懸掛式波速測井儀的製作方法

2023-10-17 19:54:19

專利名稱：懸掛式波速測井儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及巖土工程勘察測試技術領域的一種懸掛式波速測井儀，特別適合作巖土勘察時在鑽孔中測定巖土的壓縮波和剪切波傳播速度的波速測量裝置。
背景技術：
在工程地質勘察中，一般採用鑽探方法，鑽孔取樣，得到不同巖性的厚度及巖土的其它物理力學性質，剪切波和壓縮波的傳播速度作為一種反映巖土的動力學性質的參數，在建築物抗震設計和場地地震安全評價中是一種必須測試的參數，目前在測定地層波速方面，主要採用單孔法和跨孔法，單孔法是在鑽孔中放置傳感器，在地面設置振源，測定剪切波或壓縮波自地面傳播到傳感器的時間，進而計算出地層的波速。這種方法，存在兩個缺點，一是孔中傳感器需要貼在孔壁上，增加了測試難度和不便，二是鑽孔較深時，如深度大於80m，自地面傳播到大於80m深度時，由於信號衰減難以測試到傳播時間。跨孔法需要兩個鑽孔，且兩孔均應保持垂直，在一個孔中放置振源，一個孔放置傳感器，測定剪切波或壓縮波從一孔傳播到另一孔的時間，由於兩孔距離是已知的，所以也可以計算兩孔間地層的波速。但跨孔法需鑽探兩個孔，使鑽探工作量增加了兩倍。

發明內容
本實用新型的目的在於避免上述背景技術中的不足之處而提供一種振源和傳感器懸掛放入鑽孔內測試波速方法簡單的懸掛式波速測井儀，且本實用新型還具有不受測試深度影響、傳感器不需貼在孔壁上、測試精度高、儀器輕便、不受地面環境條件影響等優點。
本實用新型的目的是這樣實現的它由兩個傳感器6、8、電磁振源10、前置放大器11、濾波器12、緩衝器13、模數轉換器14、緩存器15、接口電路16、邏輯控制器17、電源18、振源控制器19組成。其中兩個傳感器6、8輸出端分別通過電纜線9與前置放大器11入端1、4腳連接，電磁振源10入端通過電纜線9與振源控制器19入端1腳連接，前置放大器11出端2腳依次串接濾波器12、緩衝器13、模數轉換器14、緩存器15、按口電路16各出端1、2腳後與微機埠A連接，邏輯控制器17各出端1至6腳分別與前置放大器11、濾波器12、緩衝器13、模數轉換器14、緩存器15、接口電路16各入端3腳連接、其入端7腳與振源控制器19出端2腳連接，電源1 8出端1、2腳+V1、+V2電壓端分別與各部件相應電源端並接。
本實用新型電磁振源10它包括線圈1、磁鐵2、彈性振板3、外殼4，其中磁鐵2、彈性振板3安裝在線圈1內，彈性振板3通過固定圈螺紋結構固定在外殼4兩側板上，線圈1、磁鐵2通過緊固件安裝在外殼4內，線圈1通過與電纜線9與振源控制器19連接，電磁振源10與傳感器6外殼之間用橡膠軟管5固定連接，傳感器6與傳感器8之間用橡膠軟管7固定連接，傳感器6、8各輸出連接端通過電纜線9分別與前置放大器11入端1、4腳連接。
本實用新型振源控制器19由時基電路U1、U2、穩壓電路U3、光電耦合管U4、可控矽D3、D4、電晶體T1、二極體D1、D2、D5至D9、插座JP1至JP7組成，其中JP1第2腳接地端、第7腳與電阻R1一端、電容C1一端並接，電容C1另一端與電阻R2、電阻R8一端並接，電阻R8另一端分別與時基電基電路U1入端2腳、時基電路U2入端8腳並接，時基電路U1入端4腳和8腳、電阻R1和R2另一端、電阻R3一端及電容C11一端均與穩壓電路U3出端3腳並接；時基電路U1、入端6、7與電阻R3另一端、電容C2一端並按接；入端5腳串接電容C6後接地端、入端3腳與電阻R11、二極體D1、D7正極並接，電容C1、C2另一端和穩壓電路U3入端2腳、及插座JP4入端2腳並接地端；插座JP4入端1腳與電源18出端tV1電壓端連接，電阻R11另一端光電耦合管U4串接、發光管後接地端，光電耦合管U4耦合端與插座JP2入端1、2腳連接，插座JP2入端1、2腳與邏輯控制器17入端連接，時基電路U2入端1、2一路串接電阻R6後與穩壓電路U3入端3腳連接，另一路串接電容C5後接地端，時基電路U2入端12、13腳一路串接電阻R5後與穩壓電路U3入端3腳連接，另一路串接電容C3後接地端，時基電路U2入端10、14腳與穩壓電路U3入端3腳並接，入端9腳串接電阻R19、電容C4後與其入端6腳及電阻R13一端並接、入端11腳串接電容C7後和其入端7腳並接地端、入端3腳串接電容C8後接地端、入端4腳一路串接電阻R4後穩壓電路U3入端3腳並接，另一路串接電容C9後接地端、入端5腳與二極體D2、D8正極並接；二極體D1負極串接電阻R7後與可控矽D3控制極連接，二極體D2負極串接電阻R9後與可控矽D4控制極連接，二極體D7、D8負極並接後再與電阻R10、電阻R12一端並接，電阻R12另一端接地端，電阻R10另一端與電晶體T1基極連接，電晶體T1發射極接地端、電晶體T1集電極與電阻R14一端、電容C10一端及插座JP5入端2腳、插座JP6入端1腳並接、電阻R14另一端與插座JP7入端3腳連接，電容C10另一端接地端；可控矽D3負極與二極體D5、D9正極並接再與插座JP5入端1腳並接，二極體D9負極與插座JP7入端1腳連接，二極體D5負極與可控矽D3正極及二極體D6負極、電阻R15一端並接，可控矽D4負極與二極體D6正極、二極體D10正極及插座JP6入端2腳並接，二極體D10負極與插座JP7入端2腳連接，插座JP7入端1、2、3腳與振源指示燈連接，電阻R15另一端與插座JP3入端1腳連接，插座JP3入端1腳與電源18出端+V2電壓端連接、入端2腳接地端；插座JP5、JP6入端1、2腳分別與電磁振源10的正反向線圈1連接。
本實用新型相比背景技術具有如下優點1、本實用新型測試時把電磁振源10和傳感器6、8同時放在鑽孔中，電磁振源10和傳感器6、8之間為固定距離，不受孔深影響，避免了振源放在地面而由於信號衰減影響測試深度，且不受任何地面環境條件變化如水域、硬化地面等影響測試。
2、本實用新型測試時電磁振源10、傳感器6、8是懸掛放置在鑽孔中測試，因而避免了傳感器需貼壁面增加測試難度，使測試波速方法簡單。
3、本實用新型採用了兩個傳感器6、8同時進行測試，只要測定兩個傳感器6、8間的相對時差計算波速，可消除儀器系統計時誤差提高了波速測試精度。
4、本實用新型測試電路簡單，均採用集成電路製作，性能可靠，儀器輕便。


圖1是本實用新型原理方框圖。
圖2是本實用新型電磁振源10、傳感器6、8安裝結構示意圖。
圖3是本實用新型振源控制器19的電原理圖。
具體實施方式
具體實施方式
參照圖1、圖2、圖3，本實用新型由兩個傳感器6、8、電磁振源10、前置放大器11、濾波器12、緩衝器13、模數轉換器14、緩存器15、接口電路16、邏輯控制器17、電源18、振源控制器19組成。按圖1連接線路，其中兩個傳感器6、8輸出端分別通過電纜線9與前置放大器11入端1、4腳連接，電磁振源10入端通過電纜線9與振源控制器19入端1腳連接。電磁振源10它包括線圈1、磁鐵2、彈性振板3、外殼4，其作用當在線圈1中施加瞬時電流，線圈1內產生強磁場驅動磁鐵2，磁鐵2給彈性振板3一個衝擊力，該力通過鑽孔中的水介質作用於孔壁上，從而在孔壁地層中產生壓縮波和剪切波的傳播。實施例中線圈1採用漆包線繞製成內經為20毫米，外經為60毫米的圓筒形線圈，線圈繞制匝數為500匝，繞制寬度為5釐米，採用正向、負向組線圈繞制，與振源控制器19連接。磁鐵2採用長度為20毫米、直經為16毫米圓柱形磁鐵製作，安裝在線圈1內徑內。彈性振板3採用具有彈性的橡膠板或塑料片製作成直徑為20毫米的圓片，安裝在線圈1內的磁鐵2一端，並通過用加工的帶螺絲的金屬圈固定在外殼4兩側板上。外殼4採用鋼板材料製作成長×寬×高為80×80×80毫米的密封盒結構。
本實用新型兩個傳感器6、8作用是接收壓縮波和剪切波振動信號，且把壓縮波和剪切波振動信號轉換成電信號，通過電纜9傳輸給前置放大器11進行信號放大。實施例電纜9採用市售多芯電纜製作，只要大於7芯就可以作為2個傳感器6、8和電磁振源10的信號傳輸線，電纜9長度為200米。
實施例傳感器6、8採用市售地震勘探用動圈式檢波器製作，傳感器6、8用金屬外殼封裝，上下加工有連接孔，如圖2示，電磁振源10與傳感器6之間、傳感器6與傳感器8之間分別用橡膠軟管5、7固定連接，其連接接頭在鑽孔內不能漏水，實施例電磁振源10與傳感器6之間間距橡膠軟管5長度為3米，傳感器6與傳感器8之間間距橡膠軟管7長度為2米，橡膠軟管5、7作用是使電磁振源10與傳感器6、傳感器8之間有一個已知固定距離，便于波速的計算，同時可以起到相互隔振作用，一般採用市售直經為30毫米的橡膠管制作。
本實用新型前置放大器11接收兩個傳感器6、8輸入的壓縮波和剪切波電信號經放大後輸入濾波器12、緩衝器13、模數轉換器14、緩存器15、接口電路16構成本實用新型測試儀器，完成信號處理且通過邏輯控制器17控制完成記錄振動信號，儲存波形、顯示波形等功能，並通過接口電路16、微機埠A與外接微機連接，直接計算出壓縮波或剪切波的速度V，則壓縮波或剪切波的速度V計算公式為V＝R/tA，式中R為兩個傳感器6、8之間的間距尺寸，單位為米(m)，t為兩個傳感器6、8在剪切波同相位時的時間差，單位為毫秒(ms)，A為換算成時間秒(s)的常數為1000，V單位為m/s。
實施例前置放大器1濾波器12、緩衝器13、模數轉換器14、緩存器15、按口電路16、邏輯控制器17均採用市住通用的相應集成電路器件製作。
本實用新型振源控制器19作用是產生電磁振源信號電路，它由時基電路U1、U2、穩壓電路U3、光電耦合管U4、可控矽D3、D4、電晶體T1、二極體D1、D2、D5至D9、插座JP1至JP7組成。圖2是本實用新型振源控制器19的實施例的電原理接線圖，且按其連接線路。時基電基電路U1作用產生電磁振源10的正向激發脈衝，時基電路U2作用產生電磁振源10的反向激發脈衝，分別輸入可控矽D3、D4。實施例時基電基電路U1、U2均採用市售NE555型時基集成塊製作。穩壓電路U3作用為+15V穩壓電源，作時基電路U1、U2供電電源，實施例採用市售LM7815型集成穩壓模塊製作。光電耦合管U4作用是產生觸脈衝-輸入邏輯控制器17進行邏輯控制，實施例採用市售P521型光電耦合器件製作。可控矽D3、D4作用在時基電路U1、U2輸入的正反向激發脈衝控制下實現正反脈衝功率輸出至電磁振源10的正反向線圈1作振源信號，實施例均採用市售CR20型單向可控矽器件製作。電晶體T1作用是控制正反向功率信號輸出的功率開關，實施例採用市售GT60型晶體三極體製作。二極體D1、D2、D5至D9作線路電平控制作用，實施例均採用市售2CK型晶體二極體器件製作。插座JP1作振源激振開關插座，插座JP2作與邏輯控制器17的連接插座，插座JP3、JP4作與電源18輸出電壓+V1、+V2的電源連接插座，插座JP5、JP6作與振源線圈1正反向線圈的連接插座。插座JP7作激振指示燈連接插座，實施例插座JP1至JP7均採用市售通用的連接插座製作。
本實用新型電源18其輸出+V1電壓為+12V低電壓，其作用提供相應部件的直流工作電壓，其輸出+V2電壓為48V高電壓，提供振源控制器19的激勵電壓，實施例採用市售通用電源模塊器件自製而成。
本實用新型簡要工作原理如下進行波測試時，把電磁振源10、傳感器6、8懸掛放置在被測鑽孔中的預定深度，由振源控制器19給電磁振源10輸入瞬時電流，使電磁振源10產生振動，在孔壁地層中產生壓縮波和剪切波傳播到傳感器6、8，傳感器6、8把壓縮波和剪切波的振動信號轉換成電信號、通過電纜線9傳輸給前置放大器11，本實用新型的儀器測試部件則會記錄下壓縮波和剪切波的振動波形，並由外接微機讀取傳感器6、8波形的同相位時間差，則可根據波速速度計算公式可實現鑽孔中剪切波或壓縮波波速的自動測試。
本實用新型安裝結構如下按圖2把電磁振源10、兩個傳惑器6、8通過橡膠軟管5、7安裝一個獨立的探頭整體結構，橡膠軟管5、7與振源、傳感器安裝連接接頭須在水下200米深度時不漏水，電纜線9的抗拉力應大於900公斤。把圖1中前置放大器11、濾波器12、緩衝器13、模數轉換器14、緩存器15、接口電路16、邏輯控制器17、電源18、振源控制器19所有電路原器件安裝在一塊長×寬為310×230毫米印製上，然後把印製板安裝在長×寬×高為320×240×240毫米的機箱內，機箱前面板上安裝連接電纜線9和微機埠A的電纜插座，後面板上安裝電源輸入插座，組裝成本實用新型。
權利要求1.一種的由前置放大器(11)、濾波器(12)、緩衝器(13)、模數轉換器(14)、緩存器(15)、接口電路(16)、邏輯控制器(17)、電源(18)組成的懸掛式波速測井儀，其特徵在於還有兩個傳感器(6)、(8)、電磁振源(10)、振源控制器(19)組成，其中兩個傳感器(6)、(8)出端分別通過電纜線(9)與前置放大器(11)入端1、4腳連接，電磁振源(10)入端通過電纜線(9)與振源控制器(19)入端1腳連接，前置放大器(11)出端2腳依次串接濾波器(12)、緩衝器(13)、模數轉換器(14)、緩存器(15)、接口電路(16)各出入端1、2腳後與微機埠A連接，邏輯控制器(17)各出端1至6腳分別與前置放大器(11)、濾波器(12)、緩衝器(13)、模數轉換器(14)、緩存器(15)、接口電路(16)各入端3腳連接、其出端7腳與振源控制器(19)入端2腳連接，電源(18)出端1、2腳+V1、+V2電壓端分別與各部件相應電源端並接。
2.根據權利要求1所述的懸掛式波速測井儀，其特徵在於電磁振源(10)包括線圈(1)、磁鐵(2)、彈性振板(3)、外殼(4)，其中磁鐵(2)、彈性振板(3)安裝在線圈(1)內，彈性振板(3)通過固定圈螺紋結構固定在外殼(4)兩側板上，線圈(1)、磁鐵(2)通過緊固件安裝在外殼(4)內，線圈(1)通過電纜線(9)與振源控制器(19)連接，電磁振源(10)與傳感器(6)外殼之間用橡膠軟管(5)固定連接，傳感器(6)與傳感器(8)之間用橡膠軟管(7)固定連接，傳感器(6)、(8)各輸出連接端通過電纜線(9)分別與前置放大器(11)入端1、4腳連接。
3.根據權利要求1或2所述的懸掛式波速測井儀，其特徵在于振源控制器(19)由時基電路(U1)、(U2)、穩壓電路(U3)、光電耦合管(U4)、可控矽(D3)、(D4)、電晶體(T1)、二極體(D1)、(D2)、(D5至D9)、插座(JP1至JP7)組成，其中插座(JP1)第2腳接地端、第1腳與電阻R1一端、電容C1一端並接，電容C1另一端與電阻R2、電阻R8一端並接，電阻R8另一端分別與時基電路(U1)入端2腳、時基電路(U2)入端8腳並接，時基電路(U1)入端4腳和8腳、電阻R1和R2另一端、電阻R3一端及電容C11一端均與穩壓電路(U3)出端3腳並接；時基電路(U1)入端6、7腳與電阻R3另一端、電容C2一端並接；入端5腳串接電容C6後接地端、入端3腳與電阻R11一端、二極體(D1)、(D7)正極並接，電容C11、C2另一端和穩壓電路(U3)入端2腳、及插座(JP4)入端2腳並接地端；插座(JP4)入端1腳與電源(18)出端tV1電壓端連接，電阻R11另一端串接光電耦合管(U4)發光管後接地端，光電耦合管(U4)耦合端與插座(JP2)入端1、2腳並接，插座(JP2)入端1、2腳與邏輯控制器(17)入端連接，時基電路(U2)入端1、2腳一路串接電阻R6後與穩壓電路(U3)入端3腳連接、另一路串接電容C5後接地端，時基電路(U2)入端12、13腳一路串接電阻R5後與穩壓電路(U3)入端3腳連接、另一路串接電容C3後接地端，時基電路(U2)入端10、14腳與穩壓電路(U3)入端3腳並接，入端9腳串接電阻R19、電容C4後與其入端6腳及電阻R13一端並接、入端11腳串接電容C7後和其入端7腳並接地端、入端3腳串接電容C8後接地端、入端4腳一路串接電阻R4後與穩壓電路(U3)入端3腳並接、另一路串接電容C9後接地端、入端5腳與二極體(D2)、(D8)正極並接；二極體(D1)負極串接電阻R7後與可控矽(D3)控制極連接，二極體(D2)負極串接電阻R9後與可控矽(D4)控制極連接，二極體(D7)、(D8)負極並接後再與電阻R10、電阻R12一端並接，電阻R12另一端接地端，電阻R10另一端與電晶體(T1)基極連接，電晶體(T1)發射極接地端、電晶體(T1)集電極與電阻R14一端、電容C10一端及插座(JP5)入端2腳、插座(JP6)入端1腳並接、電阻R14另一端與插座(JP7)入端3腳連接，電容C10另一端接地端；可控矽(D3)負極與二極體(D5)(D9)正極並接後再與插座(JP5)入端1腳並接，二極體(D9)負極與插座(JP7)入端1腳連接，二極體(D5)負極與可控矽(D3)、(D4)正極及二極體(D6)負極、電阻R15一端並接，可控矽(D4)負極與二極體(D6)正極、二極體(D10)正極及插座(JP6)入端2腳並接，二極體(D10)負極與插座(JP7)入端2腳連接，插座(JP7)入端1、2、3腳與振源指示燈連接，電阻R15另一端與插座(JP3)入端1腳連接，插座(JP3)入端1腳與電源(18)出端+V2電壓端連接、入端2腳接地端；插座(JP5)、(JP6)各入端1、2腳分別與電磁振源(10)的正反向線圈(1)連接。
專利摘要本實用新型公開了一種懸掛式波速測井儀，它涉及巖土工程勘察測試技術領域中測定巖土的壓縮波和剪切波的波速測量裝置。它由振源控制器、電磁振源、傳感器、前置放大器、濾波器、緩衝器、緩存器、模數轉換器、接口電路、邏輯控制器、電源等部件組成。它利用電磁振源在被測鑽孔中產生振動形成的壓縮波和剪切波振動信號，通過傳感器把振動信號轉換成電信號，輸入測試電路中把振動波形信號顯示、儲存，自動計算出波速，達到測試目的。本實用新型還具有不受測試深度影響，不受地面環境條件影響，測試簡便，測試精度高，儀器輕便等特點。特別適合巖土勘察鑽孔中巖土的壓縮波和剪切波的測量。
文檔編號G01H5/00GK2733325SQ20042001679
公開日2005年10月12日 申請日期2004年9月16日 優先權日2004年9月16日
發明者楊成林, 葛寶來, 王炎, 李玉堂 申請人:廊坊開發區大地工程檢測技術開發有限公司