CN214471307U - 一种光纤传输信号的波速阵列测试探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤传输信号的波速阵列测试探头。包括钢质探头外壳和钻头，钻头在所述钢制探头外壳的底端部设置，还包括三分量传感器，多个三分量传感器沿钢制探头外壳的轴向间隔的分布，沿钢制探头外壳的轴向，两个所述三分量传感器关于所述钢制探头外壳的轴线对称设置，还包括相互电连接的微控制器、数据采集模块和信号转换器，在钢质探头外壳内设置有设备仓，微控制器、数据采集模块和所述信号转换器位于设备仓内设置，还包括光纤发射系统，光纤发射系统位于所述钢质探头外壳的顶部设置。本实用新型通过设置传感器与钻具合二为一的组装方式，提高工作效率，采用光纤对外传输数据，使得探头无需外接电缆，使用方便。

Description

一种光纤传输信号的波速阵列测试探头

技术领域

本实用新型涉及钻孔波速测试技术领域，具体涉及一种光纤传输信号的波速阵列测试探头。

背景技术

目前行业内钻孔波速测试方法及系统主要有：单孔法。在一个钻孔内放入检波器，在不同深度处通常间距1.0m静置并接收地面激振引起的地震波，逐段测量，从而测得整个钻孔深度内土层波速。跨孔法。在相邻两个钻孔内分别放入激振器和检波器，在不同深度处激发地震波并接收，获得整个钻孔得土层波速。

测试系统一般由激振部分、接收探头检波器、触发器、深度计、采集仪等组成，下面分别简要介绍。激振部分：单孔法常用的有地面锤击、地面爆炸物冲击，跨孔法常用孔内电磁激振器。近几年出现一种新型的微电子激振法——弯曲元，适用于单孔法，但目前实际应用较少。接收探头：钻孔内接收探头直径一般较大50～80mm，静力触探孔内置接收探头直径较小32～38mm；探头的长度300～800mm不等。探头内置一枚或一组传感器。地震波传感器目前常用的有压阻式、电容式，单向或三向分量接收地震波信号，属于直流加速度传感器。触发器：固定在激发设备上，激发动作时给采集仪发出信号。深度计：由人工或自动计数设备操作。采集仪：带有电池的微型计算机，内置专用软件进行数据采集与输出。

目前使用的波速测试方法主要缺点为：测试之前需要完成探，拔出钻杆并清理孔内障碍物；不能在不取出钻杆时进行测试。由于接收探头内仅有一个传感器，当探头静止进行接收时，仅能接收一个深度位置的波速值，工作效率较低。此外，单个传感器不能进行数据校正，单个深度处的波速值有可能不准确。探头自身不带电池，需要地面设备供电，探头信号输入输出也需要电缆，因此每个探头至少附带一根直径5～8mm的电缆，外业操作时不甚方便。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型公开一种光纤传输信号的波速阵列测试探头，能够解决现有设备测试之前必须拔出钻杆并且清理钻孔，工作效率较低。以及现有探头内仅有一个一组传感器，每次仅能测试一个深度位置的波速值，且该位置的波速值不能进行复核校正的问题。

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种光纤传输信号的波速阵列测试探头，包括钢质探头外壳和钻头，所述钻头在所述钢制探头外壳的底端部设置，还包括三分量传感器，多个所述三分量传感器沿所述钢制探头外壳的轴向间隔的分布，沿所述钢制探头外壳的轴向，两个所述三分量传感器关于所述钢制探头外壳的轴线对称设置，还包括相互电连接的微控制器、数据采集模块和信号转换器，在所述钢质探头外壳内设置有设备仓，所述微控制器、所述数据采集模块和所述信号转换器位于所述设备仓内设置，还包括光纤发射系统，所述光纤发射系统位于所述钢质探头外壳的顶部设置。

优选的技术方案，所述设备仓具有仓盖，所述仓盖固定连接在所述设备仓的顶部，在所述钢质探头外壳还设置有电池仓，所述仓盖完全覆盖所述设备仓和所述电池仓。

优选的技术方案，所述三分量传感器采用MEMS型三分量传感器，在所述钢质探头外壳设置有传感器槽，所述三分量传感器位于所述传感器槽内设置，在所述传感器槽设置有封盖，所述封盖固定连接所述钢质探头外壳。

优选的技术方案，所述光纤发射系统包括光纤接口及发射器，所述光纤接口及发射器电连接所述设备仓内的所述微控制器、所述数据采集模块和所述信号转换器。

优选的技术方案，在所述设备仓设置有电缆线孔，所述电缆线孔用于所述三分量传感器的线缆穿过并电连接所述设备仓内的所述微控制器、所述数据采集模块和所述信号转换器。

优选的技术方案，在所述钢质探头外壳的内周侧壁还设置有电缆线槽，所述电缆线槽沿所述钢质探头外壳的轴向延伸，所述电缆线槽用于所述三分量传感器的线缆穿过。

本实用新型公开一种光纤传输信号的波速阵列测试探头，具有以下优点：

在本申请中通过设置传感器与钻具合二为一的组装方式，能够在钻进成孔过程中即可进行测试，从而使得工作效率具备较高的水平。同时探头内布置阵列传感器，可实现一次测试多个深度位置波速，使得每个深度处的数据可进行复核校正，从而具备高效而准确的特性。另外，还采用光纤对外传输数据，使得探头无需外接电缆，具备使用方便的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例的系统框图；

图2是本实用新型实施例的结构示意图；

图3是本实用新型实施例在主视方向的剖视图及A、B、C、D、E位置的截面图；

图4是本实用新型实施例在侧视方向的剖视图及B1位置的截面图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图4所示，在本实用新型实施例中根据现有小型钻具结构尺寸，将所需的装置集成到钻具中，形成新的探头系统。本实用新型主要构成如图1所示，关键部件包括2×3布置的三分量传感器、微控制器与数据采集模块、信号转换器、光纤发射系统以及可充电式锂电池。本系统通过钻杆内光纤连接至地面接收装置，并通过微机记录输出测试信息。

主要结构示意图见图2，包括钢质探头外壳、三分量传感器、微控制器、数据采集模块、信号转换器、光纤发射系统、电池及数据线。本探头下部连接钻头，可进行岩土钻进；上部连接内置光纤钻杆，直至地面钻进设备和数据接收装置。

各部件功能如下：

外壳1容纳与保护各个部件，作为钻具承担向下钻进的轴向压力和扭力，内部孔洞允许钻孔泥浆通过；底部连接钻头，顶部向上连接钻杆直至钻机。外壳外径25mm，普通段壁厚4mm，变截面设计，在靠近顶部段内部空间缩小，外侧对称分隔出两个仓室5和6。具体尺寸见图3中截面。外壳采用45号钢材加工制作。

钻杆接口螺纹2，标称口径17mm，分别与钻杆、钻头匹配。

仓盖3，柱面形状，厚度2mm，四条边设计为折角，设置防水胶条，压紧后密封效果好。四角采用短螺丝固定在外壳上。仓盖面积完全覆盖设备仓口5、电池仓口6。两侧舱盖打开后，设备仓口5、电池仓口6均可完整露出，方便进行操作。

传感器4采用MEMS型三分量传感器，数字式或模拟式，此类型传感器具有体积小、精度高、功耗低的特点，对空间任意方向传来的地震波均能良好感应。选用的传感器外形尺寸以不超过传感器槽内部空间为限，本次选用3×3×1mm。所需传感器主要参数见表1。传感器4置于传感器槽4-1内，通过封盖4-2密封在槽内。传感器槽的内部尺寸为5×5×1.2mm。封盖4-2的材质为钢，采用耐候胶与外壳固定。传感器的布置分上、中、下三组；每组2枚，对称布置在外壳中传感器槽内；组与组间距离300mm；所有传感器中心点处于同一平面。

设备仓5由外壳变截面扩展而来，内部最大平面尺寸43×17mm，内部空间高度1.7～6.0mm。内置微控制器、数据采集模块、信号转换器等部件。设备仓顶部空间转换连接至光纤接口及发射器5-1，该部分部件外形为圆柱体，下部设光纤发射器，上部为大直径光纤接头，光纤直径5～7mm。采用塑料光纤，接头表面经抛光、耐磨处理，符合光纤连接规范。

电池仓6由外壳变截面扩展而来，内部最大平面尺寸42×17mm，内部空间高度1.7～6.0mm。内置可充电式锂离子电池。

电缆线孔分两种，一种是穿过外壳的7-1，另一种是沟通电池仓与钻具内空间的7-2。电缆线孔7-1横断面为圆形，内部直径0.8mm；电缆线孔7-2横断面为月牙形见截面D。电缆线槽7-3宽度1.6mm，最大深度0.45mm，自电池仓电缆线孔7-2引出，沿钻具外壳1内壁布置，分别连接中部与下部两对传感器。线孔7-2与电缆线槽7-3敷设线缆之后，采用胶水充填饱满；该胶水具有硬度高、耐磨、防水、绝缘的特性。

传输电缆线采用导线标称直径0.045mm外径约0.061mm的高质量漆包线，具有耐潮湿耐弯折的特点。传输电缆以设备仓5为中心，分别连接上部两个传感器，并通过其线孔连接电池，并向下穿过7-2线孔分别连接中部和下部两组传感器。

工作方法

使用前打开仓盖，给锂电池充电；充电完成后，在本设备下部安装普通钻头，在顶部连接具有内置光纤的钻杆，并在地面与接收装置、记录微机相连。钻进过程中，钻具达到预定深度时，钻机停止；或钻孔结束后利用钻杆将探头放至预定深度，准备测试。

地面微机发出准备测试指令，本设备通过光纤接收指令，进行功能自检，确认设备就绪后，发出信号给地面微机。

地面微机给本设备发出时间同步信号；激发地面震动，同时地面微机给本设备发出激振时点信息；本设备接收震动纵波，记录信息。

本设备对相同深度的一对传感器信号进行检核，分析两者差异；对于差异过大的数据，向地面微机发出警示信息，地面微机可看到数据异常情况。如数据无异常，向地面微机发出正常信号，并传输正常数据。

地面人员如决定重新测试，重复步骤2～4。如不需要重新测试，本深度测试结束，进行下个深度的测试。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种光纤传输信号的波速阵列测试探头，包括钢质探头外壳和钻头，所述钻头在所述钢质探头外壳的底端部设置，其特征在于：还包括三分量传感器，多个所述三分量传感器沿所述钢质探头外壳的轴向间隔的分布，沿所述钢质探头外壳的轴向，两个所述三分量传感器关于所述钢质探头外壳的轴线对称设置，还包括相互电连接的微控制器、数据采集模块和信号转换器，在所述钢质探头外壳内设置有设备仓，所述微控制器、所述数据采集模块和所述信号转换器位于所述设备仓内设置，还包括光纤发射系统，所述光纤发射系统位于所述钢质探头外壳的顶部设置。

2.根据权利要求1所述的光纤传输信号的波速阵列测试探头，其特征在于：所述设备仓具有仓盖，所述仓盖固定连接在所述设备仓的顶部，在所述钢质探头外壳还设置有电池仓，所述仓盖完全覆盖所述设备仓和所述电池仓。

3.根据权利要求1所述的光纤传输信号的波速阵列测试探头，其特征在于：所述三分量传感器采用MEMS型三分量传感器，在所述钢质探头外壳设置有传感器槽，所述三分量传感器位于所述传感器槽内设置，在所述传感器槽设置有封盖，所述封盖固定连接所述钢质探头外壳。

4.根据权利要求1所述的光纤传输信号的波速阵列测试探头，其特征在于：所述光纤发射系统包括光纤接口及发射器，所述光纤接口及发射器电连接所述设备仓内的所述微控制器、所述数据采集模块和所述信号转换器。

5.根据权利要求1所述的光纤传输信号的波速阵列测试探头，其特征在于：在所述设备仓设置有电缆线孔，所述电缆线孔用于所述三分量传感器的线缆穿过并电连接所述设备仓内的所述微控制器、所述数据采集模块和所述信号转换器。

6.根据权利要求1所述的光纤传输信号的波速阵列测试探头，其特征在于：在所述钢质探头外壳的内周侧壁还设置有电缆线槽，所述电缆线槽沿所述钢质探头外壳的轴向延伸，所述电缆线槽用于所述三分量传感器的线缆穿过。

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