CN221037327U - 一种基于rfid与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置，超声波竖向测距发射单元安装在钻杆顶端，钻杆上还设置有可拆卸的环形射频标签；RFID射频识别读写装置、超声波竖向测距接收单元、超声波短边测距装置、低频声波测击装置、定位模块、存储模块及蓝牙装置均设置在声波测量模块内，数据通过蓝牙装置向接收端发送经数据处理模块处理，所述声波测量模块固装在钻机立轴侧面并位于钻机机头的工作高度h；超声波竖向测距接收单元用于测量声波测量模块到钻杆顶端距离，超声波短边测距装置用于测量声波测量模块到钻杆之间的横向距离。本实用新型实时获取钻探深度及标贯动探试验的锤击数，实现铁路勘探智能化、数字化。

Description

一种基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置

技术领域

本实用新型属于地质勘探的勘探记录、监测设备技术领域，特别涉及一种基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置。

背景技术

继测量系统智能化、数字化之后，地质勘探的智能化、无线化成为地勘设备新的发展方向。而声波测量作为地质勘探“声觉”的延伸，以其结构简单、成本低、精度高，在声纳、声波成像、探伤、测厚及移动机器人等各个方面得到了广泛的应用。声波按照振动频率分为低频声波、高频声波及超声波(>20kHz)，在介质中的传播可以有不同的方式，取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发声波，而钻孔内包含泥浆、碎石、固体界面不固定等，孔底情况异常复杂。由于市场需求，工程师将主要的研发精力都放在了诸如旋挖钻机、吊车设备等大型施工机械，对小型勘察钻机的考虑微乎其微，导致多年来勘察钻机的技术水平低，存在勘探班组操作复杂、易错易造假等问题，对工程建设一手地勘资料的准确、客观性产生了不利的影响。

常规地质勘探质量的管理重点主要包括孔深的测量和原位测试工作。

首先、钻进一定深度揭露场地地下岩层、土层信息，并获取岩土试样。地质勘探过程中孔深的测量，是勘探管理的重点；目前主要依靠人工测量钻杆，通过累计钻杆长度并扣除地面以上钻具余长求得钻孔深度。现场依据开停钻上余人工计算判断，理论上通过钢卷尺量测地面上余，通过卷尺量测钻具总长，但提卸钻杆辅助时间长、体力强度大，在具体操作中，极少机长会如此操作，部分机长还采取在钻机顶部设置“钢箍”的措施，减少提卸钻杆次数，未拧卸完毕的多根钻杆依靠“钢箍”的临时约束力，凌空斜靠在钻机主架上，危险性极大，因此在钻探过程中孔深精度只能取决于钻机长的熟练程度和责任心程度，工程质量和进度难以保证，也不利于地质信息化的开展。

国内测量孔深的装置，主要应用于石油勘探等大型深孔钻探，在钻头部位安装探头来实现探测，但存在以下缺点：(1)钻头需要特殊的磁性材料，造价昂贵，探头在钻探过程中会遇到各种恶劣的地质条件，极易损坏；同时，声波在狭窄的钻柱内传输存在复杂的边界问题，如钻柱、泥浆和钻柱螺纹接头处的固体界面存在折射和反射，单一的纵波或横波入射会同时出现纵波和横波两种波型，相位变换，在螺纹接头处各个界面详细尺寸无法准确确定，因此通过理论计算准确地得到低频声波传播规律是一项技术壁垒；(2)在钻杆中穿设连接探头的电线，钻探每一回次都需要对电线进行梳理和调整；石油数字化钻机作为一整套设备，钻杆长、钻机体型庞大，无法应用于铁路勘探钻机。而铁路勘探应用中短距离的无线数据通信技术能够克服现场数据控制系统布线不便、无法移动的难题。

其次、一定深度内进行标准贯入、动探等原位测试工作；也是勘探管理的重点。标贯试验及动力触探试验是铁路地质勘察中常规的原位测试方法之一，它是利用一定质量的落锤，以一定高度的自由落距将标准规格的圆锥形探头击入土层中，根据探头贯入击数、贯入度或动贯阻力判别土层的变化，评价土的工程性质。①通过试验获得地基土的物理力学性质指标。经过试验对比，可获得地基土的密实度、地基承载力、变形指标等参数以及单桩承载力；②判定地基土的均匀性。利用从上至下连续测试特点，试验曲线可反映地层沿深度变化规律；利用多个试验点，可分析地层在水平方向的变化，评价地基的均匀性；③具有钻探和测试的双重功能。可利用锤击数判定土的力学性质，同时也可以对比场地内的钻探资料或已有地层资料，进行地层力学分层；④探查土洞、滑动面、软硬土层界面、岩石风化界面；⑤检测地基处理效果。总之，标贯及动力触探试验的真实性及锤击数的准确性，直接关系到整个地质勘查的质量，进而影响铁路地质工程师对地层性质的判断。把控住标贯的质量相当于把握住现场地质勘察的核心。而传统的标贯动探试验方法，通过人工测量钻杆长度来取得探杆长度，通过在钻杆上做标记来确定标贯器或圆锥形探头贯入地层的深度，通过人工计数来取得试验锤击数，不但费时费力，还存在测量误差大，人为干扰因素大，可信度存疑，自动化程度不高等缺陷。

专利号为2019108723336，公开号为CN110632873A，名称为一种标贯和动探数据实时采集及自动监控系统，该系统通过采集低频声波来计算理论深度，但实际上勘探孔的孔底情况异常复杂，低频声波在狭窄的钻柱内传输存在复杂的边界问题，如钻柱、泥浆和钻柱螺纹接头处的固体界面存在折射和反射，传播过程中也产生大量低频次声波。所采集到的低频声波真实性无法保证，为剔除衍生的声波，现阶段技术手段无法实时分析，该装置及系统仅停留于理论阶段，无法实现。而现场迫切需要设计适合地质勘探的勘探记录、监测设备。

发明内容

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题提供一种基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置，能够实时获取钻探孔深及标贯动探试验的锤击数，不影响正常勘探过程。

本实用新型包括如下技术方案：一种基于RFID与声波测量的实时孔深及原位测试监测装置，包括RFID射频识别读写装置、超声波竖向测距装置、超声波短边测距装置、低频声波测击装置以及接收端；所述超声波竖向测距装置包括超声波竖向测距发射单元和超声波竖向测距接收单元，超声波竖向测距发射单元安装在钻杆顶端，钻杆上还设置有可拆卸的环形射频标签；所述超声波竖向测距接收单元、超声波短边测距装置、低频声波测击装置、定位模块、存储模块以及蓝牙装置均设置在声波测量模块内，数据通过蓝牙装置向接收端发送，其经数据处理模块处理，所述声波测量模块固装在钻机立轴侧面并位于钻机机头的工作高度h；所述超声波竖向测距接收单元用于测量声波测量模块到钻杆顶端距离，所述超声波短边测距装置用于测量该模块到钻杆之间的横向距离。

进一步的，标贯、动探的穿心锤重量和落距是固定的，产生的锤击能量固定，自由落体的穿心锤锤击锤垫时，扩散大量突变振幅的低频声波。所述低频声波测击装置包括低频声波接收器、声波放大器、滤波器和单片机，锤击产生的低频声波带动空气介质引起低频声波接收器内磁线圈切割磁场，而产生感应电流并发出突变电信号经单片机进入存储模块，通过蓝牙装置传递给数据处理模块，数据处理模块记录突变电信号峰值个数累加得到锤击数。所述声波测量模块，通过超声波竖向测距装置量测探杆的地上余长，实时计算得到标贯的贯入深度，数据处理模块根据标贯的贯入深度，判定贯入器打入土中15cm后，开始记录每打入10cm的锤击数，累计30cm的锤击数为标准贯入试验锤击数N。当锤击数已达50击，而贯入深度未达30cm时，可记录50击的实际贯入深度，按公式(N＝30*50/△S，式中：△S—50击的贯入度(cm))换算成相当于30cm的标准贯入试验锤击数N并终止试验。动探试验，接收端点击采集动探试验，原理类似，贯入度及记录遵守相应规范。通过贯入度的进尺快慢，可判别地层的软硬层。

进一步的，通过在接收端上的操作能够设置数据处理模块对锤击数统计的开始、暂停、自动归零和手动归零；在接收端可以选择设置为标贯试验或动探试验。

进一步的，所述声波测量模块通过存储模块接收RFID射频识别装置、超声波竖向测距装置、超声波短边测距装置以及低频声波测击装置获取的数据并将其经过接收端的蓝牙模块传输到数据处理模块；所述存储模块作为声波测量模块与接收端之间的命令沟通中转站，由存储模块分别在声波测量模块内分发命令，存储模块为双向沟通机制。在网络正常的情况下，存储模块仅作为数据和命令的中转站，出现蓝牙无信号时，采集的数据在存储模块临时存储。

进一步的，所述超声波短边测距装置的接收单元和发射单元位于同一位置，利用物理反射原理，声波传播距离相当于2倍路径，通过超声波短边测距模块实时测量声波测量模块到钻杆之间的横向距离x。

进一步的，所述超声波竖向测距接收单元实时测量声波测量模块到钻杆顶端的直线距离y，所述数据处理模块根据勾股定理计算得到机上余尺长度

进一步的，所述RFID射频识别读写装置通过识别射频标签自动辨识钻杆杆号，通过数据处理模块调取命令提取杆号对应的杆长，累加每根钻杆杆长实时计算得到L；数据处理模块读取钻杆总长L后计算得到钻孔深度D＝L-首次进场对每根钻杆仅标定一次，钻杆杆号对应的杆长数据录入接收端软件中。系统最终达到铁路勘察从开孔、标贯直至终孔的全过程，接收端均能够实时计算得到钻进深度的目的。工作时，RFID射频识别读写装置通过识别射频标签自动辨别本次钻具下放几号钻杆，如3号+6号+8号，接收端的数据处理模块调取对应的杆长信息，进行杆长累加计算。

进一步的，所述射频标签设置于钻杆接头上方，每个射频标签对应一个钻杆杆号，利用钻杆接头保护射频标签，且外侧做好射频标签的防护措施，可灵活放取；所述射频标签为无源标签，无需电源供给，由于电磁波具有良好的穿透性，无源标签外部可设置如塑料等外部保护壳，射频标签采用环形设置，保证钻杆在下入孔中时，射频标签任一面都可面对RFID射频识别读写装置。所述RFID射频识别读写装置根据发射的特定频率电磁波，在无源射频标签外部形成感应磁场，激发标签内部的磁线圈产生感应电流，激发模块进行信息交换，进而读取标签对应的杆号信息；RFID射频识别读写装置将读取到的杆号信息经过存储模块、蓝牙装置及蓝牙模块最终传递给数据处理模块，数据处理模块实时计算得到钻具总长L；RFID射频识别读写装置根据发射频率的不同，识别距离可进行控制，频率越大可识别场地的范围越大。

进一步的，所述超声波竖向测距发射单元安装在主动钻杆顶端的水龙头下方且处于非旋转部位；进行标贯试验时，超声波竖向测距发射单元安装在标贯锤探杆顶部。

进一步的，所述定位模块搭载北斗系统或GPS定位系统。所述接收端为手机或电脑，通过手机或电脑的显示屏读取钻孔深度、锤击数及锤击贯入度。

本实用新型具有的优点和积极效果：

1、本实用新型通过射频识别及声波测量模块实现钻探深度、标贯动探试验实时精准测量，解决了传统的标贯动探试验人工测量钻长、人工计锤击数，费时费力，可信度存疑，自动化程度不高等难题；适用于野外场景、成本低，并且精度满足地质勘探测量要求，为工程师对现场质量的监测和真实记录提供有力手段，为铁路勘察原位试验实现自动化奠定基础。

2、本实用新型采取蓝牙技术作为声波测量模块与接收端之间的无线通信方式，提高了本设备布置的灵活性，打破了传统的固有思路，同时避免野外信号弱采用了自存储式测量系统，大量的数据存储在仪器的存储器中。

3、本实用新型采用RFID射频识别读写装置和射频标签来自动辨别本次钻具下放几号钻杆，接收端的数据处理模块调取对应的杆长信息从而实现快速进行杆长累加计算；射频标签为无源标签，无需电源供给，精简了装置的线路配置；此外，RFID射频识别读写装置通过发射特定频率电磁波来识别射频标签，所受干扰小。

4、本实用新型与人工记录相比，适用场景灵活、结构简单、准确率高，实现了地质勘探工作由传统方式向智能化方式转变，有效提高了钻探作业的精度、工作的效率，减少了钻探外业的成本和地质勘探工作者的劳动强度。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构示意图；

图2是本实用新型的安装位置示意图；

图中，1-超声波竖向测距发射单元；2-钻机立轴；3-声波测量模块；4-射频标签；5-钻杆。

具体实施方式

为能进一步公开本实用新型的发明内容、特点及功效，特例举以下实例并结合附图详细说明。在以下实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

在以下实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

实施例：参阅附图1-2，一种基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置，包括RFID射频识别读写装置、超声波竖向测距装置、超声波短边测距装置、低频声波测击装置以及接收端；所述接收端为手机或电脑，通过手机或电脑的显示屏实时读取钻孔深度、锤击数及锤击贯入度。

所述超声波竖向测距装置包括超声波竖向测距发射单元1和超声波竖向测距接收单元；所述超声波竖向测距发射单元1安装在主动钻杆5顶端的水龙头处于非旋转部位；进行标贯试验时，超声波竖向测距发射单元1安装在标贯锤探杆顶部。所述声波测量模块3内设有用于测量该模块到钻杆5顶端距离的超声波竖向测距接收单元、用于测量该模块到钻杆5之间横向距离的超声波短边测距装置、RFID射频读写装置、低频声波测击装置、定位模块、存储模块以及蓝牙装置，所述定位模块搭载北斗系统或GPS定位系统。所述声波测量模块3固装在钻机立轴2侧面并位于钻机机头的工作高度h。所述声波测量模块3通过存储模块接收RFID射频读写装置、超声波竖向测距装置、超声波短边测距装置、低频声波测击装置以及定位模块获取的数据并将其通过蓝牙装置向接收端发送，数据在接收端经蓝牙模块接收后送到数据处理模块进行处理。所述存储模块作为声波测量模块与接收端之间的命令沟通中转站，由存储模块分别在声波测量模块内分发命令，存储模块为双向沟通机制。在网络正常的情况下，存储模块仅作为数据和命令的中转站，出现蓝牙无信号时，采集的数据在存储模块临时存储。

超声波竖向测距装置、超声波短边测距装置的工作原理是利用压电陶瓷的正、逆压电效应，从而将机械能和电能相互转换；当电压作用于压电传感器时，压电陶瓷会随电压和频率的变化产生机械变形，发射声波；相反，当机械振动作用于压电陶瓷时，则会产生一个电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。超声振动在介质中的传播，不但具有普通声波的物理特性，如：反射、折射、散射、透射和吸收等，且具有普通声波不具有的特性：方向性好、集束性好和能量高的特性，能穿透不透明的物质。

标贯、动探的穿心锤重量和落距是固定的，产生的锤击能量固定，自由落体的穿心锤锤击锤垫时，扩散大量突变振幅的低频声波。所述低频声波测击装置包括低频声波接收器、声波放大器、滤波器和单片机，锤击产生的低频声波带动空气介质引起低频声波接收器内磁线圈切割磁场，而产生感应电流并发出突变电信号经单片机进入存储模块，通过蓝牙装置传递给数据处理模块，数据处理模块记录突变电信号峰值个数累加得到锤击数。所述声波测量模块，通过超声波竖向测距装置量测探杆的地上余长，实时计算得到标贯的贯入深度，数据处理模块根据标贯的贯入深度，判定贯入器打入土中15cm后，开始记录每打入10cm的锤击数，累计30cm的锤击数为标准贯入试验锤击数N。当锤击数已达50击，而贯入深度未达30cm时，可记录50击的实际贯入深度，按公式(N＝30*50/△S，式中：△S—50击的贯入度(cm))换算成相当于30cm的标准贯入试验锤击数N并终止试验。动探试验，接收端点击采集动探试验，原理类似，贯入度及记录遵守相应规范。通过贯入度的进尺快慢，可判别地层的软硬层；通过在接收端上的操作能够设置数据处理模块对锤击数统计的开始、暂停、自动归零和手动归零。勘探队伍首次进场标定每根钻杆杆号对应的钻杆5的长度数据，机头高度同样通过在接收端操作进行录入，系统最终达到从开孔、标贯直至终孔，接收端会实时计算得到钻探深度及锤击数。

如图2所示，所述超声波短边测距装置的接收单元和发射单元位于同一位置，利用物理反射原理，声波传播距离相当于2倍路径，通过超声波短边测距模块实时测量声波测量模块3到钻杆5之间的横向距离x。所述超声波竖向测距接收单元实时测量声波测量模块3到钻杆5顶端的直线距离y，所述数据处理模块根据勾股定理计算得到机上余尺长度z。所述钻具的总长L，RFID射频识别自动辨别本次钻具下放几号钻杆，如3号+6号+8号，接收端的数据处理模块调取对应的杆长信息，数据处理模块进行杆长累加计算，数据处理模块读取钻杆总长L后计算得到钻孔深度

所述射频标签4设置于钻杆5接头上方，每个射频标签4对应一个钻杆5杆号，利用钻杆5接头保护射频标签4，且外侧做好射频标签4的防护措施，可灵活放取；所述射频标签4为无源标签，无需电源供给，由于电磁波具有良好的穿透性，无源标签外部可设置如塑料等外部保护壳，射频标签4采用环形设置，保证钻杆5在下入孔中时，射频标签4任一面都可面对RFID射频识别读写装置。所述RFID射频识别读写装置根据发射的特定频率电磁波，在射频标签4外部形成感应磁场，标签内部的磁线圈产生感应电流，激发模块进行信息交换，进而RFID射频识别读写装置读取标签对应的杆号信息；RFID射频识别读写装置根据发射频率的不同，识别距离可进行控制，频率越大可识别场地的范围越大。本例中的射频标签4采用电磁感应的原理，其他采用这种感应原理的识别方式均属于本专利保护的范围，不仅限于电磁波。

工作原理：通过RFID射频识别及声波测量模块实现钻探深度、标贯动探试验实时精准监测，解决传统的人工测量钻探深度、人工计锤击数，费时费力，可信度存疑，自动化程度不高等难题。适用于野外场景、成本低、所需存储空间小，并且精度满足地质勘探测量要求，为工程师对现场质量的监测和真实记录提供有力手段，为铁路勘察原位试验实现自动化奠定基础；采取蓝牙技术作为声波测量模块3与接收端之间的无线通信方式，提高了本设备布置的灵活性，打破了传统的固有思路，同时避免野外信号弱采用了自存储式测量系统，大量的数据存储在仪器的存储器中；实现了地质勘探工作由传统方式向信息化方式转变，有效提高了钻探作业的精度、工作的效率，减少了钻探外业的成本和地质勘探工作者的劳动强度。

尽管上面对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式。这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置，其特征在于：包括RFID射频识别读写装置、射频标签、超声波竖向测距装置、超声波短边测距装置、低频声波测击装置以及接收端；所述超声波竖向测距装置包括超声波竖向测距发射单元和超声波竖向测距接收单元，超声波竖向测距发射单元安装在钻杆顶端，钻杆上还设置有可拆卸的环形射频标签；所述RFID射频识别读写装置、超声波竖向测距接收单元、超声波短边测距装置、低频声波测击装置、定位模块、存储模块以及蓝牙装置均设置在声波测量模块内，数据通过蓝牙装置向接收端发送经数据处理模块处理，所述声波测量模块固装在钻机立轴侧面并位于钻机机头的工作高度h；所述超声波竖向测距接收单元用于测量声波测量模块到钻杆顶端距离，所述超声波短边测距装置用于测量该模块到钻杆之间的横向距离。

2.根据权利要求1所述的基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置，其特征在于：所述低频声波测击装置包括低频声波接收器、声波放大器、滤波器和单片机。

3.根据权利要求2所述的基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置，其特征在于：通过在接收端上的操作能够设置数据处理模块对锤击数统计的开始、暂停、自动归零及手动归零，选择为标贯试验或动探试验。

4.根据权利要求1所述的基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置，其特征在于：所述声波测量模块通过存储模块接收RFID射频识别装置、超声波竖向测距装置、超声波短边测距装置及低频声波测击装置获取的数据，并将其经过接收端的蓝牙模块传输到数据处理模块。

5.根据权利要求4所述的基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置，其特征在于：所述超声波短边测距装置的接收单元和发射单元位于同一位置，通过超声波短边测距模块实时测量声波测量模块到钻杆之间的横向距离x。

6.根据权利要求5所述的基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置，其特征在于：所述超声波竖向测距接收单元实时测量声波测量模块到钻杆顶端的直线距离y。

7.根据权利要求6所述的基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置，其特征在于：所述RFID射频识别读写装置通过识别射频标签自动辨识钻杆杆号，通过数据处理模块调取命令提取杆号对应的杆长，累加每根钻杆杆长实时计算得到L。

8.根据权利要求7所述的基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置，其特征在于：所述射频标签设置于钻杆接头上方，每个射频标签对应一个钻杆杆号；所述射频标签为无源标签，无需电源供给。

9.根据权利要求1-8任一所述的基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置，其特征在于：所述超声波竖向测距发射单元安装在钻杆顶端的水龙头下方且处于非旋转部位；进行标贯试验时，超声波竖向测距发射单元安装在标贯锤探杆顶部。

10.根据权利要求1-8任一所述的基于RFID与声波测量的实时孔深及原位试验监测装置，其特征在于：所述定位模块搭载北斗系统或GPS定位系统；所述接收端为手机或电脑，通过手机或电脑的显示屏读取钻孔深度、标贯动探锤击数。