关于静力触探数据有动采集系统的研究

陈启超

摘 要：静力触探作为一种经济可靠的工程勘察原位测试技术，应用日趋广泛。下文通过阐述静力触探的基本原理，运用数据采集理论和成熟的计算机汇编语言，构建静力触探数据采集系统的软硬件模型，为自主开发设计和改造这一自动测量系统提供指导。

关键词：原位测试 静力触探 数据采集

1、概述

1.1 研究背景

随着我国社会主义建设进程的迅速发展，建设规模不断加大，建筑类型日益增多。与此同时，对工程勘察资料可靠性和定量化程度的要求也愈来愈高。为使工程建设做到安全可靠、经济合理，在工程勘察中原位测试方法的使用也越来越多，静力触探作为一种原位测试技术，由于它的种种优点而被广泛采用。

1.2 静力触探原理

静力触探是利用准静力以恒定的贯人速率将一定规格和形状的圆锥探头通过一系列探杆压人土中，同时测记贯人过程中探头所受到的阻力，根据测得的贯人阻力大小来间接判定土的物理力学性质的现场试验方法。

静力触探，与工程地质钻探、试验相比，在勘探，测试及应用等方面具有显著的特点。静力触探是快速的现场勘探方法，它具有没备简单、轻便、机械化和自动化程度高，操作方便等优点。静力触探又是一种现场原位测试方法，可直接取得数据。减少了许多的取样、运输及室内试验的工作量，大大缩短了勘察周期，因而特别适用于解决工程建设中出现的一些地基问题。能节约投资，加快进度，深受设计与施工单位的欢迎。

1.3 研究内容

由于静力触探探头中的传感器非常灵敏，可以测出土的0.1kPa的阻力值变化，当它在土层中以的速率贯人时，阻力值变化的幅度是相当大的，如何将这些变化完整地记录下来，人们一直在探讨和研究之中，这是本文研究的核心内容。

本文所研究的静力触探数据自动采集系统是在原有的人工记录仪表的基础上，针对静力触探的特点，运用数据采集理论和成熟的计算机汇编语言，进行设计和改造而形成的自动测量系统。克服了人工记录仪的数据精度不高，随意性大，室内资料整理工作繁琐等缺点，具有抗干扰性强，整体性好，节省人力，提高了数据的可靠性和科学性，极大的提高了岩土工程勘察的效率。

2、硬件設计

2.1 探头传感器设计

静力触探探头亦称地层阻力传感器，是该数据自动采集系统的一个重要硬件，它是实现数据采集的第一步，是量测地基土贯人阻力的关键部件，在贯人过程中直接感受土的阻力。由于地层中各种土的软硬不同，探头所受到的阻力也自然不一样，传感器将这种大小不同的贯人阻力转变成电信号，该电信号是一种连续变化的物理量，属于模拟信号。

探头是静力触探仪测量贯人阻力的关键部件，有严格的规格与质量要求。一般分圆锥形的端部和其后的圆柱形摩擦筒两部分。目前国内外使用的探头可分为三种形式：1）单用（桥）探头是我国特有的一种探头型式，只能测量比贯人阻力，分辨率精度较低。2）双用（桥）探头它将锥头与摩擦筒分开，设两个传感器和两组电桥，分别反映探头端部和一个摩擦套筒上所受阻力的变化，可以同时测量锥头阻力和侧壁摩阻力两个参数，分辨率较高。3）多用（孔压）探头它一般是将双用探头再安装一种可测触探时所产生的超孔隙水压力装置——透水滤器和一种测量孔隙水压力的传感器。分辨率最高，一般在在地下水位较浅地区优先采用。

为简化研究在本系统的开发过程中，选用了国内最常见的锥底面积为10cm2的单桥静力触探探头进行试验和研究。

2.2 数据采集卡设计

由于传感器传出的变电压信号是一种电脑不能识别的模拟信号，要获取传感器的这种变电压信号，需要设计将模拟信号转换成数字信号的数据采集卡。该数据采集电路由信号放大部分，信号采集部分，信号传输部分组成。

利用电子元器件可以组合成各种功能电路，其中，最基本的，应用最多的单元电路，就是放大电路。在数据采集过程中，被探头检测的比贯人阻力经过传感器变换成模拟变电压信号，是很微弱的微伏级信号，这就需要设计信号放大电路加以放大。

信号采集系统采用士18位串行A/D转换器构成的数据采样系统，由单片机控制MAX232采集数据，该采样数据由单片机串口经MAX232电平转换后送到上位计算机的串口，形成一种串行数据采集，串行数据传输的方式。由此设计了电路原理图不仅结构简便，而且信号可靠。运用静力触探的机理和数据采集的原理结合电子电路知识，设计出触探数据采集原理图。并按该原理图加工制作电路板。

3、软件设计

要采集到传感器的电信号，并使其可视化，就需要配套的软件支持。本系统的软件部分是利用

Visual Basic6.0作为开发工具，采用面向对象程序设计方法在Windows XP下进行设计，对静力触探现场数据进行采集、保存和处理。本系统通过对软件功能和工作流程的全面规划，实现了灵活的系统设置和科学的界面设计，达到了操作方便，真实可靠，实时显示的效果，同时节省人力达到人机交互的最大和谐。

该系统软件设计包括下位机程序设计和上位机程序设计，其中，设计下位机程序的任务是为了完成变电压信号的传输与转换。

4、成果分析

该数据采集系统硬件部分精巧简单，制作方便，价格便宜，软件部分采用面向对象的可视化设计工具Visual Basic6.0进行设计，界面清晰，操作方便。通过现场对比试验证明该系统可以用于现场静力触探试验以及对所采集的数据进行储存和实时显示，提高了静探数据的精度和可靠性，节省了人力，降低了成本，提高了勘察工作效率，有一定的实用价值。

运用该静力触探数据自动采集系统不但提高了静力触探数据测量的可靠性和科学性，而且实现了比贯人阻力随深度变化曲线的实时显示，使现场技术人员能及时直观的了解地下土质状况另外该系统减少了室内资料整理工作，方便了工程地质技术人员，大大节省了人力，提高了岩土工程勘察的效率该设计方案经济实惠，非常适合高校师生自主开发设计。

参考文献

[1]刘占友.静力触探新技术的发展与应用.铁道勘察，2005，（4）

[2]周振安，范良龙，王秀英，等.数据采集系统的设计与实践.北京地震出版社，2005.

[3]马明建.数据采集与处理技术.西安：西安交通大学出版社，2005.