CN105525604B - 一种静力触探仪无缆式数据透传装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种静力触探仪无缆式数据透传装置，其特征在于包括接收模块和装入探杆内部并随静力触探探头贯入地下的发射模块；发射模块的电池分别与第一电源模块和高压电源模块连接，第一微处理器、高速mos管驱动电路、激励脉冲产生电路和发射换能器依次信号连接；高压电源模块分别与第一微处理器和激励脉冲产生电路连接；第一电源模块和第一微处理器连接；第一微处理器和发射换能器分别与静力触探探头和超声波接收换能器连接；发射模块将探头数据调制为超声波信号并沿着探杆传输，接收模块从探杆接收超声波信号并解调出探头原始数据输出给静力触探分析仪，代替原有线缆进行数据传输，从而静力触探试验过程的无缆化。

Description

一种静力触探仪无缆式数据透传装置

技术领域

本发明涉及一种数据透传装置，特别是涉及一种无缆式静力触探仪的数据传输装置，该装置可应用于工程地质勘察和海洋勘探技术领域。

技术背景

静力触探是地质勘察中的一种原位测试方法，适用于软土、一般黏性土、粉土和砂土，在有软弱土体分布较多的地区，静力触探能够提高勘察成果的可靠程度。

目前所用的静力触探仪是由探头，多节探杆和压帽组成，探头内集成的多个传感器可以在下探过程中采集多种地质参数，勘探数据是由穿在多节探杆中的九芯电缆传送至地面设备。静力触探试验过程中，探头连接着电缆线存在很多不便，在连接探杆时往往需要几位人员配合将探杆逐个加上，电缆和连接头也容易意外损坏，这些极大限制了勘探的速度和质量，同时也是实现自动化操作的一大障碍。

针对电缆线不利于操作的不足，国内外极少数厂家采用不同技术研制出了无缆全自动静力触探***，主要有两种传输方式：无线电传输、光通信传输。这两种传输方式虽然一定程度上解决了有缆方式的不便，其弊端也是明显的。对于无线电传输，由于探杆内径一般小于20mm，无线电只能在这20mm直径的空气柱中实现较短距离的传输，这显著限制了勘探深度。对于光通信传输，首先由于光电接收头要求较高的洁净度，增大了维护成本；而且同样在探杆长度较长时，探杆容易发生一定程度的弯曲，而在均匀介质中光则是严格的直线传输的，所以勘探深度加大时通信可靠性也会显著下降。另外这两种无缆式传输方式还有一个明显的缺陷，就是当静力触探是在海底工作时，探杆内会被海水充满，而光和无线电都会因为在在水中的传输衰减太快而基本无法实现通信。

由上述内容可见，目前国内外关于静力触探中数据无缆式传输的研究还不能很好地满足实际需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有触探操作的问题和现有解决方案中的不足，提供一种结构简单，设计合理，使用操作便捷，可靠性高，工作效率高的无缆式静力触探仪数据传输装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种静力触探仪无缆式数据透传装置，包括接收模块和装入探杆内部并随静力触探探头贯入地下的发射模块；所述发射模块包括第一微处理器、高速mos管驱动电路、激励脉冲产生电路、电池、第一电源模块、高压电源模块和发射换能器；电池分别与第一电源模块和高压电源模块连接，第一微处理器、高速mos管驱动电路、激励脉冲产生电路和发射换能器依次信号连接；高压电源模块分别与第一微处理器和激励脉冲产生电路连接；第一电源模块和第一微处理器连接；第一微处理器和发射换能器分别与静力触探探头和超声波接收换能器连接；

所述接收模块包括第二微处理器、超声波接收换能器、初级仪用差分放大电路、信号放大电路、带通滤波器、电平比较器、正负电源模块、第二电源模块和电池；第二微处理器、电平比较器、带通滤波器、信号放大电路、初级仪用差分放大电路和超声波接收换能器依次信号连接；第二微处理器与信号放大电路连接；正负电源模块分别与电平比较器、带通滤波器、信号放大电路和初级仪用差分放大电路连接；第二电源模块分别与电池、第二微处理器和正负电源模块连接；第二微处理器与静力触探分析仪相接。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述第一微处理器为一自带高级定时器功能的单片机STM8S103F3P6；第一微处理器将静力触探探头通过串口接收静力触探探头输入的勘探数据，存放到数据缓冲区；程序定时轮询缓冲区，从中取出数据进行BCH编码；再对编码完的数据加上引导码、字节数码、CRC校验码组成一个完整的数据包，数据包数据接着送入调制数据缓冲区；程序定时轮询调制数据缓冲区，若有数据则取出1bit数据，并根据数据调整定时器pwm波的生成相位，开启对应引脚电平输出功能，产生一个码元周期的调制信号；若调制数据缓冲区无数据，则关闭定时器引脚电平输出功能，无调制信号产生。

优选地，所述高速mos管驱动电路包括栅极位移驱动电路和快速关断电路；其中，2n3904和2n3906组成内部为双极型晶体管推拉式驱动的栅极位移驱动电路；二极管和pnp管组成快速关断电路。

优选地，所述发射换能器采用纵波换能器；所述接收换能器采用与发射换能器相同的纵波换能器；所述激励脉冲产生电路主要由高压高速开关mos管IRF840、20nF高压储能电容和两个限制电流走向的高速二极管31gf4组成。

优选地，所述高压电源模块包括开关升压电路和MCP4018数字电位器；使用TPS40210DGQR开关电源管理芯片组成一个开关升压电路；使用MCP4018数字电位器替换输出电压反馈电阻；其中MCP4018数字电位器通过i2c总线与第一微处理器相连，开关升压电路输出还经过一个分压电阻与第一微处理器的一个AD输入引脚相连。

优选地，所述电池为四节18650锂电池串联组成，第一电源模块采用开关电源管理芯片LM2675M。

优选地，所述初级仪用差分放大电路采用AD620仪用放大器；所述信号放大器采用AD623程控放大器。

优选地，所述带通滤波器采用TS5532构成四阶巴特沃斯滤波器。

优选地，所述电平比较器由LM393电压比较器构成。

优选地，所述电池为带输出保护板的锂电池；所述第二电源模块为采用MP1542芯片构成的开关升压电源电路。

优选地，所述正负电源模块主要由电荷泵反极性开关集成稳压器MAX660构成。

优选地，所述第二微处理器选用STM32F103VET6单片机，第二微处理器通过定时器捕获功能捕获输入波形，分别记录信号上升沿和下降沿的时间点，计算高电平持续时间，若高电平时间小于0.9个载波周期，记录高电平的中间时刻；将高电平时间与相距一个码元周期时间点附近的信号比较时刻值，得出相位信息，记录到缓冲区；对缓冲区中的数据计算引导码相关度，在相关度最高点且高于判别阈值的点，更新同步信息，启动数据解调；首先解码出有效数据字节数，再根据字节数接收所有有效数据和校验码，接着对有效数据和校验码进行前向纠错解码，最后根据校验码检查数据是否有误；若数据无误，则通过串口向上位机输出数据，并开始下一个解码周期；若数据经过前向纠错解码后仍校验失败，则直接丢弃，并开始下一个解码周期。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)本发明采用超声波传输数据，减轻了静力触探试验的难度，简单的操作能够更快速准确地实现深部地层的原位测试，克服了传统静力触探探测深度受限，以及使用电缆而带来的接头易损坏、绝缘不良、操作费时等不足，大幅度提高勘探深度和质量、降低勘探成本。

2)本发明的实现为一独立的数据传输模块，接口与原有线缆接口兼容，可以直接加装在已有的静力触探仪上代替线缆进行使用，大大节省了设备升级成本；

3)本发明采用钢管声通信的方式，实现更广的试用范围。数据加载在超声波上沿着钢管以机械波的形式进行传输，具有更高的可靠性，同时也可以很好的适应探杆内杂物进入甚至在水底作业时探杆内部充水的情况。

4)本发明供电方式灵活，采用4节18650电池供电，而且电路实现采用低功耗元器件和方案，保证了***可至少连续工作6个小时以上。

附图说明

图1为本发明静力触探仪无缆式数据透传装置的结构框图。

图2为本发明静力触探仪无缆式数据透传装置中发射模块处理流程图。

图3为本发明静力触探仪无缆式数据透传装置中接收模块处理流程图。

图中示出：发射模块1、第一微处理器1‐1、高速mos管驱动电路1‐2、激励脉冲产生电路1‐3、电池1‐4、第一电源模块1‐5、高压电源模块1‐6、发射换能器1‐7、接收模块2、第二微处理器2‐1、电平比较器2‐2、带通滤波器2‐3、信号放大电路2‐4、初级仪用差分放大电路2‐5、超声波接收换能器2‐6、第二电源模块2‐7、正负电源模块2‐8、电池2‐9、静力触探探头3、静力触探分析仪4、探杆5。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的描述，但本发明的实施方式不限如此。

如图1所示，一种静力触探仪无缆式数据透传装置，包括装入探杆5内部并随静力触探探头3贯入地下的发射模块1和接收模块2；所述发射模块1与静力触探探头3相接，接收模块2与静力触探分析仪4相接。发射模块1负责从静力触探探头3处接收探测数据，并实时将数据转换为超声波信号通过钻杆发射出去；接收模块2负责接收沿着钢管传输过来的携带信息的超声波信号，并从中提取出探测数据发送到静力触探分析仪4。

发射模块1包括第一微处理器1‐1、高速mos管驱动电路1‐2、激励脉冲产生电路1‐3、电池1‐4、第一电源模块1‐5、高压电源模块1‐6和超声波发射换能器1‐7；电池1‐4分别与第一电源模块1‐5和高压电源模块1‐6连接，第一微处理器1‐1、高速mos管驱动电路1‐2、激励脉冲产生电路1‐3和发射换能器1‐7依次信号连接；高压电源模块1‐6分别与第一微处理器1‐1和激励脉冲产生电路1‐3连接；第一电源模块1‐5和第一微处理器1‐1连接；第一微处理器1‐1和发射换能器1‐7分别与静力触探探头3和超声波接收换能器2‐6连接；高压电源模块1‐6为激励脉冲产生电路1‐3提供高压源。

接收模块2包括第二微处理器2‐1、超声波接收换能器2‐6、初级仪用差分放大电路2‐5、信号放大电路2‐4、带通滤波器2‐3、电平比较器2‐2、正负电源模块2‐8、第二电源模块2‐7和电池2‐9；第二微处理器2‐1、电平比较器2‐2、带通滤波器2‐3、信号放大电路2‐4、初级仪用差分放大电路2‐5和超声波接收换能器2‐6依次信号连接；第二微处理器2‐1与信号放大电路2‐4连接；正负电源模块2‐8分别与电平比较器2‐2、带通滤波器2‐3、信号放大电路2‐4和初级仪用差分放大电路2‐5连接，为各个用电模块供电；第二电源模块2‐7分别与电池2‐9、第二微处理器2‐1和正负电源模块2‐8连接；第二微处理器2‐1与静力触探分析仪4相接。

如图2所示，第一微处理器1‐1为一自带高级定时器功能的单片机STM8S103F3P6，将静力触探探头3输入的勘探数据打包并转换为DPSK调制信号，具体为通过串口接收静力触探探头3输入的勘探数据，存放到数据缓冲区；程序定时轮询缓冲区，从中取出数据进行BCH编码；再对编码完的数据加上引导码、字节数码、CRC校验码组成一个完整的数据包，数据包数据接着送入调制数据缓冲区；程序(第一微处理器1‐1中负责产生调制波形的程序)定时轮询调制数据缓冲区，若有数据则取出1bit数据，并根据数据调整定时器pwm波的生成相位，开启对应引脚电平输出功能，产生一个码元周期的调制信号；若调制数据缓冲区无数据，则关闭定时器引脚电平输出功能，无调制信号产生。

高速mos管驱动电路1‐2包括栅极位移驱动电路和快速关断电路；其中，2n3904和2n3906组成内部为双极型晶体管推拉式驱动的栅极位移驱动电路；二极管和pnp管组成快速关断电路。高速mos管驱动电路1‐2使得第一微处理器1‐1输出的pwm信号能对激励脉冲产生电路1‐3中的高速mos管进行快速打开和关断。高速mos管驱动电路1‐2实现了对第一微处理器1‐1输出的调制信号的电平变换的功能，加强了调制信号的驱动能力，保证了对后级高速mos管的高速开关能力。

高压电源模块1‐6包括开关升压电路和MCP4018数字电位器；使用TPS40210DGQR开关电源管理芯片组成一个开关升压电路，将4节锂电池的串联电压升压至最高200v；使用MCP4018数字电位器替换输出电压反馈电阻，用于调整升压电路的输出电压。其中MCP4018通过i2c总线与第一微处理器1‐1相连，提供程控电阻调节接口，升压电路输出还经过一个分压电阻与第一微处理器1‐1的一个AD输入引脚相连。由此，第一微处理器1‐1可以监控当前升压模块输出电压，也可以调整输出电压。高压电源模块可以作为激励脉冲产生电路1‐3的高压源，保证输出激励信号的幅度。

电池1‐4为四节18650锂电池串联，直接给高压电源模块1‐6和第一电源模块1‐5供电，第一电源模块1‐5采用开关电源管理芯片LM2675M将输入电压进行降压稳压至5v，供处理器供电。为第一微处理器1‐1提供稳定合适的电源电压，保证了微处理器的稳定工作。

激励脉冲产生电路1‐3用于产生激励换能器的尖脉冲，尖脉冲采用电容瞬间放电法产生，电路主要由高压高速开关mos管IRF840、20nF高压储能电容和两个限制电流走向的高速二极管31gf4组成，工作时可通过控制mos管的开关来控制电路中的储能电容从高压电源模块1‐6处充电或往发射换能器1‐7放电。激励脉冲产生电路1‐3实现了将调制信号转换为换能器驱动信号的功能，能根据调制信号，准确输出高压尖脉冲有效地激励换能器工作，产生超声波信号。

发射换能器1‐7采用倚天超声波公司产的YT1409‐30螺栓紧固型纵波换能器，用于转换电能为机械能，带动钢管进行超声频段的振动。超声波发射换能器实现了声电转换的功能，高效准确地将驱动电信号转换为机械振动信号。

接收换能器2-6采用与发射换能器1-7相同的纵波换能器，用于将钢管传递过来的工作频段内的振动波转为相应的电信号，供后级处理。

初级仪用差分放大电路2-5采用AD620仪用放大器，主要具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活等特点，可用于将接收换能器2-6输出的微弱信号进行初步放大供给后级电路做进一步处理。

信号放大器2-4采用AD623程控放大器，对信号进一步放大，因为初级放大电路2-5固定放大倍数且接收信号的幅度可能在较大范围内变动，所以此级放大器的放大倍数可由第二微处理器2-1通过程序控制，将信号放大到一个合适的幅度。

带通滤波器2-3采用TS5532构成四阶巴特沃斯滤波器，用于滤除通信频带范围外的所有噪声。实际工作环境中除了发射换能器产生的振动，钢管上还存在着各种其他因素引起的振动，这些振动都会在接收换能器上被转换为电信号，电信号同时还叠加着着各种各样的环境电磁噪声，但因为绝大部分的噪声都分布在通信频带外，可通过次级滤波器将其滤除，提高信号的信噪比。

电平比较器2-2由LM393电压比较器构成，主要将信号还原为第一微处理器1-1输出的携带相位信息的PWM波，供第二微处理器2-1进行处理。具体是将滤波器输出的类正弦波信号转换为矩形波信号。

电池2-9为一带输出保护板的锂聚合物电池，直接给第二电源模块2-7供电，第二电源模块2-7为一采用MP1542芯片构成的开关升压电源电路，可以将锂电池3-4.2v的输入电压转换为5v的稳压输出电压，并提供最大2A的负载能力。第二电源模块2-7主要为第二微处理器2-1和正负电源模块2-8供电。

正负电源模块2-8主要由电荷泵反极性开关集成稳压器MAX660构成，MAX660可以把输入的+5v电压变成负输出的-5v电压，再与第二电源模块2-7输入的+5v构成一个±5v电源模块，为初级仪用差分放大电路2-5、信号放大电路2-4、带通滤波器2-3和电平比较器2-2这几个输入信号调理模块供电。

如图3所示，第二微处理器2-1选用处理能力更强的STM32F103VET6单片机，从输入波形数据中解调出其中的勘探数据，并通过串口输出给上位机静力触探分析仪4。具体为：第二微处理器2-1通过定时器捕获功能捕获输入波形，分别记录信号上升沿和下降沿的时间点，计算高电平持续时间，若高电平时间小于0.9个载波周期，记录高电平的中间时刻；将高电平时间与相距一个码元周期时间点附近的信号比较时刻值，得出相位信息，记录到缓冲区；对缓冲区中的数据计算引导码相关度，在相关度最高点且高于判别阈值的点，更新同步信息，启动数据解调；首先解码出有效数据字节数，再根据字节数接收所有有效数据和校验码，接着对有效数据和校验码进行前向纠错解码，最后根据校验码检查数据是否有误；若数据无误，则通过串口向上位机输出数据，并开始下一个解码周期；若数据经过前向纠错解码后仍校验失败，则直接丢弃，并开始下一个解码周期。

使用方法：

发射模块1设计为长条状，最大宽度为18mm，故可将发射模块1封入一节钢管中，并预留与静力触探探头3匹配的接口。将此带发射模块1的钢管一端直接与静力触探探头3相连，另外一端连接普通探杆。

接收模块2封装进一钢柱，可直接连接到最后一节探杆上。同时这一封装有接收模块2的钢柱还留出与静力触探分析仪4数据接口相匹配的线缆接口。

当静力触探探头输出数据时，发射模块便会将数据调制为超声波信号沿着探杆传输到接收端，而接收端则会将接收到的有效超声波信号解调为原始的探头输出数据，输出给静力触探分析仪，从而代替原有线缆的数据传输功能，实现经历触探试验中数据传输的无缆化。

本发明提供了一种结构简单，设计合理，使用操作便捷，可靠性高，工作效率高的无缆式静力触探仪数据传输装置。该无缆式静力触探仪数据传输装置解决了当前静力触探中使用线缆传输数据存在的不足，如装配困难、电缆和接头容易损坏等，且所述数据透传装置的数据接口与原有电缆接口兼容，可直接用于现有的有缆静力触探仪直接代替电缆进行工作。所述数据透传装置采用声通信传输方式，与国外现有的用于静力触探探头的无线电传输和光通信传输数据传输模块相比，具有更广的适用范围和更为简单的使用操作。

上述实施方式并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种静力触探仪无缆式数据透传装置，其特征在于包括接收模块和装入探杆内部并随静力触探探头贯入地下的发射模块；所述发射模块包括第一微处理器、高速mos管驱动电路、激励脉冲产生电路、电池、第一电源模块、高压电源模块和发射换能器；电池分别与第一电源模块和高压电源模块连接，第一微处理器、高速mos管驱动电路、激励脉冲产生电路和发射换能器依次信号连接；高压电源模块分别与第一微处理器和激励脉冲产生电路连接；第一电源模块和第一微处理器连接；第一微处理器与静力触探探头连接，发射换能器与超声波接收换能器连接；

所述接收模块包括第二微处理器、超声波接收换能器、初级仪用差分放大电路、信号放大电路、带通滤波器、电平比较器、正负电源模块、第二电源模块和电池；第二微处理器、电平比较器、带通滤波器、信号放大电路、初级仪用差分放大电路和超声波接收换能器依次信号连接；第二微处理器与信号放大电路连接；正负电源模块分别与电平比较器、带通滤波器、信号放大电路和初级仪用差分放大电路连接；第二电源模块分别与电池、第二微处理器和正负电源模块连接；第二微处理器与静力触探分析仪相接。

2.根据权利要求1所述的静力触探仪无缆式数据透传装置，其特征在于，所述第一微处理器为一自带高级定时器功能的单片机STM8S103F3P6；第一微处理器将静力触探探头通过串口接收静力触探探头输入的勘探数据，存放到数据缓冲区；程序定时轮询缓冲区，从中取出数据进行BCH编码；再对编码完的数据加上引导码、字节数码、CRC校验码组成一个完整的数据包，数据包数据接着送入调制数据缓冲区；程序定时轮询调制数据缓冲区，若有数据则取出1bit数据，并根据数据调整定时器pwm波的生成相位，开启对应引脚电平输出功能，产生一个码元周期的调制信号；若调制数据缓冲区无数据，则关闭定时器引脚电平输出功能，无调制信号产生。

3.根据权利要求1所述的静力触探仪无缆式数据透传装置，其特征在于，所述高速mos管驱动电路包括栅极位移驱动电路和快速关断电路；其中，2n3904和2n3906组成内部为双极型晶体管推拉式驱动的栅极位移驱动电路；二极管和pnp管组成快速关断电路。

4.根据权利要求1所述的静力触探仪无缆式数据透传装置，其特征在于，所述发射换能器采用纵波换能器；所述接收换能器采用与发射换能器相同的纵波换能器；所述激励脉冲产生电路主要由高压高速开关mos管IRF840、20nF高压储能电容和两个限制电流走向的高速二极管31gf4组成。

5.根据权利要求1所述的静力触探仪无缆式数据透传装置，其特征在于，所述高压电源模块包括开关升压电路和MCP4018数字电位器；使用TPS40210DGQR开关电源管理芯片组成一个开关升压电路；使用MCP4018数字电位器替换输出电压反馈电阻；其中MCP4018数字电位器通过i2c总线与第一微处理器相连，开关升压电路输出还经过一个分压电阻与第一微处理器的一个AD输入引脚相连。

6.根据权利要求1所述的静力触探仪无缆式数据透传装置，其特征在于，所述电池为四节18650锂电池串联组成，第一电源模块采用开关电源管理芯片LM2675M。

7.根据权利要求1所述的静力触探仪无缆式数据透传装置，其特征在于，所述初级仪用差分放大电路采用AD620仪用放大器；所述信号放大电路采用AD623程控放大器；所述带通滤波器采用TS5532构成四阶巴特沃斯滤波器；所述电平比较器由LM393电压比较器构成。

8.根据权利要求1所述的静力触探仪无缆式数据透传装置，其特征在于，所述电池为带输出保护板的锂电池；所述第二电源模块为采用MP1542芯片构成的开关升压电源电路。

9.根据权利要求1所述的静力触探仪无缆式数据透传装置，其特征在于，所述正负电源模块主要由电荷泵反极性开关集成稳压器MAX660构成。

10.根据权利要求1所述的静力触探仪无缆式数据透传装置，其特征在于，所述第二微处理器选用STM32F103VET6单片机，第二微处理器通过定时器捕获功能捕获输入波形，分别记录信号上升沿和下降沿的时间点，计算高电平持续时间，若高电平时间小于0.9个载波周期，记录高电平的中间时刻；将高电平时间与相距一个码元周期时间点附近的信号比较时刻值，得出相位信息，记录到缓冲区；对缓冲区中的数据计算引导码相关度，在相关度最高点且高于判别阈值的点，更新同步信息，启动数据解调；首先解码出有效数据字节数，再根据字节数接收所有有效数据和校验码，接着对有效数据和校验码进行前向纠错解码，最后根据校验码检查数据是否有误；若数据无误，则通过串口向上位机输出数据，并开始下一个解码周期；若数据经过前向纠错解码后仍校验失败，则直接丢弃，并开始下一个解码周期。