在新的世纪里，随着人类生产与生活领域的不断扩大，尤其是随着大洋钻探、大陆科学钻探、极地冰层钻探和海湖沉积钻探等计划的开展，以及地质灾害防治和市政基础建设工程的需要，为解决各种复杂条件下钻进工程技术的难题，促进着现代钻探技术与方法的发展，并由此产生了包括热力钻进法、热熔岩石钻进法、超高频电加热机械切削组合钻进法以及激光钻进法等在内的一些非传统钻进方法。 其中，热熔法作为一种新型的非传统的钻进方法，由于具有一些特有的优点，如不需要复杂的机械设备、钻进方法具有普遍适用性、在钻进过程中岩石被熔化使孔壁加固而不必使用套管、应用方便而不污染环境等，因此具有广泛的应用前景。目前世界上一些国家包括俄罗斯、美国、日本等正在积极开展相关的研究，但从总体上说，当前热熔钻进技术的应用还处于试验阶段，人们对热熔钻进法的理论研究还有待于全面深入，有关热熔钻进的工艺方法与钻具材料还需要在实践中进行探索。热熔法作为一种新型的钻进技术，要进行推广应用还需要解决一系列的技术问题，因此对其进行全面深入的研究是必要的，尤其是要重点研究热熔作用机理、热熔钻头材料与结构、热熔钻进效率影响因素、固孔用易熔胶结材料等。热熔钻进实验台作为开展热熔法钻进技术研究的实验工作平台，用于模拟热熔法钻进的过程，研究热熔钻进的机理与规律，目前开展热熔钻进实验研究的手段还是比较简单与原始的，主要是通过手工的方式来改变有关实验参数(如工作电流、钻压等)，然后再测量另外一些参数的变化(如钻进进尺、熔体温度等)，由于没有专用的仪器，实验过程中参数的调节与检测都是采用手工操作的方式，同时受仪器功能的制约，难以同时且连续地获得多项测试数据，大量数据的记录与整理工作也是用手工完成的，因此实验的过程繁琐而重复，工作效率不高，测试数据的获取缺少实时性，不能获得实验过程中动态变化的数据和曲线，实验测试过程缺少自动化与信息化的特性，不利于深入开展热熔法钻进理论的研究。因此，从开展热熔法钻进技术研究的需要出发，研制一套热熔钻进实验数据采集系统是很有必要的，它对提高研究水平具有重要的意义，作为热熔钻进技术实验室建设的一个重要组成部分，也是一项紧迫的、需要优先完成的工作。 　　论文的选题面向热熔钻进技术这一前沿性课题，并从热熔钻进实验的需要出发，目标在于研究并开发制作出一套热熔钻进实验数据采集系统，用于在热熔钻进实验过程中调控相关的实验参数(包括热熔钻头的工作电流、钻压等)，然后实时采集钻进过程中热熔钻头的温度、电功率消耗、钻进进尺以及钻头周围温度场的分布等参数，利用数据采集系统所获得的测试数据，可以研究热熔钻进的过程和机理，分析热熔钻进的效率及影响因素，绘制相应的关系曲线，为深入研究热熔钻进技术提供可靠的依据。热熔钻进实验数据采集系统可以克服手工操作实验的不足，获取实验过程中的一系列动态曲线，实现热熔钻进实验过程的检测自动化与信息化。 　　论文共分七章。第一章介绍了热熔钻进技术的发展应用情况和研究现状，并在此基础上论述了选题的目的及意义，指出研制热熔钻进实验数据采集系统，对开展热熔法钻进技术的研究具有重要的作用，可以提供一种高效而先进的实验手段，实现热熔钻进实验过程的检测自动化与信息化。 　　第二章在介绍热熔钻进实验台功能和组成的基础上，根据热熔钻进实验的需要，论述了热熔钻进实验数据采集系统应满足的要求，进一步明确了系统研制的目标与任务，在此基础上确定了系统采用上下位机式的总体方案，说明了系统的组成及各部分的功能。 　　第三章下位机子系统设计，是论文工作的重要内容之一。本章详细讨论了热熔钻进实验过程中有关实验参数的检测原理与方法，并根据测试的需要合理选择传感器的类型，设计相关的信号调理电路。实验中需要检测的参数包括：①热熔钻头温度，选用红外测温仪，量程600～2400℃，测量精度为18℃；②热熔钻头工作电流，选用霍尔电流传感器，量程0～200A，测量精度为2A；③热熔钻头工作电压，选用霍尔电压传感器，量程0～100V，测量精度为0．5V：④钻头周围岩(土)体测点温度，提出了一种用软件插值计算来简化硬件补偿电路、获得高精度的温度测量方法，选用接触式热电偶，量程0～1600℃，测量精度为8℃；⑤钻进进尺，提出了一种大量程、高精度、低成本和高可靠性的位移测量方法，选用增量式光电旋转编码器，进尺量程为-0.7m～+1.8m，测量精度为0.05mm；⑥钻压，采用油压传感器检测给进腔油压的间接测量方法，钻压的量程为0～48KN，测量误差小于0.24 KN。在确定检测方法和接口电路的基础上，进行了单片机系统设计，包括系统基本单元、输入单元、输出单元以及数据通讯接口单元等，并确定了实验参数的调节方法，完成了数据采集系统的机电液接口的设计与制作。 　　第四章上位机软件设计部分，详细说明了上位机软件的各组成部分及其功能，包括串口通讯模块、实验项目模块、数据文件管理模块和实验参数调整模块。在串口通讯模块中，确定了数据采集周期和上位机数据采集工作流程，说明了在VB开发环境下串口通讯方法；在实验项目模块中，根据热熔钻进实验的需要划分为热熔钻头测试、热熔钻进实验和温度场测试等三个实验项目模块，论述了从接收到的测试数据中提取与实验项目相关的数据，进行处理、显示与保存以及绘制实时曲线的方法；在数据文件管理模块中，将各实验项目的测试数据文件自动转换为Excel数据文档，并绘制原始的实验数据曲线，以便于进一步的数据处理与分析；在实验参数调整模块中，将实验参数调节值(钻头工作电流和钻压)转换为控制代码，由通讯模块发送给下位机，从而实现实验过程中的参数调整。 　　第五章讨论了系统的可靠性问题。由于热熔钻进实验室环境条件较为恶劣，现场存在严重的电磁干扰源(直流电源、电机、继电器和电磁阀等)，周围空气中还含有少量的烟雾和灰尘，各类干扰都有可能通过电源和传输导线等途径窜入数据采集系统中，造成较大的测试误差甚至影响系统的可靠工作。为此，分别从信号检测、单片机系统和数据通讯等环节采取了一系列有效措施，包括合理配置传输线路、信号多环节滤波处理、单片机系统软硬件抗干扰设计以及RS-485差分总线串口通讯等，实验证明这些措施有效地提高了系统的抗干扰能力。 　　第六章介绍了数据采集系统的实验应用情况。在热熔钻头测试实验中，通过检测钻头表面的温度、钻头工作电流、工作电压和电功率消耗等参数，建立了钻头温度与工作电流(t—I)、钻头温度与功率消耗(t—P)之间的关系曲线，为深入研究热熔钻头的材料、结构等因素与发热效率之间的关系提供了依据，该实验模块也可用于对直流电源设备作应用 性测试。在热熔钻进实验中，以亚粘土为土样，利用数据采集系统获得了热熔钻进过程中 钻头工作电流、电功率消耗、钻压、钻进进尺等实时曲线，并由此得到在某些特定条件下 的平均机械钻速数据。在热钻温度场测试实验中，以粉沙土作为实验土样，检测钻头周围 6个测点的温度值，利用所获得的各测点温度实时曲线，建立了在粉沙土热钻条件下关于 温度场分布规律的“温度——距离”关系曲线。 　　第七章对论文的研究工作进行了总结，并提出了实验室下一步研究工作的建议。研制热熔钻进实验数据采集系统，作为一项创新与探索性的研究工作，涉及机械、电子以及地质工程等诸多学科领域，在论文研究中能够综合应用相关学科的理论知识，并在系统构架、实验参数检测方法以及测试数据处理软件等方面有以下技术创新点：①对钻进进尺的检测，提出了一种大量程、高精度、低成本和高可靠性的测量方法；②对多路热电偶的实时测温，提出了一种用软件插值计算来简化硬件补偿电路，获得高精度的温度测量方法；③合理采用上下位机式系统构架，通过完善的数据采集流程和通讯协议，实现可靠的数据采集工作；④对测试数据的良好管理功能，能够自动生成ExCEL实验数据报表和实时曲线，有利于减小数据后续处理的工作量，提高实验效率，实现实验结果的可视化。 　　综上所述，论文研究工作从热熔钻进实验研究的需要出发，论述了热熔钻进实验数据采集系统的总体方案，详细说明了有关的测试项目及要求，并在此基础上合理地选择了各传感器的类型及其工作参数，设计并制作了电气与机械接口，完成了系统软硬件(包括上下位机)的开发与调试，并成功地应用于热熔钻进的实钻实验。 　　从实验应用的效果看，数据采集系统能够实现预期的功能，符合实验所要求的技术指标，可以满足热钻实验的需要，并且系统的人机界面友好，实时数据显示直观，操作简单。通过热钻实验同时也证明，数据采集系统可以在实验室较为恶劣的环境条件下可靠地工作。尽管实验现场既有严重的电磁干扰源，空气中还含有少量的烟尘，但由于合理地采用了电磁场屏蔽、工作电源滤波、信号电缆屏蔽以及系统正确接地等技术措施，并在机箱结构设计中注意了防静电和防尘等问题，仪器在连续几个小时的实验过程中一直工作良好，所获得的测试数据是连续的、可信的。 　　目前，热熔钻进实验台及数据采集系统已顺利通过学校“211”建设项目的验收。数据采集系统为深入研究热熔钻进技术提供了一种先进的实验手段，可以克服手工操作实验方式的不足，获得大量的实时测试数据，实现实验过程的高效率和测试自动化，同时也可实现实验数据管理的高效和共享。热熔钻进技术实验室的建成，标志着我国拥有了首个设备先进、实验条件齐全，可开展多方面综合研究的热熔钻进技术研究平台，它将为深入研究热熔钻探技术与方法，发展新型钻探技术，提高我国钻进技术水平发挥重要的作用。