一種無纜的靜力觸探采集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種無纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，包括觸探頭、PC上位機、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RS232接口電路實現(xiàn)與PC上位機串口的數(shù)據(jù)傳輸，PC上位機的輸出端連接打印機和顯示器；所述壓力數(shù)據(jù)采集卡設置在觸探頭上，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Ⅰ和存儲芯片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Ⅱ和存儲芯片Ⅱ。本實用新型通過控制、存儲和同步功能實現(xiàn)了無纜的靜力觸探，可保證土體原位實驗和土體土力學參數(shù)，能探測出地下30m以內(nèi)的土力學參數(shù)，并且縮短了工期、節(jié)省了勞動力。
【專利說明】
一種無纜的靜力觸探采集系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于信號探測系統(tǒng)，特別涉及一種無纜的靜力觸探采集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]靜力觸探試驗起源于上世紀二十年代荷蘭，當時被形象地稱為圓錐貫入試驗。上世紀七十年代，電子式傳感器被應用到探頭上來，例如常見的電阻應變式傳感器，可以直接測量錐尖阻力等參數(shù)并能用配套儀器記錄下來。
[0003]自從電腦被廣泛應用以來，靜力觸探試驗亦進入另一層次之發(fā)展階段，已可以通過計算機向靜力觸探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入標準程序，對靜力觸探試驗過程進行控制，從而得到迅速而精確的結(jié)果，使對靜力觸探試驗的研究得到很大的發(fā)展。
[0004]我國目前使用的靜力觸探方法主要是通過電纜線傳輸觸探頭量測所得壓力信號和深度信號。靜力觸探試驗過程中，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，往往還需幾位人員配合將探桿逐個加上，這個過程耗費時間，使其應用受到了一定局限，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，只能探測出地下30m以內(nèi)的土力學參數(shù)，更深的距離只能采用取圖樣進行實驗室測量而非原位實驗，土體受到干擾，不能保證土力學參數(shù)準確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實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靜力觸探試驗過程進行控制、使用IIC協(xié)議的存儲芯片對有效數(shù)據(jù)存儲、利用實時時鐘來實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析時是數(shù)據(jù)同步。
[0006]如上構(gòu)思，本實用新型的技術(shù)方案是:一種無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、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RS232接口電路實現(xiàn)與PC上位機串口的數(shù)據(jù)傳輸，PC上位機的輸出端連接打印機和顯示器;所述壓力數(shù)據(jù)采集卡設置在觸探頭上，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I和存儲芯片I依次連接組成，單片機I與電源電路連接，且與RTC時鐘芯片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Π、RTC時鐘芯片Π和存儲芯片Π，單片機Π的輸入端口接收增量式光電編碼器的輸出信號，單片機Π的輸出端口與存儲芯片Π連接，且與RTC時鐘芯片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，鋰電池通過電源管理芯片與壓力數(shù)據(jù)采集卡的單片機的電源接口連接。
[0008]上述RTC時鐘芯片I和RTC時鐘芯片Π采用PCF8563時鐘芯片。
[0009]上述單片機I和單片機Π采用MSP430單片機。
[0010]上述存儲芯片I和存儲芯片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]本實用新型通過控制、存儲和同步功能實現(xiàn)了無纜的靜力觸探，可保證土體原位實驗和土體土力學參數(shù)，能探測出地下30m以內(nèi)的土力學參數(shù)，并且縮短了工期、節(jié)省了勞動力。
【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型的硬件結(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是基準電源電路圖；
[0019]圖6是放大電路圖；
[0020]圖7是存儲電路圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖1所示:一種無纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，包括PC上位機、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RS232接口電路實現(xiàn)與PC上位機串口的數(shù)據(jù)傳輸，PC上位機的輸出端連接打印機和顯示器。
[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，主要負責將抬頭的錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力進行壓力采集，并對每組數(shù)據(jù)附上同步時鐘數(shù)據(jù)。深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負責探頭深度數(shù)據(jù)的采集，并對每組數(shù)據(jù)附上同步時鐘數(shù)據(jù)。作業(yè)完畢后通過上位機將壓力和深度數(shù)據(jù)擬合出壓力深度數(shù)據(jù)曲線。
[0023]基于數(shù)據(jù)采集卡的無纜靜力觸探系統(tǒng)是對已有的通過電纜線傳輸數(shù)據(jù)的靜力觸探系統(tǒng)的改進，觸探頭使用雙橋探頭，分別對錐尖阻力和側(cè)壁摩擦阻力進行采集，同時使用光電編碼器傳感器測量深度。兩數(shù)據(jù)采集卡均以MSP430單片機為核心，以RTC時鐘芯片作為數(shù)據(jù)同步中間參數(shù)，數(shù)據(jù)采集過程由單片機程序控制。壓力傳感器和光電傳感器測得的試驗數(shù)據(jù)由單片機進行采集存儲。存儲在IIC協(xié)議的存儲芯片中。
[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)的設計包括硬件和軟件兩個部分，硬件設計內(nèi)容包括觸探頭和設置在觸探頭內(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MSP430和存儲芯片AT24C1024依次連接組成，單片機MSP430與電源電路連接，與RTC時鐘芯片I雙向連接。觸探頭用于直接感受土層壓力，通過觸探頭內(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)過濾波、放大后由單片機MSP430定時進行采集，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出保存到存儲芯片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在0.lmv-0.2mv之間變化，通過放大電路將傳感器的輸出電壓放大到單片機可讀取的電壓信號范圍。在實際工作過程中，為降低外界的干擾，通過一個濾波電路，將噪音過濾。軟件部分要完成的功能有定時采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲和串口通訊功能。
[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)采集硬件和單片機軟件，硬件主要包括增量式光電編碼器，時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MSP430和存儲芯片AT24C1024，單片機MSP430的輸入端口接收增量式光電編碼器的輸出信號，單片機MSP430的輸出端口與存儲芯片AT24C1024和PCF8563時鐘芯片連接。增量式編碼器是將位移信號轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，單片機MSP430通過記錄該周期性的電信號記錄探頭的位移，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行記錄深度數(shù)據(jù)，并將讀取到的數(shù)據(jù)附上同步時鐘數(shù)據(jù)存儲到IIC協(xié)議的存儲芯片AT24C1024上，深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用外部供電，用市場上可買到的5V適配器即可。
【主權(quán)項】
1.一種無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、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RS232接口電路實現(xiàn)與PC上位機串口的數(shù)據(jù)傳輸，PC上位機的輸出端連接打印機和顯示器;所述壓力數(shù)據(jù)采集卡設置在觸探頭上，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I和存儲芯片I依次連接組成，單片機I與電源電路連接，且與RTC時鐘芯片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IKRTC時鐘芯片Π和存儲芯片Π，單片機Π的輸入端口接收增量式光電編碼器的輸出信號，單片機Π的輸出端口與存儲芯片Π連接，且與RTC時鐘芯片Π雙向連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無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，鋰電池通過電源管理芯片與壓力數(shù)據(jù)采集卡的單片機的電源接口連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，其特征在于:上述RTC時鐘芯片I和RTC時鐘芯片Π采用PCF8563時鐘芯片。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，其特征在于:上述單片機I和單片機Π采用MSP430單片機。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無纜的靜力觸探采集系統(tǒng)，其特征在于:上述存儲芯片I和存儲芯片Π采用AT24C1024。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無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】E02D1/02GK205530199SQ201620074882
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月26日
【發(fā)明人】龔威, 張巖, 李建軍, 王慧慧, 李梅, 趙俊剛, 李夏萱, 姚明偉
【申請人】天津城建大學