CN101013108B - 弯曲单元量测系统 - Google Patents

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Abstract

弯曲单元量测系统属于土工试验仪器技术领域。其特征在于,含有弯曲单元压电传感器发射端和接收端、计算机、与计算机相连的数据采集卡,数据采集卡的D/A输出端连接一个线性放大器,线性放大器的输出端分别连接压电传感器发射端的信号输入端和一个激发信号前处理器的输入端,激发信号前处理器和压电传感器接收端的输出端分别连接数据采集卡的两个A/D输入端口。本发明提高了系统的量测精度,简化了设计,降低了成本,同时操作简单、性能稳定,能够方便地安装在各类土工试验设备上应用。

Description

弯曲单元量测系统
技术领域:
[0001] 弯曲单元量测系统属于土工试验仪器技术领域。
[0002] 背景技术
[0003] 从1977年美国Austin大学的Shirley和Hampton发明的弯曲单元以来,弯曲单 元在土工试验中得到非常广泛的应用。特别是上个世纪九十年代,发展最为迅速。国内弯 曲单元的引入和开发都比较的晚,从现有的资料看,最先在国内把用此类系统用于试验的 是杨千里,浙江大学在2000年也在从香港理工大学引入的基础上,开发出了自己的弯曲单 元系统。
[0004] 弯曲单元量测系统,通过置于土样两端的两个压电传感器来测量剪切波在土样中 的传播时间的一种土工试验仪器。压电传感器受到激励电压信号的作用时,发射端的压电 传感器发生机械振动,在土中产生剪切波,位于接收端压电传感器,感应到剪切振动,产生 电信号输出。压电传感器当输入电脉冲时候,剪切振动同时产生;当接收到剪切振动开始 时,电信号也随之立刻输出。因此通过测量剪切波传播时间以及压电传感器发射和接收端 的距离就可以测定剪切波的传播速度。因为在测量剪切波传播时间的时候,并不需确切的 知道电压信号的绝对值,只需要通过记录弯曲单元压电传感器的发射端的激励信号和接收 端采集的信号,通过比较它们的相位差,就可以明确压电传感器发射端何时产生机械振动, 接受端何时接受到剪切波。通过相关的电子仪器可以实现上述功能。
[0005] 传统的弯曲单元系统复杂,需要信号发生器、功率放大器、电荷放大器、示波器以 及两个压电传感器,复杂的构成不但使该系统成本高,数据处理慢,而且体积大,可移动性 差,限制了它的普及程度。
[0006] 发明内容
[0007] 为了解决传统弯曲单元系统构成复杂,成本高同时精度和可操作性差等不足,本 发明提出一种弯曲单元量测系统,该系统不仅提高了该系统的量测精度,而且简化了设计, 降低了成本,同时操作简单、性能稳定,能够方便地安装在各类土工试验设备上应用。
[0008] 本发明含有置于土壤中的弯曲单元压电传感器发射端(10)和接收端(11),其特 征在于,还含有计算机,与所述计算机相连的数据采集卡,所述数据采集卡的D/A输出端连 接一个线性放大器,所述线性放大器的输出端分别连接所述弯曲单元压电传感器发射端
(10)的信号输入端和一个激发信号前处理器(D)的输入端,所述激发信号前处理器(D)的 输出端连接所述数据采集卡的第一 A/D输入端口(15);所述弯曲单元压电传感器接收端
(11)的输出端连接所述数据采集卡的第二 A/D输入端口(15),该接收端(11)接收到经土 壤传播过来的信号后输出到所述数据采集卡。
[0009] 所述线性放大器是由运算放大器(16)和推挽式放大器构成的复合线性放大器。
[0010] 所述激发信号前处理器含有两个串联的分压电阻R1 (12)和&(13),所述数据采集 卡的第一 A/D输入端口(15)连接所述分压电阻礼(12)和&(13)的串接处。
[0011] 所述弯曲单元压电传感器发射端(10)含有中心磷铜垫片(10-2)和两个极化方向 一致的压电陶瓷片(10-1),所述中心磷铜垫片(10-2)连接一根同轴电缆的轴心线(2-la),所述两片压电陶瓷片的外侧电极共同连接所述同轴电缆的屏蔽线(2_2a),所述同轴电缆连 接所述线性放大器的输出端;在所述发射端(10)的外部涂有防水涂层和屏蔽层,所述屏蔽 层与所述同轴电缆的屏蔽线(2_2a)相连。
[0012] 所述弯曲单元压电传感器接收端(11)含有中心磷铜垫片(11-2)和两个极化方 向相对的压电陶瓷片(11-1),所述一个压电陶瓷片的外侧电极与另一根同轴电缆的轴心线 (2-lb)相连,另一个压电陶瓷片的外侧电极与同轴电缆的屏蔽线(2-2b)相连,所述同轴电 缆连接所述数据采集卡的第二A/D输入端口 ;在所述接收端(11)的外部涂有防水涂层和屏 蔽层,所述屏蔽层与所述同轴电缆的屏蔽线(2-2b)相连。
[0013] 所述数据采集卡是PCI-6251型数据采集卡。
[0014] 试验证明,在实现传统弯曲单元系统功能的同时,通过对电路的改进最大程度降 低了系统的误差,简化了系统的构成,使设备便携,同时提高了系统的可操作性及后期开发 的潜力。
[0015] 附图说明
[0016] 图1是弯曲单元量测系统结构示意图;
[0017] 图2(a)是弯曲单元压电传感器发射端结构图;
[0018] 图2(b)是弯曲单元压电传感器接收端结构图;
[0019] 图3(a)是弯曲单元探头正视图;
[0020] 图3(b)是弯曲单元探头俯视图;
[0021] 图4是线性放大器电路原理图。
[0022] 上图中,A.线性放大器,B.弯曲单元发射探头端,C.弯曲单元接收探头端,D.激 发信号前处理器;1.多功能数据采集卡的DA输出端口,2.同轴电缆(2-la、2-lb.同轴电 缆轴心线,2-2a、2-2b.同轴电缆屏蔽线),3.密封螺栓,4.有机玻璃基座,5.孔隙水通道, 6.透水板,7. 土样,8.环氧树脂底座,9.硅胶填充料凹槽,10.弯曲单元压电传感器发射 端(10-1.压电陶瓷片,10-2.中心磷铜垫片,10-3.环氧树脂防水涂层,10-4.导电漆屏蔽 层),11.弯曲单元压电传感器接收端(11-1.压电陶瓷片,11-2.中心磷铜垫片,11-3.环氧 树脂防水涂层,11-4.导电漆屏蔽层),12.电阻R1,13.电阻R2,14.密闭的铝盒,15.多功 能数据采集卡的AD输入端口,16.运算放大器A741,17. IRF631型N沟道增强MOSFET管, 18. IRF9631型P沟道增强型MOSFET管
[0023] 具体实施方式:
[0024] 本弯曲单元量测系统所采用的技术方案是:计算机的控制软件生成方波(或者正 弦波)数字信号,通过安装在计算机上的多功能数据采集卡转换成模拟方波电压信号,经 过线性放大器放大后,分成两路,一路输入到弯曲单元发射探头,由压电传感器发射端将方 波(或者正弦波)电压信号转换成剪切振动以剪切波的形式在土样中传播,一路信号经过 激励信号前处理器降压后连接到多功能数据采集板的AD输入端口,在土样中传播的剪切 波到达压电传感器接收端时,压电传感器接收端将接受到的剪切振动转变成电压信号,通 过导线连接到多功能数据采集板的AD输入端口,将连接在多功能数据采集板AD输入端口 的两路信号同步采集,比较两路电压信号的波形,得到剪切波在土样中传播的时间,直接测 量压电传感器之间的最短距离,得到剪切波传播的距离,从而计算剪切波在土样中传播的 速度。[0025] 结合附图说明本发明的具体实施方式。
[0026] 在图1中,由计算机控制软件生成数字方波(或者正弦波)脉冲信号,由多功能 数据采集卡把数字脉冲信号转变成模拟信号,通过数据采集卡的DA输出端口(1)输出,输 出的电压信号经过线性放大器(A)放大,作为激励信号的原始信号。经过线性放大器(A) 放大的信号分成两路,一路作为压电传感器发射端(10)的激发信号,进入弯曲单元发射端 (10),由压电传感器把方波(或者正弦波)信号变成脉冲振动,在土样(7)中产生剪切振 动,剪切振动以剪切波形式向下传播;另外一路电压信号经过激发信号前处理器(D)后连 接到多功能数据采集卡的AD输入端口(15)。在土样中传播的剪切振动传播到土样(7)另外 一端的时候,剪切振动引发压电传感器接收端(11)弯曲变形,压电传感器接收端(11)会产 生与剪切振动相应的电压信号,通过导线连接到多功能数据采集卡的AD输入端口(15)。由 计算机对连接到多功能数据采集卡AD端口(15)的两路电压信号同步采集,比较两路电压 信号的相位差,得到剪切波在土中的传播时间,测量压电传感器发射端(10)和接收端(11) 的距离,从而计算剪切波在土样的传播速度。
[0027] 在图1中,从多功能数据采集卡DA端口⑴输出的电压信号比较小,需要经过线 性放大器(A)放大。因为压电传感器本身存在一定的电容(约几十PF),为了尽量降低压 电传感器冲放电对电压相位的影响,线性放大器(A)需要对输入信号的电压和电流同时放 大。本文中采用的是常规的复合放大器(图4),该放大器由一个运算放大器A741 (16)和晶 体管(17,18)构成的推挽式放大器组合而成,使用市场常见的功率放大器也可以得到相同 的效果。在图4中,ein表示多功能数据采集卡的DA输出端口(1)输出的电压信号,e-表 示经过线性放大器(A)放大后的电压信号。
[0028] 在图1中,激发信号前处理器⑶主要由两个串联电阻队(12)和&(13)组成,从 电阻队(12)和&(13)的串接处引出导线连接多功能数据采集板的AD输入端口(15)。电 阻队(12)和&(13)可采用的金属薄膜电阻,通过电阻队(12)和&(13)所组成的串联电路 将激励信号幅值降低为原来的1/100倍以下。该串联降压电路置于密闭金属铝盒(14)内, 金属铝盒(14)接地,对该电路进行电磁屏蔽。通过激励信号前处理器(D)降压后的激励信 号和多功能数据采集板的AD输入端口(15)相连,防止高电压伤害到数据采集卡,同时减小 多功能数据采集板的AD输入端口(15)同步采集的两路信号幅值间的差别,可以降低数据 采集板采集通道之间的串扰现象。
[0029] 在图1中,弯曲单元量测系统的控制软件是基于NI公司的LabVIEW软件开发出来 的,因为本系统采用的多功能数据采集卡也是NI公司生产的PCI-6251型数据采集板,与 LabVIEW非常兼容,所以控制软件的大部分功能可以由LabVIEW自带组件形成。对于从多功 能数据采集卡AD输入端口(15)同步采集到的两路电压信号,首先分离成两路信号。对来 自压电传感器接收端(11)的电压信号,进行数字滤波,数字滤波器采用的是LabVIEW自带 的中通滤波器,其通过的范围是IOOHz〜5000Hz。把经过数字滤波的电压信号和来自激励 信号的电压信号合并,存储到计算机指定的文件夹里,然后再进行进一步处理。
[0030] 在图2(a)中,弯曲单元压电传感器的发射端(10)采用并联方式,其基本构 成包括中心磷铜垫片(10-2)和两个压电陶瓷片(10-1),单片的压电陶瓷片的尺寸为 15X5X0. 5mm,制作时,压电陶瓷片的极化方向保持一致,与中心磷铜垫片(10_2)通过高 强度环氧树脂胶粘结在一起,与外电路相连的时候,中心的磷铜垫片连接同轴电缆的轴心
5线(2-la),将两片压电陶瓷片的外侧电极连接在一起,与同轴电缆的屏蔽线(2_2a)相连, 构成并联方式。
[0031] 在图2(b)中,弯曲单元的接收端(11)采用串联的方式,其基本的构成包括 中心的磷铜垫片(11-2)和两片压电陶瓷片(11-1)组成,单片的压电陶瓷片的尺寸为 15X5X0. 5mm,制作时,压电陶瓷片的极化方向保持相对,与中心磷铜垫片(11_2)通过高 强度环氧树脂胶粘结在一起,与外电路相连的时候,将两片压电陶瓷片的外侧电极一个与 同轴电缆的轴心线(2-lb)相连,一个与同轴电缆的屏蔽线(2-2b)相连,构成串联方式。
[0032] 在图2(a)、(b)中,压电传感器(10,11)需要防水涂层来避免被土样(7)中的水短 路,本文采用环氧树脂(10-3,11-3)作为防水涂层,制作时防水涂层需要做三层以上才可 以较好达到防水要求。在做好防水涂层的压电传感器(10,11)外面涂一层导电漆(10-4, 11-4)作为压电传感器(10,11)的屏蔽层,导电漆层需要跟同轴电缆(2)的屏蔽线(2-2a, 2-2b)相连。压电传感器(10,11)防水涂层的下端制作成一个底座(8)。
[0033] 在图3(a)、(b)中弯曲单元发射探头端⑶和弯曲单元的接收探头端(C)的基座 (4)为有机玻璃圆柱,中间开出一个适当深度的凹槽(9)用来安置压电传感器发射端(10) 或者接收端(11)。将带底座⑶一端的压电传感器(10,11)置于安装槽内,压电传感器自 由端(10,11)露出有机玻璃基座⑷上表面的距离为5mm,用硅胶将压电传感器(10,11)与 凹槽之间的孔隙填满,压电传感器(10,11)的导线顺着有机玻璃基座(4)内预留的管道通 过密封螺栓(3)引出。基座内可同时预留孔隙水通道(5),土样中的水分可以透过透水板 (6)通过孔隙水通道(5)流出,从而可以在试验的时候同时测量土样孔隙水压力。

Claims (6)

  1. 弯曲单元量测系统,含有置于土壤中的弯曲单元压电传感器发射端(10)和接收端(11),其特征在于,还含有计算机,与所述计算机相连的数据采集卡,所述数据采集卡的D/A输出端连接一个线性放大器,所述线性放大器的输出端分别连接所述弯曲单元压电传感器发射端(10)的信号输入端和一个激发信号前处理器(D)的输入端,所述激发信号前处理器(D)的输出端连接所述数据采集卡的第一A/D输入端口(15);所述弯曲单元压电传感器接收端(11)的输出端连接所述数据采集卡的第二A/D输入端口(15),该接收端(11)接收到经土壤传播过来的信号后输出到所述数据采集卡。
  2. 2.如权利要求1所述的弯曲单元量测系统,其特征在于,线性放大器是由运算放大器 (16)和推挽式放大器构成的复合线性放大器。
  3. 3.如权利要求1所述的弯曲单元量测系统,其特征在于,所述激发信号前处理器含有 两个串联的分压电阻礼(12)和R2(13),所述数据采集卡的第一 A/D输入端口(15)连接所 述分压电阻R1 (12) ^P R2 (13)的串接处。
  4. 4.如权利要求1所述的弯曲单元量测系统,其特征在于,所述弯曲单元压电传感器 发射端(10)含有中心磷铜垫片(10-2)和两个极化方向一致的压电陶瓷片(10-1),所述 中心磷铜垫片(10-2)连接一根同轴电缆的轴心线(2-la),所述两片压电陶瓷片的外侧电 极共同连接所述同轴电缆的屏蔽线(2_2a),所述同轴电缆连接所述线性放大器的输出端; 在所述发射端(10)的外部涂有防水涂层和屏蔽层,所述屏蔽层与所述同轴电缆的屏蔽线 (2-2a)相连。
  5. 5.如权利要求1所述的弯曲单元量测系统,其特征在于,所述弯曲单元压电传感器接 收端(11)含有中心磷铜垫片(11-2)和两个极化方向相对的压电陶瓷片(11-1),所述一个 压电陶瓷片的外侧电极与另一根同轴电缆的轴心线(2-lb)相连,另一个压电陶瓷片的外 侧电极与同轴电缆的屏蔽线(2_2b)相连,所述同轴电缆连接所述数据采集卡的第二 A/D输 入端口 ;在所述接收端(11)的外部涂有防水涂层和屏蔽层,所述屏蔽层与所述同轴电缆的 屏蔽线(2-2b)相连。
  6. 6.如权利要求1所述的弯曲单元量测系统,其特征在于,所述数据采集卡是PCI-6251 型数据采集卡。
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