专利名称：一种测量岩土剪切波速的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种岩土动力参数的测量方法和测量系统，尤其涉及一种测量岩土剪
切波速的方法及能够实现该方法的系统。 测量岩土层剪切波速是确定被测岩土动参数的重要手段之一，它被广泛应用于地 震安评、建筑工程设计和规划等领域。常规的测量方法均是通过瞬态激振产生一未知剪切 波(频率、相位和振幅未知)，然后用人工肉眼在记录波形上找出接收点的初动时刻与振 源激振时刻的差来计算出剪切波在该岩层的传播速度。这种测量方法由于需要人工参与 识别，并且由于接收频带太宽使得信号抗干扰能力较差，因此其测量误差比较大，一般在 15%_25%左右。另外，为了提高信噪比，多数情况下须用人工的方法激振，常采用的方式为 锤击，这样就大大增加了测量过程的工作量，从而降低了测量效率。 本发明的一个目的在于解决目前岩土剪切波速测量精度低的问题，提供一种测量 岩土剪切波速的新方法。 本发明所采用的技术方案为一种测量岩土剪切波速的方法，首先，由振源在时刻 t0产生频率为fl的剪切波；在时刻t0+tc触发计数器开始计数，所述计数器的触发脉冲的 频率为f2，其中，tc为预设的触发计数延时；将位于井孔内位置n处的检波探头输出的包含 所述剪切波的检测信号进行抗干扰处理，得到输入至剪切波接收处理电路的输出频率为fl 的方波，其中，nX);所述计数器在剪切波接收处理电路接收到所述方波的时刻tl(n)时停 止计数； 所述振源到达位置n处的行程综合剪切波速V^)的计算公式如下，其中，所述时 间的单位均为ms，所述频率的单位为MHz : 其中，D(n)为位于位置n处的所述检波探头与振源之间的直线距离；N(n)为所述 计数器在时刻tO+tc至时刻tl (n)期间的计数值。 优选地，所述振源产生剪切波的过程如下，频率为f0的占空比为50%的原始方波 经分频器进行分频得到频率为fl的基础方波，所述基础方波经过整形放大后形成频率为 fl的正弦波，所述正弦波在开关管的作用下在时刻to使超磁喇叭输出所述剪切波。
优选地，所述检波探头在配谐电容的作用下，使其谐振频率也为fl，所述检测信号 的抗干扰处理的过程如下，所述检测信号依次经过前置放大、选频放大和放大整形后形成 上下沿陡峭的所述方波。 本发明的另一个目的在于提供一种能够实现上述方法的测量岩土剪切波速的系
背景技术：
发明内容
D(n)
本发明所采用的技术方案为一种测量岩土剪切波速的系统，包括振源、接收处理 单元、识别电路和剪切波接收处理电路； 所述振源包括方波发生器，输出频率为f0的占空比为50%的原始方波；分频器， 对所述原始方波进行分频处理，得到频率为fl的基础方波；整形和功率放大单元，对所述 基础方波进行整形放大处理，得到频率为fl的正弦波；以及，超磁喇叭，所述超磁喇叭与所 述整形和功率放大单元之间连接有控制所述超磁喇叭在时刻t0输出频率为fl的剪切波的 开关管； 所述接收处理单元包括检波探头，所述检波探头配并有使其谐振频率为fl的配 谐电容，所述检波探头用于接收包括所述剪切波的检测信号；所述接收处理单元用于输出 频率为fl的方波至所述剪切波接收处理电路； 所述识别电路包括脉冲发生器，输出频率为f2的触发脉冲；计数器，用于在触发 脉冲的作用下进行计数；计算单元，用于计算计数器在时刻tO+tc至时刻tl(n)期间的计数 值N(n)，其中，所述时刻tl(n)为所述检波探头位于位置n处时所述剪切波接收处理电路接 收到所述方波的时刻，n > 0 ;所述计算单元在时刻t0控制所述开关管导通所述正弦波，其 中，所述tc为计算单元预设的触发计数延时；计数控制单元，所述计数控制单元在计算单 元的控制下于时刻t0+tc触发计数器开始计数，在所述剪切波接收处理电路的控制下于时 刻tl(n)终止计数器计数。 优选地，所述接收处理单元还包括前置放大电路，用于对所述检测信号进行前置 的放大处理，得到前置放大信号；选频放大电路，用于对所述前置放大信号进行选频放大处 理，得到频率为fl的选频放大信号；整形放大电路，用于对所述选频放大信号进行最终的 整形放大处理，输出所述的剪切波。 优选地，所述检波探头包括多个位于不同方向上的检波器。 优选地，所述剪切波接收处理电路包括一个受控于所述计算单元的常开触发计数 开关和一个受控于所述剪切波接收处理电路的常闭终止计数开关。 本发明的有益效果为本发明所述的测量岩土剪切波速的方法采用了可控已知的 振源(频率、相位和振幅已知)作为剪切波的发生器，这给信号的自动识别和提高测量精度 创造了先决条件；除此之外，本方法同时采用了先进的信号测量技术和测量器件，从而实现 了对岩土剪切波速进行高精度测量，测量误差在1% — 3%之间，并且也提高了测量效率， 50米深的井孔的测试时间一般只需10分钟。
图1为本发明所述振源的原理图； 图2为本发明所述接收处理单元的原理图； 图3为本发明所述识别电路的原理图； 图4为本发明所述测量岩土剪切波速的方法的原理示意图。
具体实施例方式
现结合附图对本发明所述的测量岩土剪切波速的方法及系统进行详细的说明。
如图1、2和3所示，所述测量岩土剪切波速的系统包括振源10、接收处理单元20、 识别电路30和剪切波接收处理电路40。 所述振源包括方波发生器、分频器102、整形放大单元103和超磁喇叭105。所述 方波发生器包括晶体振荡器101和CMOS反相器，该方波发生器输出频率为f0的占空比为 50%的原始方波。所述分频器102对原始方波进行分频处理，得到频率为fl的基础方波，为 了减小剪切波在岩土中的衰减和环境噪声的干扰，fl的数值优选为300 500Hz，具体数值 不应选为50Hz的整数倍。由于要推动超磁喇叭105需要一定的功率，因此，通过所述整形 和功率放大单元103对所述基础方波进行整形放大处理，得到频率为单一的fl的正弦波， 并且输出功率通常在100w 1000w之间可调。超磁喇叭105与所述整形和功率放大单元 103之间连接有控制所述超磁喇叭105在时刻t0输出频率为fl的剪切波的开关管104。
所述接收处理单元20包括检波探头201、前置放大电路203、选频放大电路204和 整形放大电路205。在本领域内通常采用检波器作为检波器件，由于检波器在井孔中的方向 比较难确定，因此，为了保证检波探头201能够检测到足够大的振动信号，本实施例中，检 波探头201优选为包括多个，一般为三个，位于不同方向上的检波器；所述检波探头201配 并有使其谐振频率为fl的配谐电容，这样可以大大提高信号检出的选择性和灵敏度，即有 效提高了检波探头201输出的检测信号的信噪比。所述前置放大电路203用于对所述检测 信号进行前置的放大处理，得到前置放大信号，所述前置放大电路203的放大增益可选在 20 100之间。所述选频放大电路204用于对所述前置放大信号进行选频放大处理，得到 频率为fl的选频放大信号，利用有用信号的频率fl单一的特点，本实施例通过高品质因数 的窄带选频放大电路即可将有用的信号进行放大，而有效抑制掉带外的干扰信号。所述整 形放大电路205用于对所述选频放大信号进行最终的整形放大处理，输出上下沿陡峭的方 波至图4所示的剪切波接收处理电路40。 所述识别电路30包括脉冲发生器301、计数控制单元302、计数器303和计算单 元304。所述脉冲发生器输出连续稳定的频率为f2的触发脉冲，该触发脉冲作为一个标准 的度量衡。计数器303用于在触发脉冲的作用下进行计数，为了提高时差识别的分辨率和 记录的精度，本实施例中将触发脉冲的频率设置为20MHz，相应地，必须提高计数器303的 频率，本实施例中采用高速二进制计数芯片，这里采用的芯片是截止频率为80MHz，型号为 74HC4040的12位二进制计数芯片，另外，要提高记录精度，必须增加计数器303的位数，这 里通过两片74HC4040芯片组成了 24位二进制高速计数器。所述计数控制单元302在计算 单元302的控制下于时刻tO+tc触发计数器303开始计数，并在所述剪切波接收处理电路 40的控制下于时刻tl(n)终止计数器303计数；其中，所述时刻tl(n)为所述剪切波接收 处理电路40在检波探头201位于井孔位置n处时接收到所述方波的时刻，n > 0， n值为0 时表示检波探头201与振源10之间的直线距离为0， n值越大表示检波探头201距离振源 10的直线距离越远。所述计算单元304用于计算计数器在时刻tO+tc至时刻tl (n)期间的 计数值N(n)，其中，N(n)表示与检波探头201位于井孔位置n处所对应的计数值；所述计算 单元304在时刻t0控制所述开关管导通所述正弦波，其中，所述tc为计算单元304预设的 触发计数延时，所述计算单元304可以为最常用的CPU。 如图3所示，所述计数控制单元302可以包括一个受控于计算单元302的常开触 发计数开关k0和一个受控于所述剪切波接收处理电路40的常闭终止计数开关kl，即当计
6算单元302发来一个与时刻t0+tc同步的控制信号时，常开触发计数开关k0导通，计数器 303开始计数，当剪切波接收处理电路40发来的与tl同步的控制信号时，常闭终止计数开 关kl断开，计数结束。 首先，由振源在时刻tO产生频率为fl的剪切波；在时刻tO+tc触发计数器开始计 数，所述计数器的触发脉冲的频率为f2，其中，tc为预设的触发计数延时；将位于井孔内第 n层处的检波探头输出的包含所述剪切波的检测信号进行抗干扰处理，得到输入剪切波接 收处理电路的输出频率为fl的方波，其中，n为整数，第0层为所述检波探头与振源之间的 垂直距离为0 ;所述计数器在剪切波接收处理电路接收到所述方波的时刻tl(n)时停止计 行程综合剪切波速Vi^的计算公式的推导过程如下，其中，所述时间的单位均为 ms，所述频率的单位为MHz : Td(n) = tl(n)-tO-td (1) 其中，Td(n)为所述剪切波从振源传到位于岩土位置n处的检波探头201的时长； td为所述接收处理单元20产生的延时，其数值为
td = tl(O)-tO-Td(O) (2) 其中，Td(O) = 0 ; (3)
^) = D(n)4" (4)
,Td(n)
其中，D(n)为位于岩土位置n处的检波探头201与振源IO之间的直线距离； tl(n)-tO = N(n)/(f2X103)+tc (5)
综合公式(1)至(5)得出所述行程综合剪切波速Vi^为 岩土 n2位置与nl位置之间的剪切波速Vs(nl — n2)的计算方法如下，其中数值 n2大于数值nl :Vs (nl — n2) = (D (n2_D (nl)) / (Td (n2) -Td (nl)) (7) 将公式(1)和(5)代入公式(7)得出:Vs (nl — n2) = (D (n2) _D (nl)) X f 2 X 103/ (N (n2) _N (nl)) 由上可知，本发明所述的测量岩土剪切波速的方法不仅简单，而且具有精度高和 效率高的特点。 综上所仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发 明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。
权利要求
一种测量岩土剪切波速的方法，其特征在于首先，由振源在时刻t0产生频率为f1的剪切波；在时刻t0+tc触发计数器开始计数，所述计数器的触发脉冲的频率为f2，其中，tc为预设的触发计数延时；将位于井孔内位置n处的检波探头输出的包含所述剪切波的检测信号进行抗干扰处理，得到输入至剪切波接收处理电路的输出频率为f1的方波，其中，n≥0；所述计数器在剪切波接收处理电路接收到所述方波的时刻t1(n)时停止计数；所述振源到达位置n处的行程综合剪切波速的计算公式如下，其中，所述时间的单位均为ms，所述频率的单位为MHz <mrow><mover> <mrow><mi>Vs</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mo>‾</mo></mover><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>D</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>N</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mn>2</mn> <mo>×</mo> <msup><mn>10</mn><mn>3</mn> </msup> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>tc</mi><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mn>1</mn> <mrow><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>t</mi> <mn>0</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>其中，D(n)为位于位置n处的所述检波探头与振源之间的直线距离；N(n)为所述计数器在时刻t0+tc至时刻t1(n)期间的计数值。F2009102598428C0000011.tif
2. 根据权利要求1所述的测量岩土剪切波速的方法，其特征在于所述振源产生剪切波的过程如下，频率为f0的占空比为50%的原始方波经分频器进行分频得到频率为fl的基础方波，所述基础方波经过整形放大后形成频率为fl的正弦波，所述正弦波在开关管的作用下在时刻to使超磁喇叭输出所述剪切波。
3. 根据权利要求1或2所述的测量岩土剪切波速的方法，其特征在于所述检波探头在配谐电容的作用下，使其谐振频率也为fl，所述检测信号的抗干扰处理的过程如下，所述检测信号依次经过前置放大、选频放大和放大整形后形成上下沿陡峭的所述方波。
4. 一种测量岩土剪切波速的系统，其特征在于包括振源、接收处理单元、识别电路和剪切波接收处理电路；所述振源包括方波发生器，输出频率为f0的占空比为50%的原始方波；分频器，对所述原始方波进行分频处理，得到频率为fl的基础方波；整形和功率放大单元，对所述基础方波进行整形放大处理，得到频率为fl的正弦波；以及，超磁喇叭，所述超磁喇叭与所述整形和功率放大单元之间连接有控制所述超磁喇叭在时刻tO输出频率为fl的剪切波的开关管；所述接收处理单元包括检波探头，所述检波探头配并有使其谐振频率为fl的配谐电容，所述检波探头用于接收包括所述剪切波的检测信号；所述接收处理单元用于输出频率为fl的方波至所述剪切波接收处理电路；所述识别电路包括脉冲发生器，输出频率为f2的触发脉冲；计数器，用于在触发脉冲的作用下进行计数；计算单元，用于计算计数器在时刻tO+tc至时刻tl(n)期间的计数值N(n)，其中，所述时刻tl (n)为所述检波探头位于位置n处时所述剪切波接收处理电路接收到所述方波的时刻，n > 0 ;所述计算单元在时刻t0控制所述开关管导通所述正弦波，其中，所述tc为计算单元预设的触发计数延时；计数控制单元，所述计数控制单元在计算单元的控制下于时刻tO+tc触发计数器开始计数，在所述剪切波接收处理电路的控制下于时刻tl(n)终止计数器计数。
5. 根据权利要求4所述的测量岩土剪切波速的系统，其特征在于所述接收处理单元还包括前置放大电路，用于对所述检测信号进行前置的放大处理，得到前置放大信号；选频放大电路，用于对所述前置放大信号进行选频放大处理，得到频率为fl的选频放大信号； 整形放大电路，用于对所述选频放大信号进行最终的整形放大处理，输出所述的剪切波。
6. 根据权利要求4或5所述的一种测量岩土剪切波速的系统，其特征在于所述检波 探头包括多个位于不同方向上的检波器。
7. 根据权利要求4或5所述的一种测量岩土剪切波速的系统，其特征在于所述剪切 波接收处理电路包括一个受控于所述计算单元的常开触发计数开关和一个受控于所述剪 切波接收处理电路的常闭终止计数开关。
全文摘要
本发明公开了一种测量岩土剪切波速的方法和系统，该方法首先由振源在时刻t0产生频率为f1的剪切波；在时刻t0+tc触发计数器开始计数，计数器的触发脉冲的频率为f2，其中，tc为预设的触发计数延时；将位于井孔内位置n处的检波探头输出的包含剪切波的检测信号进行抗干扰处理，得到输入至剪切波接收处理电路的输出频率为f1的方波，其中，n≥0；计数器在剪切波接收处理电路接收到方波的时刻t1(n)时停止计数；位置n与所述振源之间的行程综合剪切波速的计算公式为。本发明所述方法和系统可以有效提高岩土剪切波速的测量精度。
文档编号G01H5/00GK101718579SQ20091025984
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者严兴, 刘昌谋, 柴剑勇, 许昭永, 陈立军 申请人:柴剑勇;刘昌谋;陈立军;许昭永;严兴