CN111155505A - 一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统，包括静力触探机、探头、信号发射模块、信号接收模块、信号处理模块；信号发射模块包括上、下部外壳，上部外壳上端连接静力触探机的探杆、下端通过绝缘接头连接下部外壳上端，下部外壳下端连接探头，下部外壳内设有信号发射电路板，信号发射电路板连接探头，用以获取测量数据，并将测量数据转化为施加到上、下部外壳之间的电压信号；信号接收模块包括信号接收机及电极，信号处理模块用于对采集到的数据进行数字滤波和解码，获得测量数据。本发明的有益效果：具有结构简单、操作方便、工作效率高、传输深度大、可靠性高的优点，增加了仪器数据传输的连续性和可靠性。

Description

一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统

技术领域

本发明涉及工程地质勘察技术领域，尤其涉及一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统。

背景技术

静力触探是工程地质勘察技术领域重要的原位测试手段，适用于软土、一般黏性土、粉土和砂土，静力触探可以提高勘探成果的可靠性。

目前所用的静力触探多采用多芯电缆向探头提供电能和向地面设备传输测量数据，但多芯电缆会给现场应用带来诸多不便。一方面，在探头压入过程中，每增加一根探杆都需要捋过数十米长的电缆，在起拔过程中亦需要如此操作，这大大增加了操作难度和工序，同时也阻碍了静力触探设备的整体自动化进程；另一方面，电缆容易因缠绕拧结造成断路和短路问题，且连接头容易被磨损，大大降低了工作效率。

国内外已有少数厂家研制了无线静力触探系统，主要信号传输方式有无线电和光通讯，但无线电传输只能在探杆内空气中较短距离传输，而光通讯传输的光电接收头要求较高的光洁度，大大增加了维护成本。中国专利201010028922.5公开了一种无线旋转触探仪，在探头内安装无线电磁波发生器，在地面采用无线电磁波接收器接收信号，但电磁波信号在地层中严重衰减，使用深度有限。

发明内容

针对现有电缆式静力触探装备存在的不足，本发明的实施例提供一种结构简单，操作方便，可靠性高，传输深度大，工作效率高的无线静力触探系统。

本发明的实施例提供一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统，包括静力触探机、探头、信号发射模块、信号接收模块、信号处理模块；

所述信号发射模块包括均为导体的上部外壳和下部外壳，所述上部外壳上端连接所述静力触探机的探杆、下端通过绝缘接头连接所述下部外壳上端，所述下部外壳下端连接所述探头，所述下部外壳内设有信号发射电路板，所述信号发射电路板连接所述探头，用以获取所述探头的测量数据、以及对测量数据编码、D/A转化和功率放大形成电压信号，并将该电压信号施加到所述上部外壳与所述下部外壳之间，使所述上部外壳和所述下部外壳通过周围土体形成回路，于所述探杆周围产生电场；

所述信号接收模块包括信号接收机及电极，所述电极设置于地表，所述信号接收机采用信号接收导线分别连接所述静力触探机和所述电极，所述信号接收机用于采集所述探杆与所述电极之间的电势差，以及对电势差信号进行电路滤波和数据采集；

所述信号处理模块连接所述信号接收模块，所述信号处理模块用于对所述信号接收模块采集到的数据进行数字滤波和解码，获得所述探头的测量数据。

进一步地，所述下部外壳内设信号发射筒，所述上部外壳内设电池筒，所述绝缘接头包括外绝缘接头和内绝缘接头，所述外绝缘接头两端分别连接所述上部外壳和所述下部外壳，所述内绝缘接头设置于所述外绝缘接头内，且所述内绝缘接头两端分别连接所述信号发射筒和所述电池筒，所述信号发射电路板设置于所述信号发射筒内，且分别连接所述探头和所述电池筒内的电池。

进一步地，所述电池筒上端封闭、下端开口，所述电池筒下端连接所述内绝缘接头，所述电池筒上端与所述上部外壳上端之间设有弹簧，所述弹簧用于挤压所述电池筒使其固定。

进一步地，所述上部外壳、所述下部外壳和所述外绝缘接头本体的材质为40Cr或45钢，所述外绝缘接头的内外表面均喷涂柔性耐磨陶瓷。

进一步地，所述下部外壳下端与所述探头螺纹连接、上端与所述外绝缘接头下端螺纹连接，所述外绝缘接头上端与所述上部外壳下端螺纹连接，所述上部外壳上端与所述探杆下端螺纹连接。

进一步地，所述信号处理模块为计算机，所述计算机通过数据线连接所述信号接收机，所述计算机用于对所述信号接收模块采集到的数据进行数字滤波和解码，获得所述探头的测量数据，并显示该测量数据。

进一步地，所述电极为金属圆棒，所述电极下端插入地下，上端漏出地面。

进一步地，所述探头为单桥、双桥、孔压和十字板探头中的一种。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统，探头在地下直接测量地层的相关特性参数获得测量数据，信号发射模块将测量数据转化为电压信号，并在探杆周围产生电场，地上的信号接收模块检测静力触探机和地面电极之间的电势差信号，并进行电路滤波和24位ADC数据采集，地上的信号处理模块对信号接收模块采集到的数据进行数据滤波和解码，获得探头测量参数，不需要电缆传输数据，提供一种新的无线静力触探系统，具有结构简单、操作方便、工作效率高、传输深度大、可靠性高的优点，增加了仪器数据传输的连续性和可靠性。且对探头、探杆和静力触探主机没有特别要求，满足工程地质勘察领域的需求，便于推广应用。

附图说明

图1是本发明一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统的示意图；

图2是图1中信号发射模块3的示意图；

图3是图2中外绝缘接头32的示意图；

图4是本发明一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统的原理框架图。

图中：1-静力触探机、2-探杆、3-信号发射模块、4-探头、5-信号接收导线、6-信号接收机、7-数据线、9-计算机、10-信号线缆、31-下部外壳、32-外绝缘接头、33-上部外壳、34-信号发射筒、35-内绝缘接头、36-电池筒、37-弹簧、31a/32a/33a-母扣、32b/33b-公扣、321-外绝缘接头本体、322-柔性耐磨陶瓷层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统，包括静力触探机1、探头4、信号发射模块3、信号接收模块、信号处理模块9。

所述静力触探机1为工程地质勘察领域内常规设备，可以选择机械式、液压式和人力式。所述静力触探机1的探杆2为工程地质勘察领域内通用探杆，这里对所述静力触探机1及其探杆2不做限定。

所述探头4可以选择工程地质勘察领域内通用探头，可以是包括单桥、双桥、孔压、十字板等类型中的一种。

请参考图2，所述信号发射模块3包括均为导体的上部外壳31和下部外壳33，所述上部外壳33上端连接所述静力触探机1的探杆2、下端通过绝缘接头连接所述下部外壳31上端，所述下部外壳31下端连接所述探头4，所述下部外壳31内设有信号发射电路板，所述信号发射电路板连接所述探头4。

具体的，所述下部外壳31为两端开口的圆柱腔体结构，所述上部外壳33为下端开口、上端封闭的圆柱腔体结构。所述绝缘接头包括外绝缘接头32和内绝缘接头35，所述外绝缘接头32为两端开口圆柱腔体结构，所述内绝缘接头35为圆柱腔体。所述下部外壳31上、下端均设有母扣31a，所述外绝缘接头下端设有公扣32b、上端设有母扣32a，所述上部外壳33下端设有公扣33b、上端设有母扣33a。所述下部外壳31通过其下端的母扣31a螺纹连接所述探头4，所述下部外壳31通过其上端的母扣31a螺纹连接所述外绝缘接头32下端的公扣32b，所述外绝缘接头32上端的母扣32a螺纹连接所述上部外壳33下端的公扣33b，所述上部外壳33上端的母扣33a螺纹连接所述探杆2下端。

所述下部外壳31内设信号发射筒34，这里所述信号发射筒34采用铝材加工，且所述信号发射筒34置于下部外壳31内部，所述信号发射筒34下端与所述下部外壳31内壁螺纹连接。所述上部外壳33内设电池筒36，这里所述电池筒36采用铝合金加工，下端设有母扣，上端封闭，所述电池筒36放置于所述上部外壳33内。所述内绝缘接头35置于所述外绝缘接头32内，且所述内绝缘接头35上端与所述电池筒36下端的母扣螺纹连接。

请参考图3，所述电池筒36与所述信号发射筒34被所述内绝缘接头35电气绝缘。为了保证绝缘效果，本实施例中，所述绝缘接头包括包括外绝缘接头本体321及喷涂于外绝缘接头本体321内、外表面的柔性耐磨陶瓷层322，所述上部外壳33、所述下部外壳31和所述外绝缘接头32的本体321的材质为40Cr或45钢，所述内绝缘接头35选择高强度塑料加工而成。

所述电池筒36用于安装电池，所述信号发射电路板固定于所述信号发射筒34内，所述信号发射电路板通过导电线缆连接所述电池，所述信号发射电路板还通过信号线缆10连接所述探头4，所述电池筒36为所述探头4和所述信号发射电路板供电。

进一步地，在所述电池筒36上端与所述上部外壳33上端之间设置弹簧37，所述弹簧37用于挤压所述电池筒36使其固定，压紧所述内绝缘接头35和所述信号发射筒34。

本实施例中，所述电池筒36、所述内绝缘接头35和所述信号发射筒34的外径相同，所述下部外壳31、所述外绝缘接头32和所述上部外壳33的内孔直径相同，且所述电池筒36、所述内绝缘接头35和所述信号发射筒34的外径略小于所述下部外壳31、所述外绝缘接头32和所述上部外壳33的内孔的直径。

所述信号接收模块包括信号接收机6及电极7，所述电极7设置于地表，所述信号接收机6分别连接所述静力触探机1和所述电极7。这里所述电极7为金属圆棒，可以选择40Cr或45钢加工的圆棒，所述电极7下端插入地下，上端漏出地面。所述信号接收机6通过两信号接收导线5分别连接所述静力触探机1和所述电极7，所述信号接收机6可以采集所述探杆2与所述电极7之间的电势差，以及对电势差信号进行电路滤波和数据采集。

所述信号处理模块9连接所述信号接收模块，这里所述信号处理模块9为计算机，所述所述信号处理模块9通过数据线8连接所述信号接收机6，通过所述信号处理模块9上的信号处理软件可对所述信号接收机6输出的数据进行处理，获得所述探头4的测量数据。

本实施例的一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统的工作原理如下：请参考图1、3和4，所述探头4测量地层的相关特性参数，所述信号发射电路板通过所述信号线缆将测量数据，然后对测量数据编码、D/A转化和功率放大形成正弦或方波电压信号，并将该电压信号施加到所述上部外壳33与所述下部外壳31之间，进而使所述上部外壳33和所述下部外壳31通过周围土体形成回路，所述探杆2上产生正弦或方波电流，所述探杆2周围会产生电场；所述信号接收机6采集所述探杆2与所述电极7之间的电势差，以及对电势差信号进行电路滤波和24位ADC数据采集，并将得到的采集数据传输至所述信号处理模块9；所述信号处理模块9通过信号处理软件对采集数据进行数字滤波器和解码，获得所述探头4的测量数据，并显示该测量数据。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统，其特征在于：包括静力触探机、探头、信号发射模块、信号接收模块、信号处理模块；

所述信号发射模块包括均为导体的上部外壳和下部外壳，所述上部外壳上端连接所述静力触探机的探杆、下端通过绝缘接头连接所述下部外壳上端，所述下部外壳下端连接所述探头，所述下部外壳内设有信号发射电路板，所述信号发射电路板连接所述探头，用以获取所述探头的测量数据、以及对测量数据编码、D/A转化和功率放大形成电压信号，并将该电压信号施加到所述上部外壳与所述下部外壳之间，使所述上部外壳和所述下部外壳通过周围土体形成回路，于所述探杆周围产生电场；

所述信号接收模块包括信号接收机及电极，所述电极设置于地表，所述信号接收机分别连接所述静力触探机和所述电极，所述信号接收机用于采集所述探杆与所述电极之间的电势差，以及对电势差信号进行电路滤波和数据采集；

所述信号处理模块连接所述信号接收模块，所述信号处理模块用于对所述信号接收模块采集到的数据进行数字滤波和解码，获得所述探头的测量数据。

2.如权利要求1所述的一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统，其特征在于：所述下部外壳内设信号发射筒，所述上部外壳内设电池筒，所述绝缘接头包括外绝缘接头和内绝缘接头，所述外绝缘接头两端分别连接所述上部外壳和所述下部外壳，所述内绝缘接头设置于所述外绝缘接头内，且所述内绝缘接头两端分别连接所述信号发射筒和所述电池筒，所述信号发射电路板设置于所述信号发射筒内，且分别连接所述探头和所述电池筒内的电池。

3.如权利要求2所述的一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统，其特征在于：所述电池筒上端封闭、下端开口，所述电池筒下端连接所述内绝缘接头，所述电池筒上端与所述上部外壳上端之间设有弹簧，所述弹簧用于挤压所述电池筒使其固定。

4.如权利要求2所述的一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统，其特征在于：所述上部外壳、所述下部外壳和所述外绝缘接头的材质为40Cr或45钢，所述外绝缘接头的内外表面均喷涂柔性耐磨陶瓷。

5.如权利要求2所述的一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统，其特征在于：所述下部外壳下端与所述探头螺纹连接、上端与所述外绝缘接头下端螺纹连接，所述外绝缘接头上端与所述上部外壳下端螺纹连接，所述上部外壳上端与所述探杆下端螺纹连接。

6.如权利要求1所述的一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统，其特征在于：所述信号处理模块为计算机，所述计算机通过数据线连接所述信号接收机，所述计算机用于对所述信号接收模块采集到的数据进行数字滤波和解码，获得所述探头的测量数据，并显示该测量数据。

7.如权利要求1所述的一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统，其特征在于：所述电极为金属圆棒，所述电极下端插入地下，上端漏出地面。

8.如权利要求1所述的一种基于探杆传输的低频电磁无线静力触探系统，其特征在于：所述探头为单桥、双桥、孔压和十字板探头中的一种。

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