CN204941532U - 一种新型的检测探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及岩土工程勘察测试和监测技术领域，特别涉及一种新型的检测探头，包括有十字板头本体，十字板头本体一端与弹性体及应变桥一端相连接；弹性体及应变桥另一端通过第一连接电缆与测量传输控制模块一端相连接，测量传输控制模块另一端通过第二连接电缆一端相连接，第二连接电缆另一端通过USB数据连接单元与电脑相连接；第一连接电缆一端和弹性体及应变桥被第一隔离密封腔室包裹着，第一连接电缆另一端和测量传输控制模块被第二隔离密封腔室包裹着。在使用本实用新型时，使本装置能够得到有效的抗水防潮、抗机械碰撞和电磁屏蔽的防护，使干扰信号难于进入核心测量系统。本实用新型具有结构简单，设置合理，制作成本低等优点。

Description

一种新型的检测探头

技术领域

本实用新型涉及岩土工程勘察测试和监测技术领域，特别涉及一种新型的检测探头。

背景技术

目前用于岩土工程勘察测试和监测的检测探头主要包括有十字板、探头弹性体及应变电桥、信号及供电电缆、测量仪器等。由于位于钻孔内的工作探头到地面的测量仪器之间由很长的电缆连接，其传输的是微弱的模拟测量信号，各类干扰信号通过该连接电缆很容易进入测量核心系统，因此这个测量系统应属于开放型系统。该检测探头的干扰来源及误差产生的原因主要以下几点：

1、应变电桥感应到弹性体应变的电信号非常微弱，淤泥、淤泥质土的抗剪强度Cu一般在5～15kPa，当采用板头宽度5cm、板头高度10cm的十字板头时，扭矩与强度的换算系数为2.1827，对应的扭矩值为2.291～6.872Nm，此时应变输出电压大约为10mV级。应变电桥的桥臂电阻一般为360Ω，应变电桥的电压信号通过电缆从钻孔底部引出到地面的仪器上，电缆长度根据测试深度变化而变化，由于电缆长度的改变，电缆电阻的不一致性，改变了电桥的桥臂电阻，引入了部分误差，因此规范中要求最大测试深度为30m，以便限制该因素引起的测量误差。

2、电缆感应的电磁干扰，电磁干扰分为工频干扰和射频干扰，例如在高压输电线路附近，或者大功率电机变压器等场所，工频干扰将非常严重，射频干扰主要来源于无线通信如手机移动通信、通信基站、无线电广播、微波、雷达辐射等方面，在市区这类干扰非常普遍，根据环境的不同，电磁干扰相当于增加了一个随机干扰误差。

3、导线电缆的损伤，由于测试时频繁的搬运、加卸和旋转钻杆，电缆不可避免地会受到强力拉伸、挤压和扭转，导致电缆的电传输特性(如导线电阻、分布电容、绝缘电阻等参数)发生改变，直接影响测量电桥的阻值，同时引入不稳定因子，造成测量误差。

4、由于测试点位于地下(多处于地下水位以下)，特别是在沿海或地下水污染地区，地下水含盐量增高，导电性显著增强，由于电缆使用中的机械损伤，破皮是很常见的现象，地下水必然会透过损伤的破皮处进入电缆内部，大幅度降低了导线的绝缘电阻，且这种变化在整个测量过程中均是极不稳定的，因而难以满足规范要求的导线绝缘电阻50MΩ以上，造成测量结果的大幅度漂移(表现为毫无规律性、随机性和极不稳定性)，这种漂移有时甚至可以淹没待测信号，使测量结果严重失真。根据大量工程测试经验分析判断，这是引起测量误差的最主要干扰来源，因此，减短微弱信号连线的长度，可以极大的降低干扰。

综上所述，故有必要对现有检测探头的结构进行进一步地技术革新。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的新型的检测探头。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型所述的一种新型的检测探头，本实用新型所述的一种新型的检测探头，包括有十字板头本体、弹性体及应变桥，所述十字板头本体的板头连接端与弹性体及应变桥的弹进孔相螺纹连接；

它还包括有第一连接电缆、测量传输控制模块、USB数据连接单元、电脑、保护套管、短钻杆和接手公扣，所述保护套管一端设置有护套进口，所述保护套管另一端设置有护套出口；所述短钻杆一端设置有左母扣，所述短钻杆另一端设置有右母扣；

所述弹性体及应变桥的弹出端伸入保护套管内腔后依次与护套出口的内壁、左母扣的内壁相螺纹连接；所述弹性体及应变桥的密封轴面嵌设在护套进口中，该密封轴面和护套进口呈过盈配合；所述保护套管内腔壁、弹出端和密封轴面围设有第一隔离密封腔室；

所述测量传输控制模块嵌设在短钻杆内腔中；所述右母扣与接手公扣一端相螺纹连接；短钻杆内腔壁、接手公扣和弹出端围设有第二隔离密封腔室；

所述第一连接电缆一端与弹性体及应变桥相连接，所述第一连接电缆另一端伸入短钻杆内腔后与测量传输控制模块一端相连接；所述测量传输控制模块另一端连接有第二连接电缆；第二连接电缆一端经过短钻杆内腔和接手公扣内腔后通过US数据连接单元与电脑相连接。

进一步地，所述护套进口的内壁设置有环形状的护套凹槽，所述密封轴面的外侧壁设置有与护套凹槽相匹配的弹凹槽；护套凹槽和弹凹槽均填充有704硅胶，以密封第一腔室同时兼有柔性连接允许扭动变形。

进一步地，所述测量传输控制模块主要包括有AD转换器U1、测量桥臂电阻单元、内部稳压电源输出单元Q1、温度数字传感器、中央处理单元U2，所述AD转换器U1通过导线与测量桥臂电阻单元相连接，所述AD转换器U1通过导线与内部稳压电源输出单元Q1相连接，所述AD转换器U1通过导线与温度数字传感器相连接，所述AD转换器U1通过导线与中央处理单元U2相连接，中央处理单元U2通过导线与温度数字传感器相连接。

进一步地，所述第一连接电缆的长度小于15cm。

采用上述结构后，本实用新型有益效果为：

1、通过将十字板头本体和弹性体及应变桥封装在第一隔离密封腔室中，通过将第一连接电缆和测量传输控制模块封装在第二隔离密封腔室中；使得测量装置由开放型系统改进为封闭型系统，最大程度地阻隔了外部干扰信号对微弱测量信号的干扰，净化了测量工作环境，从根本上提升了测量的高精度、高稳定性和结果复现性。

2、通过增加测量传输控制模块，对系统进行功能扩充和优化数据处理；进一步提高测试性能。

3、本装置体积小，融合扭矩测量、温度测量功能，并在电脑中实现测试地层的十字板强度和温度的实时显示，测试过程中自动地对扭矩传感器的温度以及非线性进行实时补偿功能。不再需要专用测量仪器，直接由电脑进行控制测量和后期数据处理，使用方便、高效，降低测试成本。

4、本实用新型具有结构简单，设置合理，制作成本低等优点。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是十字板头本体的结构示意图；

图3是弹性体及应变桥的结构示意图；

图4是保护套管的结构示意图；

图5是短钻杆的结构示意图；

图6是本实用新型的原理图；

图7是测量传输控制模块的电路原理图；

附图标记说明：

1、十字板头本体；1-1、板头连接端；2、弹性体及应变桥；

2-1、弹进孔；2-2、弹出端；2-3、密封轴面；2-3a、弹凹槽；

3、第一连接电缆；4、测量传输控制模块；5、第二连接电缆；

6、USB数据连接单元；7、电脑；8、保护套管；8-1、护套进口；

8-1a、护套凹槽；8-2、护套出口；9、短钻杆；9-1、左母扣；

9-2、右母扣；10、接手公扣。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1至图6所示，本实用新型所述的一种新型的检测探头，包括有十字板头本体1、弹性体及应变桥2，所述十字板头本体1的板头连接端1-1与弹性体及应变桥2的弹进孔2-1相螺纹连接。

它还包括有第一连接电缆3、测量传输控制模块4、USB数据连接单元6、电脑7、保护套管8、短钻杆9和接手公扣10，所述保护套管8一端设置有护套进口8-1，所述保护套管8另一端设置有护套出口8-2；所述短钻杆9一端设置有左母扣9-1，所述短钻杆9另一端设置有右母扣9-2；第二连接电缆5、USB数据连接单元6和电脑7均采用数字信号处理，同时其本身具有极强的抗干扰能力。

所述弹性体及应变桥2的弹出端2-2伸入保护套管8内腔后依次与护套出口8-2的内壁、左母扣9-1的内壁相螺纹连接；所述弹性体及应变桥2的密封轴面2-3嵌设在护套进口8-1中，该密封轴面2-3和护套进口8-1呈过盈配合；所述保护套管8内腔壁、弹出端2-2和密封轴面2-3围设有第一隔离密封腔室；由此可知，弹性体及应变桥2设置在第一隔离密封腔室中。

所述测量传输控制模块4嵌设在短钻杆9内腔中；所述右母扣9-2与接手公扣10一端相螺纹连接；短钻杆9内腔壁、接手公扣10和弹出端2-2围设有第二隔离密封腔室；由此可知，测量传输控制模块4设置在第二隔离密封腔室中。第一隔离密封腔室和第二隔离密封腔室具有防水、防尘、防潮、电磁屏蔽和密封作用；保护内部安装的精密微弱信号电路和元器件。

所述第一连接电缆3一端与弹性体及应变桥2相连接，所述第一连接电缆3另一端伸入短钻杆9内腔后与测量传输控制模块4一端相连接；所述测量传输控制模块4另一端连接有第二连接电缆5；第二连接电缆5一端经过短钻杆9内腔和接手公扣10内腔后通过USB数据连接单元6与电脑7相连接。

进一步地，所述护套进口8-1的内壁设置有环形状的护套凹槽8-1a，所述密封轴面2-3的外侧壁设置有与护套凹槽8-1a相匹配的弹凹槽2-3a；护套凹槽8-1a和弹凹槽2-3a均填充有704硅胶，用来密封第一腔室同时兼有柔性连接允许扭动变形。704硅胶是确保防水、防潮、密封功能的同时，同时保证柔性连接，以减少扭矩的损失(对测量精度有影响)。除此以外第一密封腔室和第二密封腔室的其余部分螺纹连接密封应采用高强度的环氧树脂胶或502胶密封，必须要确保防水防潮密封功能的同时采用刚性连接以传递扭矩(如不能传递扭矩会导致密封失效)。

如图7所示，所述测量传输控制模块4包括有AD转换器U1、测量桥臂电阻单元、内部稳压电源输出单元Q1、温度数字传感器、中央处理单元U2、RS485硬件传输电路等组成，其中专用型24位高精度的AD转换器U1和中央处理单元U2组成测量控制系统的核心部件。

所述AD转换器U1通过导线与测量桥臂电阻单元相连接，所述AD转换器U1通过导线与内部稳压电源输出单元Q1相连接，所述AD转换器U1通过导线与温度数字传感器相连接，所述AD转换器U1通过导线与中央处理单元U2相连接，中央处理单元U2通过导线与温度数字传感器相连接。

测量传输控制模块4上设置一路温度数字传感器来监测，一路内部稳压电源输出单元Q1监测电压，同时将温度数字传感器和内部稳压电源输出单元Q1的数量传送到电脑上，通过软件编程，建立传感器的数学模型，利用最小二乘法非线性回归拟合的原理，预先校准模型参数，可实现对传感器温度性能和对电源电压不稳定的实时数字化补偿，进一步提高了传感器的精确度和稳定性，降低了对传感器硬件生产的工艺要求。

进一步地，所述第一连接电缆3的长度小于15cm，并且与后续的测量电路模块一起密封封装在传感器壳体第二腔室内，使测量核心部分得到有效的抗水防潮绝缘、抗机械碰撞和电磁屏蔽的防护，使干扰信号难于进入核心测量系统。

本实用新型的第二连接电缆5的长度不限要求，但可根据试验需要任选10～1000m。同时需要注意的是：为避免线缆太长引起供电电压损失(压降不得大于0.5V)，必要时选择加粗的电缆芯线。

其中AD转换器U1的型号为：HX711芯片，主要完成测量基准电压的产生、测量信号的放大、采样，是核心测量部件；HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B则为固定的32增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。

测量桥臂电阻单元主要由R5～R8四个电阻应变片组成，采用HA型电阻应变片，测量弹性体产生的剪应变，完成扭矩的电信号转换；内部稳压电源输出单元Q1为测量电桥提供稳定的工作电压，且温度系数小。

温度数字传感器的型号为DS18B20，它提供温度监测功能；具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

中央处理单元U2为单片机STC15F104W，主要完成测量时序控制、数据读取和转换、串口通讯，其端口分配如下：P3.3用于接收HX711的DOUT引脚输出的测量结果数据；P3.4为HX711的PD_CLK引脚提供时钟脉冲控制信号；P3.5为DS18B20的DQ数字信号输入/输出端提供读写时序控制；P3.0/P3.1通过软件模拟形成的串口通信控制信号RXD/TXD。

为保证整体电路可靠工作，在不同电路模块之间的连接采用焊接，各电路模块外表均需采用防水密封胶进行密封处理。密封胶具有良好的机械缓冲、导热、防尘防水防潮性能。

本实用新型有益效果为：

1、通过将十字板头本体和弹性体及应变桥封装在第一隔离密封腔室中，通过将第一连接电缆和测量传输控制模块封装在第二隔离密封腔室中；使得测量装置由开放型系统改进为封闭型系统，最大程度地阻隔了外部干扰信号对微弱测量信号的干扰，净化了测量工作环境，从根本上提升了测量的高精度、高稳定性和结果复现性。

2、通过增加测量传输控制模块，对系统进行功能扩充和优化数据处理；进一步提高测试性能。

3、本装置体积小，融合扭矩测量、温度测量功能，并在电脑中实现测试地层的十字板强度和温度的实时显示，测试过程中自动地对扭矩传感器的温度以及非线性进行实时补偿功能。不再需要专用测量仪器，直接由电脑进行控制测量和后期数据处理，使用方便、高效，降低测试成本。

4、另外，该结构简单、设计合理，制造成本低。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施方式，故凡依本实用新型专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本实用新型专利申请范围内。

Claims (4)

1.一种新型的检测探头，包括有十字板头本体(1)、弹性体及应变桥(2)和保护套管(8)，所述十字板头本体(1)的板头连接端(1-1)与弹性体及应变桥(2)的弹进孔(2-1)相螺纹连接；所述保护套管(8)一端设置有护套进口(8-1)，所述保护套管(8)另一端设置有护套出口(8-2)；

其特征在于：它还包括有第一连接电缆(3)、测量传输控制模块(4)、USB数据连接单元(6)、电脑(7)、短钻杆(9)和接手公扣(10)，所述短钻杆(9)一端设置有左母扣(9-1)，所述短钻杆(9)另一端设置有右母扣(9-2)；

所述弹性体及应变桥(2)的弹出端(2-2)伸入保护套管(8)内腔后依次与护套出口(8-2)的内壁、左母扣(9-1)的内壁相螺纹连接；所述弹性体及应变桥(2)的密封轴面(2-3)嵌设在护套进口(8-1)中，该密封轴面(2-3)和护套进口(8-1)呈过盈配合；所述保护套管(8)内腔壁、弹出端(2-2)和密封轴面(2-3)围设有第一隔离密封腔室；

所述测量传输控制模块(4)嵌设在短钻杆(9)内腔中；所述右母扣(9-2)与接手公扣(10)一端相螺纹连接；短钻杆(9)内腔壁、接手公扣(10)和弹出端(2-2)围设有第二隔离密封腔室；

所述第一连接电缆(3)一端与弹性体及应变桥(2)相连接，所述第一连接电缆(3)另一端伸入短钻杆(9)内腔后与测量传输控制模块(4)一端相连接；所述测量传输控制模块(4)另一端连接有第二连接电缆(5)；第二连接电缆(5)一端经过短钻杆(9)内腔和接手公扣(10)内腔后通过USB数据连接单元(6)与电脑(7)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型的检测探头，其特征在于：所述护套进口(8-1)的内壁设置有环形状的护套凹槽(8-1a)，所述密封轴面(2-3)的外侧壁设置有与护套凹槽(8-1a)相匹配的弹凹槽(2-3a)；护套凹槽(8-1a)和弹凹槽(2-3a)均填充有704硅胶。

3.根据权利要求1所述的一种新型的检测探头，其特征在于：所述测量传输控制模块(4)主要包括有AD转换器U1、测量桥臂电阻单元、内部稳压电源输出单元Q1、温度数字传感器、中央处理单元U2，所述AD转换器U1通过导线与测量桥臂电阻单元相连接，所述AD转换器U1通过导线与内部稳压电源输出单元Q1相连接，所述AD转换器U1通过导线与温度数字传感器相连接，所述AD转换器U1通过导线与中央处理单元U2相连接，中央处理单元U2通过导线与温度数字传感器相连接。

4.根据权利要求1所述的一种新型的检测探头，其特征在于：所述第一连接电缆(3)的长度小于15cm。