本发明涉及一种近钻头测量装置、测量系统及工程机械，属于钻机隧道工程施工。
背景技术：
1、多功能钻机是一种用于地质工程的重要设备，主要用于爆破钻孔、岩石取芯、锚固钻孔、超前钻探等工程。多功能钻机在钻孔施工作业中，对岩石的破坏作用主要包括回转切削、推进压溃、冲击破岩，这三种破坏作用受钻进过程中扭矩、轴向力、冲击频率等参数的影响。
2、多功能钻机在钻进作业中，不同的围岩强度等级需要匹配不同的钻进参数，使得钻进效率更高，钻头的磨损更小，在工程施工过程中，大规模的岩石强度等级测试较为困难，且成本较高，围岩智能识别系统能够在钻进过程中根据钻进参数的实时变化，识别岩石等级。但该系统需要大量的钻进过程中近钻头的历史数据为基础，其中近钻头的状态参数（如近钻头扭矩、轴向力、冲击频率）能够直接反应岩石状态。
3、申请号为cn202311495415.6的发明专利，公开了一种工程地质勘测用近钻头端原位测量装置，以泥浆脉冲传输信号，测量钻进过程中拉力、压力、扭矩和转速。通过泥浆脉冲传输数据，数据传输频率低，无法支撑围岩实时识别的要求，且需要电池供电，续航时间短，此外，无法测量冲击频率。原位测量装置包含电池、电路板、传感器等组件对空间大小要求较高，多功能钻机钻杆内部中空通水，且钻杆直径仅为73mm或以下，无法承载过多组件。
4、申请号为cn202211561296.5的发明专利，公开了一种导轨式凿岩机钻杆轴向力和扭矩载荷测试方法，在凿岩机钎杆外表面布置轴向力和扭矩应变片，获得凿岩机钻杆的轴向力和扭矩信息。该发明专利为近凿岩机、远离钻头的轴向力和扭矩测量，无法测得靠近岩石破坏面的近钻头数据，且无法用于长距离、通水排渣的钻进场景。
5、申请号为202211290620.4的发明专利，公开了一种液压凿岩机性能检测系统及方法，采集的压力、位移、流量信号，由计算机实时获得冲击压力、冲击频率、冲击能等冲击性能参数。该发明未测得扭矩、轴向力等数据，通过模拟岩石钻进条件，测得冲击性能参数，无法用于现场钻进作业。
6、以上技术中，虽然可以测得多功能钻机扭矩、轴向力、冲击频率，但无法同时满足多功能钻机钻杆尺寸较小、近钻头数据远距离钻进测量、实时高频传输等要求。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种近钻头测量装置、测量系统及工程机械，能够获得近钻头部位的扭矩、轴向力、冲击频率，能够满足钻杆尺寸较小、近钻头数据远距离钻进测量、实时高频传输的要求。为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
2、第一方面，本发明提供一种近钻头测量装置，所述近钻头测量装置安装于钻机的动力头与钻头之间，所述近钻头测量装置包括：测试杆、钻杆和出线杆；
3、所述测试杆一端连接所述钻头，另一端连接所述钻杆，所述测试杆的外壁上对称设置有应变片粘贴槽，每个应变片粘贴槽内均连接有扭矩应变片和轴向力应变片；
4、所述出线杆一端连接所述动力头，另一端连接所述钻杆，所述出线杆的外壁上设有无线节点，所述无线节点与所述扭矩应变片、轴向力应变片电连接，所述无线节点用于将所述扭矩应变片采集到的扭矩应变信号和轴向力应变片采集到的轴向力应变信号以无线信号的形式输出。
5、结合第一方面，可选地，所述测试杆为空心杆；
6、所述测试杆上对称设置有入线孔，所述入线孔贯穿所述测试杆的杆壁，连接所述测试杆的内腔体和外壁；
7、所述入线孔的对称轴与所述应变片粘贴槽的对称轴垂直。
8、结合第一方面，可选地，所述测试杆的外壁上设置有导线槽，所述导线槽用于连接所述应变片粘贴槽与所述入线孔；
9、所述扭矩应变片和轴向应变片的电源线和信号线沿着所述导线槽穿过所述入线孔穿入所述测试杆的内腔体，穿入所述测试杆的内腔体的电源线和信号线外层包裹有屏蔽层，构成第一屏蔽线缆。
10、结合第一方面，可选地，所述出线杆为空心杆；
11、所述出线杆上设有出线孔，所述出线孔贯穿所述出线杆的杆壁，连接所述出线杆的内腔体和外壁；
12、所述出线杆内设有第二屏蔽线缆，所述第二屏蔽线缆从所述出线孔穿出，连接在所述无线节点的底部。
13、结合第一方面，可选地，所述钻杆包括一节或多节的空心基础钻杆，所述多节的空心基础钻杆通过钻杆连接头连接；
14、所述空心基础钻杆的内腔体中设有预设屏蔽线缆，
15、所述预设屏蔽线缆通过设于所述空心基础钻杆的两端的防水插头连接所述第一屏蔽线缆和所述第二屏蔽线缆，用于实现所述无线节点与所述扭矩应变片、轴向力应变片的电连接。
16、结合第一方面，可选地，所述测试杆的外壁连接有保护盖板，所述保护盖板为弧形；
17、所述保护盖板拼接成套筒结构，所述套筒结构固接在所述测试杆的外壁上，用于盖住所述应变片粘贴槽；
18、所述套筒结构的拼接缝设于所述入线孔的顶部。
19、第二方面，本发明提供一种近钻头测量系统，包括第一方面所述的近钻头测量装置，还包括计算组件，所述近钻头测量装置和计算组件通信连接；
20、所述计算组件包括计算机与基站，所述计算机通过所述基站与近钻头测量装置的无线节点通信连接，所述计算机用于根据近钻头测量装置输出的扭矩应变信号输出扭矩测量结果、根据近钻头测量装置输出的轴向力应变信号输出轴向力测量结果和冲击频率测量结果。
21、结合第二方面，可选地，计算机根据扭矩应变信号输出扭矩测量结果，包括：
22、对扭矩应变片实时采集到的扭矩应变信号进行信号处理，得到扭矩应变实时数值；
23、利用标定得到的扭矩系数对扭矩应变实时数值进行数据处理，得到扭矩测量结果，通过下式表示：
24、（1）
25、式（1）中， m为扭矩测量结果；为扭矩应变实时数值，为扭矩应变初始数值，为标定得到的扭矩系数。
26、结合第二方面，可选地，计算机根据轴向力应变信号输出轴向力测量结果和冲击频率测量结果，包括：
27、对轴向力应变片实时采集到的轴向力应变信号进行信号处理，得到轴向力应变实时数值；
28、利用标定得到的轴向力系数对轴向力应变实时数值进行数据处理，得到轴向力测量结果，通过下式表示：
29、（2）
30、式（2）中， f为轴向力测量结果；为轴向力应变实时数值，为轴向力应变初始数值，为标定得到的轴向力系数；
31、轴向力应变实时数值和轴向力测量结果 f为随时间变化的轴向力数据，通过下式表示：
32、（3）
33、初始化式（3）中 t的取值范围为<mi>t</mi><mi>∈[</mi><msub><mi>t</mi><mi>1+mi</mi></msub><mi>,</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>n</mi><mi>+mi</mi></mrow></msub><mi>]</mi>；其中， m为快速傅里叶变换的采样区间移动次数， m取值范围为 m=0,1,2,3…； i为每次移动的时间步长个数，一个时间步长为两个相邻采样点的时间间隔； n为采样频率；
34、对式（3）进行快速傅里叶变换，得到各采样区间中幅值 y与频率 f之间的关系，通过下式表示：
35、（4）
36、去除直流分量后的幅值最大值对应的频率为该采样区间的瞬时频率；
37、当采样区间移动 m次时，获得第 m+1个采样区间的瞬时频率，将瞬时频率作为冲击频率测量结果。
38、第三方面，本发明提供一种工程机械，所述工程机械配置有第二方面所述的近钻头测量系统。
39、与现有技术相比，本发明实施例所提供的一种近钻头测量装置、测量系统及工程机械所达到的有益效果包括：
40、本发明近钻头测量装置安装于钻机的动力头与钻头之间，近钻头测量装置包括：测试杆、钻杆和出线杆；本发明能够满足钻杆尺寸较小的要求；
41、本发明测试杆一端连接钻头，另一端连接钻杆，测试杆的外壁上对称设置有应变片粘贴槽，每个应变片粘贴槽内均连接有扭矩应变片和轴向力应变片；本发明设置在测试杆上的扭矩应变片和轴向力应变片能够尽可能接近岩石切削面，能够测量近钻头部位的扭矩应变和轴向力应变；
42、本发明出线杆一端连接动力头，另一端连接钻杆，出线杆的外壁上设有无线节点，无线节点与扭矩应变片、轴向力应变片电连接，无线节点用于将扭矩应变片采集到的扭矩应变信号和轴向力应变片采集到的轴向力应变信号以无线信号的形式输出；本发明通过无线节点输出应变信号，能够实现近钻头数据远距离钻进测量和实时高频传输；
43、本发明近钻头测量系统的计算机用于根据近钻头测量装置输出的扭矩应变信号输出扭矩测量结果、根据近钻头测量装置输出的轴向力应变信号输出轴向力测量结果和冲击频率测量结果，能够通过对测量的信号进行计算处理，得到近钻头部位的扭矩、轴向力和冲击频率的测量结果，能够满足钻杆尺寸较小、近钻头数据远距离钻进测量、实时高频传输的要求。
1.一种近钻头测量装置，其特征在于，所述近钻头测量装置安装于钻机的动力头与钻头之间，所述近钻头测量装置包括：测试杆、钻杆和出线杆；
2.根据权利要求1所述的近钻头测量装置，其特征在于，所述测试杆为空心杆；
3.根据权利要求2所述的近钻头测量装置，其特征在于，所述测试杆的外壁上设置有导线槽，所述导线槽用于连接所述应变片粘贴槽与所述入线孔；
4.根据权利要求3所述的近钻头测量装置，其特征在于，所述出线杆为空心杆；
5.根据权利要求4所述的近钻头测量装置，其特征在于，所述钻杆包括一节或多节的空心基础钻杆，所述多节的空心基础钻杆通过钻杆连接头连接；
6.根据权利要求2所述的近钻头测量装置，其特征在于，所述测试杆的外壁连接有保护盖板，所述保护盖板为弧形；
7.一种近钻头测量系统，其特征在于，包括权利要求1~6任一项所述的近钻头测量装置，还包括计算组件，所述近钻头测量装置和计算组件通信连接；
8.根据权利要求7所述的近钻头测量系统，其特征在于，计算机根据扭矩应变信号输出扭矩测量结果，包括：
9.根据权利要求7所述的近钻头测量系统，其特征在于，计算机根据轴向力应变信号输出轴向力测量结果和冲击频率测量结果，包括：
10.一种工程机械，其特征在于，所述工程机械配置有权利要求7~9任一项所述的近钻头测量系统。
