本實(shí)用新型涉及振動(dòng)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種深孔傳遞函數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，還沒(méi)有采用實(shí)測(cè)地層傳遞函數(shù)進(jìn)行振動(dòng)預(yù)測(cè)的測(cè)試系統(tǒng)及技術(shù)，已有的較為相近的測(cè)試系統(tǒng)，是通過(guò)實(shí)測(cè)隧道壁振動(dòng)加速度和地表振動(dòng)加速度，然后進(jìn)行兩者傳遞比計(jì)算，從而獲取實(shí)測(cè)的地層傳遞特性用于振動(dòng)預(yù)測(cè)，這種測(cè)試系統(tǒng)不是獲取的振動(dòng)傳遞函數(shù)，預(yù)測(cè)原理忽略了地鐵列車運(yùn)行的振源激勵(lì)的相位信息，存在系統(tǒng)誤差，因此預(yù)測(cè)精度一般。同時(shí)，該實(shí)測(cè)傳遞比測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中，地表測(cè)試與隧道內(nèi)測(cè)試是分開(kāi)進(jìn)行的，無(wú)法達(dá)到測(cè)試信號(hào)的同步，因此無(wú)法進(jìn)行傳遞函數(shù)計(jì)算。

對(duì)于預(yù)測(cè)系統(tǒng)的核心——振源發(fā)生裝置來(lái)說(shuō)，目前有自動(dòng)落錘激勵(lì)裝置，如圖1所示。該裝置可以進(jìn)行搬運(yùn)移動(dòng)，放置于軌道上或隧道內(nèi)部進(jìn)行沖擊激勵(lì)，僅可滿足道床上和隧道內(nèi)的激振，并且需要人員在附近操作，體積過(guò)大，無(wú)法放置進(jìn)鉆孔內(nèi)部滿足進(jìn)行孔底激振的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題中存在的不足之處，本實(shí)用新型提供一種深孔傳遞函數(shù)測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法，可以在進(jìn)行原位鉆孔內(nèi)激振時(shí)獲取傳遞函數(shù)，保證預(yù)測(cè)精度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種深孔傳遞函數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，包括深孔激振裝置、數(shù)據(jù)采集儀、多個(gè)加速度傳感器和PC機(jī)，多個(gè)所述加速度傳感器均勻布置在地層表面，所述深孔激振裝置的數(shù)據(jù)線與所述數(shù)據(jù)采集儀的輸入端連接，多個(gè)所述加速度傳感器分別通過(guò)數(shù)據(jù)線與所述數(shù)據(jù)采集儀的輸入端連接，所述數(shù)據(jù)采集儀的輸出端通過(guò)網(wǎng)線與所述PC機(jī)連接；

所述深孔激振裝置包括落錘支架、鋼絞線、電機(jī)、力錘組件和鋼套筒，所述落錘支架位于地層表面，所述電機(jī)位于所述落錘支架上，所述鋼絞線通過(guò)滑輪與所述落錘支架連接，地層內(nèi)設(shè)有一個(gè)激振孔，所述激振孔內(nèi)側(cè)設(shè)有混凝土套筒，所述混凝土套筒內(nèi)側(cè)布置所述鋼套筒，所述力錘組件位于所述鋼套筒內(nèi)，所述力錘組件通過(guò)所述鋼絞線與所述電機(jī)連接。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn)，所述力錘組件包括吊裝頂盤(pán)、安全繩、導(dǎo)向桿、電磁鐵、質(zhì)量塊、導(dǎo)輪和錘頭，所述鋼絞線和所述吊裝頂盤(pán)連接，所述吊裝頂盤(pán)下方固定連接所述安全繩一端，所述安全繩另一端與多個(gè)所述質(zhì)量塊固定連接，所述吊裝頂盤(pán)和所述質(zhì)量塊之間固定有多根所述導(dǎo)向桿，所述電磁鐵位于多根所述導(dǎo)向桿內(nèi)部，且可伸縮的與所述吊裝頂盤(pán)連接，八個(gè)所述導(dǎo)輪固定于最頂端的質(zhì)量塊和最底端的質(zhì)量塊的外緣上，最頂端的質(zhì)量塊和最底端的質(zhì)量塊在圓周方向上均等間距分布四個(gè)所述導(dǎo)輪，所述導(dǎo)輪在所述鋼套筒內(nèi)滑動(dòng)，所述錘頭固定在所述質(zhì)量塊的下方，所述錘頭內(nèi)設(shè)有力傳感器。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn)，所述鋼套筒由多段鋼筒組成，所述鋼筒之間采用螺紋扣連接，并采用橡膠圈密封，最底部的一段鋼筒為盲孔。

本實(shí)用新型的有益效果為：

1、振源發(fā)生裝置(深孔激振裝置)可以滿足在深孔底進(jìn)行錘擊激振的體積、操作、采樣等技術(shù)要求，并且激振力達(dá)到地鐵列車激振量級(jí)(即100kN以上)，可以自動(dòng)提升、降落進(jìn)行沖擊激勵(lì)，并能進(jìn)行錘頭錘擊力的動(dòng)態(tài)高精度采樣；

2、可在地層任意深度鉆孔內(nèi)進(jìn)行脈沖激勵(lì)，產(chǎn)生有效振動(dòng)激勵(lì)，并滿足所有信號(hào)同步采樣，從而可以進(jìn)行任意地層傳遞函數(shù)的測(cè)試及計(jì)算；

3、可以滿足所有信號(hào)(激振力和地表響應(yīng)加速度)的同步采樣，從而可以進(jìn)行實(shí)際傳遞函數(shù)的測(cè)試及計(jì)算；

4、測(cè)試采用高精度的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、加速度傳感器、力傳感器進(jìn)行深孔激振下的信號(hào)的同步動(dòng)態(tài)采集，可以滿足不同測(cè)點(diǎn)采樣信號(hào)的時(shí)鐘頻率完全同步，從而可以滿足計(jì)算傳遞函數(shù)的技術(shù)要求；

5、深孔激振裝置采用了組裝式設(shè)計(jì)，設(shè)備便于現(xiàn)場(chǎng)拆卸、安裝、運(yùn)輸，提升、降落力錘組件簡(jiǎn)便迅速，方便操作，鋼套筒采用拆裝型式，可重復(fù)使用，減少整體成本。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的自動(dòng)落錘激勵(lì)裝置的結(jié)構(gòu)示意；

圖2為本實(shí)用新型一種深孔傳遞函數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2中的深孔激振裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖3中的力錘組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為采用深孔傳遞函數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方法的流程示意圖；

圖6為測(cè)點(diǎn)布置的示意圖；

圖7為圖6以70m范圍布置測(cè)點(diǎn)的示意圖。

圖中：

1、落錘支架；2、鋼絞線；3、電機(jī)；4、混凝土套筒；5、力錘組件；6、鋼套筒；7、數(shù)據(jù)采集儀；8、數(shù)據(jù)線；9、加速度傳感器；10、PC機(jī)；11、吊裝頂盤(pán)；12、安全繩；13、導(dǎo)向桿；14、電磁鐵；15、質(zhì)量塊；16、導(dǎo)輪；17、錘頭。

具體實(shí)施方式

如圖2所示，本實(shí)用新型實(shí)施例所述的一種深孔傳遞函數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，包括深孔激振裝置、數(shù)據(jù)采集儀7、多個(gè)加速度傳感器9和PC機(jī)10，多個(gè)加速度傳感器9均勻布置在地層表面，深孔激振裝置的數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀7的輸入端連接，多個(gè)加速度傳感器9分別通過(guò)數(shù)據(jù)線8與數(shù)據(jù)采集儀7的輸入端連接，數(shù)據(jù)采集儀7的輸出端通過(guò)網(wǎng)線與PC機(jī)10連接。

如圖3所示，深孔激振裝置包括落錘支架1、鋼絞線2、電機(jī)3、力錘組件5和鋼套筒6，落錘支架1位于地層表面，電機(jī)3位于落錘支架1上，鋼絞線2通過(guò)滑輪與落錘支架1連接，地層內(nèi)設(shè)有一個(gè)激振孔，激振孔內(nèi)側(cè)設(shè)有混凝土套筒4，混凝土套筒4內(nèi)側(cè)布置鋼套筒6，力錘組件5位于鋼套筒6內(nèi)，力錘組件5通過(guò)鋼絞線2與電機(jī)3連接。

如圖4所示，力錘組件5包括吊裝頂盤(pán)11、安全繩12、導(dǎo)向桿13、電磁鐵14、質(zhì)量塊15、導(dǎo)輪16和錘頭17，鋼絞線2和吊裝頂盤(pán)11連接，吊裝頂盤(pán)11和質(zhì)量塊15之間固定有多根導(dǎo)向桿13，電磁鐵14位于多根導(dǎo)向桿13內(nèi)部，且可伸縮的與吊裝頂盤(pán)11連接，八個(gè)導(dǎo)輪16固定于最頂端的質(zhì)量塊15和最底端的質(zhì)量塊15的外緣上，最頂端的質(zhì)量塊15和最底端的質(zhì)量塊15在圓周方向上均等間距分布四個(gè)導(dǎo)輪16，導(dǎo)輪16在鋼套筒6內(nèi)滑動(dòng)，錘頭17固定在質(zhì)量塊15的下方，錘頭17內(nèi)設(shè)有力傳感器。

其中，鋼套筒6由多段鋼筒組成，在地層表面上，每3段鋼筒為一組進(jìn)行裝配，然后由長(zhǎng)臂吊車吊起，放置于混凝土套筒4內(nèi)，鋼筒之間采用螺紋扣連接，并采用橡膠圈密封，最底部一段鋼筒為盲孔。鋼套筒采用拆裝型式， 可重復(fù)使用。

落錘支架1和電機(jī)3用于提升、降落力錘組件5，激振孔底的力錘組件5由地面的電機(jī)3提升，采用自動(dòng)脫鉤裝置進(jìn)行自由下落，以錘擊孔底，錘頭17內(nèi)的力傳感器獲取良好的激振力信號(hào)?；炷撂淄?對(duì)激振孔進(jìn)行護(hù)壁，混凝土套筒4中布置鋼套筒6作為引導(dǎo)力錘組件5垂直提升降落的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，同時(shí)，鋼套筒6隔開(kāi)激振孔底的積水。

本實(shí)用新型的深孔激振裝置可以于鉆孔內(nèi)進(jìn)行脈沖激勵(lì)，產(chǎn)生有效的振動(dòng)激勵(lì)，傳播至地表進(jìn)行振動(dòng)加速度采樣，同時(shí)可應(yīng)用于原位深孔激振實(shí)測(cè)傳遞函數(shù)。

本實(shí)用新型的深孔激振裝置具有以下特點(diǎn)：滿足進(jìn)行深孔內(nèi)激振的尺寸、結(jié)構(gòu)、激振技術(shù)要求；采用了組裝式設(shè)計(jì)，設(shè)備便于現(xiàn)場(chǎng)拆卸、安裝、運(yùn)輸；裝置沖擊過(guò)程中，通過(guò)安裝在錘頭的高精度力傳感器獲取良好的激勵(lì)力信號(hào)；激發(fā)能量可以保證地面獲取清晰的振動(dòng)響應(yīng)；孔底的力錘組件由地面電機(jī)提升，采用自動(dòng)脫鉤裝置進(jìn)行自由下落，以錘擊孔底，設(shè)備需保證錘擊過(guò)程中，其提升、降落簡(jiǎn)便迅速，方便操作；深孔由混凝土進(jìn)行支護(hù)，鋼套筒采用拆裝型式，可重復(fù)使用。

采用該深孔傳遞函數(shù)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試方法如圖5所示，包括以下步驟：

步驟1，采用鉆孔機(jī)在地層鉆一個(gè)直徑為500mm的激振孔，采用混凝土套筒4對(duì)激振孔進(jìn)行護(hù)壁，激振孔的孔底為原位土，用于地層激振，將鋼套筒的多段鋼筒拼接放入激振孔，鋼套筒與激振孔底部土緊密相貼。

步驟2，將深孔激振裝置固定在地層表面，并將力錘組件5落入激振孔的鋼套筒內(nèi)。

步驟3，如圖6所示，在地層表面距離激振孔以3～5m的等間距布置10～20個(gè)測(cè)點(diǎn)，與激振孔相距最遠(yuǎn)一處的測(cè)點(diǎn)距離激振孔50m～100m，在每個(gè)采樣點(diǎn)布設(shè)一個(gè)加速度傳感器9。本實(shí)施例以70m范圍布置測(cè)點(diǎn)為例，如圖7所示，地表測(cè)點(diǎn)數(shù)目為15個(gè)，第一個(gè)測(cè)點(diǎn)由于無(wú)法在0m激振孔處布置測(cè)點(diǎn)，因此選取在2.5m處布置測(cè)點(diǎn)。間距5m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。

為了保證加速度傳感器9在地層表面的密切性，確保采樣精度，可以采用兩種方法將加速度傳感器9固定在地層表面。第一種，對(duì)于土質(zhì)地面，首先將拼裝式金屬土釘釘入土層緊密相貼，然后采用螺栓將加速度傳感器9擰緊和金 屬土釘緊密相貼。第二種，對(duì)于硬質(zhì)地面，首先采用強(qiáng)力膠將鐵片粘貼在地層表面，然后使加速度傳感器9通過(guò)螺栓與強(qiáng)力磁座相連，最后將強(qiáng)力磁座吸附于在鐵片上達(dá)到緊密相貼。

步驟4，首先將深孔激振裝置的錘頭連接的數(shù)據(jù)線引出地層表面，并與數(shù)據(jù)采集儀7的輸入端連接，然后將每個(gè)加速度傳感器9通過(guò)數(shù)據(jù)線8與數(shù)據(jù)采集儀7的輸入端連接，最后將數(shù)據(jù)采集儀7的輸出端通過(guò)網(wǎng)線與PC機(jī)10連接，這樣保證了激勵(lì)力和加速度響應(yīng)在同步采樣，達(dá)到進(jìn)而可以進(jìn)行傳遞函數(shù)測(cè)試的目的。

步驟5，測(cè)試時(shí)為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，采用多次激振和采樣的方式，通過(guò)電機(jī)3將錘頭17提升10～50cm，每次提升到相同高度位置處后，斷開(kāi)電磁鐵14的開(kāi)關(guān)，錘頭17自由落體沖擊激振孔的孔底，產(chǎn)生脈沖激振力。激振力振動(dòng)量級(jí)需要達(dá)到80～100kN。

步驟6，重復(fù)步驟5，反復(fù)提升錘頭17進(jìn)行地層激振，采用數(shù)據(jù)采集儀7采集加速度傳感器9和錘頭17內(nèi)的力傳感器的傳感信號(hào)，進(jìn)行激振力和地表響應(yīng)的同時(shí)采樣，保證每組數(shù)據(jù)激振次數(shù)至少5次，有效數(shù)據(jù)至少10組。測(cè)試間隔需要檢查實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的量值及頻譜是否滿足傳遞函數(shù)要求。

本實(shí)用新型采用的數(shù)據(jù)采集儀7為高精度的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，進(jìn)行深孔激振下的信號(hào)的同步動(dòng)態(tài)采集，可以滿足不同測(cè)點(diǎn)采樣信號(hào)的時(shí)鐘頻率完全同步，從而可以滿足計(jì)算傳遞函數(shù)的技術(shù)要求。本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)采集儀7的參數(shù)設(shè)置為：采樣頻率12800Hz，采樣點(diǎn)數(shù)32k，觸發(fā)量級(jí)20kN，觸發(fā)次數(shù)5。

本實(shí)用新型采用的加速度傳感器量程0.12～0.15g，靈敏度33～38v/g，頻率范圍0.2～600Hz。力傳感器測(cè)量范圍為0～300kN，靈敏度10～15mV/kN。

測(cè)試采用高精度的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、加速度傳感器、力傳感器進(jìn)行深孔激振下的信號(hào)的同步動(dòng)態(tài)采集，可以滿足不同測(cè)點(diǎn)采樣信號(hào)的時(shí)鐘頻率完全同步，從而可以進(jìn)行實(shí)際傳遞函數(shù)的測(cè)試及計(jì)算。

以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。