關于靜力觸探數據有動采集系統的研究

陳啟超

摘 要：靜力觸探作為一種經濟可靠的工程勘察原位測試技術，應用日趨廣泛。下文通過闡述靜力觸探的基本原理，運用數據采集理論和成熟的計算機匯編語言，構建靜力觸探數據采集系統的軟硬件模型，為自主開發設計和改造這一自動測量系統提供指導。

關鍵詞：原位測試 靜力觸探 數據采集

1、概述

1.1 研究背景

隨著我國社會主義建設進程的迅速發展，建設規模不斷加大，建筑類型日益增多。與此同時，對工程勘察資料可靠性和定量化程度的要求也愈來愈高。為使工程建設做到安全可靠、經濟合理，在工程勘察中原位測試方法的使用也越來越多，靜力觸探作為一種原位測試技術，由于它的種種優點而被廣泛采用。

1.2 靜力觸探原理

靜力觸探是利用準靜力以恒定的貫人速率將一定規格和形狀的圓錐探頭通過一系列探桿壓人土中，同時測記貫人過程中探頭所受到的阻力，根據測得的貫人阻力大小來間接判定土的物理力學性質的現場試驗方法。

靜力觸探，與工程地質鉆探、試驗相比，在勘探，測試及應用等方面具有顯著的特點。靜力觸探是快速的現場勘探方法，它具有沒備簡單、輕便、機械化和自動化程度高，操作方便等優點。靜力觸探又是一種現場原位測試方法，可直接取得數據。減少了許多的取樣、運輸及室內試驗的工作量，大大縮短了勘察周期，因而特別適用于解決工程建設中出現的一些地基問題。能節約投資，加快進度，深受設計與施工單位的歡迎。

1.3 研究內容

由于靜力觸探探頭中的傳感器非常靈敏，可以測出土的0.1kPa的阻力值變化，當它在土層中以的速率貫人時，阻力值變化的幅度是相當大的，如何將這些變化完整地記錄下來，人們一直在探討和研究之中，這是本文研究的核心內容。

本文所研究的靜力觸探數據自動采集系統是在原有的人工記錄儀表的基礎上，針對靜力觸探的特點，運用數據采集理論和成熟的計算機匯編語言，進行設計和改造而形成的自動測量系統?？朔巳斯び涗泝x的數據精度不高，隨意性大，室內資料整理工作繁瑣等缺點，具有抗干擾性強，整體性好，節省人力，提高了數據的可靠性和科學性，極大的提高了巖土工程勘察的效率。

2、硬件設計

2.1 探頭傳感器設計

靜力觸探探頭亦稱地層阻力傳感器，是該數據自動采集系統的一個重要硬件，它是實現數據采集的第一步，是量測地基土貫人阻力的關鍵部件，在貫人過程中直接感受土的阻力。由于地層中各種土的軟硬不同，探頭所受到的阻力也自然不一樣，傳感器將這種大小不同的貫人阻力轉變成電信號，該電信號是一種連續變化的物理量，屬于模擬信號。

探頭是靜力觸探儀測量貫人阻力的關鍵部件，有嚴格的規格與質量要求。一般分圓錐形的端部和其后的圓柱形摩擦筒兩部分。目前國內外使用的探頭可分為三種形式：1）單用（橋）探頭是我國特有的一種探頭型式，只能測量比貫人阻力，分辨率精度較低。2）雙用（橋）探頭它將錐頭與摩擦筒分開，設兩個傳感器和兩組電橋，分別反映探頭端部和一個摩擦套筒上所受阻力的變化，可以同時測量錐頭阻力和側壁摩阻力兩個參數，分辨率較高。3）多用（孔壓）探頭它一般是將雙用探頭再安裝一種可測觸探時所產生的超孔隙水壓力裝置——透水濾器和一種測量孔隙水壓力的傳感器。分辨率最高，一般在在地下水位較淺地區優先采用。

為簡化研究在本系統的開發過程中，選用了國內最常見的錐底面積為10cm2的單橋靜力觸探探頭進行試驗和研究。

2.2 數據采集卡設計

由于傳感器傳出的變電壓信號是一種電腦不能識別的模擬信號，要獲取傳感器的這種變電壓信號，需要設計將模擬信號轉換成數字信號的數據采集卡。該數據采集電路由信號放大部分，信號采集部分，信號傳輸部分組成。

利用電子元器件可以組合成各種功能電路，其中，最基本的，應用最多的單元電路，就是放大電路。在數據采集過程中，被探頭檢測的比貫人阻力經過傳感器變換成模擬變電壓信號，是很微弱的微伏級信號，這就需要設計信號放大電路加以放大。

信號采集系統采用士18位串行A/D轉換器構成的數據采樣系統，由單片機控制MAX232采集數據，該采樣數據由單片機串口經MAX232電平轉換后送到上位計算機的串口，形成一種串行數據采集，串行數據傳輸的方式。由此設計了電路原理圖不僅結構簡便，而且信號可靠。運用靜力觸探的機理和數據采集的原理結合電子電路知識，設計出觸探數據采集原理圖。并按該原理圖加工制作電路板。

3、軟件設計

要采集到傳感器的電信號，并使其可視化，就需要配套的軟件支持。本系統的軟件部分是利用

Visual Basic6.0作為開發工具，采用面向對象程序設計方法在Windows XP下進行設計，對靜力觸探現場數據進行采集、保存和處理。本系統通過對軟件功能和工作流程的全面規劃，實現了靈活的系統設置和科學的界面設計，達到了操作方便，真實可靠，實時顯示的效果，同時節省人力達到人機交互的最大和諧。

該系統軟件設計包括下位機程序設計和上位機程序設計，其中，設計下位機程序的任務是為了完成變電壓信號的傳輸與轉換。

4、成果分析

該數據采集系統硬件部分精巧簡單，制作方便，價格便宜，軟件部分采用面向對象的可視化設計工具Visual Basic6.0進行設計，界面清晰，操作方便。通過現場對比試驗證明該系統可以用于現場靜力觸探試驗以及對所采集的數據進行儲存和實時顯示，提高了靜探數據的精度和可靠性，節省了人力，降低了成本，提高了勘察工作效率，有一定的實用價值。

運用該靜力觸探數據自動采集系統不但提高了靜力觸探數據測量的可靠性和科學性，而且實現了比貫人阻力隨深度變化曲線的實時顯示，使現場技術人員能及時直觀的了解地下土質狀況另外該系統減少了室內資料整理工作，方便了工程地質技術人員，大大節省了人力，提高了巖土工程勘察的效率該設計方案經濟實惠，非常適合高校師生自主開發設計。

參考文獻

[1]劉占友.靜力觸探新技術的發展與應用.鐵道勘察，2005，（4）

[2]周振安，范良龍，王秀英，等.數據采集系統的設計與實踐.北京地震出版社，2005.

[3]馬明建.數據采集與處理技術.西安：西安交通大學出版社，2005.