CN110158568B - 一种触探探头系数动态标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种触探探头系数动态标定方法，其属于海洋地质探测技术领域，包括以下步骤：将触探探头在水中逐渐下放，实时采集触探探头所在的水深度值；获得若干组与不同的水深度值对应的水压强值、侧摩阻力电信号值和锥尖阻力电信号值；将水压力变化与侧摩阻力电信号变化进行线性拟合，获得与不同的水深度值对应的侧摩阻力标定系数；将水压力变化与锥尖阻力电信号变化进行线性拟合，获得与不同的水深度值对应的锥尖阻力标定系数。不仅实现了动态地对触探探头的系数进行精确标定，而且考虑了侧摩阻力随水深的动态变化，进而消除深海水压对触探探头测量结果的影响，提高触探探头测定结果的准确性。

Description

一种触探探头系数动态标定方法
技术领域
本发明涉及海洋地质探测技术领域，尤其涉及一种触探探头系数动态标定方法。
背景技术
随海洋工程的发展，针对海底沉积物的勘探需求日益显著。目前多采用静力触探、动力触探等方法对海底各地层土的强度进行勘察，相比于常规的钻孔取样勘探手段，触探的方法具有快速、经济等优点。通过触探探头内部的传感器对探杆贯入土体内时的锥尖阻力、侧摩阻力等参数进行测定，以此对勘察区地层剖面、浅基承载力等作出定量评估，对选择桩端持力层、预估单桩承载力等工程需求提供基础。
传感器测定锥尖阻力与侧摩阻力时记录的为电信号，压力的变化显示为电信号的变化，因此需要通过系数标定方法实现电信号与压力值之间的转换。传统的探头标定方法通常采用室内探头标定架进行，通过标定架对探头施加反力，确定探头记录的电压值与反力的线性关系，该方法适用于陆上及近浅海区域使用的探头系数标定。
当触探探头用于深海环境时，水压力达到数十兆帕，探头的套筒受海水压力影响会变形收缩，导致密封圈的摩擦特性发生改变，且对探头的影响程度随水深动态变化。陆上环境中，触探探头的密封圈与套筒及芯轴之间的摩擦阻力可认为是恒定不变的，因此标定后该摩擦阻力对测定结果的影响可忽略不计，而深海环境中的高水压导致该摩擦阻力增大，使得室内标定的系数不再具有准确性，测得的锥尖阻力及侧摩阻力比真实值偏小，无法反映海水压力的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种触探探头系数动态标定方法，可动态的对触探探头的系数进行精确标定，消除深海水压对触探探头测量结果的影响，提高触探探头测定结果的准确性。
如上构思，本发明所采用的技术方案是：
一种触探探头系数动态标定方法，包括以下步骤：
将触探探头在水中逐渐下放，实时采集触探探头所在的水深度值；
获得若干组与不同的水深度值对应的水压强值、侧摩阻力电信号值和锥尖阻力电信号值；
将水压力变化与侧摩阻力电信号变化进行线性拟合，获得与不同的水深度值对应的侧摩阻力标定系数；
将水压力变化与锥尖阻力电信号变化进行线性拟合，获得与不同的水深度值对应的锥尖阻力标定系数。
其中，所述触探探头包括位于外侧的套筒，所述套筒的上下端与水接触且存在截面积差ΔS1，水对所述套筒产生水压，根据水压强值和截面积差ΔS1，获得套筒所受到的水压力值。
其中，将水压力值随水深度值的变化与侧摩阻力电信号值随水深度值的变化进行线性拟合，公式如下：
ΔpΔS1/S1′＝asVs+bs
其中，Δp为水压强值；
Vs为侧摩阻力电信号值；
S1′为侧摩筒的外侧表面积；
as、bs为侧摩阻力标定系数。
其中，所述触探探头还包括位于一端的锥尖，所述锥尖的上下端与水接触且存在截面积差ΔS2，水对所述锥尖产生水压，根据水压强值和截面积差ΔS2，获得锥尖所受到的水压力值。
其中，将水压力值随水深度值的变化与锥尖阻力电信号值随水深度值的变化进行线性拟合，公式如下：
ΔpΔS2/S2′＝acVc+bc
其中，Δp为水压强值；
Vc为锥尖阻力电信号值；
S2′为锥尖的有效面积；
ac、bc为锥尖阻力标定系数。
其中，所述套筒与水接触的上端截面积A1小于下端截面积A2，所述套筒的上下端与水接触的截面积差ΔS1＝A2-A1。
其中，所述锥尖连接于所述套筒的一端，所述锥尖与水接触的上端截面积等于所述套筒与水接触的下端截面积，所述锥尖与水接触的上端截面积A2小于下端截面积A3，所述锥尖的上下端与水接触的截面积差ΔS2＝A3-A2。
其中，所述触探探头包括侧摩阻力传感器，所述侧摩阻力传感器用于获得不同的水深度值对应的侧摩阻力电信号值。
其中，所述触探探头包括锥尖阻力传感器，所述锥尖阻力传感器用于获得不同的水深度值对应的锥尖阻力电信号值。
其中，所述触探探头上设置有压力传感器，所述压力传感器用于获得不同的水深度值对应的水压强值。
本发明的有益效果：
本发明提出的触探探头系数动态标定方法，通过在水中逐渐下放触探探头，并实时采集触探探头所在的水深度值，同时获得若干组与不同的水深度值对应的水压强值、侧摩阻力电信号值和锥尖阻力电信号值；再将水压力变化与侧摩阻力电信号变化进行线性拟合，获得与不同的水深度值对应的侧摩阻力标定系数；将水压力变化与锥尖阻力电信号变化进行线性拟合，获得与不同的水深度值对应的锥尖阻力标定系数。不仅实现了动态地对触探探头的系数进行精确标定，而且考虑了侧摩阻力随水深的动态变化，进而消除深海水压对触探探头测量结果的影响，提高触探探头测定结果的准确性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的触探探头的示意图。
图中：
1、芯轴；2、套筒；3、锥尖；4、O型密封圈。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
参见图1，本发明实施例提供一种触探探头，包括位于中间的芯轴1、套设于芯轴1外侧的套筒2和位于芯轴1一端的锥尖3，芯轴1与套筒2之间设置有O型密封圈4，套筒2的内部通过间隔设置的两个O型密封圈4产生密闭空间。芯轴1上设置有侧摩阻力传感器和锥尖阻力传感器，侧摩阻力传感器用于获得不同的水深度值对应的侧摩阻力电信号值，锥尖阻力传感器用于获得不同的水深度值对应的锥尖阻力电信号值。
触探探头的套筒2的上端与水接触的截面积为A1，下端与水接触的截面积为A2，一般情况下，下端截面积通常大于上端截面积，即A2>A1。也就是说，套筒2的上下端与水接触的截面积存在截面积差ΔS1＝A2-A1。
锥尖3连接于套筒2的一端，锥尖3与水接触的上端截面积等于套筒2与水接触的下端截面积，锥尖3与水接触的上端截面积A2小于下端截面积A3，锥尖3的上下端与水接触的截面积差ΔS2＝A3-A2。
本发明实施例提供一种触探探头系数动态标定方法，包括以下步骤：
将触探探头在水中逐渐下放，实时采集触探探头所在的水深度值；
获得若干组与不同的水深度值对应的水压强值、侧摩阻力电信号值和锥尖阻力电信号值；
将水压力变化与侧摩阻力电信号变化进行线性拟合，获得与不同的水深度值对应的侧摩阻力标定系数；
将水压力变化与锥尖阻力电信号变化进行线性拟合，获得与不同的水深度值对应的锥尖阻力标定系数。
在进行标定时，会在触探探头或者触探设备上安装压力传感器，压力传感器用于获得不同的水深度值对应的水压强值。水压强值Δp＝ρgh，其中，ρ为海水密度，g为重力加速度，h为水深。
当然，在进行标定时，会在触探探头上电连接控制装置，控制装置能够获得触探探头下降的深度值，压力传感器获得的水压强值也传输至控制装置。在此，控制装置内部的控制过程为现有技术，是本领域技术人员容易获得的，在此不再赘述。
因套筒2的上下端存在截面积差ΔS1，因此在一定深度的水深处，水会对套筒2产生水压，根据已获得的水压强值和截面积差ΔS1，能够获得套筒2所受到的水压力值。水压力的方向垂直向上，水压力值的大小为ΔpΔS1＝ρgh(A2-A1)。
向上的压差使得触探探头的套筒2对侧摩阻力传感器产生压力，因此侧摩阻力会随水深加深而增大。若不考虑水压对触探探头的密封圈的影响，侧摩阻力与水深变化应呈线性关系。而实际环境中，受水压对触探探头的密封圈的影响，侧摩阻力与水深的变化呈现出非线性关系，因此，在本实施例中，将水压力值随水深度值的变化与侧摩阻力电信号值随水深度值的变化进行线性拟合，公式如下：
ΔpΔS1/S1′＝asVs+bs
其中，Δp为水压强值；
Vs为侧摩阻力电信号值；
S1′为侧摩筒的外侧表面积；
as、bs为侧摩阻力标定系数。
在对触探探头进行标定后，对于不同的水深度值h，获得对应的侧摩阻力标定系数。实际使用触探探头时，根据触探探头所在的水深，选取对应的侧摩阻力标定系数，进而结合触探探头内部的侧摩阻力传感器获得的侧摩阻力电信号值，即可将侧摩阻力电信号值转换成侧摩阻力值。
随着触探探头在水中下放，水压逐渐增大，因此在标定时，选择在锥尖3贯入沉积物之前的一段时间的数据，使得测定结果更准确。随着水压逐渐增大，水压会对密封圈的摩擦特性有一定影响，因此本实施例中提到的触探探头的标定方法主要用于深海中使用的触探探头的标定。
因锥尖3的上下端存在截面积差ΔS2，因此在一定深度的水深处，水会对锥尖3产生水压，根据已获得的水压强值和截面积差ΔS2，能够获得锥尖3所受到的水压力值。水压力的方向垂直向上，水压力值的大小为ΔpΔS2＝ρgh(A3-A2)。
向上的压差使得触探探头的锥尖3对锥尖阻力传感器产生压力，因此锥尖阻力会随水深加深而增大。若不考虑水压对触探探头的密封圈的影响，锥尖阻力与水深变化应呈线性关系。而实际环境中，受水压对触探探头的密封圈的影响，锥尖阻力与水深的变化呈现出非线性关系，因此，在本实施例中，将水压力值随水深度值的变化与锥尖阻力电信号值随水深度值的变化进行线性拟合，公式如下：
ΔpΔS2/S2′＝acVc+bc
其中，Δp为水压强值；
Vc为锥尖阻力电信号值；
S2′为锥尖的有效面积；
ac、bc为锥尖阻力标定系数。
在探头中，锥尖与透水石连接，锥尖的有效面积即锥尖的最大截面积与透水石的面积之差，这是本领域的技术人员可以获知的参数，在此不再赘述为。
在对触探探头进行标定后，对于不同的水深度值h，获得对应的锥尖阻力标定系数。实际使用触探探头时，根据触探探头所在的水深，选取对应的锥尖阻力标定系数，进而结合触探探头内部的锥尖阻力传感器获得的锥尖阻力电信号值，即可将锥尖阻力电信号值转换成锥尖阻力值。
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种触探探头系数动态标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
将触探探头在水中逐渐下放，实时采集触探探头所在的水深度值；
获得若干组与不同的水深度值对应的水压强值、侧摩阻力电信号值和锥尖阻力电信号值；
将水压力变化与侧摩阻力电信号变化进行线性拟合，获得与不同的水深度值对应的侧摩阻力标定系数；
将水压力变化与锥尖阻力电信号变化进行线性拟合，获得与不同的水深度值对应的锥尖阻力标定系数。
2.根据权利要求1所述的触探探头系数动态标定方法，其特征在于，所述触探探头包括位于外侧的套筒，所述套筒的上下端与水接触且存在截面积差ΔS1，水对所述套筒产生水压，根据水压强值和截面积差ΔS1，获得套筒所受到的水压力值。
3.根据权利要求2所述的触探探头系数动态标定方法，其特征在于，将水压力值随水深度值的变化与侧摩阻力电信号值随水深度值的变化进行线性拟合，公式如下：
ΔpΔS1/S1′＝asVs+bs
其中，Δp为水压强值；
Vs为侧摩阻力电信号值；
S1′为侧摩筒的外侧表面积；
as、bs为侧摩阻力标定系数。
4.根据权利要求2所述的触探探头系数动态标定方法，其特征在于，所述触探探头还包括位于一端的锥尖，所述锥尖的上下端与水接触且存在截面积差ΔS2，水对所述锥尖产生水压，根据水压强值和截面积差ΔS2，获得锥尖所受到的水压力值。
5.根据权利要求4所述的触探探头系数动态标定方法，其特征在于，将水压力值随水深度值的变化与锥尖阻力电信号值随水深度值的变化进行线性拟合，公式如下：
ΔpΔS2/S2′＝acVc+bc
其中，Δp为水压强值；
Vc为锥尖阻力电信号值；
S2′为锥尖的有效面积；
ac、bc为锥尖阻力标定系数。
6.根据权利要求4所述的触探探头系数动态标定方法，其特征在于，所述套筒与水接触的上端截面积A1小于下端截面积A2，所述套筒的上下端与水接触的截面积差ΔS1＝A2-A1。
7.根据权利要求1所述的触探探头系数动态标定方法，其特征在于，所述触探探头包括侧摩阻力传感器，所述侧摩阻力传感器用于获得不同的水深度值对应的侧摩阻力电信号值。
8.根据权利要求1所述的触探探头系数动态标定方法，其特征在于，所述触探探头包括锥尖阻力传感器，所述锥尖阻力传感器用于获得不同的水深度值对应的锥尖阻力电信号值。
9.根据权利要求1所述的触探探头系数动态标定方法，其特征在于，所述触探探头上设置有压力传感器，所述压力传感器用于获得不同的水深度值对应的水压强值。
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