CN110187380A - 一种可变频液压冲击震源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变频液压冲击震源，包括：用于撞击岩石以产生震动信号的机械冲击装置、用于带动机械冲击装置运动的液压系统、以及用于控制液压系统动作以控制震动信号的频率、接收并处理震动信号以形成闭环控制的控制系统；机械冲击装置与液压系统连接，液压系统与控制系统连接，控制系统与机械冲击装置连接。相比于现有技术，本发明所提供的可变频液压冲击震源可以对震源的震动频率进行闭环控制，以提高震动信号的质量，能够实现有针对性的激发地震探测波，尽可能排除其它震动带来的干扰，提高有效震动信号的比例，增强信噪比，从而增加地质探测精度。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，更具体地说，涉及一种可变频液压冲击震源。
背景技术
在隧道的施工过程中，为了避免发生突水突泥、塌方等地质灾害，需要提前探知掌子面前方的地质状况，尤其需要探明是否存在断层或破碎带等，从而预先制定合理的处理措施和应对方案。
现有技术中多使用炸药、大锤或超磁致伸缩震源作为震源激发地震波信号，炸药震源具有很高的安全风险，操作不当极易造成人员伤亡和设备损坏；大锤震源不利于在狭小的施工隧道中操作，且激发的地震波质量不高，不可控；超磁致伸缩震源价格昂贵且极易损坏，在实际工程应用中十分有限。
综上所述，如何避免现有技术中震源震动频率不可控且地震波质量不高的问题，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种可变频液压冲击震源，可以通过闭环控制对液压冲击震源的震动频率及输出能量进行控制，能够更有针对性地激发地震探测波，尽可能排除其它震动带来的干扰，提高有效地震波的接收，增强信噪比。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可变频液压冲击震源，包括：用于撞击岩石以产生震动信号的机械冲击装置、用于带动所述机械冲击装置运动的液压系统、以及用于控制所述液压系统动作以控制所述震动信号的频率、接收并处理所述震动信号以形成闭环控制的控制系统；
所述机械冲击装置与所述液压系统连接，所述液压系统与所述控制系统连接，所述控制系统与所述机械冲击装置连接。
优选的，所述机械冲击装置包括用于撞击岩石以产生震动信号的耦合冲击头、用于带动所述耦合冲击头运动的钎杆以及套装于所述钎杆外周部的壳体结构；
所述耦合冲击头设置于所述钎杆靠近所述岩石的一端，所述耦合冲击头与所述控制系统连接，所述钎杆相对于所述壳体结构可移动设置。
优选的，所述耦合冲击头设置有用于与所述岩石的钻孔配合的凹凸部，所述凹凸部设置于所述耦合冲击头用于与所述岩石接触的表面。
优选的，所述液压系统包括用于带动所述机械冲击装置撞击岩石的冲击活塞，所述冲击活塞可移动的设置于所述壳体结构的腔体内。
优选的，所述腔体远离所述岩石的一端设置有用于储存压力并推动所述冲击活塞向靠近所述机械冲击装置的一端移动的氮气室。
优选的，所述液压系统还包括用于控制所述腔体压力以控制所述冲击活塞运动方向的比例阀和换向阀；
所述比例阀的出油口与所述腔体的前腔连通，所述换向阀的出油口与所述腔体的后腔连通。
优选的，所述腔体的前腔设置有用于使液体回流至第一油箱的回油口。
优选的，所述控制系统包括用于获取所述震动信号的传感器以及用于对所述传感器接收到的震动信号进行处理的信号处理装置，所述传感器设置于所述钎杆靠近所述耦合冲击头的一端；
所述传感器与所述信号处理装置连接。
优选的，所述信号处理装置包括用于对所述传感器接收到的震动信号进行放大的信号放大器、用于对所述信号放大器处理之后震动信号进行处理的数字信号处理器以及用于将所述数字信号处理器处理之后的震动信号与上位机发出的频率信号进行对比的控制器；
所述信号放大器与所述传感器、所述数字信号处理器均连接，所述数字信号处理器与所述控制器连接，所述控制器与所述液压系统连接。
优选的，还包括用于带动所述机械冲击装置复位和贴近所述岩石的推进油缸以及用于控制所述推进油缸移动方向的调节换向阀；
所述推进油缸与所述壳体结构连接，所述调节换向阀与所述控制系统连接。
本发明提供的一种可变频液压冲击震源，包括：用于撞击岩石以产生震动信号的机械冲击装置、用于带动机械冲击装置运动的液压系统、以及用于控制液压系统动作以控制震动信号的频率、接收并处理震动信号以形成闭环控制的控制系统；机械冲击装置与液压系统连接，液压系统与控制系统连接，控制系统与机械冲击装置连接。
在实际使用过程中，控制系统通过控制液压系统的动作来控制机械冲击装置撞击岩石的频率，机械冲击装置撞击岩石产生震动信号，控制系统接收并处理上述震动信号，控制系统还会根据处理之后的震动信号与发出的控制液压系统动作的震动信号进行对比，以实现闭环控制。
相比于现有技术，本发明所提供的可变频液压冲击震源可以对震源的震动频率进行闭环控制，以提高震动信号的质量，能够实现有针对性的激发地震探测波，尽可能排除其它震动带来的干扰，提高有效震动信号的比例，增强信噪比，从而增加地质探测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的可变频液压冲击震源的具体实施例一的示意图；
图2为耦合冲击头的轴测图；
图3为耦合冲击头的侧视图；
图4为耦合冲击头的正视图；
图5为PC上位机所生成的信号示意图；
图6为控制器所输出的信号示意图；
图7为频率分析仪输出信号示意图。
图1-7中：
1为上位机、2为控制器、3为比例阀、4为第一油源、5为第一油箱、6为换向阀、7为冲击活塞、8为钎杆、9为耦合冲击头、10为氮气室、11为单向阀、12为传感器、13为支架、14为推进油缸、15为信号放大器、16为数字信号处理器、17为调节换向阀、18为第二油源、19为第二油箱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种可变频液压冲击震源，能够通过闭环控制对液压冲击震源的震动频率及输出能量进行控制，提高震动信号的质量更有针对性地激发地震探测波，尽可能排除其它震动带来的干扰，提高有效地震波的接收，增大信噪比，以提高地质探测的精度。
请参考图1-图7，图1为本发明所提供的可变频液压冲击震源的具体实施例一的示意图；图2为耦合冲击头的轴测图；图3为耦合冲击头的侧视图；图4为耦合冲击头的正视图；图5为PC上位机所生成的信号示意图；图6为控制器所输出的信号示意图；图7为频率分析仪输出信号示意图。
本发明提供的一种可变频液压冲击震源，包括：用于撞击岩石以产生震动信号的机械冲击装置、用于带动机械冲击装置运动的液压系统、以及用于控制液压系统动作以控制震动信号的频率、接收并处理震动信号以形成闭环控制的控制系统；机械冲击装置与液压系统连接，液压系统与控制系统连接，控制系统与机械冲击装置连接。
在实际使用中，控制系统通过控制液压系统的动作来控制机械冲击装置撞击岩石的频率，机械冲击装置撞击岩石产生震动信号，控制系统接收并处理上述震动信号，控制系统还会根据处理之后的震动信号与发出的控制液压系统动作的震动信号进行对比，并根据对比结果调整控制系统接下来输出的震动信号，以实现闭环控制。
需要进行说明的是，机械冲击装置为撞击岩石以产生震动信号的装置，优选的，机械冲击装置靠近岩石的一端设置有用于与岩石的钻孔相配合的结构，岩石的钻孔所在位置为机械冲击装置的撞击位置。
控制系统不仅需要控制液压系统的动作，还需要对震动信号进行处理，并根据处理结果随时调整对液压系统的控制。
相比于现有技术，本发明所提供的可变频液压冲击震源可以对震源的震动频率进行闭环调节控制，以提高震动信号的质量，能够实现有针对性的激发地震探测波，尽可能排除其它震动带来的干扰，提高有效震动信号的比例，增强信噪比，从而增加地质探测精度。
在上述实施例的基础上，为了提高机械冲击装置撞击岩石所产生的震动信号的质量，可以使机械冲击装置包括用于撞击岩石以产生震动信号的耦合冲击头9、用于带动耦合冲击头9运动的钎杆8以及套装于钎杆8外周部的壳体结构；耦合冲击头9设置于钎杆8靠近岩石的一端，耦合冲击头9与控制系统连接，钎杆8相对于壳体结构可移动设置。
需要进行说明的是，壳体结构套装于钎杆8的外周部，主要为钎杆8的移动起导向作用，使钎杆8与钻孔精确吻合撞击。
优选的，钎杆8靠近岩石的一端设置有外螺纹，耦合冲击头9设置有与外螺纹配合的内螺纹，耦合冲击头9与钎杆8通过螺纹连接，当然，耦合冲击头9与钎杆8之间还可以是卡接、销钉连接等其它连接方式，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。
优选的，耦合冲击头9设置有用于与岩石的钻孔配合的凹凸部，凹凸部设置于耦合冲击头9用于与岩石接触的表面。
如图2-图4所示，耦合冲击头9靠近岩石的一端设置有凹凸部，凹凸部主要用于与钻孔的表面形状相吻合，因此凹凸部设置有与钻孔表面相吻合的凹陷和凸起，凹凸部的具体形状及尺寸需要根据钻孔的形状及尺寸进行确定，在此不做赘述。
凹凸部的设置可以使耦合冲击头9在撞击岩石的过程中与钻孔更好的吻合，避免面波的产生，以进一步提高震动信号的质量。
在上述实施例的基础上，可以进一步对液压系统的结构进行限定，使液压系统包括用于带动机械冲击装置撞击岩石的冲击活塞7，冲击活塞7可移动的设置于壳体结构的腔体内。
在使用的过程中，可以通过控制腔体不同部位的压力以控制冲击活塞7的运动方向和位置，通过冲击活塞7的运动带动机械冲击撞击运动。
如图1所示，冲击活塞7设置于钎杆8远离岩体的一端，当冲击活塞7向左运动时，可以撞击钎杆8的尾部，并带动钎杆8向靠近岩石的方向移动。
优选的，腔体远离岩石的一端设置有用于储存压力并推动冲击活塞7向靠近机械冲击装置的一端移动的氮气室10。
优选的，氮气室10设置有单向阀11，可以由此单向阀11向氮气室10补充氮气。
在使用的过程中，可以控制腔体前部的压力增加，使冲击活塞7向右运动，则冲击活塞7向右运动，氮气室10被压缩，储存能量，进一步使腔体的后部压力增加，则氮气室10进一步被压缩，并且推动冲击活塞7向左运动，以使冲击活塞7带动机械冲击装置撞击岩石。
在上述实施例的基础上，可以使液压系统还包括用于控制腔体压力以控制冲击活塞7运动方向的比例阀3和换向阀6；比例阀3的出油口与腔体的前腔连通，换向阀6的出油口与腔体的后腔连通。
在初始阶段，可以使比例阀3通过出油口向腔体的前腔供油，使前腔压力增加，冲击活塞7向右运动，冲击活塞7向右运动至中腔导通的位置时，换向阀6向后腔供油，前后腔压力逐渐平衡，此时后腔中氮气室10被压缩，降低前腔中的油压压力，冲击活塞7向左运动，带动钎杆8向靠近岩体的方向移动。
优选的，为了便于控制前腔中的油压，可以在腔体的前腔设置用于使液体回流至第一油箱5的回油口。
在另一具体实施例中，如图1所示，比例阀3与控制系统连接，控制系统可以控制比例阀3的开度，比例阀3的四个接口分别与第一油源4、第一油箱5、换向阀6、壳体结构的前腔连接；换向阀6通过信号线与中腔连接、通过液压管路与后腔连接，氮气室10设置于腔体远离岩体一端的尾部；钎杆8位于冲击活塞7的左侧，钎杆8靠近岩体的一端设置有耦合冲击头9。
相关油路、电磁阀及氮气室10的设置，使机械冲击装置的单次冲击能量不受冲击频率的影响，单次冲击能量固定，可以获得足够的扫频冲击地震信号能量。
需要进行说明的是，本申请文件中提到的前腔为冲击活塞7移动设置的腔体靠近岩石的一端，后腔为冲击活塞7移动设置的腔体远离岩石的一端，中腔为前腔与后腔之间的部分；前腔、后腔、中腔之间的具体体积划分需要根据实际情况确定，在此不做赘述。
初始阶段，可以控制比例阀3向前腔及换向阀6供油，使前腔的压力增加，推动冲击活塞7向远离岩石的一端移动，氮气室10被压缩，当冲击活塞7移动至中腔导通的位置时，换向阀6接收到换向信号，开始向后腔供油，此时比例阀3继续向前腔供油，前腔与后腔的压力达到平衡，氮气室10进一步被压缩，此时打开回油口，使前腔中的液压油通过回流口回流至油箱，冲击活塞7在后腔油压及氮气室10压力的作用下向靠近岩石的一侧移动，撞击钎杆8，钎杆8带动耦合冲击头9撞击岩石中的钻孔，产生震动信号；此时比例阀3继续向前腔供油，使前腔的压力增加，冲击活塞7向右移动，继续重复冲击动作。
需要进行说明的是，用于向后腔供油的不一定是换向阀6，也可以是普通的电磁开关阀，在中腔的位置设置感应传感器，当中腔导通时控制电磁开关阀向后腔供油，当撞击结束后冲击活塞7开始向远离岩石的方向移动时，停止向后腔供油。
优选的，比例阀3为三位四通的电磁阀、换向阀6为两位三通的电磁阀，当然也可以是满足要求的其它阀体结构，具体根据实际情况确定。
在上述实施例的基础上，可以使控制系统包括用于获取震动信号的传感器12以及用于对传感器12接收到的震动信号进行处理的信号处理装置，传感器12设置于钎杆8靠近耦合冲击头9的一端；传感器12与信号处理装置连接。
传感器12可以是压电传感器，也可以是应变传感器等其它种类的转感器，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。
传感器12的数量可以是一个，也可以是两个、三个或多个，具体根据实际情况确定。
传感器12主要用于接收震动信号，并将接收到的震动信号传递给信号处理装置。
在上述实施例的基础上，信号处理装置包括用于对传感器12接收到的震动信号进行放大的信号放大器15、用于对信号放大器15处理之后震动信号进行处理的数字信号处理器16以及用于将数字信号处理器16处理之后的震动信号与上位机1发出的频率信号进行对比的控制器2；信号放大器15与传感器12、数字信号处理器16均连接，数字信号处理器16与控制器2连接，控制器2与液压系统连接。
在实际使用的过程中，传感器12将接收到的震动信号传递给信号放大器15，信号放大器15将接受到的震动信号进行放大处理，并将放大处理之后的震动信号传递给数字信号处理器16，数字信号处理器16对接收到的震动信号进行处理，并将处理之后的频率信号传递给控制器2。
优选的，控制系统包括用于为向控制器2传递控制机械冲击装置震动频率的输出信号的上位机1，此输出信号可以是伪随机信号，也可以是其它信号，具体根据实际情况确定；如图5所示，PC上位机1所生成的信号示意图，此图的横坐标为时间；如图6所示，控制器2输出信号示意图，横坐标为时间，；图7为频率分析仪输出信号示意图，横坐标为时间；频率分析仪为控制器2中对信号频率进行分析的设备。
优选的，信号处理装置在对震动信号处理的过程中，可以采用反褶积处理方式。
在上述实施例的基础上，为了使机械冲击装置能够更好的与岩石贴合并且撞击岩石之后可以回至原位，可以设置用于带动机械冲击装置复位和贴近岩石的推进油缸14、用于控制推进油缸14移动方向的调节换向阀17；推进油缸14与壳体结构连接，调节换向阀17与控制系统连接。
具体的，可以使壳体结构与推进油缸14通过支架13连接，且支架13通过螺栓与推进油缸14、机械冲击装置连接，推进油缸14与调节换向阀17连接，通过控制系统中的控制器2可以控制调节换向阀17的动作，从而控制推进油缸14的运动方向和运动距离。
在钎杆8撞击岩石的过程中，可以控制推进油缸14带动壳体结构向靠近岩石的方向移动，使耦合冲击头9与岩石中的钻孔更好的贴合；当撞击完成之后，推进油缸14可以带动壳体结构朝远离岩石的方向移动，且壳体结构设置有用于避免钎杆8掉落的台阶，因此可以带动钎杆8回复原位。
优选的，调节换向阀17为三位四通的电磁阀，且调节换向阀17的四个接口分别与第二油箱19、第二油源18、推进油缸14前腔、推进油缸14后腔连接，调节换向阀17非工作状态下，四个接口均处于关闭状态，调节换向阀17工作状态下，可以是由第二油源18向推进油缸14前腔供油、推进油缸14后腔液压油回流至第二油箱19，或者是由第二油源18向推进油缸14后腔供油，推挤油缸前腔中的液压油回流至第二油箱19。
需要进行说明的是，本申请文件中提到的第一油源4和第二油源18、第一邮箱和第二油箱19中的第一和第二只是为了区分位置的不同，并没有先后顺序之分。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本发明所提供的所有实施例的任意组合方式均在此发明的保护范围内，在此不做赘述。
以上对本发明所提供的可变频液压冲击震源进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种可变频液压冲击震源，其特征在于，包括：用于撞击岩石以产生震动信号的机械冲击装置、用于带动所述机械冲击装置运动的液压系统、以及用于控制所述液压系统动作以控制所述震动信号的频率、接收并处理所述震动信号以形成闭环控制的控制系统；
所述机械冲击装置与所述液压系统连接，所述液压系统与所述控制系统连接，所述控制系统与所述机械冲击装置连接。
2.根据权利要求1所述的可变频液压冲击震源，其特征在于，所述机械冲击装置包括用于撞击岩石以产生震动信号的耦合冲击头(9)、用于带动所述耦合冲击头(9)运动的钎杆(8)以及套装于所述钎杆(8)外周部的壳体结构；
所述耦合冲击头(9)设置于所述钎杆(8)靠近所述岩石的一端，所述耦合冲击头(9)与所述控制系统连接，所述钎杆(8)相对于所述壳体结构可移动设置。
3.根据权利要求2所述的可变频液压冲击震源，其特征在于，所述耦合冲击头(9)设置有用于与所述岩石的钻孔配合的凹凸部，所述凹凸部设置于所述耦合冲击头(9)用于与所述岩石接触的表面。
4.根据权利要求2所述的可变频液压冲击震源，其特征在于，所述液压系统包括用于带动所述机械冲击装置撞击岩石的冲击活塞(7)，所述冲击活塞(7)可移动的设置于所述壳体结构的腔体内。
5.根据权利要求4所述的可变频液压冲击震源，其特征在于，所述腔体远离所述岩石的一端设置有用于储存压力并推动所述冲击活塞(7)向靠近所述机械冲击装置的一端移动的氮气室(10)。
6.根据权利要求5所述的可变频液压冲击震源，其特征在于，所述液压系统还包括用于控制所述腔体压力以控制所述冲击活塞(7)运动方向的比例阀(3)和换向阀(6)；
所述比例阀(3)的出油口与所述腔体的前腔连通，所述换向阀(6)的出油口与所述腔体的后腔连通。
7.根据权利要求6所述的可变频液压冲击震源，其特征在于，所述腔体的前腔设置有用于使液体回流至第一油箱(5)的回油口。
8.根据权利要求2-7任一项所述的可变频液压冲击震源，其特征在于，所述控制系统包括用于获取所述震动信号的传感器(12)以及用于对所述传感器(12)接收到的震动信号进行处理的信号处理装置，所述传感器(12)设置于所述钎杆(8)靠近所述耦合冲击头(9)的一端；
所述传感器(12)与所述信号处理装置连接。
9.根据权利要求8所述的可变频液压冲击震源，其特征在于，所述信号处理装置包括用于对所述传感器(12)接收到的震动信号进行放大的信号放大器(15)、用于对所述信号放大器(15)处理之后震动信号进行处理的数字信号处理器(16)以及用于将所述数字信号处理器(16)处理之后的震动信号与上位机(1)发出的频率信号进行对比的控制器(2)；
所述信号放大器(15)与所述传感器(12)、所述数字信号处理器(16)均连接，所述数字信号处理器(16)与所述控制器(2)连接，所述控制器(2)与所述液压系统连接。
10.根据权利要求2-7任一项所述的可变频液压冲击震源，其特征在于，还包括用于带动所述机械冲击装置复位和贴近所述岩石的推进油缸(14)以及用于控制所述推进油缸(14)移动方向的调节换向阀(17)；
所述推进油缸(14)与所述壳体结构连接，所述调节换向阀(17)与所述控制系统连接。
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