一种压力-倾角式沉渣测厚仪及其测厚方法
【专利摘要】本发明公开一种压力?倾角式沉渣测厚仪及其测厚方法。该沉渣测厚仪的沉渣探头包括电机组件、探针组件和探头电路板，电机组件的电机固定在轴承座上且电机的动力输出端与设于轴承座上方的第一齿轮轴连接，第一齿轮与探针组件的设于轴承座上方的第二齿轮啮合，探针组件的丝杆轴承部固定在轴承座上，探头电路板中的控制单元接收地面主机的控制信号和向地面主机传输电机工作电流信号和倾角传感器检测到的倾角信号，电机工作电流的相对变化等效于探针所受压力的相对变化，地面主机显示压力?探针伸出长度曲线和倾角?探针伸出长度曲线。本发明通过同步测定探头倾角和探针压力，两者相互验证，提高了沉渣下分界面判定的可靠性和准确性。
【专利说明】
一种压力-倾角式沉渣测厚仪及其测厚方法
技术领域
[0001]本发明涉及工程技术中钻孔灌注粧成孔或地下连续墙成槽沉渣厚度测量技术领域，具体涉及一种压力-倾角式沉渣测厚仪及其测厚方法。
【背景技术】
[0002]目前，成粧前的沉渣厚度的方法包括带倾角测量的测针测饼法，该方法采用倾角传感器实时测定探头的倾斜角度并上传到检测仪器，实时显示倾角-探针伸出长度曲线，从倾角曲线上寻找角度突然变大的拐点，拐点对应的探针伸出长度即为沉渣厚度，没有拐点出现即判定为沉渣厚度超出了探针检测范围。但是该方法存在如下不足:当沉渣表面很平整时，测针抵住硬岩并将探头顶起，若探头不明显倾斜，倾角曲线无明显变化拐点，此时会误判为沉渣厚度超出了探针检测范围；当沉渣表面很不平整时，探头起始倾斜角度就很大，探头在倾斜状态下工作时，测针稍遇阻力即会使探头倾斜角度更大，在倾角曲线上会误判为已经达到沉渣下表面。因而该方法测量结果既不可靠也不准确。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，有必要提供一种能够提高沉渣厚度检测可靠性和准确性的压力-倾角式沉渣测厚仪及其测厚方法。
[0004]—种压力-倾角式沉渣测厚仪，包括沉渣探头、通过电缆与沉渣探头连接的地面电缆绞车、通过信号线与地面电缆绞车连接的地面主机；
[0005]沉渣探头包括密封腔体组件、电机组件、探针组件和探头电路板；
[0006]密封腔体组件包括从下到上依次同轴设置的腔底盘、腔体、腔体盖;腔体盖的顶部设有用于固定电缆一端的固定孔，腔体盖与腔体的顶部密封连接;腔体的底部设有底部固定座，底部固定座的下侧通过动密封螺母与腔底盘密封连接；
[0007]电机组件包括轴承座、电机、第一齿轮；轴承座的两端通过连接件与腔体内壁固定;电机固定于轴承座上，且电机的动力输出端与设于轴承座上方的第一齿轮轴连接；
[0008]探针组件包括探针、牵引螺母、丝杆、第二齿轮、两个导向轴;探针设置在牵引螺母底部，探针依次穿过并伸出底部固定座、动密封螺母和腔底盘;牵引螺母与丝杆同轴套合；丝杆的轴承部固定在轴承座上，丝杆的顶部通过设于轴承座上方的第二齿轮与第一齿轮啮合;两根导向轴与丝杆平行设置，且导向轴的一端固定在轴承座上，导向轴的另一端固定在动密封螺母的限位孔内；牵引螺母两侧的限位凸起与两根导向轴滑动配合；
[0009]探头电路板的一端固定在腔体盖内侧，且探头电路设于轴承座的另一侧;探头电路板包括控制单元、倾角传感器、电流A/D转换器、RS485接口、电源模块;电源模块分别与控制单元、电机电连接;电流A/D转换器一端与电机电连接，电流A/D转换器另一端与控制单元电连接;倾角传感器与控制单元电连接;控制单元通过与RS485接口电连接的电缆接收地面主机的控制信号和向地面主机传输倾角信号和电机工作电流信号;控制单元的输出端与电机的控制端电连接；
[0010]其中，电机工作电流的相对变化等效于探针所受压力的相对变化，地面主机实时显示压力-探针伸出长度曲线和倾角-探针伸出长度曲线。
[0011 ] 一种压力-倾角式沉渣测厚方法，该方法包括如下步骤:
[0012]步骤(I):将沉渣探头的防水插座连接到与电缆绞车连接的电缆的防水插头上，电缆绞车通过信号线与地面主机连接;并设置地面主机参数，包括探针运动最大行程；
[0013]步骤(2):地面主机向控制单元发送启动测量信号，并开始记录探针伸出时间；控制单元接收启动信号后控制沉渣探头内的电机工作，使探针以恒定速度伸出；控制单元实时监测沉渣探头的倾角和电机工作电流，并传输至地面主机；
[0014]步骤(3):地面主机实时显示探头压力-探针伸出长度曲线和倾角-探针伸出长度曲线;其中，电机工作电流的相对变化等效于探针所受压力的相对变化;探针伸出长度等于探针伸出时间乘以恒定速度；
[0015]步骤(4):探针抵达沉渣底部的硬岩层时，探针伸出受阻并将沉渣探头慢慢顶起，电机负载骤然增大，电机工作电流也突然增大，沉渣探头的倾角也开始增大，地面主机的探头压力-探针伸出长度曲线和倾角-探针伸出长度曲线出现拐点；同时出现的拐点处对应的探针伸出长度即为沉渣厚度。
[0016]本发明的压力-倾角式沉渣测厚仪及其测厚方法利用孔底沉渣上下表面不同介质的硬度差异，充分考虑测厚时的各种影响因素，将探针所受压力参量与探头倾斜角度参量相结合，大大提高了底部沉渣厚度测量的可靠性和准确性。由于探头自身重量较重，探针只有抵达孔底硬岩或原土层后，才会导致探针将整个探头顶起，此时探针所受压力必然突然变大，用此参量来区分沉渣下界面可靠且科学。另外，通过探头倾角参量来判断探头的初始状态，并对探头初始状态做出调整，可保证探针垂直向下伸出，提高检测结果的准确性；同时倾角参量可与压力参量相互验证，提高沉渣下表面判定的可靠性。此外本沉渣测厚仪将探针丝杆与电机平行设置，大大减小了探头的长度，有利于增大沉渣厚度检测的量程范围；探针动密封采用唇形压入式密封与O型密封相结合，提高了探针防水密封的可靠性;将电机工作电流等效于探针所受压力，简化了探头结构，提高了探头工作可靠性和准确性。
【附图说明】
[0017]图1为本发明压力-倾角式沉渣测厚仪的结构示意图；
[0018]图2为沉渣探头的结构示意图；
[0019]图3为图2中I处放大图；
[0020]图4为沉渣探头的剖面图；
[0021 ]图5为探头电路板的结构框图；
[0022 ]图6A为压力-探针伸出长度曲线；
[0023 ]图6B为倾角-探针伸出长度曲线。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025]本发明提供一种压力-倾角式沉渣测厚仪，如图1所示，包括:沉渣探头100、地面主机200和地面电缆绞车300，沉渣探头100通过电缆400与地面电缆绞车300连接，地面电缆绞车300通过信号线与地面主机200连接。
[0026]如图1至4所示，沉渣探头100包括密封腔体组件101、电机组件102、探针组件103和探头电路板104。具体的，密封腔体组件101包括从下到上依次同轴设置的腔底盘1011、腔体1012、腔体盖1014。腔体盖1014的顶部设有用于固定电缆400—端的固定孔1016。腔体盖1014与腔体1012的顶部密封连接。腔体1012的底部设有底部固定座1017，底部固定座1017的下侧通过动密封螺母1013与腔底盘1011密封连接。优选的，腔体盖1014的上方一侧设有与电缆400的防水插头连接的防水插座1015。
[0027]电机组件102包括轴承座1021、电机1022、第一齿轮1023。轴承座1021的两端通过连接件与腔体1012内壁固定。电机1022固定于轴承座1021上，且电机1022的动力输出端与设于轴承座上方的第一齿轮1023轴连接。
[0028]探针组件103包括探针1031、牵引螺母1032、限位开关触头1033、丝杆1034、上限位开关1035、下限位开关1036、下限位开关固定座1037、第二齿轮1038、两个导向轴1039。探针1031设置在牵引螺母1032底部，探针1031依次穿过并伸出底部固定座1017、动密封螺母1013和腔底盘1011。牵引螺母1032与丝杆1034同轴套合，且牵引螺母1032的上方设有限位开关触头1033。丝杆1034的轴承部固定在轴承座1021上，丝杆1034的顶部通过设于轴承座(1021)上方的第二齿轮1038与第一齿轮1023啮合。两根导向轴1039与丝杆1034同轴套合，且导向轴1039的一端固定在轴承座1021上，导向轴1039的另一端固定在动密封螺母1013的限位孔内。牵引螺母1032两侧的限位凸起与两根导向轴1039滑动配合。上限位开关1035的一端固定在轴承座1021底部。下限位开关固定座1037设于底部固定座1017同轴套合。下限位开关固定座1037上设有与上限位开关1035相对设置的下限位开关1036。
[0029]优选的，动密封螺母1013内设有压入式密封圈和压紧螺母，探针1031在密封圈内来回运动不漏水。具体的，探针1031与密封腔体组件101的动密封采用O型密封圈与唇形压入式密封圈结合方式，通过调节唇形压入式密封圈压紧螺母的松紧程度来调节动密封的等级，提高密封腔体组件101的防水性能。唇形压入式密封圈前端的O型密封圈作为第一层密封既可增强防水性能，又可阻挡泥浆细沙对唇形密封圈的损伤，提高动密封的防水效果和使用寿命。
[0030]探头电路板104的一端固定在腔体盖1014内侧，且探头电路板104设于轴承座1021的另一侧。如图5所示，探头电路板104包括控制单元1041、倾角传感器1042、电流A/D转换器1043、RS485接口 1044、电源模块1045。电源模块1045分别与控制单元1041、电机1022电连接。电流A/D转换器1043的一端与电机1022电连接，电流A/D转换器1043另一端与控制单元1041电连接。倾角传感器1042与控制单元1041电连接。控制单元1041通过与RS485接口电连接的电缆400接收地面主机200的控制信号和向地面主机200传输实时测定的倾角信号和电机工作电流信号。其中，RS485接口通过RS485双绞线与防水插座1015电连接。控制单元1041与上限位开关1035、下限位开关1036电连接。控制单元1041的输出端与电机1022的控制端电连接。当限位开关触头1033触碰下限位开关1036或上限位开关1035时，控制单元1041控制电机1022停止工作。控制单元1041通过控制电机1022工作控制探针以恒定速度V伸出，同时控制单元1041记录探针伸出时间T。探针伸出长度即为恒定速度V乘以探针伸出时间T。由于探针受到阻力后，电机的输出功率增大，与此对应的，电机的输入功率也增大，电机的工作电流也增大，因此，探针所受压力通过测定探头电机工作电流得到，也就是说，电机工作电流的相对变化等效于探针所受压力的相对变化。地面主机200实时显示压力-探针伸出长度曲线和倾角-探针伸出长度曲线。根据图6A、6B分别所示的压力-探针伸出长度曲线、倾角-探针伸出长度曲线，当探针伸出长度为94mm时，倾角和压力突变，则判定沉渣厚度为94mm ο
[0031]其中，地面电缆绞车既可为电动绞车，也可为手动绞车。电缆绞车带有电缆下放深度检测功能和下限位功能。探头下放到孔底沉渣表面后电缆松弛，触动电缆绞车的下限位开关，电缆绞车停止电缆下放。
[0032]使用本发明的压力-倾角式沉渣测厚仪进行沉渣厚度测量的具体步骤如下:
[0033]步骤(I):将沉渣探头的防水插座连接到与电缆绞车连接的电缆的防水插头上，电缆绞车通过信号线与地面主机连接;并设置地面主机参数，包括探针运动最大行程；
[0034]步骤(2):地面主机向控制单元发送启动测量信号，并开始记录探针伸出时间；控制单元接收启动信号后控制沉渣探头内的电机工作，使探针以恒定速度伸出；控制单元实时监测沉渣探头的倾角和电机工作电流，并传输至地面主机；
[0035]步骤(3):地面主机实时显示探头压力-探针伸出长度曲线和倾角-探针伸出长度曲线;其中，电机工作电流的相对变化等效于探针所受压力的相对变化;探针伸出长度等于探针伸出时间乘以恒定速度；
[0036]步骤(4):探针抵达沉渣底部的硬岩层时，探针伸出受阻并将沉渣探头慢慢顶起，电机负载骤然增大，电机工作电流也突然增大，沉渣探头的倾角也开始增大，地面主机的探头压力-探针伸出长度曲线和倾角-探针伸出长度曲线出现拐点；同时出现的拐点处对应的探针伸出长度即为沉渣厚度；
[0037]步骤(5):探针继续伸出，直至到达探针运动最大行程，沉渣探头的限位开关触头触碰下限位开关动作，控制单元控制电机停止工作，地面主机停止记录探针伸出时间并向控制单元发送停止测量信号；
[0038]步骤(6):控制单元接收停止测量信号，控制电机反转，探针回收;限位开关触碰上限位开关动作，控制单元控制电机停止工作，测量结束。
[0039]优选的，在执行步骤(2)之前进行探头倾角校正步骤(1.1);探头倾角校正步骤过程如下:
[0040]步骤(a):沉渣探头通过电缆绞车下放到孔底沉渣表面，沉渣探头的倾角传感器实时检测沉渣探头的倾角并传输至沉渣探头的控制单元，控制单元将倾角传输至地面主机；
[0041]步骤(b):地面主机判断倾角是否大于预设的探头倾角阈值，如果是，慢慢上提沉渣探头，直至沉渣探头的倾角小于探头倾角阈值，电缆绞车停止提升；如果否，转入步骤⑵。
[0042]本发明的压力-倾角式沉渣测厚仪及其测厚方法通过同步测定探头倾角和探针压力，两者相互验证，提高了沉渣下分界面判定的可靠性和准确性。同时，电机组件与探针组件并排安装，通过齿轮对啮合带动探针来回运动，大大缩短了探头的长度，有利于增加探针行程，增加沉渣厚度检测量程范围；探针动密封采用唇形压入式密封与O型密封相结合，提高了探针防水密封的可靠性;将电机工作电流等效于探针所受压力，简化了探头结构，提高了探头工作可靠性和准确性。
[0043]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种压力-倾角式沉渣测厚仪，包括沉渣探头(100)、通过电缆(400)与沉渣探头(100)连接的地面电缆绞车(300)、通过信号线与地面电缆绞车(300)连接的地面主机(200);其特征在于， 沉渣探头(100)包括密封腔体组件(101)、电机组件(102)、探针组件(103)和探头电路板(104)； 密封腔体组件(101)包括从下到上依次同轴设置的腔底盘(1011)、腔体(1012)、腔体盖(1014);腔体盖(1014)的顶部设有用于固定电缆(400)—端的固定孔(1016)，腔体盖(1014)与腔体(1012)的顶部密封连接;腔体(1012)的底部设有底部固定座(1017)，底部固定座(1017)的下侧通过动密封螺母(1013)与腔底盘(1011)密封连接； 电机组件(102)包括轴承座(1021)、电机(1022)、第一齿轮(1023);轴承座(1021)的两端通过连接件与腔体(1012)内壁固定；电机(1022)固定于轴承座(1021)上，且电机(1022)的动力输出端与设于轴承座(1021)上方的第一齿轮(1023)轴连接； 探针组件(103)包括探针(1031)、牵引螺母(1032)、丝杆(1034)、第二齿轮(1038)、两个导向轴(1039);探针(1031)设置在牵引螺母(1032)底部，探针(1031)依次穿过并伸出底部固定座(1017)、动密封螺母(1013)和腔底盘(1011);牵引螺母(1032)与丝杆(1034)同轴套合；丝杆(1034)的轴承部固定在轴承座(1021)上，丝杆(1034)的顶部通过设于轴承座(1021)上方的第二齿轮(1038)与第一齿轮(1023)啮合;两根导向轴(1039)与丝杆(1034)平行设置，且导向轴(1039)的一端固定在轴承座(1021)上，导向轴(1039)的另一端固定在动密封螺母(1013)的限位孔内；牵引螺母(1032)两侧的限位凸起与两根导向轴(1039)滑动配合； 探头电路板(104)的一端固定在腔体盖(1014)内侧，且探头电路板(104)设于轴承座(1021)的另一侧;探头电路板(104)包括控制单元(1041)、倾角传感器(1042)、电流A/D转换器(1043)、RS485接口(1044)、电源模块(1045);电源模块(1045)分别与控制单元(1041)、电机(1022)电连接；电流A/D转换器(1043)—端与电机(1022)电连接，电流A/D转换器(1043)另一端与控制单元(1041)电连接;倾角传感器(1042)与控制单元(1041)电连接;控制单元(1041)通过与RS485接口(1044)电连接的电缆(400)接收地面主机(200)的控制信号和向地面主机(200)传输倾角信号和电机工作电流信号;控制单元(1041)的输出端与电机(1022)的控制端电连接； 其中，电机工作电流的相对变化等效于探针所受压力的相对变化，地面主机(200)实时显示压力-探针伸出长度曲线和倾角-探针伸出长度曲线。2.根据权利要求1所述的一种压力-倾角式沉渣测厚仪，其特征在于，所述探针组件(103)还包括限位开关触头(1033)、上限位开关(1035)、下限位开关(1036)、下限位开关固定座(1037)，限位开关触头(1033)设于牵引螺母(1032)的上方;上限位开关(1035)的一端固定在轴承座(1021)底部；下限位开关固定座(1037)与底部固定座(1017)同轴套合，下限位开关固定座(1037)上设有与上限位开关(1035)相对设置的下限位开关(1036);上限位开关(1035)、下限位开关(1036)与控制单元(1041)的输入端电连接。3.根据权利要求1所述的一种压力-倾角式沉渣测厚仪，其特征在于，所述动密封螺母(1013)内设有压入式密封圈和压紧螺母。4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种压力-倾角式沉渣测厚仪，其特征在于，所述腔体盖(1014)的上方一侧设有与电缆(400)的防水插头连接的防水插座(1015)。5.一种压力-倾角式沉渣测厚方法，其特征在于:该方法包括如下步骤: 步骤(I):将沉渣探头的防水插座连接到与电缆绞车连接的电缆的防水插头上，电缆绞车通过信号线与地面主机连接;并设置地面主机参数，包括探针运动最大行程； 步骤(2):地面主机向控制单元发送启动测量信号，并开始记录探针伸出时间；控制单元接收启动信号后控制沉渣探头内的电机工作，使探针以恒定速度伸出；控制单元实时监测沉渣探头的倾角和电机工作电流，并传输至地面主机； 步骤(3):地面主机实时显示探头压力-探针伸出长度曲线和倾角-探针伸出长度曲线；其中，电机工作电流的相对变化等效于探针所受压力的相对变化;探针伸出长度等于探针伸出时间乘以恒定速度； 步骤(4):探针抵达沉渣底部的硬岩层时，探针伸出受阻并将沉渣探头慢慢顶起，电机负载骤然增大，电机工作电流也突然增大，沉渣探头的倾角也开始增大，地面主机的探头压力-探针伸出长度曲线和倾角-探针伸出长度曲线出现拐点；同时出现的拐点处对应的探针伸出长度即为沉渣厚度。6.根据权利要求4所述的一种压力-倾角式沉渣测厚测量方法，其特征在于: 在执行步骤(2)之前进行探头倾角校正步骤(1.1);探头倾角校正步骤(1.1)过程如下:步骤(a):沉渣探头通过电缆绞车下放到孔底沉渣表面，沉渣探头的倾角传感器实时检测沉渣探头的倾角并传输至沉渣探头的控制单元，控制单元将倾角传输至地面主机； 步骤(b):地面主机判断倾角是否大于预设的探头倾角阈值，如果是，慢慢上提沉渣探头，直至沉渣探头的倾角小于探头倾角阈值，电缆绞车停止提升;如果否，转入步骤(2)。7.根据权利要求4所述的一种压力-倾角式沉渣测厚测量方法，其特征在于: 该方法还包括如下步骤: 步骤(5):探针继续伸出，直至到达探针运动最大行程，沉渣探头的限位开关触头触碰下限位开关动作，控制单元控制电机停止工作，地面主机停止记录探针伸出时间并向控制单元发送停止测量信号； 步骤(6):控制单元接收停止测量信号，控制电机反转，探针回收;限位开关触碰上限位开关动作，控制单元控制电机停止工作，测量结束。
【文档编号】E02D33/00GK105971034SQ201610493955
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】夏代林, 曾成林, 肖乐, 杨飞, 夏昇平, 吴自来, 孟红霞
【申请人】武汉天宸伟业物探科技有限公司