一种多功能数字式岩土静力触探测试系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种多功能数字式岩土静力触探测试系统，其包括岩土静力触探组合式传感器智能变送器，基于CAN总线的数据传输仲裁单元，触探深度变化指示器和岩土静力触探数据处理终端；岩土静力触探组合式传感器智能变送器包括岩土静力触探锥尖阻力、侧摩阻力、孔压力数据测量模块、电阻率数据测量模块、剪切波速数据测量模块、倾斜角测量模块；基于CAN总线的数据传输仲裁单元包括CAN的收发器，通信接口，CAN调度协议；触探深度变化指示器包括与深度变化成比例的齿轮旋转装置，齿轮转速测量模块，转速与深度变化转换模块。本发明的优点是：多功能；组合式；智能化；数字式；操作便捷；效率高。
【专利说明】一种多功能数字式岩土静力触探测试系统
[0001]【技术领域】
本发明涉及岩土工程原位测试领域，具体涉及一种多功能数字式岩土静力触探测试系统。
[0002]【背景技术】
静力触探利用准静力，以一定的贯入速率将圆锥探头通过一系列探杆压入土中，根据探头测得的力、波速、电阻率等变量来间接判定土壤的物理学性质。该测试技术能够在不扰动土层的情况下，提供土层和土力学参数信息，是工程勘察中使用的一种重要的原位测试技术。相比室内土工试验,它具有效率高、经济、反映真实情况和不破坏土体内应力等特性。
[0003]但是，根据对目前国内已有的岩土静力触探测试设备和多次岩土静力触探现场操作试验的研究，传统静力触探仪系统架构陈旧，模拟信号传输在电缆中损耗大、容易失真，单桥探头和双桥探头互换时需要换电缆线非常耗时而且效率很低。同时，传统岩土静力触探设备功能单一，无法同时测量同一位置多个参量。国内现有的无缆静力触探装置不能对试验过程进行实时监测，而且不能很好地保证与深度信号的同步采集。贯入采集深度间距多样，国内传统岩土静力触探深度采样间距为IOcm,美国Vertek-Hogentogler岩土静力触探深度采样间距是5cm，荷兰Geomil岩土静力触探深度采样间距是2cm。在岩土静力触探试验过程中，贯入岩土中的探杆会发生倾斜，这不仅对采集的数据产生影响，严重时会造成探杆折断而损坏设备。
[0004]
【发明内容】
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供了一种多功能数字式岩土静力触探测试系统，该方法使用CAN总线进行各模块节点的通信，并且该岩土静力触探测试系统能够组合锥尖阻力、测摩阻力、孔压力数据测量模块、电阻率数据测量模块、剪切波速数据测量模块和倾斜角测量等模块，从而实现对目前触探试验中使用的单桥、双桥和三桥岩土静力触探探头的兼容，智能化的变送器输出的值为各测试参量的读数，CAN总线的数据传输模块实现系统的数字式、组合式和多功能特性，消除信号传输过程中电缆的影响，触探深度变化指示器实时显示深度及其变化率，与智能变送器各数据测量模块以及岩土静力触探数据处理终端进行数据交换，从而实现各模块之间的数据通信。
[0005]为了解决静力触探测试系统中地下系统与地上系统数据传输过程中传输电缆对信号损耗的问题，本发明需要提供一种远距离数字信号传输的岩土静力触探测试方案。
[0006]为了解决存储卡式无缆静力触探仪无法实时监控试验过程，无法观测测试参量实时变化情况的问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实时监测的岩土静力触探测试方案，地上系统应该具有数据处理终端进行实时监控。
[0007]为了解决兼容不同深度采样间距，本发明所要解决的问题是岩土静力触探数据处理终端能够设置深度采样间距。
[0008]为了监控试验过程中探杆贯入的倾斜状态，本发明所要解决的问题是需要加载测量倾斜状态的传感器，并且岩土静力触探数据处理终端能够实时显示探杆处于岩土中的姿态。[0009]所述的岩土静力触探测试系统包括岩土静力触探组合式传感器智能变送器，基于CAN总线的数据传输仲裁单元，触探深度变化指示器和岩土静力触探数据处理终端。
[0010]所述岩土静力触探组合式传感器智能变送器包括岩土静力触探锥尖阻力、侧摩阻力、孔压力数据测量模块、电阻率数据测量模块、剪切波速数据测量模块、倾斜角测量模块。参数测量模块可以相互组合，组合模块在电路上通过CAN数据总线级联及实现远程数据传输。
[0011]所述岩土静力触探传感器智能变送器数据测量模块包括岩土静力触探传感器接口，模拟信号调理模块，模数转换模块，微控制器，电源模块，CAN总线的数据传输模块。所述传感器数据接口兼容目前触探试验中使用的单桥、双桥和三桥静力触探传感器。
[0012]所述模拟调理电路由放大模块、模拟滤波模块和零点自动调节模块构成，所述放大模块使用仪用放大器，零点自动调节模块使用数字式电位计自动调节。
[0013]所述智能变送器锥尖阻力量程为40MPa，理论测试精度为0.002KPa ;侧摩阻力量程为IMPa，理论测试精度为0.060Pa ;孔压力量程为± IMPa，理论测试精度为0.119Pa。
[0014]所述电源模块由岩土静力触探地上系统提供12V直流电，负责岩土静力触探地下系统的供电，包括传感器电桥电源和数据采集传输模块。
[0015]所述智能变送器数据测量模块使用了 FIR数字滤波技术，能够保证采集数据线性相位特性，滤除噪声干扰信号。
[0016]所述智能变送器直接输出测试参量的值，测试参量的值保留3位小数，数据扩大1000倍后进行传输,每一位数字都以对应的ASCII码进行传输。
[0017]所述基于CAN总线的数据传输仲裁单元包括CAN的收发器，通信接口，CAN调度协议。智能变送器各数据采集模块、触探深度变化指示器和岩土静力触探数据处理终端能够相互进行对等通信。
[0018]所述锥尖阻力、测摩阻力和孔压力智能变送器模块订购深度信息和倾斜角信息，电阻率变送器订购深度信息，岩土静力触探数据处理终端订购智能变送器所有数据采集模块信息和深度信息；所有深度信息保持同步。
[0019]所述岩土静力触探智能变送器装于钢制套筒中，一端固定于静力触探探头转接手处，一端通过转接手与探杆相连。其中，探杆与钢制套筒之间可以组合其他智能变送器数据测量模块。岩土静力触探电缆在探杆中、触探深度变化指示器和岩土静力触探数据处理终端都连接在CAN总线上，触探深度变化指示器固定在岩土静力触探贯入系统上。
[0020]触探深度变化指示器包括与深度变化成比例的齿轮旋转装置，齿轮转速测量模块，转速与深度变化转换模块，显示模块，数据传输模块。
[0021]所述的显示模块用来显示深度值及其变化率，数据传输模块用来把深度值及其变化率实时传送给岩土静力触探数据处理终端，同时将深度变化信息传输给各智能变送器数据采集模块；所述数据传输模块使用CAN总线传输。
[0022]所述岩土静力触探数据处理终端包括移动终端硬件和软件，能够实时监测岩土静力触探试验过程，实时绘制数据采集曲线，三维显示探杆倾斜视图，并且能够设置深度采样间距。所述数据处理终端软件实现各测试数据接收、处理、融合、显示、存储及管理。
[0023]所述岩土静力触探数据处理终端能够按深度和按时间双模式触发采集，能够进行锥尖阻力侧壁摩阻力孔隙水压力岩土静力触探试验和孔隙水压力消散试验。[0024]所述数据处理终端软件能够将采集数据保存为TXT、EXCEL和DAT文件，并且能够读取相应的TXT、EXCEL和DAT文件，重现采集数据曲线。
[0025]【专利附图】
【附图说明】
图1为与本发明具体实施一致的一种多功能数字式岩土静力触探测试系统结构示意图。
[0026]图2为与本发明具体实施一致的一种多功能数字式岩土静力触探测试系统组合测量示意图。
[0027]图3为与本发明具体实施一致的一种多功能数字式岩土静力触探智能变送器数据采集模块结构图。
【具体实施方式】
[0028]下面将结合附图通过实施例，对本发明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的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]图1是本发明一种多功能数字式岩土静力触探测试系统的实施例的结构示意图，本发明实施例包括静力触探探头1、探头与套筒接手2、静力触探数据智能变送器3、钢制套筒4、岩土静力触探电缆5、钢制套筒与探杆接手6、搭载组合智能变送器7、静力触探探杆8、夹具挡板9、静力触探贯入系统(活动部分10、固定部分11)、触探深度变化指示器12、实验操作台水平校准模块13、岩土静力触探数据处理终端14。图2是本发明一种多功能数字式岩土静力触探测试系统组合测量示意图。探头是能够测量锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力的三桥静力触探传感器。通过接手与装有静力触探智能变送器的钢制套筒相连，智能变送器固定在接手的一端，另一端通过转接手与探杆相连。其中，探杆与钢制套筒之间可以组合其他智能变送器数据测量模块。各连接处都使用橡胶圈实现防水密封。触探深度变化指示器齿轮固定在岩土静力触探贯入系统固定部分上，齿条固定在贯入系统活动部分，齿轮转速测量器对准齿轮，行程方向感应器固定在夹具挡板中，贯入系统活动部分向下贯入推动挡板向下运动，行程感应器感应到信号，使齿轮转速测量器计数有效，贯入系统向上拔起挡板行程方向感应器失效，失能齿轮转速测量器。触探深度变化指示器和岩土静力触探数据处理终端连接在CAN总线上。智能变送器数据采集模块、触探深度变化指示器和岩土静力触探数据处理终端通过CAN总线进行对等通信。岩土静力触探数据处理终端对试验数据进行接收、处理、融合、显示、存储及管理。
[0030]本发明一种多功能数字式岩土静力触探测试系统的另一种实施方式是将三桥传感器换成单桥或者双桥传感器，测量的参量由原来的三个变成一个和两个。单桥和双桥静力触探传感器是目前国内静力触探原位测试里主要使用的传感器类型。
[0031]本发明的一种多功能数字式岩土静力触探测试系统的再一种实施方式是在装入静力触探智能变送器的套筒后面再连接岩土静力触探电阻率测试模块、剪切波速模块、倾角测量模块或者它们的组合。土的电阻率和土的含水量、金属离子浓度等关系密切，可以用来评价土壤污染情况。剪切波速能够评价土壤液化程度，具有重要的实际意义。岩土可视化观测模块可以显示钻孔内壁构造特征、岩层裂隙、围岩和煤层接触界面等，并可以初步判断围岩类别，具有显著的技术经济效益。
[0032]下面介绍使用本实施例中本发明一种多功能数字式岩土静力触探测试系统的实施步骤:
开启岩土静力触探测试系统，在岩土静力触探数据处理终端上设置好试验信息参数，并进行零点调节操作；
贯入系统活动部分对夹具挡板施加向下的力，将所述的静力触探探杆压入土中；行程方向感应器使能，齿轮转速测量器开始计数，贯入系统活动部分带动齿条向下运动，齿条带动齿轮旋转，齿轮转速测量器根据齿轮齿峰和齿谷计数，每个齿数对应固定的位移；
深度每贯入设置的深度采样间距，触探深度变化指示器触发，显示模块显示深度值及其变化率，数据传输模块将深度变化信息封装为数据采集命令通过CAN总线传输给智能变送器各数据采集模块，同时将深度值及其变化率传输给岩土静力触探数据处理终端；
岩土静力触探地下系统智能变送器相应采集模块接收命令帧将数据解析，触发模数转换器进行数据采集，采集锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力三路数据；
岩土静力触探传感器信号经过智能变送器放大模块和滤波模块进入模数转换器，模数转换器对岩土静力触探传感器数据接口信号进行模数转换，并将数据发送给微控制器；微控制器对三路数据进行FIR数字滤波，滤波后的信号经过微控制器内部存储的对应参量标定系数换算之后，保留3位小数，所得的值再扩大1000倍，每位数字通过对应的ASCII码封装在CAN报文中，并通过CAN收发器发送至CAN总线上，最后传送至岩土静力触探数据处理终端；
岩土静力触探数据处理终端接收数据之后，对其进行处理、融合、显示、存储、管理及绘图，通过绘图可以实时监控岩土静力触探试验情况；岩土静力触探数据处理终端解析出倾斜角数据之后，通过三维视图显示探杆的倾斜角度与倾斜方向；
在一定深度进行岩土静力触探孔隙水压力消散试验，岩土静力触探数据处理终端按照静力触探通信协议智能变送器相应数据采集模块发送消散试验命令帧；
相应智能变送器采集模块接收命令解析之后，开启模数转换器采集孔隙水压力传感器数据，并将数据打包成CAN数据报文通过CAN收发器发送到岩土静力触探数据处理终端，并在数据处理终端上实时显示孔隙水压力消散曲线；
试验完成之后将数据保存为所需的文件，通过试验后数据处理分析，可以判别和划分土层、了解土层的结构和变化情况。
[0033]在本说明书的描述中，参考术语“ 一个实施例”、“ 一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0034]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种多功能数字式岩土静力触探测试系统，其特征在于:该系统包括岩土静力触探组合式传感器智能变送器、基于CAN总线的数据传输仲裁单元、触探深度变化指示器和岩土静力触探数据处理终端。
2.根据权利要求1所述的一种多功能数字式岩土静力触探测试系统，其特征在于:所述岩土静力触探组合式传感器智能变送器包括岩土静力触探锥尖阻力-侧摩阻力-孔压力数据测量模块、电阻率数据测量模块、剪切波速数据测量模块和倾斜角测量模块； 上述各数据测量模块可以相互组合，组合后的模块在电路上通过CAN数据总线级联及实现远程数据传输。
3.根据权利要求2所述的一种多功能数字式岩土静力触探测试系统，其特征在于:所述岩土静力触探传感器智能变送器数据测量模块包括岩土静力触探传感器接口、模拟信号调理模块、模数转换模块、微控制器、电源模块和CAN总线的数据传输模块； 所述模拟调理模块包括放大模块，模拟滤波模块和零点自动调节模块； 所述模数转换模块至少包含4通道24位I:-A模数转化器，参考电压高达5.5V; 所述智能变送器数据测量模块使用了 FIR数字滤波技术，能够保证采集数据线性相位特性。
4.根据权利要求1所述的一种多功能数字式岩土静力触探测试系统，其特征在于:所述智能变送器各测试参量的标定系数存储于微控制器内部。
5.根据权利要求1所述的一种多功能数字式岩土静力触探测试系统，其特征在于:所述智能变送器直接输出测试参量的值； 所述智能变送器输出的测试参量的值保留3位小数，数据扩大1000倍传输，每一位数字都以对应的ASCII码进 行传输。
6.根据权利要求1所述的一种多功能数字式岩土静力触探测试系统，其特征在于:所述基于CAN总线的数据传输仲裁单元包括CAN的收发器，通信接口，CAN调度协议。
7.根据权利要求1所述的一种多功能数字式岩土静力触探测试系统，其特征在于:所述的触探深度变化指示器包括与深度变化成比例的齿轮旋转装置、齿轮转速测量模块、转速与深度变化转换模块、显示模块和数据传输模块。
8.根据权利要求12所述的一种多功能数字式岩土静力触探测试系统，其特征在于:所述的显示模块用来显示深度值及其变化率，数据传输模块用来把深度值及其变化率实时传送给岩土静力触探数据处理终端；所述数据传输模块使用CAN总线传输。
9.根据权利要求1所述的一种多功能数字式岩土静力触探测试系统，其特征在于:所述岩土静力触探数据处理终端包括移动终端硬件和软件； 所述数据处理终端软件实现各测试数据接收、处理、融合、显示、存储及管理； 所述岩土静力触探数据处理终端采用按深度触发和按时间触发双模式采集，通过改变采集的深度间距及时间间距调整采样率，同时采集触发时间可以设置任意起始采集深度； 所述岩土静力触探数据处理终端实时监测岩土静力触探试验过程，实时显示CAN总线发送的数据，绘制相应的数据采集曲线，显示探杆三维倾斜视图；所述数据处理终端软件能够将采集数据保存为TXT、EXCEL和DAT文件； 所述数据处理终端软件能够读取相应的TXT、EXCEL和DAT文件，重现采集数据曲线。
10.根据权利要求1所述的一种多功能数字式岩土静力触探测试系统，其特征在于:所述岩土静力触探智能变送器各测量模块，触探深度变化指示器和岩土静力触探数据处理终端能够进行对等通信。`
【文档编号】G01N27/00GK103698366SQ201410000338
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2014年1月2日 优先权日:2014年1月2日
【发明者】秦文虎, 黄林, 臧昊, 许庆, 蔡国军, 刘松玉 申请人:东南大学