專利名稱：一種用于探測地下磁場強度的孔壓靜力觸探探頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可用于探測地下磁場強度的孔壓靜力觸探探頭，屬于巖土工程領域中一種能夠直接、連續(xù)地分析測試地下磁場強度分布的靜力觸探裝置。
背景技術：
靜力觸探技術是指利用壓力裝置將帶有觸探頭的觸探桿壓入試驗土層，通過量測系統(tǒng)測試土的錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力等，可確定土的某些基本物理力學特性，如土的變形模量、土的容許承載力等。靜力觸探技術至今已有80多年的歷史。國際上廣泛應用靜力觸探，部分或全部代替了工程勘察中的鉆探和取樣。我國于1965年首先研制成功電測式靜力觸探并應用于勘察。近幾年隨著傳感器技術的快速發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的靜力觸探技術，這些技術能夠快速、準確地獲得土層的孔隙水壓力、地震波、污染物性狀、溫度、甚至影像。我國在新型靜力觸探傳感器的研究起步比較晚，目前國內(nèi)廣泛使用的單雙橋靜力觸探僅能夠測試的貫入阻力或比貫入阻力，側(cè)壁摩阻力，可確定的土層基本物理力學特性非常有限。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，地下土層中往往埋藏有混凝土樁、鋼樁、隔離墻以及高壓電線、軍用光纜、能源管線等地下結構。混凝土樁和鋼樁等堅硬結構物會損壞靜力觸探探頭；高壓線、能源線和管線等結構的損壞會對社會安全造成隱患，同時會產(chǎn)生經(jīng)濟的損失。此外，城市地下空間的開發(fā)也需要對地下障礙物埋藏位置和區(qū)域進行合理判別。因此地下障礙物分布范圍的鑒別不但有利于保證靜力觸探設備的耐久性，還可避免對地下設施造成潛在的損毀，同時也可服務于地下工程的設計。當?shù)叵抡系K物中含有鐵、鋼等金屬或有電流通過時，其附近的磁場會發(fā)生顯著改變，因此對磁場強度的檢測可以準確確定地下障礙物的存在與否。磁場強度可采用霍爾傳感器進行測量。當霍爾傳感器垂直置于磁場中時，若兩側(cè)通過恒定電流，則將會在垂直于電流和磁場的另外兩側(cè)方向上產(chǎn)生電勢差。將6個性能接近的霍爾傳感器分別貼在立方體的6個表面，則可以測定三個垂直正交方向的磁場強度，從而得到三維磁場的分布。霍爾傳感器對磁場非常敏感，且結構簡單，體積小，可在探頭內(nèi)部狹窄間隙中進行測量，頻率響應寬，輸出電壓變化大，靈敏度高，使用壽命長，還可測量非均勻磁場。本發(fā)明基于常規(guī)的靜力觸探探頭，提出了一種方便、快捷、測試成本低廉的磁場強度原位測試儀器，為巖土工程實踐和地下空間開發(fā)提供有力的檢測工具。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(fā)明要解決的技術問題是針對國內(nèi)現(xiàn)有單雙橋靜探技術存在的缺陷，提出一種用于探測地下磁場強度的孔壓靜力觸探探頭。技術方案本發(fā)明的用于探測地下磁場強度的孔壓靜力觸探探頭，采用同軸電纜傳遞信號和數(shù)據(jù)，在探頭的上部設有模數(shù)轉(zhuǎn)換器、前置放大器、采樣電阻、三維磁場測量元件、三分量地震檢波器以及測斜儀；在探頭的下部設有側(cè)壁摩擦筒，側(cè)壁摩擦筒內(nèi)設有孔隙水壓力傳感器，在側(cè)壁摩擦筒的下部連接有圓錐探頭，孔壓過濾環(huán)位于側(cè)壁摩擦筒和圓錐探頭之間。磁場強度量程設置為O ±20mT、0 ±200mT和O ±2000mT三個檔位，分辨率為 O. OlmT。三維磁場測量元件尺寸為5mmX 5mmX 5mm，工作電壓為220V，頻率為50Hz，輸出電
壓為O 10V，工作溫度范圍為-40°c 60°C。圓錐探頭的錐角為60°，錐底截面積為10cm2，摩擦筒表面積150cm2?？讐哼^濾環(huán)厚度5mm，位于錐肩位置，探頭的有效面積比為O. 8。本發(fā)明的可探測地下磁場強度的孔壓靜力觸探探頭，其磁場強度探測部分主要由同軸電纜、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、前置放大器、采樣電阻、三維磁場測量元件及其內(nèi)部的電路系統(tǒng)組成。試驗前，根據(jù)測試區(qū)域大致的磁場強度范圍，分別為三個測試方向(豎向和水平向)選擇合適的量程。探頭貫入地下土層時，地表動力系統(tǒng)為三維磁場測量元件提供電源。在電流和地下磁場作用下霍爾元件兩側(cè)產(chǎn)生電勢差，因此三維磁場測量元件輸出三個測試方向的電信號，電路將這一電信號傳輸至前置放大器進行放大，然后傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于霍爾元件的輸入電阻容易受到溫度和電流變化的影響，導致磁場強度不變時輸出電壓也會發(fā)生漂移，使得磁場測量存在精度誤差。因此在電路中設計有采樣電阻，利用電壓比測量法來抵消溫度變化的影響，實現(xiàn)對磁場的精密測量。所有測量和記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，經(jīng)同軸電纜傳輸至地表的微機采集和存儲系統(tǒng)中保存，繪出實時連續(xù)的剖面圖。有益效果地下埋藏的障礙物，如混凝土樁、鋼樁、隔離墻、高壓電線、能源線以及管線等設施均會阻礙靜力觸探貫入，一方面容易對探頭造成損壞，另一方面這些設施的破壞威脅著社會的安全，對經(jīng)濟造成潛在的危害。城市地下空間的開發(fā)也需要對地下障礙物分布進行準確的定位。地下障礙物的存在往往會導致局部磁場的改變，因此檢測地下磁場的分布和變化可以用來評價障礙物的分布特征。本發(fā)明解決了國內(nèi)現(xiàn)有的單雙橋靜探技術不能直接評價地下磁場特性的缺陷，通過貫入過程中記錄的磁場變化規(guī)律，能廉價、方便、快捷、連續(xù)的評價地下磁場的原位特性，使得靜力觸探技術能更準確、全面地服務于巖土工程領域。該項技術具有連續(xù)性、可靠性和可重復性的特點。


圖1是本發(fā)明的元件裝置圖；其中有同軸電纜1，模數(shù)轉(zhuǎn)換器2，前置放大器3，采樣電阻4，三維磁場測量元件5，三分量地震檢波器6，測斜儀7，側(cè)壁摩擦筒8，孔隙水壓力傳感器9，孔壓過濾環(huán)10，圓錐探頭11。
具體實施例方式本發(fā)明的可用于探測地下磁場強度的孔壓靜力觸探探頭采用同軸電纜I傳遞信號和數(shù)據(jù)，在探頭的上部設有模數(shù)轉(zhuǎn)換器2、前置放大器3、采樣電阻4、三維磁場測量元件
5、三分量地震檢波器6以及測斜儀7 ;在探頭的下部設有側(cè)壁摩擦筒8，側(cè)壁摩擦筒8內(nèi)設有孔隙水壓力傳感器9，在側(cè)壁摩擦筒8的下部連接有圓錐探頭11，孔壓過濾環(huán)10位于側(cè)壁摩擦筒8和圓錐探頭11之間。磁場強度量程設置為O ±20mT、0 ±200mT和O ±2000mT三個檔位，分辨率為 O. OlmT。三維磁場測量元件尺寸為5mmX 5mmX 5mm，工作電壓為220V，頻率為50Hz，輸出電
壓為O 10V，工作溫度范圍為-40°c 60°C。圓錐探頭錐角為60°，錐底截面積為10cm2，摩擦筒表面積150cm2?？讐哼^濾環(huán)厚度5_，位于錐肩位置，探頭的有效面積比為O. 8。該探頭集成了常規(guī)靜力觸探的功能(可測端阻、摩阻)、孔隙水壓力和磁場強度的功能，解決了不能評價地下磁場的問題，進一步發(fā)展了靜力觸探技術的內(nèi)容。試驗前，根據(jù)測試區(qū)域大致的磁場強度范圍，分別為三個測試方向(豎向和水平向)選擇合適的量程。探頭貫入地下土層時，地表動力系統(tǒng)為三維磁場測量元件提供電源。在電流和地下磁場作用下霍爾元件兩側(cè)產(chǎn)生電勢差，因此三維磁場測量元件輸出三個測試方向的電信號，電路將這一電信號傳輸至前置放大器進行放大，然后傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于霍爾元件的輸入電阻容易受到溫度和電流變化的影響，導致磁場強度不變時輸出電壓也會發(fā)生漂移，使得磁場測量存在精度誤差。因此在電路中設計有采樣電阻，利用電壓比測量法來抵消溫度變化的影響，實現(xiàn)對磁場的精密測量。所有測量和記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，經(jīng)同軸電纜傳輸至地表的微機采集和存儲系統(tǒng)中保存，繪出實時連續(xù)的剖而圖。
權利要求
1.一種用于探測地下磁場強度的孔壓靜力觸探探頭，其特征在于采用同軸電纜(I) 傳遞信號和數(shù)據(jù)，在探頭的上部設有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)、前置放大器(3)、采樣電阻(4)、三維磁場測量元件(5)、三分量地震檢波器(6)以及測斜儀(7);在探頭的下部設有側(cè)壁摩擦筒(8),側(cè)壁摩擦筒(8)內(nèi)設有孔隙水壓力傳感器(9)，在側(cè)壁摩擦筒(8)的下部連接有圓錐探頭(11)，孔壓過濾環(huán)(10)位于側(cè)壁摩擦筒(8)和圓錐探頭(11)之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于探測地下磁場強度的孔壓靜力觸探探頭，其特征在于磁場強度量程設置為(?！?0πιΤ、(?！?00πιΤ和(T±2000mT三個檔位，分辨率為O. OlmT。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于探測地下磁場強度的孔壓靜力觸探探頭，其特征在于三維磁場測量元件(5)尺寸為5mmX 5mmX 5mm，工作電壓為220V，頻率為50Hz，輸出電壓為 (T10V，工作溫度范圍為-40° C 60° C。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于探測地下磁場強度的孔壓靜力觸探探頭，其特征在于圓錐探頭(11)的錐角為60°，錐底截面積為10cm2，摩擦筒表面積150cm2。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于探測地下磁場強度的孔壓靜力觸探探頭，其特征在于孔壓過濾環(huán)(10)厚度5_，位于錐肩位置，探頭的有效面積比為O. 8。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種用于探測地下磁場強度的孔壓靜力觸探探頭，該探頭采用同軸電纜(1)傳遞信號和數(shù)據(jù)，在探頭的上部設有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)、前置放大器(3)、采樣電阻(4)、三維磁場測量元件(5)、三分量地震檢波器(6)以及測斜儀(7)，其中三維磁場測量元件(5)由6個性能接近的霍爾傳感器粘貼在立方體的表面構成；在探頭的下部設有側(cè)壁摩擦筒(8)，側(cè)壁摩擦筒(8)內(nèi)設有孔隙水壓力傳感器(9)，在側(cè)壁摩擦筒(8)的下部連接有圓錐探頭(11)，孔壓過濾環(huán)(10)位于側(cè)壁摩擦筒(8)和圓錐探頭(11)之間。采用該探頭，具有原位、直接、快速、準確、經(jīng)濟等特點，為巖土工程實踐和地下空間開發(fā)提供有力的檢測工具。
文檔編號E02D1/02GK103046524SQ20121058369
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權日2012年12月28日
發(fā)明者劉松玉, 蔡國軍, 鄒海峰 申請人:東南大學