CN103046524A - 一种用于探测地下磁场强度的孔压静力触探探头 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于探测地下磁场强度的孔压静力触探探头，该探头采用同轴电缆（1）传递信号和数据，在探头的上部设有模数转换器（2）、前置放大器（3）、采样电阻（4）、三维磁场测量元件（5）、三分量地震检波器（6）以及测斜仪（7），其中三维磁场测量元件（5）由6个性能接近的霍尔传感器粘贴在立方体的表面构成；在探头的下部设有侧壁摩擦筒（8），侧壁摩擦筒（8）内设有孔隙水压力传感器（9），在侧壁摩擦筒（8）的下部连接有圆锥探头（11），孔压过滤环（10）位于侧壁摩擦筒（8）和圆锥探头（11）之间。采用该探头，具有原位、直接、快速、准确、经济等特点，为岩土工程实践和地下空间开发提供有力的检测工具。

Description

一种用于探测地下磁场强度的孔压静力触探探头

技术领域

本发明涉及一种可用于探测地下磁场强度的孔压静力触探探头，属于岩土工程领域中一种能够直接、连续地分析测试地下磁场强度分布的静力触探装置。

背景技术

静力触探技术是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力等，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。静力触探技术至今已有80多年的历史。国际上广泛应用静力触探，部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。我国于1965年首先研制成功电测式静力触探并应用于勘察。近几年随着传感器技术的快速发展，出现了很多新的静力触探技术，这些技术能够快速、准确地获得土层的孔隙水压力、地震波、污染物性状、温度、甚至影像。我国在新型静力触探传感器的研究起步比较晚，目前国内广泛使用的单双桥静力触探仅能够测试的贯入阻力或比贯入阻力，侧壁摩阻力，可确定的土层基本物理力学特性非常有限。随着我国经济的快速发展，地下土层中往往埋藏有混凝土桩、钢桩、隔离墙以及高压电线、军用光缆、能源管线等地下结构。混凝土桩和钢桩等坚硬结构物会损坏静力触探探头；高压线、能源线和管线等结构的损坏会对社会安全造成隐患，同时会产生经济的损失。此外，城市地下空间的开发也需要对地下障碍物埋藏位置和区域进行合理判别。因此地下障碍物分布范围的鉴别不但有利于保证静力触探设备的耐久性，还可避免对地下设施造成潜在的损毁，同时也可服务于地下工程的设计。

当地下障碍物中含有铁、钢等金属或有电流通过时，其附近的磁场会发生显著改变，因此对磁场强度的检测可以准确确定地下障碍物的存在与否。磁场强度可采用霍尔传感器进行测量。当霍尔传感器垂直置于磁场中时，若两侧通过恒定电流，则将会在垂直于电流和磁场的另外两侧方向上产生电势差。将6个性能接近的霍尔传感器分别贴在立方体的6个表面，则可以测定三个垂直正交方向的磁场强度，从而得到三维磁场的分布。霍尔传感器对磁场非常敏感，且结构简单，体积小，可在探头内部狭窄间隙中进行测量，频率响应宽，输出电压变化大，灵敏度高，使用寿命长，还可测量非均匀磁场。本发明基于常规的静力触探探头，提出了一种方便、快捷、测试成本低廉的磁场强度原位测试仪器，为岩土工程实践和地下空间开发提供有力的检测工具。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是针对国内现有单双桥静探技术存在的缺陷，提出一种用于探测地下磁场强度的孔压静力触探探头。

技术方案：本发明的用于探测地下磁场强度的孔压静力触探探头，采用同轴电缆传递信号和数据，在探头的上部设有模数转换器、前置放大器、采样电阻、三维磁场测量元件、三分量地震检波器以及测斜仪；在探头的下部设有侧壁摩擦筒，侧壁摩擦筒内设有孔隙水压力传感器，在侧壁摩擦筒的下部连接有圆锥探头，孔压过滤环位于侧壁摩擦筒和圆锥探头之间。

磁场强度量程设置为0～±20mT、0～±200mT和0～±2000mT三个档位，分辨率为0.01mT。

三维磁场测量元件尺寸为5mm×5mm×5mm，工作电压为220V，频率为50Hz，输出电压为0～10V，工作温度范围为-40℃～60℃。

圆锥探头的锥角为60°，锥底截面积为10cm²，摩擦筒表面积150cm²。

孔压过滤环厚度5mm，位于锥肩位置，探头的有效面积比为0.8。

本发明的可探测地下磁场强度的孔压静力触探探头，其磁场强度探测部分主要由同轴电缆、模数转换器、前置放大器、采样电阻、三维磁场测量元件及其内部的电路系统组成。试验前，根据测试区域大致的磁场强度范围，分别为三个测试方向(竖向和水平向)选择合适的量程。探头贯入地下土层时，地表动力系统为三维磁场测量元件提供电源。在电流和地下磁场作用下霍尔元件两侧产生电势差，因此三维磁场测量元件输出三个测试方向的电信号，电路将这一电信号传输至前置放大器进行放大，然后传输至模数转换器。由于霍尔元件的输入电阻容易受到温度和电流变化的影响，导致磁场强度不变时输出电压也会发生漂移，使得磁场测量存在精度误差。因此在电路中设计有采样电阻，利用电压比测量法来抵消温度变化的影响，实现对磁场的精密测量。所有测量和记录的数据经过模数转换器转换为数字信号后，经同轴电缆传输至地表的微机采集和存储系统中保存，绘出实时连续的剖面图。

有益效果：地下埋藏的障碍物，如混凝土桩、钢桩、隔离墙、高压电线、能源线以及管线等设施均会阻碍静力触探贯入，一方面容易对探头造成损坏，另一方面这些设施的破坏威胁着社会的安全，对经济造成潜在的危害。城市地下空间的开发也需要对地下障碍物分布进行准确的定位。地下障碍物的存在往往会导致局部磁场的改变，因此检测地下磁场的分布和变化可以用来评价障碍物的分布特征。

本发明解决了国内现有的单双桥静探技术不能直接评价地下磁场特性的缺陷，通过贯入过程中记录的磁场变化规律，能廉价、方便、快捷、连续的评价地下磁场的原位特性，使得静力触探技术能更准确、全面地服务于岩土工程领域。该项技术具有连续性、可靠性和可重复性的特点。

附图说明

图1是本发明的元件装置图；

其中有：同轴电缆1，模数转换器2，前置放大器3，采样电阻4，三维磁场测量元件5，三分量地震检波器6，测斜仪7，侧壁摩擦筒8，孔隙水压力传感器9，孔压过滤环10，圆锥探头11。

具体实施方式

本发明的可用于探测地下磁场强度的孔压静力触探探头采用同轴电缆1传递信号和数据，在探头的上部设有模数转换器2、前置放大器3、采样电阻4、三维磁场测量元件5、三分量地震检波器6以及测斜仪7；在探头的下部设有侧壁摩擦筒8，侧壁摩擦筒8内设有孔隙水压力传感器9，在侧壁摩擦筒8的下部连接有圆锥探头11，孔压过滤环10位于侧壁摩擦筒8和圆锥探头11之间。

磁场强度量程设置为0～±20mT、0～±200mT和0～±2000mT三个档位，分辨率为0.01mT。

三维磁场测量元件尺寸为5mm×5mm×5mm，工作电压为220V，频率为50Hz，输出电压为0～10V，工作温度范围为-40℃～60℃。

圆锥探头锥角为60°，锥底截面积为10cm²，摩擦筒表面积150cm²。

孔压过滤环厚度5mm，位于锥肩位置，探头的有效面积比为0.8。

该探头集成了常规静力触探的功能(可测端阻、摩阻)、孔隙水压力和磁场强度的功能，解决了不能评价地下磁场的问题，进一步发展了静力触探技术的内容。

试验前，根据测试区域大致的磁场强度范围，分别为三个测试方向(竖向和水平向)选择合适的量程。探头贯入地下土层时，地表动力系统为三维磁场测量元件提供电源。在电流和地下磁场作用下霍尔元件两侧产生电势差，因此三维磁场测量元件输出三个测试方向的电信号，电路将这一电信号传输至前置放大器进行放大，然后传输至模数转换器。由于霍尔元件的输入电阻容易受到温度和电流变化的影响，导致磁场强度不变时输出电压也会发生漂移，使得磁场测量存在精度误差。因此在电路中设计有采样电阻，利用电压比测量法来抵消温度变化的影响，实现对磁场的精密测量。所有测量和记录的数据经过模数转换器转换为数字信号后，经同轴电缆传输至地表的微机采集和存储系统中保存，绘出实时连续的剖而图。

Claims (5)

1.一种用于探测地下磁场强度的孔压静力触探探头，其特征在于采用同轴电缆（1）传递信号和数据，在探头的上部设有模数转换器（2）、前置放大器（3）、采样电阻（4）、三维磁场测量元件（5）、三分量地震检波器（6）以及测斜仪（7）；在探头的下部设有侧壁摩擦筒（8），侧壁摩擦筒（8）内设有孔隙水压力传感器（9），在侧壁摩擦筒（8）的下部连接有圆锥探头（11），孔压过滤环（10）位于侧壁摩擦筒（8）和圆锥探头（11）之间。

2.根据权利要求1所述的用于探测地下磁场强度的孔压静力触探探头，其特征在于磁场强度量程设置为0~±20mT、0~±200mT和0~±2000mT三个档位，分辨率为0.01mT。

3.根据权利要求1所述的用于探测地下磁场强度的孔压静力触探探头，其特征在于三维磁场测量元件（5）尺寸为5mm×5mm×5mm，工作电压为220V，频率为50Hz，输出电压为0~10V，工作温度范围为-40°C~60°C。

4.根据权利要求1所述的用于探测地下磁场强度的孔压静力触探探头，其特征在于圆锥探头（11）的锥角为60°，锥底截面积为10cm²，摩擦筒表面积150cm²。

5.根据权利要求1所述的用于探测地下磁场强度的孔压静力触探探头，其特征在于孔压过滤环（10）厚度5mm，位于锥肩位置，探头的有效面积比为0.8。

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