一种用于探测雪层特性的雪微型贯入仪及其操作方法技术

本发明专利技术公开了一种用于探测雪层特性的雪微型贯入仪及其操作方法，贯入仪包括：数据采集仪、同轴电缆、电动加速器、驱动杆、固定轴套、数模转换器、测斜仪、贯入尖端、压力传感器和探针。本发明专利技术提供的用于探测雪层剖面的微型贯入仪，解决了雪层特性测试系统不能准确划分雪层的缺点；本发明专利技术提供的用于雪层力学特性和软弱层划分的微型贯入仪使用方便、检测速度快、测量效率高、垂直分辨率高、测量结果准确可靠，该测试系统为积雪地区勘探实践提供有力的测试工具。

A Snow Micro-penetration Instrument for Detecting the Characteristics of Snow Layer and Its Operating Method

【技术实现步骤摘要】
一种用于探测雪层特性的雪微型贯入仪及其操作方法
本专利技术涉及岩土工程测试
，尤其是一种用于探测雪层特性的雪微型贯入仪及其操作方法。
技术介绍
造成雪崩的原因之一是由于雪层内存在软弱薄层，雪层从自组织状态发展变化达到临界状态，经过触发成灾。软弱层的产生是由于雪层表面通过凝华形成了霜层，霜层比上部积雪松散的多，使上部雪层和下部积雪层之间产生一个软弱带。传统上，判断雪层内是否包含有软弱层是采用冰镐和雪仗试探有无薄弱层的方法，从而确定一个地带中期降雪历史和雪崩的可能性。而传统的手动圆锥探测仪的垂直分辨率低、贯入的速度不均匀，导致输出的数据的精确度低，无法探测到厚度很小的软弱薄层。圆锥贯入试验(CPT)被广泛应用于判定地下土壤、雪的特征和地层，对于研究积雪特性来说，要了解雪层的分布至关重要。因此，为了获得快速和准确的雪层物理力学特性，便携式电动圆锥贯入仪已经获得了发展。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种用于探测雪层特性的雪微型贯入仪及其操作方法，使用方便、检测速度快、测量效率高、垂直分辨率高、测量结果准确可靠，为积雪地区勘探实践提供有力的测试工具。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种用于探测雪层特性的雪微型贯入仪，包括：数据采集仪1、同轴电缆2、电动加速器3、驱动杆4、固定轴套5、数模转换器6、测斜仪7、贯入尖端8、压力传感器9和探针10；固定轴套5穿插在驱动杆4内，驱动杆4通过螺纹连接到贯入尖端8，贯入尖端8内设置有压力传感器9，压力传感器9通过数据传输线穿过固定轴套5与数据采集仪1相连，贯入尖端8与探针10通过连杆相连；同轴电缆2与电动加速度器3相连，数模转换器6和测斜仪7串联，电动加速度器2与驱动杆4固定相连。优选的，电动加速器3包括恒速马达，马达产生的尖端的小振动以推进静力触探探杆，安装在刚性框架上，刚性框架被固定于测量的雪面上。优选的，固定轴套5被套装在驱动杆4中，通过电动加速器3中央设置的凸塞防止其旋转。优选的，连杆的长度变化范围为10cm，探针10的尖端为小于30度低夹角的锥形，探针10锥角直径为5mm。优选的，贯入仪贯入速率变化范围为0.1mm/s到200mm/s。优选的，贯入仪的圆锥头顶角为60度，探头外径为1.2cm至3.5cm。相应的，一种用于探测雪层特性的雪微型贯入仪的测试方法，包括如下步骤：(1)配备外部电动动力系统和数据采集系统，连接好贯入仪；(2)启动电脑上数据采集仪控制软件，设定好初始条件；(3)开启外部电动机，使相连的微型贯入仪垂直向下穿透雪样，设定好贯入速率，往下以匀速移动；(4)维持探针贯入的速度不变，同时记录微型贯入仪往下移的距离，同时将贯入电阻的数据传递给压力传感器；(5)当微型贯入仪的贯入阻力F数据输出之后，电脑把所有的数据储存在储存卡中，数据采集系统每隔0.5mm的深度对贯入阻力进行读取；(6)所有采集数据通过内部电路系统传输至外部的采集系统中，存储并输出。优选的，贯入仪在贯入过程中产生的力信号F通过采集仪获得，对于某一剖面的力信号F，定义信号突然下降并且趋于平缓对应深度处为薄弱层的顶面，信号再次上升对应深度处作为薄弱层的底面。本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的用于探测雪层剖面的微型贯入仪，解决了雪层特性测试系统不能准确划分雪层的缺点；本专利技术提供的用于雪层力学特性和软弱层划分的微型贯入仪使用方便、检测速度快、测量效率高、垂直分辨率高、测量结果准确可靠，该测试系统为积雪地区勘探实践提供有力的测试工具。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。具体实施方式如图1所示，一种用于探测雪层特性的雪微型贯入仪，包括：数据采集仪1、同轴电缆2、电动加速器3、驱动杆4、固定轴套5、数模转换器6、测斜仪7、贯入尖端8、压力传感器9和探针10；固定轴套5穿插在驱动杆4内，驱动杆4通过螺纹连接到贯入尖端8，贯入尖端8内设置有压力传感器9，压力传感器9通过数据传输线穿过固定轴套5与数据采集仪1相连，贯入尖端8与探针10通过连杆相连；同轴电缆2与电动加速度器3相连，数模转换器6和测斜仪7串联，电动加速度器3与驱动杆4固定相连。电动加速度器3最大贯入力为10kN。固定轴套5穿插在驱动杆4内，并且驱动杆4通过螺纹连接到贯入尖端8。数据采集与控制系统控制探头的贯入速率变化范围为0.1mm/s到500mm/s，可根据测试条件具体选择。力传感器安装在贯入尖端内，贯入尖端与探针通过连杆相连。探针的连杆的长度为10cm，尖端为小于30度低夹角的锥形，探针的直径为5mm。贯入尖端的圆锥头顶角为60度，探头外径为1.2cm至3.5cm。贯入系统垂直分辨率0.5mm。本专利技术中，雪层微型贯入仪操作方法包括以下步骤：步骤一、配备外部电动动力系统和数据采集系统，连接好贯入仪；步骤二、启动电脑上数据采集仪控制软件，设定好初始条件；步骤三、开启外部电动机，使相连的微型贯入仪垂直向下穿透雪样，往下以匀速移动；步骤四、维持探针贯入的速度不变，可得到微型贯入仪往下移动的距离，同时将贯入电阻的变化传递给压力传感器；步骤五、当微型贯入仪的力信号数据输出之后，电脑把所有的数据储存在储存卡中，数据采集系统与控制系统每隔0.5mm的深度对锥尖阻力进行读取，通过贯入阻力的大小变化的趋势，从而划分雪层剖面和判断雪内部结构的结合强度；步骤六、所有采集数据通过内部电路系统传输至外部的采集系统中，存储并输出。贯入仪在贯入过程中产生的力信号F可通过采集仪获得，对于某一剖面的力信号F，定义信号突然下降并且趋于平缓对应深度处为薄弱层的顶面，信号再次上升对应深度处作为薄弱层的底面。本专利技术中，电动机的最大贯入力可达到10kN，电动机可安装在刚性装配框架上。可使雪微型贯入探头装配到一些安装结构上，包括移动车辆，可作为滑雪救护队的便携式单元在雪崩地区巡逻，或者固定到金属框架并与雪地刚性连接。圆锥直径为5mm的探针大大减小了尺寸效应对雪的贯入阻力的影响，提高了深度分辨率，从而可探测到厚度更加小的软弱薄层。多次测量，可得到多组贯入阻力信号以取平均值，提高测量的准确性。本专利技术对国内外微型贯入设备进行了改进，合理设计了可用于探测雪层剖面的新型标准贯入器，提供更详细、准确的雪地层表征和微机械性能，能够探测出更薄的软弱层所处的位置，为我国积雪区雪层勘探实践提供有力的支持。本专利技术采用了微型圆锥贯入仪，由于仪器分辨雪层微观结构和薄层的能力受到圆锥的直径大小的限制，在贯入尖端增加了一段直径较小的探针，使探针以一个恒定的速度贯入雪中，减小了仪器与积雪之间产生的摩擦等问题，从而准确测量受到的尖端阻力，并且可利用传输的贯入阻力的力信号的变化情况划分雪层剖面，可提供比传统人工雪剖面更详细的雪地层学表征，同时可以判断雪内部结合强度。这种用于探测雪层的微型贯入仪比声波探测仪更能精确的分辨薄弱层。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于探测雪层特性的雪微型贯入仪，其特征在于，包括：数据采集仪(1)、同轴电缆(2)、电动加速器(3)、驱动杆(4)、固定轴套(5)、数模转换器(6)、测斜仪(7)、贯入尖端(8)、压力传感器(9)和探针(10)；固定轴套(5)穿插在驱动杆(4)内，驱动杆(4)通过螺纹连接到贯入尖端(8)，贯入尖端(8)内设置有压力传感器(9)，压力传感器(9)通过数据传输线穿过固定轴套(5)与数据采集仪(1)相连，贯入尖端(8)与探针(10)通过连杆相连；同轴电缆(2)与电动加速度器(3)相连，数模转换器(6)和测斜仪(7)串联，电动加速度器(2)与驱动杆(4)固定相连。

【技术特征摘要】
1.一种用于探测雪层特性的雪微型贯入仪，其特征在于，包括：数据采集仪(1)、同轴电缆(2)、电动加速器(3)、驱动杆(4)、固定轴套(5)、数模转换器(6)、测斜仪(7)、贯入尖端(8)、压力传感器(9)和探针(10)；固定轴套(5)穿插在驱动杆(4)内，驱动杆(4)通过螺纹连接到贯入尖端(8)，贯入尖端(8)内设置有压力传感器(9)，压力传感器(9)通过数据传输线穿过固定轴套(5)与数据采集仪(1)相连，贯入尖端(8)与探针(10)通过连杆相连；同轴电缆(2)与电动加速度器(3)相连，数模转换器(6)和测斜仪(7)串联，电动加速度器(2)与驱动杆(4)固定相连。2.如权利要求1所述的用于探测雪层特性的雪微型贯入仪，其特征在于，电动加速器(3)包括恒速马达，马达产生的尖端的小振动以推进静力触探探杆，安装在刚性框架上，刚性框架被固定于测量的雪面上。3.如权利要求1所述的用于探测雪层特性的雪微型贯入仪，其特征在于，固定轴套(5)被套装在驱动杆(4)中，通过电动加速器(3)中央设置的凸塞防止其旋转。4.如权利要求1所述的用于探测雪层特性的雪微型贯入仪，其特征在于，连杆的长度变化范围为10cm，探针10的尖端为小于30度低夹角的锥形，探针10锥角直径为5mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈妍，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32