一種無(wú)纜的靜力觸探采集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種無(wú)纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，包括觸探頭、PC上位機(jī)、壓力數(shù)據(jù)采集卡和深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和壓力數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)RS232接口電路實(shí)現(xiàn)與PC上位機(jī)串口的數(shù)據(jù)傳輸，PC上位機(jī)的輸出端連接打印機(jī)和顯示器；所述壓力數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置在觸探頭上，壓力數(shù)據(jù)采集卡由壓力傳感器、濾波電路、放大電路、單片機(jī)Ⅰ和存儲(chǔ)芯片Ⅰ依次連接組成；所述深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括增量式光電編碼器、時(shí)間同步模塊和深度數(shù)據(jù)采集卡，深度數(shù)據(jù)采集卡包括單片機(jī)Ⅱ和存儲(chǔ)芯片Ⅱ。本實(shí)用新型通過(guò)控制、存儲(chǔ)和同步功能實(shí)現(xiàn)了無(wú)纜的靜力觸探，可保證土體原位實(shí)驗(yàn)和土體土力學(xué)參數(shù)，能探測(cè)出地下30m以內(nèi)的土力學(xué)參數(shù)，并且縮短了工期、節(jié)省了勞動(dòng)力。
【專利說(shuō)明】
一種無(wú)纜的靜力觸探采集系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)，特別涉及一種無(wú)纜的靜力觸探采集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]靜力觸探試驗(yàn)起源于上世紀(jì)二十年代荷蘭，當(dāng)時(shí)被形象地稱為圓錐貫入試驗(yàn)。上世紀(jì)七十年代，電子式傳感器被應(yīng)用到探頭上來(lái)，例如常見(jiàn)的電阻應(yīng)變式傳感器，可以直接測(cè)量錐尖阻力等參數(shù)并能用配套儀器記錄下來(lái)。
[0003]自從電腦被廣泛應(yīng)用以來(lái)，靜力觸探試驗(yàn)亦進(jìn)入另一層次之發(fā)展階段，已可以通過(guò)計(jì)算機(jī)向靜力觸探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入標(biāo)準(zhǔn)程序，對(duì)靜力觸探試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行控制，從而得到迅速而精確的結(jié)果，使對(duì)靜力觸探試驗(yàn)的研究得到很大的發(fā)展。
[0004]我國(guó)目前使用的靜力觸探方法主要是通過(guò)電纜線傳輸觸探頭量測(cè)所得壓力信號(hào)和深度信號(hào)。靜力觸探試驗(yàn)過(guò)程中，探頭連接著電纜線存在很多不便。除了電纜線和連接頭容易損壞，在連接探桿時(shí)，往往還需幾位人員配合將探桿逐個(gè)加上，這個(gè)過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間，使其應(yīng)用受到了一定局限，且現(xiàn)有的有纜靜力觸探技術(shù)由于壓入方式和探頭材料的限制，只能探測(cè)出地下30m以內(nèi)的土力學(xué)參數(shù)，更深的距離只能采用取圖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)量而非原位實(shí)驗(yàn)，土體受到干擾，不能保證土力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的就在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，而提供一種無(wú)纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用低功耗的控制芯片對(duì)靜力觸探試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行控制、使用IIC協(xié)議的存儲(chǔ)芯片對(duì)有效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)是數(shù)據(jù)同步。
[0006]如上構(gòu)思，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種無(wú)纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，包括觸探頭，其特征在于:還包括PC上位機(jī)、壓力數(shù)據(jù)采集卡和深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和壓力數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)RS232接口電路實(shí)現(xiàn)與PC上位機(jī)串口的數(shù)據(jù)傳輸，PC上位機(jī)的輸出端連接打印機(jī)和顯示器;所述壓力數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置在觸探頭上，壓力數(shù)據(jù)采集卡由壓力傳感器、濾波電路、放大電路、單片機(jī)I和存儲(chǔ)芯片I依次連接組成，單片機(jī)I與電源電路連接，且與RTC時(shí)鐘芯片I雙向連接;所述深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括增量式光電編碼器和深度數(shù)據(jù)采集卡，深度數(shù)據(jù)采集卡包括單片機(jī)Π、RTC時(shí)鐘芯片Π和存儲(chǔ)芯片Π，單片機(jī)Π的輸入端口接收增量式光電編碼器的輸出信號(hào)，單片機(jī)Π的輸出端口與存儲(chǔ)芯片Π連接，且與RTC時(shí)鐘芯片Π雙向連接。
[0007]上述電源電路包括鋰電池供電和電源管理芯片，鋰電池通過(guò)電源管理芯片與壓力數(shù)據(jù)采集卡的單片機(jī)的電源接口連接。
[0008]上述RTC時(shí)鐘芯片I和RTC時(shí)鐘芯片Π采用PCF8563時(shí)鐘芯片。
[0009]上述單片機(jī)I和單片機(jī)Π采用MSP430單片機(jī)。
[0010]上述存儲(chǔ)芯片I和存儲(chǔ)芯片Π采用AT24C1024。
[0011]上述電源管理芯片采用RT9193-33GB。
[0012]上述觸探頭采用雙橋探頭。
[0013]本實(shí)用新型通過(guò)控制、存儲(chǔ)和同步功能實(shí)現(xiàn)了無(wú)纜的靜力觸探，可保證土體原位實(shí)驗(yàn)和土體土力學(xué)參數(shù)，能探測(cè)出地下30m以內(nèi)的土力學(xué)參數(shù)，并且縮短了工期、節(jié)省了勞動(dòng)力。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本實(shí)用新型的硬件結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖2是壓力數(shù)據(jù)采集卡原理框圖；
[0016]圖3是深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖；
[0017]圖4是壓力數(shù)據(jù)采集卡電源電路圖；
[0018]圖5是基準(zhǔn)電源電路圖；
[0019]圖6是放大電路圖；
[0020]圖7是存儲(chǔ)電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖1所示:一種無(wú)纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，包括PC上位機(jī)、壓力數(shù)據(jù)采集卡和深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和壓力數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)RS232接口電路實(shí)現(xiàn)與PC上位機(jī)串口的數(shù)據(jù)傳輸，PC上位機(jī)的輸出端連接打印機(jī)和顯示器。
[0022]靜力觸探主要由壓力數(shù)據(jù)采集卡和深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，在工作期間，壓力數(shù)據(jù)采集卡裝在靜力觸探頭上，主要負(fù)責(zé)將抬頭的錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力進(jìn)行壓力采集，并對(duì)每組數(shù)據(jù)附上同步時(shí)鐘數(shù)據(jù)。深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)探頭深度數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)每組數(shù)據(jù)附上同步時(shí)鐘數(shù)據(jù)。作業(yè)完畢后通過(guò)上位機(jī)將壓力和深度數(shù)據(jù)擬合出壓力深度數(shù)據(jù)曲線。
[0023]基于數(shù)據(jù)采集卡的無(wú)纜靜力觸探系統(tǒng)是對(duì)已有的通過(guò)電纜線傳輸數(shù)據(jù)的靜力觸探系統(tǒng)的改進(jìn)，觸探頭使用雙橋探頭，分別對(duì)錐尖阻力和側(cè)壁摩擦阻力進(jìn)行采集，同時(shí)使用光電編碼器傳感器測(cè)量深度。兩數(shù)據(jù)采集卡均以MSP430單片機(jī)為核心，以RTC時(shí)鐘芯片作為數(shù)據(jù)同步中間參數(shù)，數(shù)據(jù)采集過(guò)程由單片機(jī)程序控制。壓力傳感器和光電傳感器測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)由單片機(jī)進(jìn)行采集存儲(chǔ)。存儲(chǔ)在IIC協(xié)議的存儲(chǔ)芯片中。
[0024]1、壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如圖2、4、5、6、7所示)
[0025]壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩個(gè)部分，硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容包括觸探頭和設(shè)置在觸探頭內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)采集卡，壓力數(shù)據(jù)采集卡由壓力傳感器、二階低通濾波電路、差分放大電路、單片機(jī)MSP430和存儲(chǔ)芯片AT24C1024依次連接組成，單片機(jī)MSP430與電源電路連接，與RTC時(shí)鐘芯片I雙向連接。觸探頭用于直接感受土層壓力，通過(guò)觸探頭內(nèi)的壓力傳感器輸出與壓力成正比的電壓，壓力數(shù)據(jù)采集卡將傳感器的輸出電壓經(jīng)過(guò)濾波、放大后由單片機(jī)MSP430定時(shí)進(jìn)行采集，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出保存到存儲(chǔ)芯片AT24C1024上。壓力數(shù)據(jù)采集卡是采用鋰電池供電，鋰電池通過(guò)電源管理芯片RT9193-33GB給壓力數(shù)據(jù)采集卡提供電能，并且靜力觸探探頭需要提供一個(gè)精密電壓，此精密電壓采用精密電源芯片TL431BIPK提供。探頭返回的電壓信號(hào)在0.lmv-0.2mv之間變化，通過(guò)放大電路將傳感器的輸出電壓放大到單片機(jī)可讀取的電壓信號(hào)范圍。在實(shí)際工作過(guò)程中，為降低外界的干擾，通過(guò)一個(gè)濾波電路，將噪音過(guò)濾。軟件部分要完成的功能有定時(shí)采集數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和串口通訊功能。
[0026]2.深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如圖3所示)
[0027]深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集硬件和單片機(jī)軟件，硬件主要包括增量式光電編碼器，時(shí)間同步模塊和深度數(shù)據(jù)采集卡。深度數(shù)據(jù)采集卡包括單片機(jī)MSP430和存儲(chǔ)芯片AT24C1024，單片機(jī)MSP430的輸入端口接收增量式光電編碼器的輸出信號(hào)，單片機(jī)MSP430的輸出端口與存儲(chǔ)芯片AT24C1024和PCF8563時(shí)鐘芯片連接。增量式編碼器是將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，單片機(jī)MSP430通過(guò)記錄該周期性的電信號(hào)記錄探頭的位移，深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照和壓力數(shù)據(jù)采集卡相同的周期進(jìn)行記錄深度數(shù)據(jù)，并將讀取到的數(shù)據(jù)附上同步時(shí)鐘數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到IIC協(xié)議的存儲(chǔ)芯片AT24C1024上，深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用外部供電，用市場(chǎng)上可買到的5V適配器即可。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種無(wú)纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，包括觸探頭，其特征在于:還包括PC上位機(jī)、壓力數(shù)據(jù)采集卡和深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和壓力數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)RS232接口電路實(shí)現(xiàn)與PC上位機(jī)串口的數(shù)據(jù)傳輸，PC上位機(jī)的輸出端連接打印機(jī)和顯示器;所述壓力數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置在觸探頭上，壓力數(shù)據(jù)采集卡由壓力傳感器、濾波電路、放大電路、單片機(jī)I和存儲(chǔ)芯片I依次連接組成，單片機(jī)I與電源電路連接，且與RTC時(shí)鐘芯片I雙向連接;所述深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括增量式光電編碼器和深度數(shù)據(jù)采集卡，深度數(shù)據(jù)采集卡包括單片機(jī)IKRTC時(shí)鐘芯片Π和存儲(chǔ)芯片Π，單片機(jī)Π的輸入端口接收增量式光電編碼器的輸出信號(hào)，單片機(jī)Π的輸出端口與存儲(chǔ)芯片Π連接，且與RTC時(shí)鐘芯片Π雙向連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，其特征在于:上述電源電路包括鋰電池供電和電源管理芯片，鋰電池通過(guò)電源管理芯片與壓力數(shù)據(jù)采集卡的單片機(jī)的電源接口連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，其特征在于:上述RTC時(shí)鐘芯片I和RTC時(shí)鐘芯片Π采用PCF8563時(shí)鐘芯片。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，其特征在于:上述單片機(jī)I和單片機(jī)Π采用MSP430單片機(jī)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，其特征在于:上述存儲(chǔ)芯片I和存儲(chǔ)芯片Π采用AT24C1024。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，其特征在于:上述觸探頭采用雙橋探頭。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無(wú)纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，其特征在于:上述電源管理芯片采用 RT9193-33GB。
【文檔編號(hào)】E02D1/02GK205530199SQ201620074882
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年1月26日
【發(fā)明人】龔?fù)? 張巖, 李建軍, 王慧慧, 李梅, 趙俊剛, 李夏萱, 姚明偉
【申請(qǐng)人】天津城建大學(xué)