口相连并固定于车架7上，用于对储气罐进行充气或在本发明形成阵列时与其他的单元相连进行集中供气或充气，储气罐气压表20连接于储气罐6的罐体上用于观察储气罐内气压；耦合靴备件1、软连接部件15、传感器17组成传感器连接装置，其中耦合靴备件1是跟据不同的传感器耦合对象采用不同的耦合方式，例如草地泥地等采用针状耦合靴，而水泥、硬土地面采用平台型或乳头型耦合靴，软连接部件15用于将传感器17与往复式气动活塞总成2连接，其目的在于阻断有可能从车架上传导到传感器外壳的杂波及噪声。
软连接部件为往复式气动活塞总成与传感器之间的连接，为避免整车系统对传感器的影响而采用声波阻尼系数大且具备一定强度的材料如橡胶、硅胶、尼龙、聚氨酯等材料。
在往复式插置系统中，除采用实例中的压缩空气为动力源外，也可采用其他气源如压缩二氧化碳、氮气等。除采用本实例中往复式气动活塞总成外，也可以使用具有相同或类似功能的总成结构，包含但不限于电动往复式推杆、电动齿轮齿条、电动活塞机构、液压式往复式活塞，电动、液压、气动弹簧、电磁铁往复式装置等，其插置行程、压力及速度均可以根据实际情况由用户自行调整。
自动控制系统：本发明中自动控制系统包括：电控单元盒5、气路电磁开关12、刹车气路电磁开关33、电池盒21；其中电池盒21内置12v电池组通过导线连接电控单元盒5，再由电控单元盒5通过导线与气路电磁开关12及刹车气路电磁开关33相连为其提供动力电源，通过控制气路电磁开关12的通断来控制往复式气动活塞总成2的往复式运动，从而控制传感器的插置及回收；通过通过控制刹车气路电磁开关33的通断来控制刹车气动活塞总成27来实现气动刹车片24的抬起及放下，从而控制本系统的刹车；具体具体结构件图2。 自动控制系统还可以包括：垂直校正系统(详见图6)。其中垂直校正系统中的三维重力传感器23固定于往复式气动活塞总成2顶部，由一组信号线与电控单元盒5相连，实时将往复式气动活塞总成2水平及垂直倾角参数传输到置于电控单元盒5中的单片机中，垂直校正系统中的云台水平倾角调整电机28、云台垂直倾角调整电机29与电控单元盒5连接，并由其提供动力源，再由单片机中预置的指令控制和调整可控自动校准云台的偏转角度。
自动控制系统工作流程图见图13，在自动控制系统中，电控单元盒5通过气路电磁开关12控制往复式气动活塞总成插置与回收传感器，过程见具体实施方式；同样通过刹车气动活塞总成控制刹车装置，具体过程见行车系统中停车系统。
图6所示为在自动控制系统中的垂直校正系统，其组成为三维重力传感器23、可控自动校准垂直云台，该可控自动校准垂直云台包括：云台垂直面板22、云台水平倾角调整电机28、云台垂直倾角调整电机29、云台垂直轴30、云台垂直倾角调整齿条31、云台水平倾角调整盘32。其具体结构为：往复式气动活塞总成2固定于云台垂直面板22上，该垂直面板22上端通过云台垂直轴30固定在云台水平倾角调整盘32上，下端连接的云台垂直倾角调整齿条31通过齿轮与固定在云台水平倾角调整盘32下端的云台垂直倾角调整电机29的齿轮咬合，云台垂直倾角调整齿条31为弧形，其弧形半径为云台垂直轴30到云台垂直倾角调整齿条31的垂直距离；电控单元盒5通过控制云台垂直倾角调整电机29步进，即可调整在垂直方向的插置倾角；云台水平倾角调整盘32中心与云台水平倾角调整电机28中轴直接相连，云台水平倾角调整电机28则固定在车架7的前端，通过控制云台水平倾角调整电机28的步进，即可调整在水平方向的插置倾角。
当行走系统刹车停止后，三维重力传感器23将当前往复式活塞总成2的倾角状况传输给电控单元盒5中的单片机，单片机做出判断后控制可控自动校准垂直云台中的云台水平倾角调整电机28、云台垂直倾角调整电机29对往复式气动活塞总成2进行姿态调整，直到其姿态调整为竖直状态，确定其竖直状态后再驱动往复式气动活塞2总成完成对传感器17的插置。
图7所示为本发明将传感器插置于地面的状态示意图，其结果完全与人工插置于地面相同，同时由于插置后压力一直保持，因此比人工插置耦合更加可靠。
图8、图9所示为当本发明形成阵列时可采用的一种简化形式，其基本插置原理与实现方式与本发明实例相同，不同的方式是采用集中动力共给以及集中控制，小车阵列可以大幅度简化，便于进行超高分辨率插置。
图10所示为本发明采用电动齿轮齿条的方式来实现插置的一种示意图，示意图中插置的动力来自装载在小车上的伺服电机，通过嵌入式计算机或单片机控制插置的一种方式，除往复式插置系统采用电动齿轮齿条的方式外，其余行走系统级自动控制系统与本发明相同。
图11为本发明中软连接示意图。
图12为本发明在具体使用时形成组合阵列的示意图，本发明可以根据实际的需要，并联或串联组成插置阵列，通过三通或四通气阀将弹簧气管并联或串联，再把连接环相连即可组成单列、多列的阵列方式，阵列的长度及宽度根据被测目标的不同而进行调整。
上述仅为本发明的实施案例，对本领域的技术人员来说，本发明可能有多种更改和改进的可能。因此凡在本案的发明思想和原则之内，做出任何修改，等同替换，改进等行为，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种移动式传感器插置装置，由行走系统﹑往复式插置系统﹑自动控制系统组成，其特征在于：往复式插置系统及自动控制系统均装载于行走系统，自动控制系统控制行走系统的运动，并控制往复式插置系统中传感器(17)的插入地下及回收，当传感器(17)插入地下时，由往复式插置系统中的往复式气动活塞总成(2)持续加压来保持传感器(17)与被测目标的紧密耦合。
2.根据权利要求1所述的一种移动式传感器插置装置，其特征在于：
所述行走系统包括：小车轮胎(4)、车架(7)、连接环(16)、方向转动盘(19)；其中，车架(7)置于小车轮胎(4)之上，车架(7)底部设置方向转动盘(19)，车轴连接小车轮胎(4)且设有连接环(16)。
3.根据权利要求1所述的一种移动式传感器插置装置，其特征在于，所述自动控制系统包括:电控单元盒(5)、气路电磁开关(12)、刹车气路电磁开关(33)、电池盒(21)；其中电池盒(21)内置电池组通过导线连接电控单元盒(5)，再由电控单元盒(5)通过导线分别与刹车气路电磁开关(33)和气路电磁开关(12)连接，分别用于控制小车的刹车和通过控制气路电磁开关(12)的通断来控制往复式气动活塞总成(2)。
4.根据权利要求1所述的一种移动式传感器插置装置，其特征在于：所述往复式插置系统包括：往复式气动活塞总成(2)、工作气压调节阀(3)、储气罐(6)、弹簧气管(8)、调压表(9)、气路三通阀(10)、输气定型铜管(11)、正行程气管(13)、负行程气管(14)、软连接部件(15)、传感器(17)、油水分离器(18)、储气罐气压表(20)组成，其中往复式气动活塞总成(2)通过软连接部件(15)与传感器(17)相连，并固定于车架(7)前端；储气罐(6)设置于车架(7)内通过调压表(9)、油水分离器(18)及工作气压调节阀(3)连接气路电磁开关(12)进气端，气路电磁开关(12)的出气端分别与正行程气管(13)、负行程气管(14)连接，正、负行程气管（13、14）另一端与往复式气动活塞总成(2)连接；弹簧气管(8)与输气定型铜管(11)通过气路三通阀(10)与储气罐(6)进气口相连并固定于车架(7)上，储气罐气压表(20)设置于储气罐(6)上用于观察储气罐内气压。
5.根据权利要求1或2所述的一种移动式传感器插置装置，其特征在于：所述行走系统还包括：停车系统即由气动刹车片(24)、刹车弹簧(25)、刹车顶杆(26)、刹车气动活塞总成(27)、刹车气路三通(34)、刹车气动活塞总成进气管(35)、刹车顶杆支点(36)组成；车架(7)上一端设有刹车气动活塞总成(27)，刹车气动活塞总成(27)通过刹车气动活塞总成进气管(35)与刹车气路三通(34)相连，同时刹车气路三通(34)另一端与工作气压调节阀(3)相连；固定于车架(7)上的刹车弹簧(25)通过刹车顶杆(26)外端抵住刹车片(24)，刹车顶杆(26)则通过刹车顶杆支点(36)固定于车架(7)上，小车行进时，刹车片悬于车轮之上。
6.根据权利要求1或3所述的一种移动式传感器插置装置，其特征在于，所述自动控制系统还包括:垂直校正系统即三维重力传感器(23)和可控自动校准垂直云台，其中可控自动校准垂直云台包括：云台垂直面板(22)、云台水平倾角调整电机(28)、云台垂直倾角调整电机(29)、云台垂直轴(30)、云台垂直倾角调整齿条(31)、云台水平倾角调整盘(32)；其中，三维重力传感器(23)固定于往复式气动活塞总成(2)顶部，往复式气动活塞总成(2)固定于云台垂直面板(22)上，该垂直面板(22)上端通过云台垂直轴(30)固定在云台水平倾角调整盘(32)上，下端连接的云台垂直倾角调整齿条(31)通过齿轮与固定在云台水平倾角调整盘(32)下端的云台垂直倾角调整电机(29)的齿轮咬合，云台垂直倾角调整齿条(31)为弧形，其弧形半径为云台垂直轴(30)到云台垂直倾角调整齿条(31)的垂直距离；通过控制云台垂直倾角调整电机(29)步进，即可调整在垂直方向的插置倾角；云台水平倾角调整盘(32)中心与云台水平倾角调整电机(28)中轴直接相连，云台水平倾角调整电机(28)则固定在车架(7)的前端，通过控制云台水平倾角调整电机(28)的步进，即可调整在水平方向的插置倾角；云台水平倾角调整电机(28)、云台垂直倾角调整电机(29)、三维重力传感器(23)分别与电控单元盒(5)相连，三维重力传感器(23)实时将往复式气动活塞总成(2)水平及垂直倾角参数传输到置于电控单元盒(5)中的单片机中，单片机做出判断后控制云台水平倾角调整电机(28)、云台垂直倾角调整电机(29)对往复式活塞总成(2)进行角度调整。
7.根据权利要求1或2所述的一种移动式传感器插置装置，其特征在于所述行走系统，根据不同的地形环境可采用轮胎、履带、雪橇、沙撬的方式。
8.根据权利要求1或4所述的一种移动式传感器插置装置，其特征在于往复式插置系统的储气罐(6)中所采用压缩气体为空气，二氧化碳气体或氮气作为动力源。
9.根据权利要求1所述的一种移动式传感器插置装置，其特征在于所述行走系统的刹车，其动力源为气动、液压、电动、弹簧、磁力。
10.根据权利要求1所述的一种移动式传感器插置装置，所述的往复式插置系统中，往复式气动活塞总成(2)可以由电动往复式推杆、电动齿轮齿条、电动活塞机构、液压式往复式活塞，电动、液压、气动弹簧、电磁铁往复式装置替代。
11.根据权利要求4所述的一种移动式传感器插置装置，所述的软连接部件(15)为往复式气动活塞总成(2)与传感器(17)之间的连接部件，为避免整车系统对传感器的影响，而采用橡胶、硅胶、尼龙、聚氨酯，声波阻尼系数大且具备一定强度的材料制成软连接部件。
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