一种嵌入式数字智能钻孔电阻率测试仪制造技术

本发明专利技术公开一种嵌入式数字智能钻孔电阻率测试仪，包括电极电源模块、信号采集模块、MCU模块、上位机模块和探头五个部分；电极电源模块用于选择电压、频率可调式电源；信号采集模块为基于MCU控制的信号采集电路，实现电流、电压和相位差值测量；上位机模块是基于RaspberryPi交互式上位机，用户通过LCD触摸屏实现与MCU的交互，数据测量完成后既可以使用U盘将数据拷出，也可以通过4G模块将数据传输到私有云；探头包括电极和数据传输电缆两部分。本发明专利技术实现了供电电压、频率可调，数据采集范围更宽；可实现相位差测量；保证了数据采集效率；实现了多装置形式、多参数的数据采集，提高了数据采集精度。

An embedded digital intelligent borehole resistivity tester

【技术实现步骤摘要】
一种嵌入式数字智能钻孔电阻率测试仪
本专利技术属于工程地球物理勘探仪器领域，涉及一种嵌入式数字智能钻孔电阻率测试仪，特别涉及一种岩土钻孔内电阻率测试仪器。具体而言是通过使用本仪器，对钻孔内不同深度地层视电阻率、相位和自然电位等参数，进行多种装置形式的测试，以准确获取各测试参数随地层深度变化曲线。
技术介绍
岩土体的电阻率是表征岩土体导电性能的重要参数之一，可反映岩土体的某些基本物理性质与工程性质，对判断岩土体物理力学性质、砂土液化、土体污染特征甚至微结构形态等方面具有重要的理论意义与应用价值。在电力工程中，需根据土壤电阻率大小，进行有效的接地设计，以有效降低漏电和雷电灾害。而利用土壤电阻率大小来判断地基土对钢结构的腐蚀性也已列入现行国家标准《岩土工程勘察规范》(GB50021-2017)，并可结合地脉动及剪切波速测试结果，对建筑场地地基进行综合分类和评价。实际工程勘察过程中，在地基表面开展岩土电阻率测试较为容易。一是因为地表测试技术成熟、施工速度快；二是地表测试仪器种类多，可选择性强。但地表探测深度易受测试场地限制，在基础埋深浅、地表条件好、场地开阔的环境下测试效果好。但当面临测试场地范围有限、地表硬化造成布极困难、浅层杂填土导致接地电阻过大等情况时，地表电阻率测试存在困难，探测深度和精度难以达到要求，测试结果也会严重影响评价结果，继而对工程项目和构筑物带来安全隐患。在此背景之下，研发钻孔内电阻率测试变得越发重要，通过对测试钻孔内不同深度的岩土体进行直接测试，可有效避免地表电阻率测试的困境，得到更加精确的测试数据。但孔内电阻率测试也面临自身难题，一是孔内测试属于全空间探测问题，数据处理与地表测试有所不同；二是岩土体的电容特性会对供电电流产生响应，从而影响测量精度。三是测试孔多以泥浆护壁，电流主要沿电阻率较小的方向流动，难以深入土体内部得到更真实的土层测试参数。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种嵌入式数字智能钻孔电阻率测试仪，以针对解决以上问题，嵌入式数字智能钻孔电阻率测试仪从电源输出模块、信号采集模块、传感器探头等方面进行了全新设计和改进，通过一键式设置，在保证数据采集效率的基础上，实现多装置形式、多参数的数据采集和处理，以提高数据采集精度。一种嵌入式数字智能钻孔电阻率测试仪，包括电极电源模块、信号采集模块、MCU模块、上位机模块和探头五个部分，选择变频法和可调电极作为岩土电阻率测量方法。以STM32F407为核心设计变频供电电流，减小岩土体电容特性对电流产生的影响；设计多量程电流、电压采集电路，可以根据测试场地实际情况选择不同的量程，以提高测量准确度；供电电源和信号采集电路由MCU控制，同时MCU与上位机通过串口实现指令交互；基于RaspberryPi开发的上位机图形界面简洁明了，方便用户使用；通过搭建私有云平台，可以实现用户大量数据的存储和共享，详细介绍如下。所述的电极电源模块，选择电压、频率可调式电源。具体包括锂电池、数字升压模块及逆变模块。岩土体电阻率和接地电阻的测量需要使用外部电源对待测岩土供电，电极电源由锂电池供电，使用数字可调升压模块实现电压的宽范围可调，通过逆变模块将直流电源转换成频率可调的对称方波对电极供电。进一步的，为了避免上电后逆变器发生短路，在逆变模块前端增加了开关电路，可以实现MCU控制电极电源的通断。所述的信号采集模块，具体为基于MCU控制的信号采集电路，实现电流、电压和相位差值测量。该信号采集模块具体包括比较器、电流采集电路、电压采集电路及AD转换模块；通过电压、电流采集电路实现模拟量的采集，然后使用AD转换模块将模拟信号转换成数字信号；在使用交流电源作为供电电源时，由于岩土体的容抗特性会引起电压和电流相位的差异，故相位差测量通过硬件实现，通过电压、电流采集电路后连接电压比较器将模拟信号转换成方波信号，然后使用MCU外部中断和定时器实现相位差值测量。其中，电流采集电路主要由霍尔电流传感器实现，选用三个不同量程的霍尔电流传感器；其中所述的三个量程分别为10mA、1A和15A；所述三个量程的通道选择采用电磁继电器实现。其中，电压采集电路采用分压法实现。所述的MCU模块通过SPI实现与AD转换模块的通信，进行电压和电流测量的控制和数据采集。MCU通过外部中断来捕获比较器模块输出的方波信号，实现相位差值的测量；MCU输出双路反相PWM波实现逆变模块的控制；通过UART与上位机图形界面实现配置指令和数据的传输。所述的上位机模块，是基于RaspberryPi交互式上位机。用户通过LCD触摸屏实现与MCU的交互；数据测量完成后既可以使用U盘将数据拷出，也可以通过4G模块将数据传输到私有云。所述的探头。包括电极和数据传输电缆两部分，所述的电极分为A、B、M、N四个铜电极，位于数据传输电缆底端，四个电极各设置一根导线由数据传输电缆顶端导出，通过插拔接口与信号采集模块相连。本专利技术一种嵌入式数字智能钻孔电阻率测试仪，其优点及功效在于：通过供电电源模块，实现了供电电压、频率可调，数据采集范围更宽；通过信号采集模块，最大程度避免岩土体容抗特性引起的电压和电流相位的差异，实现相位差测量；通过上位机模块实现采集参数一键式设置，保证了数据采集效率；通过数据采集与传输电缆，实现了多装置形式、多参数的数据采集，提高了数据采集精度。附图说明图1所示为本专利技术嵌入式数字智能钻孔电阻率测试仪结构框图。图2所示为本专利技术数据采集装置结构图。图3所示为本专利技术电极电源模块结构图。图4所示为本专利技术信号采集电路结构图。图5所示为本专利技术探头电极部分结构示意图。图6所示为本专利技术上位机结构图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的说明。如图1所示，一种嵌入式数字智能钻孔电阻率测试仪，包括电极电源模块、信号采集模块、MCU模块、上位机模块和传感器探头模块五个部分，其中电极电源模块、信号采集模块、MCU模块、探头四部分可以统称为数据采集装置；本专利技术选择变频法和可调电极作为岩土电阻率测量方法。第一部分：数据采集装置数据采集装置硬件系统是嵌入式数字智能钻孔电阻率测试仪的核心，根据岩土电阻率测量方法和电阻测量方法完成数据采集装置的硬件设计。数据采集装置由电极电源模块、信号采集模块、MCU模块、探头四部分组成，如图2所示。电极电源模块包括锂电池、数字升压模块和逆变器模块的硬件实现；信号采集模块细分为电流、电压采集电路、AD采集模块、比较器模块四部分的硬件设计；MCU模块通过SPI实现与AD转换模块的通信，进行电压和电流测量的控制和数据采集；探头包括电极和传输电缆。其中，5V稳压模块属于电极电源，用在电极电源部分作为稳压输出。数据采集装置系统选择STM32F407作为主控芯片，该芯片采用CortexTM-M4作为其内核的32位处理器。其中，所述的MCU模块，通过设计最小系统实现MCU的正常工作，该最小系统包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种嵌入式数字智能钻孔电阻率测试仪，其特征在于：该测试仪包括电极电源模块、信号采集模块、MCU模块、上位机模块和探头五个部分；/n所述的电极电源模块，选择电压、频率可调式电源；具体包括锂电池、数字升压模块及逆变模块；岩土体电阻率和接地电阻的测量需要使用外部电源对待测岩土供电，电极电源由锂电池供电，使用数字可调升压模块实现电压的宽范围可调，通过逆变模块将直流电源转换成频率可调的对称方波对电极供电；/n所述的信号采集模块，具体为基于MCU控制的信号采集电路，实现电流、电压和相位差值测量；该信号采集模块具体包括比较器、电流采集电路、电压采集电路及AD转换模块；通过电压、电流采集电路实现模拟量的采集，然后使用AD转换模块将模拟信号转换成数字信号；在使用交流电源作为供电电源时，由于岩土体的容抗特性会引起电压和电流相位的差异，故相位差测量通过硬件实现，通过电压、电流采集电路后连接电压比较器将模拟信号转换成方波信号，然后使用MCU外部中断和定时器实现相位差值测量；所述的上位机模块，是基于RaspberryPi交互式上位机；用户通过LCD触摸屏实现与MCU的交互；数据测量完成后既可以使用U盘将数据拷出，也可以通过4G模块将数据传输到私有云；/n所述的探头；包括电极和数据传输电缆两部分，所述的电极分为A、B、M、N四个铜电极，位于数据传输电缆底端，四个电极各设置一根导线由数据传输电缆顶端导出，通过插拔接口与信号采集模块相连。/n...

【技术特征摘要】
1.一种嵌入式数字智能钻孔电阻率测试仪，其特征在于：该测试仪包括电极电源模块、信号采集模块、MCU模块、上位机模块和探头五个部分；
所述的电极电源模块，选择电压、频率可调式电源；具体包括锂电池、数字升压模块及逆变模块；岩土体电阻率和接地电阻的测量需要使用外部电源对待测岩土供电，电极电源由锂电池供电，使用数字可调升压模块实现电压的宽范围可调，通过逆变模块将直流电源转换成频率可调的对称方波对电极供电；
所述的信号采集模块，具体为基于MCU控制的信号采集电路，实现电流、电压和相位差值测量；该信号采集模块具体包括比较器、电流采集电路、电压采集电路及AD转换模块；通过电压、电流采集电路实现模拟量的采集，然后使用AD转换模块将模拟信号转换成数字信号；在使用交流电源作为供电电源时，由于岩土体的容抗特性会引起电压和电流相位的差异，故相位差测量通过硬件实现，通过电压、电流采集电路后连接电压比较器将模拟信号转换成方波信号，然后使用MCU外部中断和定时器实现相位差值测量；所述的上位机模块，是基于RaspberryPi交互式上位机；用户通过LCD触摸屏实现与MCU的交互；数据测量完成后既可以使用U盘将数据拷出，也可以通过4G模块将数据传输到私有云；
所述的探头；包括电极和数据传输电缆两部分，所述的电极分为A、B、M、N四个铜电极，位于数据传输电缆底端，四个电极各设置一根导...

【专利技术属性】
技术研发人员：占文锋，蒋磊，马会超，
申请(专利权)人：中科智探北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11