CN110118631A - 一种孔隙水压计标定方法及系统 - Google Patents

一种孔隙水压计标定方法及系统 Download PDF

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CN110118631A CN201910506458.7A CN201910506458A CN110118631A CN 110118631 A CN110118631 A CN 110118631A CN 201910506458 A CN201910506458 A CN 201910506458A CN 110118631 A CN110118631 A CN 110118631A
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Abstract

本发明公开了一种孔隙水压计标定方法及系统，将待标定孔隙水压计的最大压力量程划分成M个级别，每个级别对应一个标定压力值，向待标定孔隙水压计逐级加载和卸载各个标定压力值，得到待标定孔隙水压计与各个标定压力值对应的输出孔压信号值，基于待标定孔隙水压计的各个输出孔压信号值与对应的标定压力值的最大偏差值，计算待标定孔隙水压计的非线性误差，进而基于待标定孔隙水压计的非线性误差、迟滞性指标和重复性指标，计算待标定孔隙水压计的精度误差。本发明在对孔隙水压计进行静态性能标定时，对孔隙水压计的非线性和精度进行了标定，因此本发明最大程度减小了孔隙水压计标定与实际测试工况之间的差异，提高了测试试验的可靠性和真实性。

Description

一种孔隙水压计标定方法及系统
技术领域
本发明涉及孔隙水压计标定技术领域，更具体的说，涉及一种孔隙水压计标定方法及系统。
背景技术
土体为三相多孔介质，由固体颗粒、孔隙流体和孔隙气体等构成。孔隙水压计是量测土体内部孔隙水压大小、增长与消散状态的关键量测传感器，其对反映原位场地、岩土构筑物稳定性、土工离心模型试验、常规振动台试验中饱和土体的力学性态与破坏程度起到至关重要的作用。与传统水压传感器相比，孔隙水压计具有透水石、空腔、通气电缆等特殊结构，且孔隙水压计的量测准确性和可靠性与上述特殊结构密切关联。
为确保孔隙水压计处于良好的工作状态，在每次试验前，都需要对孔隙水压计的性能进行标定试验。但是，现有的孔隙水压计标定方法多为静态性能标定方法，即现有技术中对孔隙水压计的静态性能标定仅测试孔隙水压计的输出曲线(压力和输出电压的关系)的相关系数，并未深入标定孔隙水压计的非线性和精度等指标，从而使得对孔隙水压计的静态性能标定情况与实际测试工况差异较大，影响最终测试试验的可靠性和真实性。
发明内容
有鉴于此，本发明公开一种孔隙水压计标定方法及系统，以实现在对孔隙水压计进行静态性能标定时，对孔隙水压计的非线性和精度进行标定，因此，相对于传统方案仅测试孔隙水压计的静态输出曲线的相关系数而言，最大程度减小了孔隙水压计标定与实际测试工况之间的差异，从而提高了测试试验的可靠性和真实性。
一种孔隙水压计标定方法，包括：
将待标定孔隙水压计的最大压力量程划分成M个级别，每个级别对应一个标定压力值，M为正整数；
向所述待标定孔隙水压计逐级加载和卸载各个标定压力值，得到所述待标定孔隙水压计与各个所述标定压力值对应的输出孔压信号值；
计算所述待标定孔隙水压计的各个输出孔压信号值与对应的标定压力值的偏差值，并从各个所述偏差值中选取最大偏差值；
根据公式(1)计算所述待标定孔隙水压计的非线性误差，公式(1)如下：
式中，ξ1为所述非线性误差，N为标定压力值加载级别，△LmaxN为逐级加载标定压力值时，所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值与对应加载压力值的最大偏差值，YFS为所述待标定孔隙水压计的最大压力量程；
根据公式(2)计算所述待标定孔隙水压计的精度误差，公式(2)如下：
式中，ξ为所述精度误差，ξ1为所述非线性误差，ξ2为所述待标定孔隙水压计的迟滞性指标，△Hmax为逐级加载标定压力值时所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值，与对应卸载标定压力值时所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值之间的最大偏差值；ξ3为所述待标定孔隙水压计的重复性指标，△Rmax为逐级加载标定压力值时，所述待标定孔隙水压计对应的最大输出孔压信号值和最大输出孔压信号值之间的最大偏差值。
可选的，所述孔隙水压计标定方法还包括：
对所述待标定孔隙水压计进行长期稳定性能标定，具体包括：
根据公式(3)计算待标定孔隙水压计的长期稳定性漂移量，公式(3)如下：
式中，YFS为所述待标定孔隙水压计的最大压力量程，ΔW max＝Y孔压实际值max-Y孔压理想值，ΔW max为所述待标定孔隙水压计输入恒定的压力荷载下，也即所述待标定孔隙水压计的最大压力量程的1.5倍，所述待标定孔隙水压计的实际输出孔压信号值与理想状态下输出的孔压信号值的最大偏差值。
可选的，所述孔隙水压计标定方法还包括：
对所述待标定孔隙水压计进行动态性能标定，具体包括：
根据待标定孔隙水压计达到稳定状态时的输出值y(∞)，由10％变化至90％所用时间，确定所述待标定孔隙水压计的上升时间tr；
根据公式(4)计算待标定孔隙水压计的超调量，公式(4)如下：
式中，σ为所述超调量，y(tp)为所述待标定孔隙水压计的输出信号值达到第一个峰值的幅值大小，y(∞)为所述待标定孔隙水压计达到稳定状态时的输出值。
可选的，所述孔隙水压计标定方法还包括：
对所述待标定孔隙水压计进行透水石饱和度影响的标定，具体包括：
将标准水压计和所述待标定孔隙水压计放置于标定腔内，从所述标定腔的底部注入蒸馏水，当所述蒸馏水完全浸没所述标准水压计和所述待标定孔隙水压计时，透水石即将进入饱和过程；
为所述待标定孔隙水压计设置多个不同的预设饱和时间；
当所述待标定孔隙水压计的饱和时间达到所述预设饱和时间时，对所述标准水压计和所述待标定孔隙水压计输入动态随机波，并记录所述标准水压计量测的实际压力值和所述待标定孔隙水压计的孔压信号值；
以所述标准水压计量测的实际压力值作为纵轴，以所述待标定孔隙水压计输出的孔压信号值作为横轴，绘制曲线，确定所述待标定孔隙水压计与所述标准水压计的相关系数，基于所述相关系数，确定透水石饱和度对所述待标定孔隙水压计的动态量测性能影响。
可选的，所述孔隙水压计标定方法还包括：
对所述待标定孔隙水压计进行孔隙流体粘度影响的标定，具体包括：
将所述待标定孔隙水压计和所述标准水压计安装在盛放有第一粘度的水的标定压力腔内；
逐级输入预设频率的定频正弦波；
分别采集所述标准水压计输出的第一孔压信号值和所述待标定孔隙水压计输出的第二孔压信号值，并基于所述第一孔压信号值和所述第二孔压信号值，分别计算所述待标定孔隙水压计与所述标定水压计的幅值比和相位差；
再次将所述待标定孔隙水压计和所述标准水压计安装在盛放有第二粘度的甲基纤维素溶液的标定压力腔内；；
逐级输入预设频率的定频正弦波；
分别采集所述标准水压计输出的第三孔压信号值和所述待标定孔隙水压计输出的第四孔压信号值，并基于所述第三孔压信号值和所述第四孔压信号值，分别计算所述待标定孔隙水压计与所述标定水压计的幅值比和相位差。
可选的，所述标准水压计的幅值和相位指标的计算公式，分别如公式(5)和公式(6)所示，公式(5)和公式(6)如下：
式中，A1为所述标准水压计量测的正弦波信号在t1时刻第一次所达到的最大幅值，f为输入正弦波频率，为所述标准水压计量测的正弦波信号第一次达到最大值的初始相位；
所述待标定孔隙水压计的幅值和相位指标的计算公式，分别如公式(7)和公式(8)所示，公式(7)和公式(8)如下：
式中，A2为所述待标定孔隙水压计输出的正弦波信号在t2时刻第一次所达到的最大幅值，f为输入正弦波频率，为所述待标定孔隙水压计第一次达到最大值的初始相位。
一种孔隙水压计标定系统，包括：
划分单元，用于将待标定孔隙水压计的最大压力量程划分成M个级别，每个级别对应一个标定压力值，M为正整数；
信号获取单元，用于向所述待标定孔隙水压计逐级加载和卸载各个标定压力值，得到所述待标定孔隙水压计与各个所述标定压力值对应的输出孔压信号值；
第一计算单元，用于计算所述待标定孔隙水压计的各个输出孔压信号值与对应的标定压力值的偏差值，并从各个所述偏差值中选取最大偏差值；
第二计算单元，用于根据公式(1)计算所述待标定孔隙水压计的非线性误差，公式(1)如下：
式中，ξ1为所述非线性误差，N为标定压力值加载级别，△LmaxN为逐级加载标定压力值时，所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值与对应加载压力值的最大偏差值，YFS为所述待标定孔隙水压计的最大压力量程；
第三计算单元，用于根据公式(2)计算所述待标定孔隙水压计的精度误差，公式(2)如下：
式中，ξ为所述精度误差，ξ1为所述非线性误差，ξ2为所述待标定孔隙水压计的迟滞性指标，△Hmax为逐级加载标定压力值时所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值，与对应卸载标定压力值时所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值之间的最大偏差值；ξ3为所述待标定孔隙水压计的重复性指标，△Rmax为逐级加载标定压力值时，所述待标定孔隙水压计对应的最大输出孔压信号值和最大输出孔压信号值之间的最大偏差值。
可选的，所述孔隙水压计标定系统还包括：
长期稳定性能标定单元，用于对所述待标定孔隙水压计进行长期稳定性能标定，具体包括：
根据公式(3)计算待标定孔隙水压计的长期稳定性漂移量，公式(3)如下：
式中，YFS为所述待标定孔隙水压计的最大压力量程，ΔW max＝Y孔压实际值max-Y孔压理想值，ΔW max为所述待标定孔隙水压计输入恒定的压力荷载下，也即所述待标定孔隙水压计的最大压力量程的1.5倍，所述待标定孔隙水压计的实际输出孔压信号值与理想状态下输出的孔压信号值的最大偏差值。
可选的，所述孔隙水压计标定系统还包括：
动态性能标定单元，用于对所述待标定孔隙水压计进行动态性能标定，具体包括：
根据待标定孔隙水压计达到稳定状态时的输出值y(∞)，由10％变化至90％所用时间，确定所述待标定孔隙水压计的上升时间tr；
根据公式(4)计算待标定孔隙水压计的超调量，公式(4)如下：
式中，σ为所述超调量，y(tp)为所述待标定孔隙水压计的输出信号值达到第一个峰值的幅值大小，y(∞)为所述待标定孔隙水压计达到稳定状态时的输出值。
可选的，所述孔隙水压计标定系统还包括：
透水石饱和度影响标定单元，用于对所述待标定孔隙水压计进行透水石饱和度影响的标定，具体包括：
将标准水压计和所述待标定孔隙水压计放置于标定腔内，从所述标定腔的底部注入蒸馏水，当所述蒸馏水完全浸没所述标准水压计和所述待标定孔隙水压计时，透水石即将进入饱和过程；
为所述待标定孔隙水压计设置多个不同的预设饱和时间；
当所述待标定孔隙水压计的饱和时间达到所述预设饱和时间时，对所述标准水压计和所述待标定孔隙水压计输入动态随机波，并记录所述标准水压计量测的实际压力值和所述待标定孔隙水压计的孔压信号值；
以所述标准水压计量测的实际压力值作为纵轴，以所述待标定孔隙水压计输出的孔压信号值作为横轴，绘制曲线，确定所述待标定孔隙水压计与所述标准水压计的相关系数，基于所述相关系数，确定透水石饱和度对所述待标定孔隙水压计的动态量测性能影响。
可选的，所述孔隙水压计标定系统还包括：
孔隙流体粘度影响标定单元，用于对所述待标定孔隙水压计进行孔隙流体粘度影响的标定，具体包括：
将所述待标定孔隙水压计和所述标准水压计安装在盛放有第一粘度的水的标定压力腔内；
逐级输入预设频率的定频正弦波；
分别采集所述标准水压计输出的第一孔压信号值和所述待标定孔隙水压计输出的第二孔压信号值，并基于所述第一孔压信号值和所述第二孔压信号值，分别计算所述待标定孔隙水压计与所述标定水压计的幅值比和相位差；
再次将所述待标定孔隙水压计和所述标准水压计安装在盛放有第二粘度的甲基纤维素溶液的标定压力腔内；
逐级输入预设频率的定频正弦波；
分别采集所述标准水压计输出的第三孔压信号值和所述待标定孔隙水压计输出的第四孔压信号值，并基于所述第三孔压信号值和所述第四孔压信号值，分别计算所述待标定孔隙水压计与所述标定水压计的幅值比和相位差。
从上述的技术方案可知，本发明公开了一种孔隙水压计标定方法及系统，将待标定孔隙水压计的最大压力量程划分成M个级别，每个级别对应一个标定压力值，向待标定孔隙水压计逐级加载和卸载各个标定压力值，得到待标定孔隙水压计与各个标定压力值对应的输出孔压信号值，基于待标定孔隙水压计的各个输出孔压信号值与对应的标定压力值的最大偏差值，计算待标定孔隙水压计的非线性误差，进而基于待标定孔隙水压计的非线性误差、迟滞性指标和重复性指标，计算待标定孔隙水压计的精度误差。由于本发明在对孔隙水压计进行静态性能标定时，对孔隙水压计的非线性和精度进行了标定，因此，相对于传统方案仅测试孔隙水压计的静态输出曲线的相关系数而言，最大程度减小了孔隙水压计标定与实际测试工况之间的差异，从而提高了测试试验的可靠性和真实性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据公开的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种孔隙水压计标定方法流程图；
图2为本发明实施例公开的一种孔隙水压计的非线性指标示意图；
图3为本发明实施例公开的一种孔隙水压计的迟滞性指标示意图；
图4为本发明实施例公开的一种孔隙水压计的重复性指标示意图；
图5(a)为本发明实施例公开的一种传统PDCR-81型孔隙水压计与分体式孔隙水压计(DSP-I型)在输入阶梯波(静态波)后的输出曲线示意图；
图5(b)为本发明实施例公开的一种标准水压计量测的实际水压变化与两种孔隙水压计输出量的对比曲线示意图；
图6为本发明实施例公开的一种孔隙水压计的长期稳定性偏移量指标示意图；
图7为本发明实施例公开的一种孔隙水压计的长期稳定性试验数据曲线图；
图8为本发明实施例公开的一种孔隙水压计的动态性能标定结果示意图；
图9(a)为本发明实施例公开的一种在阶跃波条件下，孔隙水压计的动态响应曲线图；
图9(b)为本发明实施例公开的另一种在阶跃波条件下，孔隙水压计的动态响应曲线图；
图10(a)为本发明实施例公开的一种1d时透水石逐渐饱和过程中，对孔隙水压计动态响应测试结果准确性的影响测试结果示意图；
图10(b)为本发明实施例公开的一种3d时透水石逐渐饱和过程中，对孔隙水压计动态响应测试结果准确性的影响测试结果示意图；
图10(c)为本发明实施例公开的一种5d时透水石逐渐饱和过程中，对孔隙水压计动态响应测试结果准确性的影响测试结果示意图；
图10(d)为本发明实施例公开的一种9d时透水石逐渐饱和过程中，对孔隙水压计动态响应测试结果准确性的影响测试结果示意图；
图11为本发明实施例公开的一种孔隙水压计的幅值比和相位差指标示意图；
图12(a)为本发明实施例公开的一种当饱和流体为水时孔隙流体粘度影响的标定结果曲线图；
图12(b)为本发明实施例公开的一种当饱和流体为甲基纤维素溶液时孔隙流体粘度影响的标定结果曲线图；
图13为本发明实施例公开的一种孔隙水压计标定方法的工作原理图；
图14为本发明实施例公开的一种孔隙水压计标定系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种孔隙水压计标定方法及系统，将待标定孔隙水压计的最大压力量程划分成M个级别，每个级别对应一个标定压力值，向待标定孔隙水压计逐级加载和卸载各个标定压力值，得到待标定孔隙水压计与各个标定压力值对应的输出孔压信号值，基于待标定孔隙水压计的各个输出孔压信号值与对应的标定压力值的最大偏差值，计算待标定孔隙水压计的非线性误差，进而基于待标定孔隙水压计的非线性误差、迟滞性指标和重复性指标，计算待标定孔隙水压计的精度误差。由于本发明在对孔隙水压计进行静态性能标定时，对孔隙水压计的非线性和精度进行了标定，因此，相对于传统方案仅测试孔隙水压计的静态输出曲线的相关系数而言，最大程度减小了孔隙水压计标定与实际测试工况之间的差异，从而提高了测试试验的可靠性和真实性。
为方便理解，现对本发明涉及到一些术语进行解释，如下：
孔隙水压力：指土壤或岩石中地下水的压力，该压力作用于微粒或孔隙之间。其分为静孔隙水压力和超静孔隙水压力。对于无水流条件下的高渗透性土，孔隙水压力约等于没有水流作用下的静水压力。对于有水流条件下的高渗透性土，其孔隙水压力计算比较复杂。
静孔隙水压力：由地基土中地下水的自重引起的，即静止的地下水以下的孔隙水压力都是静孔隙水压力。
超静孔隙水压力：由于静力或动力作用，超过与地下水条件有关的起始静孔隙水压力的那部分孔隙水压力称为超静孔隙水压力。
孔隙水压计：孔隙水压计(简称孔压计)是观测土体中超静孔隙水压力增长与消散的关键性量测传感器，可用于监测、判别场地和岩土构筑物等力学性态与稳定性(孔隙水压计与普通水压传感器的主要区别在于前端含有透水石)。
透水石(类似于过滤片)：为了确保传感器的敏感元件仅受到土体内孔隙流体的作用力，孔隙水压计的前端必须加上透水石，而透水石的作用是用来将土颗粒与孔隙流体相互分离开。透水石能让孔隙流体自由的进出传感器中，进而引起压力的改变，并且使传感器没有受到周围土体所施加的额外压力。
传感器静态性能：是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系，主要包括线性度、迟滞性、精度等指标。
传感器动态性能：传感器量测输入信号会随时间发生变化，系统的输出与输入之间的关系。
传感器长期稳定性：指传感器在某个特定环境中使用一段时间后，其性能保持不变化的能力。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。
透水石饱和时间：当透水石在水中浸泡时间较短时，其内部含有气体时未完全排出(透水石表面有气泡冒出或附着在表面)，即说明透水石饱和度处于未饱和状态；当饱和时间达到某一时间段，透水石表面再无气泡冒出(说明此时透水石已经完全达到饱和状态)，其达到最佳工作性能。
孔隙流体运动粘度：液体的粘滞系数又称为内摩擦系数或粘度。是描述液体内摩擦力性质的一个重要物理量。它表征液体反抗形变的能力，只有在液体内存在相对运动时才表现出来。运动粘度：流体的动力粘度μ与同温度下该流体的密度ρ的比值称为运动粘度。它是这种流体在重力作用下流动阻力的度量。在国际单位制(SI)中，运动粘度的单位是m2/s，通常使用厘斯(cSt)作运动粘度的单位。例如，水的运动粘度为1cst(20℃)。
参见图1，本发明一实施例公开的一种孔隙水压计标定方法流程图，该方法包括步骤：
步骤S101、将待标定孔隙水压计的最大压力量程划分成M个级别，每个级别对应一个标定压力值，M为正整数；
具体的，在对待标定孔隙水压计进行静态性能标定时，首先将待标定孔隙水压计放置于标定压力腔中，然后使用密封橡胶塞进行密封，再将待标定孔隙水压计和标准水压计与数据采集仪进行连接，待标定孔隙水压计和标准水压计预热第一预设时间，比如5分钟，数据采集仪预热第二预设时间，比如30分钟，并设置数据采集仪的采样频率和采样时间，比如采样频率为1Hz，采样时间为120s。
假设待标定孔隙水压计的最大压力量程为200kPa，M＝4，将待标定孔隙水压计的最大压力量程划分成50kPa、100kPa、150kPa、200kPa四个级别。
步骤S102、向所述待标定孔隙水压计逐级加载和卸载各个标定压力值，得到所述待标定孔隙水压计与各个所述标定压力值对应的输出孔压信号值；
例如，待标定孔隙水压计的标定压力值输入逐级加载的顺序为：50kPa、100kPa、150kPa和200kPa四个级别。当加载的标定压力值为50kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值为51kPa；当加载的标定压力值为100kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值为98kPa；当加载的标定压力值为150kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值为151.5kPa；当加载的标定压力值为200kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值为199.5kPa。
步骤S103、计算所述待标定孔隙水压计的各个输出孔压信号值与对应的标定压力值的偏差值，并从各个所述偏差值中选取最大偏差值；
例如，当加载的标定压力值为50kPa(N＝1级)时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值为51kPa，即△L max1:51kPa-50kPa＝1kPa；当加载的标定压力值为100kPa(N＝2级)时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值为98kPa，即△L max2:98kPa-100kPa＝-2kPa；当加载的标定压力值为150kPa(N＝3级)时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值为151.5kPa，即△L max3:151.5kPa-150kPa＝1.5kPa；最后当加载的标定压力值为200kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值为199.5kPa(N＝4级)，即△L max4:199.5kPa-200kPa＝-0.5kPa。由△L max1＝1kPa，△L max2＝-2kPa，△L max3＝1.5kPa，△L max4＝-0.5kPa,可知△L max＝△L max2＝-2kPa为最大偏差值。
步骤S104、根据公式(1)计算所述待标定孔隙水压计的非线性误差，公式(1)如下：
式中，ξ1为所述非线性误差，N为标定压力值加载级别，△LmaxN为逐级加载标定压力值时，所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值与对应加载压力值的最大偏差值，如图2所示的孔隙水压计的非线性指标示意图(即△L maxN＝YN孔压max-YN加载压力值，)，YFS为所述待标定孔隙水压计的最大压力量程；
例如，上述选用的待标定孔隙水压计的最大压力量程为200kPa，则YFS＝200kPa。
步骤S105、根据公式(2)计算所述待标定孔隙水压计的精度误差，公式(2)如下：
式中，ξ为所述精度误差，ξ1为所述非线性误差，ξ2为所述待标定孔隙水压计的迟滞性指标，△Hmax为逐级加载标定压力值时所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值，与对应卸载标定压力值时所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值之间的最大偏差值；ξ3为所述待标定孔隙水压计的重复性指标，△Rmax为逐级加载标定压力值时，所述待标定孔隙水压计对应的最大输出孔压信号值和最大输出孔压信号值之间的最大偏差值。
具体的，以待标定孔隙水压计的最大压力量程为200kPa，M＝4，将待标定孔隙水压计的最大压力量程划分成50kPa、100kPa、150kPa、200kPa四个级别为例，来说明待标定孔隙水压计的迟滞性指标ξ2的计算过程，如下：
△HmaxN：逐级(N级压力)加载标定压力值时待标定孔隙水压计的输出孔压信号值，与对应的卸载标定压力值时待标定孔隙水压计的输出孔压信号值之间的最大偏差值。如图3所示，即△HmaxN＝KN加载孔压max-KN卸载孔压max，N为标定压力值加载级别，N＝1,2,3,4.....。
例如，待标定孔隙水压计的标定压力值输入逐级从50kPa、100kPa、150kPa、最终加载至200kPa四个级别，再逐级从200kPa卸载至50kPa；然后当标定压力值加载至50kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值最大51kPa，即K1加载孔压max＝51kPa；当标定压力值加载至100kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值最大101kPa，K2加载孔压max＝101kPa；标定压力值加载至150kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值最大151.5kPa，K3加载孔压max＝151.5kPa；最后标定压力值加载至200kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值最大200kPa，K4加载孔压max＝200kPa。再逐级从200kPa卸载至50kPa，当标定压力值卸载至150kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值最大为150.1kPa，即K3卸载孔压max＝150.1kPa；当标定压力值卸载至100kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值最大99kPa，K2卸载孔压max＝99kPa；当标定压力值卸载至50kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值最大50.2kPa，K1卸载孔压max＝50.2kPa。
如图3所示的孔隙水压计的迟滞性指标示意图，△HmaxN＝YN加载孔压max-YN卸载孔压max，N(压力加载级数)＝1,2,3,4.....，由于△Hmax1＝0.8kPa，△Hmax2＝2kPa，△Hmax3＝1.4kPa,因此△Hmax＝△Hmax2＝2kPa为最大偏差值。
同样，以待标定孔隙水压计的最大压力量程为200kPa，M＝4，将待标定孔隙水压计的最大压力量程划分成50kPa、100kPa、150kPa、200kPa四个级别为例，来说明待标定孔隙水压计的重复性指标ξ3的计算过程，如下：
△RmaxX：逐级(N级压力)加载标定压力值时，对应的待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值与待标定孔隙水压计的最小输出孔压信号值之间的差值，如图4所示的孔隙水压计的重复性指标示意图，△RmaxX＝ZN加载孔压Xmax-ZN加载孔压Xmin，X(加载压力值)＝50，100，150，200，N(压力加载级数)＝1，2，3，4。
例如，标定压力值逐级从50kPa、100kPa、150kPa、最终加载至200kPa四个级别，重复三次。
第一次当标定压力值加载至50kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值为51kPa，即Z1加载孔压50＝51kPa；第二次当标定压力值加载至50kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值为50.1kPa，即Z2加载孔压50＝50.1kPa；第三次当标定压力值加载至50kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值为51kPa，即Z3加载孔压50＝50.7kPa；故△Rmax50＝Z1加载孔压50max-Z2加载孔压50min＝51kPa-50.1kPa＝0.9kPa。
第一次当标定压力值加载至100kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值为100.8kPa，即Z1加载孔压100＝100.8kPa；第二次当标定压力值加载至100kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值为101.5kPa，即Z2加载孔压100＝101.5kPa；第三次当标定压力值加载至100kPa时，待标定孔隙水压计的输出孔压信号值为100.1kPa，即Z3加载孔压100＝100.1kPa；故△Rmax100＝Z2加载孔压100-Z3加载孔压100＝101.5kPa-100.1kPa＝1.4kPa。
第一次当标定压力值加载至150kPa时，待标定孔隙水压计输出孔压信号值为150kPa，即Z1加载孔压150＝150kPa；第二次当标定压力值加载至150kPa时，待标定孔隙水压计输出信号值为151kPa，即Z2加载孔压150＝150.1kPa；第三次当标定压力值加载至150kPa时，待标定孔隙水压计输出信号值为149kPa，即Z3加载孔压150＝149kPa；故△Rmax150＝Z2加载孔压100-Z3加载孔压100＝150.1kPa-149kPa＝1.9kPa。
第一次当标定压力值加载至200kPa时，待标定孔隙水压计输出信号值为200.5kPa，即Z1加载孔压200＝200.5kPa；第二次当标定压力值加载至200kPa时，待标定孔隙水压计输出信号值为199.8kPa，即Z2加载孔压200＝199.8kPa；第三次当标定压力值加载至200kPa时，待标定孔隙水压计输出信号值为200.8kPa，即Z3加载孔压200＝200.8kPa；故△Rmax200＝Z3加载孔压100-Z2加载孔压100＝200.8kPa-199.8kPa＝1kPa
基于上述论述可知，△Rmax50＝0.9kPa，△Rmax100＝1.4kPa，△Rmax150＝1.9kPa，△Rmax200＝1kPa，因此，△Rmax＝△Rmax150＝1.9kPa，为最大偏差值。
为证明本发明提供的孔隙水压计标定方法在对孔隙水压计进行静态性能标定时，可以提高静态数据量测准确性，本发明还对孔隙水压计的静态性能标定结果进行了验证，具体如下：
根据静态性能标定法，本次标定试验选用两种孔隙水压计，依据上述步骤进行操作，并分别计算两种孔隙水压计的非线性指标和精度指标。图5为阶梯波(静态压力波)下两种孔隙水压计的静态标定结果对比。图5(a)为传统PDCR-81型孔隙水压计与分体式孔隙水压计(DSP-I型)的输出曲线，横轴为加载时程，纵轴为压力波幅值。图5(b)为标准水压计(参考水压计-以其作为标定水压计的参考基准)量测的实际水压变化与两种孔隙水压计输出量的对比曲线。
从图5(b)所示的标定结果可知，两种孔隙水压计与标准水压计的静态相关系数均为R2＝0.99。根据静态性能标定方法，及其上述描述的静态性能指标公式，由表1示出的孔隙水压计的静态性能可知，在非线性误差ξ1方面，DSP-I与PDCR-81均为0.5％，说明两者的动态线性程度高；在精度误差ξ方面，两种传感器的精度误差均控制在0.6％左右，说明两者具有良好的静态数据量测准确性。
表1
综上可知，本发明公开的孔隙水压计标定方法，将待标定孔隙水压计的最大压力量程划分成M个级别，每个级别对应一个标定压力值，向待标定孔隙水压计逐级加载和卸载各个标定压力值，得到待标定孔隙水压计与各个标定压力值对应的输出孔压信号值，基于待标定孔隙水压计的各个输出孔压信号值与对应的标定压力值的最大偏差值，计算待标定孔隙水压计的非线性误差，进而基于待标定孔隙水压计的非线性误差、迟滞性指标和重复性指标，计算待标定孔隙水压计的精度误差。由于本发明在对孔隙水压计进行静态性能标定时，对孔隙水压计的非线性和精度进行了标定，因此，相对于传统方案仅测试孔隙水压计的静态输出曲线的相关系数而言，最大程度减小了孔隙水压计标定与实际测试工况之间的差异，从而提高了测试试验的可靠性和真实性。
为进一步优化上述实施例，提高测试实验的可靠性和真实性，本发明不仅可以对孔隙水压计进行静态性能标定，还可以对孔隙水压计进行长期稳定性能标定。
对孔隙水压计进行长期稳定性能标定的操作步骤为：
按照孔隙水压计长期使用条件，长期稳定性试验需要输出试验压力荷载大小为孔隙水压计的最大压力量程的1.5倍；进行时长为720min(12h)的测试试验，例如，孔隙水压计的最大压力量程为200kPa，则输入压力荷载为300kPa，即对孔隙水压计开展300kPa-720min(12h)的连续测试试验，定时记录水温、孔隙水压计量测数据情况。在进行标定试验前，需要将孔隙水压计与数据采集仪进行连接，孔隙水压计预热5分钟，数据采集仪预热30分钟，并设置数据采集仪采样频率为1Hz，采样时间为720min。通过下列长期稳定性漂移量计算公式，可计算出孔隙水压计的长期稳定性漂移量指标。
因此，孔隙水压计标定方法还可以包括步骤：
对所述待标定孔隙水压计进行长期稳定性能标定，具体包括：
根据公式(3)计算待标定孔隙水压计的长期稳定性漂移量，公式(3)如下：
式中，YFS为所述待标定孔隙水压计的最大压力量程，例如，待标定孔隙水压计的最大压力量程为200kPa，则YFS＝200kPa，ΔW max＝Y孔压实际值max-Y孔压理想值，ΔW max为所述待标定孔隙水压计输入恒定的压力荷载下，也即待标定孔隙水压计的最大压力量程的1.5倍，所述待标定孔隙水压计的实际输出孔压信号值与理想状态下输出的孔压信号值的最大偏差值。
如图6所示的孔隙水压计的长期稳定性偏移量指标示意图，假如，待标定孔隙水压计输入恒定的压力荷载为300kPa，则待标定孔隙水压计的理想状态下输出的孔压信号值为300kPa，即Y孔压理想值＝300kPa，待标定孔隙水压计的实际输出孔压信号值为297kPa，则ΔWmax＝-3kPa。
为方便理解，下面举例说明对孔隙水压计进行长期稳定性能标定的过程，如下：
根据标定方法与长期稳定性计算公式，将孔隙水压计与数据采集仪进行连接，孔隙水压计预设5分钟，数据采集仪预热30分钟，并设置数据采集仪采样频率为1Hz，采样时间为720min；对两种孔隙水压计进行300kPa-720min长期稳定性能标定试验，该标定方法要求持续向标定压力腔输入300kPa压力，并保持此状态长达720min。图7为孔隙水压计的长期稳定性试验数据曲线，由图7可知，经过300kPa-720min连续标定试验，可得PDCR-81型孔隙水压计的漂移量为0.088％FS，DSP-I型孔隙水压计的时间漂移量为0.092％FS，说明两种孔隙水压计的长期稳定性能相近。综上所述，上述孔隙水压计的长期稳定性标定方法中，两种孔隙水压计的时间漂移量均控制在0.1％FS以内，可完全满足长期量测试验的需求。
为进一步优化上述实施例，提高测试实验的可靠性和真实性，本发明还可以对孔隙水压计的动态性能进行标定。
对孔隙水压计进行动态性能标定的操作步骤为：
按照孔隙水压计的动态性能标定需求，标定试验将输入阶跃波，以用于测试孔隙水压计的上升时间和超调量指标。
首先将孔隙水压计与数据采集仪进行连接，其次孔隙水压计预热5分钟，数据采集仪预热30分钟，并设置数据采集仪采样频率为5kHz，采样时间为1s，最后输入阶跃波，从而孔隙水压计输出信号，如图8所示的孔隙水压计的动态性能标定结果示意图。
因此，孔隙水压计标定方法还可以包括步骤：
对所述待标定孔隙水压计进行动态性能标定，具体包括：
根据待标定孔隙水压计达到稳定状态时的输出值y(∞)，由10％变化至90％所用时间，确定所述待标定孔隙水压计的上升时间tr；
根据公式(4)计算待标定孔隙水压计的超调量，公式(4)如下：
式中，σ为所述超调量，y(tp)为所述待标定孔隙水压计的输出信号值达到第一个峰值(即最大值)的幅值大小，y(∞)为所述待标定孔隙水压计达到稳定状态时的输出值，即所述待标定孔隙水压计输入阶跃波时，经过一段时间后，所述待标定孔隙水压计的输出至不再发生变化，达到稳态，如图8所示。
为方便理解，下面举例说明对孔隙水压计进行动态性能标定的过程如下：
根据上述动态性能标定方法可知，对孔隙水压计的动态性能指标进行测试，可得到如下计算结果。图8为孔隙水压计的动态性能标定结果。图9(a)为在阶跃波条件下，孔隙水压计的动态响应曲线图，从该图中可以看出，DSP-I型号的孔隙水压计和PDCR-81型号的孔隙水压计的动态输出响应曲线差异较小，且两种孔隙水压计与标准水压计的动态相关系数均为0.99，说明两者动态测试结果高度吻合，具体如图9(b)所示。通过进一步分析，可计算出孔隙水压计的上升时间和超调量指标。
根据表2所示的孔隙水压计的动态性能指标，采用孔隙水压计的动态性能标定方法，对孔隙水压计的动态响应曲线进行分析可知，在上升时间tr方面，DSP-I的孔隙水压计的上升时间为4.96ms，PDCR-81型号的孔隙水压计的上升时间为5.07ms，由此可以看出，DSP-I型号的孔隙水压计与PDCR-81型号的孔隙水压计的上升时间高度相近；在超调量σ方面，DSP-I型号的孔隙水压计的超调量为13.3％，PDCR-81型号的孔隙水压计的超调量为13.5％，DSP-I型号的孔隙水压计的超调量略小于PDCR-81型号的孔隙水压计的超调量。通过对孔隙水压计进行动态性能标定可知，DSP-I型号的孔隙水压计与PDCR-81型号的孔隙水压计的动态性能高度吻合，因此适用于对各项动态性能要求极高的动力离心试验、常规振动台试验等。
表2
为进一步优化上述实施例，提高测试实验的可靠性和真实性，本发明还可以对孔隙水压计的透水石饱和度影响进行标定。
对孔隙水压计的透水石饱和度影响进行标定的操作步骤为：
按照孔隙水压计的透水石饱和度影响的标定需求，将孔隙水压计与数据采集仪进行连接，孔隙水压计预热5分钟，数据采集仪预热30分钟，并设置数据采集仪采样频率为5kHz，采样时间为10s。将孔隙水压计放置于标定腔内，再缓慢从底部注入蒸馏水，待蒸馏水完全浸没孔隙水压计后，透水石即进入饱和过程，并设置孔隙水压计的饱和时间为1天(1d)、3天(3d)、5天(5d)和9天(9d)。待孔隙水压计达到预设饱和时间后，输入动态随机波用于测试透水石饱和度对于孔隙水压计动态性能的影响，记录标准水压计量测的实际压力值与孔隙水压计的孔压信号值，并将标准水压计量测的实际压力值作为纵轴，孔隙水压计输出的孔压信号值作为横轴，绘制曲线，以观察两者线性相关性。
因此，孔隙水压计标定方法还可以包括步骤：
对所述待标定孔隙水压计进行透水石饱和度影响的标定，具体包括：
将标准水压计和所述待标定孔隙水压计放置于标定腔内，从所述标定腔的底部注入蒸馏水，当所述蒸馏水完全浸没所述标准水压计和所述待标定孔隙水压计时，透水石即将进入饱和过程；
为所述待标定孔隙水压计设置多个不同的预设饱和时间；
当所述待标定孔隙水压计的饱和时间达到所述预设饱和时间时，对所述标准水压计和所述待标定孔隙水压计输入动态随机波，并记录所述标准水压计量测的实际压力值和所述待标定孔隙水压计的孔压信号值；
以所述标准水压计量测的实际压力值作为纵轴，以所述待标定孔隙水压计输出的孔压信号值作为横轴，绘制曲线，确定所述待标定孔隙水压计与所述标准水压计的相关系数，基于所述相关系数，确定透水石饱和度对所述待标定孔隙水压计的动态量测性能影响。
为方便理解，下面举例说明对孔隙水压计进行透水石饱和度影响的标定过程，具体如下：
图10(a)～图10(d)为1d(天)～9d(天)时透水石逐渐饱和过程中，对孔隙水压计动态响应测试结果准确性的影响测试结果，纵轴为标准水压计量测的实际压力值，横轴为孔隙水压计输出的孔压信号值；根据标定方法可知，图中黑实线说明透水石饱和度达100％时，孔隙水压计具有良好的动态频响能力，能够真实反映孔隙水压计输入动荷载的变化情况。结合图10(a)测试结果可知，孔隙水压计与标准水压计的相关系数R2仅为0.78，由此推断生成大量的气泡主要是由透水石内部和空腔中通过透水石表面释放，从而导致标定曲线呈现显著滞后特性。但由图10(b)可知，孔隙水压计与标准水压计的相关系数R2仅为0.93，但标定曲线仍呈现一定滞后特性，因此说明透水石内部和空腔中仍存在气泡。结合图10(c)可知，孔隙水压计与标准水压计的相关系数R2上升至0.98，标定曲线滞后性减小，说明随着浸泡时间的增长，透水石饱和度得到明显提高。结合图10(d)可知，孔隙水压计与标准水压计的相关系数R2已高达0.99，说明透水石内部和空腔中的气体已近乎完全释放，孔隙水压计处于良好的工作状态。
综上所述，通过对孔隙水压计进行透水石饱和度影响的标定可知，当透水石未饱和时，其对孔隙水压计的动态响应具有严重影响，但自然浸泡条件下透水石的饱和时间≥9d时，其对孔隙水压计的动态量测性能影响可忽略。
为进一步优化上述实施例，提高测试实验的可靠性和真实性，本发明还可以对孔隙水压计的孔隙流体粘度影响进行标定。
对孔隙水压计的孔隙流体粘度影响进行标定的操作步骤为：
使用孔隙流体从粘度为10cSt的水到粘度为50cSt的甲基纤维素溶液，首先将水(粘度10cSt(20℃))放置于标定压力腔内，其次将孔隙水压计和标准水压计安装于标定压力腔内，然后分别逐级输入定频正弦波(50Hz，100Hz，150Hz，200Hz)，并且将数据采集仪设置动态采样频率为5kHz，采样时间为1s，数据采集仪采集标准水压计和孔隙水压计输出的孔压信号值，并对其幅值比和相位差进行对比分析。待标定试验结束后，将标定压力腔里面的孔隙流体换成甲基纤维素溶液(粘度50cSt(20℃)，重复上述标定方法步骤进行试验。
因此，孔隙水压计标定方法还可以包括步骤：
对所述待标定孔隙水压计进行孔隙流体粘度影响的标定，具体包括：
将所述待标定孔隙水压计和所述标准水压计安装在盛放有第一粘度的水的标定压力腔内；
逐级输入预设频率的定频正弦波；
分别采集所述标准水压计输出的第一孔压信号值和所述待标定孔隙水压计输出的第二孔压信号值，并基于所述第一孔压信号值和所述第二孔压信号值，分别计算所述待标定孔隙水压计与所述标定水压计的幅值比和相位差；
再次将所述待标定孔隙水压计和所述标准水压计安装在盛放有第二粘度的甲基纤维素溶液的标定压力腔内；；
逐级输入预设频率的定频正弦波；
分别采集所述标准水压计输出的第三孔压信号值和所述待标定孔隙水压计输出的第四孔压信号值，并基于所述第三孔压信号值和所述第四孔压信号值，分别计算所述待标定孔隙水压计与所述标定水压计的幅值比和相位差。
其中，所述标准水压计计的幅值和相位指标计算公式如下：
公式1：f为20Hz，40Hz，60Hz........至200Hz；
即在t1时刻时标准水压计量测的正弦波信号达到最大值A1时，初始相位角为：
由于
则
其中：A1为标准水压计量测的正弦波信号在t1时刻第一次所达到的最大幅值，f为输入正弦波频率，为标准水压计量测的正弦波信号第一次达到最大值的初始相位，如图11所示的孔隙水压计的幅值比和相位差指标。
公式2：
其中：A2为所述待标定孔隙水压计输出的正弦波信号在t2时刻第一次所达到的最大幅值，f为输入正弦波频率，为所述待标定孔隙水压计第一次达到最大值的初始相位。
即在t2时刻时标准水压计量测的正弦波信号达到最大值A2时，初始相位角为：
由于
则
综上所述，则孔隙水压计与标准水压计的幅值比ΔA＝A1/A2，孔隙水压计与标准水压计相位差为
为方便理解，下面举例说明对孔隙水压计的孔隙流体粘度影响的标定，具体如下：
根据上述孔隙流体粘度影响标定方法，对PDCR-81型孔隙水压计和DSP-I型孔隙水压计进行标定试验。首先将水(粘度10cSt(20℃))放置于标定压力腔内，然后将PDCR-81型孔隙水压计和DSP-I型孔隙水压计安装于标定压力腔内，然后输入正弦波，并且将数据采集仪设置动态采样率为5kHz，采样时间为1s，数据采集仪采集两种孔隙水压计的输出信号，并进行对比分析。待标定试验结束后，将标定压力腔里面的孔隙流体换成甲基纤维素溶液(粘度50cSt(20℃)，重复上述标定方法步骤进行试验，进行不同孔隙流体粘度(粘度10cSt和50cSt)的标定试验，孔隙流体粘度影响的标定结果，如图11所述的孔隙水压计的幅值和相位差指标示意图。
根据孔隙流体粘度影响的标定方法，由图12(a)可知，当饱和流体为水(粘度1cSt)，在200Hz以内PDCR-81型和DSP-I型孔隙水压计的压力值接近2％的衰减，并显示小相位超前2°以内。当流体粘度1cSt增加至50cSt时，孔隙流体明显对孔隙水压计的动态响应性能具有显著影响，如图12(b)所示。在孔隙流体粘度为50cSt的情况下，PDCR-81在频率为100Hz下压力值衰减接近降低40％，然而DSP-I型孔隙水压计的频率响应曲线，尤其是相位的滞后，其幅值在10Hz～25Hz之间衰减达到最大值，最终在200Hz时幅值达到最小。
基于上述论述可知，在孔隙流体粘度影响的标定中，孔隙流体的粘度变化，将会在一定程度上极大影响孔隙水压计的动态性能。
为方便理解，本发明基于对孔隙水压计的标定原理，绘制了图13示出的一种孔隙水压计标定方法的工作原理图。
综上可知，本发明公开的孔隙水压计标定方法，在对孔隙水压计进行静态性能标定时，增加了对孔隙水压计的非线性和精度的标定，并且，本发明还实现对孔隙水压计进行长期稳定性标定时，对孔隙水压计的长期稳定性偏移量进行标定；实现对孔隙水压计进行动态标定时，对孔压计的上升时间、超调量指标进行标定；实现对透水石饱和时间进行标定时，对孔压计的预设饱和度的动态相关性进行标定；通过改变孔隙流体的粘度，对孔隙水压计的幅值比与相位偏差进行标定。因此，相对于传统方案仅测试孔隙水压计的静态输出曲线的相关系数而言，本发明最大程度减小了孔隙水压计标定与实际测试工况之间的差异，从而提高了测试试验的可靠性和真实性。
与上述方法实施例相对应，本发明还公开了一种孔隙水压计标定系统。
参见图14，本发明一实施例公开的一种孔隙水压计标定系统的结构示意图，该系统包括：
划分单元201，用于将待标定孔隙水压计的最大压力量程划分成M个级别，每个级别对应一个标定压力值，M为正整数；
信号获取单元202，用于向所述待标定孔隙水压计逐级加载和卸载各个标定压力值，得到所述待标定孔隙水压计与各个所述标定压力值对应的输出孔压信号值；
第一计算单元203，用于计算所述待标定孔隙水压计的各个输出孔压信号值与对应的标定压力值的偏差值，并从各个所述偏差值中选取最大偏差值；
第二计算单元204，用于根据公式(1)计算所述待标定孔隙水压计的非线性误差，公式(1)如下：
式中，ξ1为所述非线性误差，N为标定压力值加载级别，△LmaxN为逐级加载标定压力值时，所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值与对应加载压力值的最大偏差值，YFS为所述待标定孔隙水压计的最大压力量程；
第三计算单元205，用于根据公式(2)计算所述待标定孔隙水压计的精度误差，公式(2)如下：
式中，ξ为所述精度误差，ξ1为所述非线性误差，ξ2为所述待标定孔隙水压计的迟滞性指标，△Hmax为逐级加载标定压力值时所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值，与对应卸载标定压力值时所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值之间的最大偏差值；ξ3为所述待标定孔隙水压计的重复性指标，△Rmax为逐级加载标定压力值时，所述待标定孔隙水压计对应的最大输出孔压信号值和最大输出孔压信号值之间的最大偏差值。
综上可知，本发明公开的孔隙水压计标定系统，将待标定孔隙水压计的最大压力量程划分成M个级别，每个级别对应一个标定压力值，向待标定孔隙水压计逐级加载和卸载各个标定压力值，得到待标定孔隙水压计与各个标定压力值对应的输出孔压信号值，基于待标定孔隙水压计的各个输出孔压信号值与对应的标定压力值的最大偏差值，计算待标定孔隙水压计的非线性误差，进而基于待标定孔隙水压计的非线性误差、迟滞性指标和重复性指标，计算待标定孔隙水压计的精度误差。由于本发明在对孔隙水压计进行静态性能标定时，对孔隙水压计的非线性和精度进行了标定，因此，相对于传统方案仅测试孔隙水压计的静态输出曲线的相关系数而言，最大程度减小了孔隙水压计标定与实际测试工况之间的差异，从而提高了测试试验的可靠性和真实性。
为进一步优化上述实施例，提高测试实验的可靠性和真实性，本发明不仅可以对孔隙水压计进行静态性能标定，还可以对孔隙水压计进行长期稳定性能标定。
因此，孔隙水压计标定系统还包括：
长期稳定性能标定单元，用于对所述待标定孔隙水压计进行长期稳定性能标定，具体包括：
根据公式(3)计算待标定孔隙水压计的长期稳定性漂移量，公式(3)如下：
式中，YFS为所述待标定孔隙水压计的最大压力量程，ΔW max＝Y孔压实际值max-Y孔压理想值，ΔW max为所述待标定孔隙水压计输入恒定的压力荷载下，也即所述待标定孔隙水压计的最大压力量程的1.5倍，所述待标定孔隙水压计的实际输出孔压信号值与理想状态下输出的孔压信号值的最大偏差值。
为进一步优化上述实施例，提高测试实验的可靠性和真实性，本发明还可以对孔隙水压计的动态性能进行标定。
因此，孔隙水压计标定系统还包括：
动态性能标定单元，用于对所述待标定孔隙水压计进行动态性能标定，具体包括：
根据待标定孔隙水压计达到稳定状态时的输出值y(∞)，由10％变化至90％所用时间，确定所述待标定孔隙水压计的上升时间tr；
根据公式(4)计算待标定孔隙水压计的超调量，公式(4)如下：
式中，σ为所述超调量，y(tp)为所述待标定孔隙水压计的输出信号值达到第一个峰值的幅值大小，y(∞)为所述待标定孔隙水压计达到稳定状态时的输出值。
为进一步优化上述实施例，提高测试实验的可靠性和真实性，本发明还可以对孔隙水压计的透水石饱和度影响进行标定。
因此，孔隙水压计标定系统还包括：
透水石饱和度影响标定单元，用于对所述待标定孔隙水压计进行透水石饱和度影响的标定，具体包括：
将标准水压计和所述待标定孔隙水压计放置于标定腔内，从所述标定腔的底部注入蒸馏水，当所述蒸馏水完全浸没所述标准水压计和所述待标定孔隙水压计时，透水石即将进入饱和过程；
为所述待标定孔隙水压计设置多个不同的预设饱和时间；
当所述待标定孔隙水压计的饱和时间达到所述预设饱和时间时，对所述标准水压计和所述待标定孔隙水压计输入动态随机波，并记录所述标准水压计量测的实际压力值和所述待标定孔隙水压计的孔压信号值；
以所述标准水压计量测的实际压力值作为纵轴，以所述待标定孔隙水压计输出的孔压信号值作为横轴，绘制曲线，确定所述待标定孔隙水压计与所述标准水压计的相关系数，基于所述相关系数，确定透水石饱和度对所述待标定孔隙水压计的动态量测性能影响。
为进一步优化上述实施例，提高测试实验的可靠性和真实性，本发明还可以对孔隙水压计的孔隙流体粘度影响进行标定。
因此，孔隙水压计标定系统还包括：
孔隙流体粘度影响标定单元，用于对所述待标定孔隙水压计进行孔隙流体粘度影响的标定，具体包括：
将所述待标定孔隙水压计和所述标准水压计安装在盛放有第一粘度的水的标定压力腔内；
逐级输入预设频率的定频正弦波；
分别采集所述标准水压计输出的第一孔压信号值和所述待标定孔隙水压计输出的第二孔压信号值，并基于所述第一孔压信号值和所述第二孔压信号值，分别计算所述待标定孔隙水压计与所述标定水压计的幅值比和相位差；
再次将所述待标定孔隙水压计和所述标准水压计安装在盛放有第二粘度的甲基纤维素溶液的标定压力腔内；；
逐级输入预设频率的定频正弦波；
分别采集所述标准水压计输出的第三孔压信号值和所述待标定孔隙水压计输出的第四孔压信号值，并基于所述第三孔压信号值和所述第四孔压信号值，分别计算所述待标定孔隙水压计与所述标定水压计的幅值比和相位差。
其中，所述标准水压计计的幅值和相位指标计算公式如下：
公式1：f为20Hz，40Hz，60Hz........至200Hz；
即在t1时刻时标准水压计量测的正弦波信号达到最大值A1时，初始相位角为：
由于
则
其中：A1为标准水压计量测的正弦波信号在t1时刻第一次所达到的最大幅值，f为输入正弦波频率，为标准水压计量测的正弦波信号第一次达到最大值的初始相位，如图11所示的孔隙水压计的幅值比和相位差指标。
公式2：
其中：A2为所述待标定孔隙水压计输出的正弦波信号在t2时刻第一次所达到的最大幅值，f为输入正弦波频率，为所述待标定孔隙水压计第一次达到最大值的初始相位。
即在t2时刻时标准水压计量测的正弦波信号达到最大值A2时，初始相位角为：
由于
则
综上所述，则孔隙水压计与标准水压计的幅值比ΔA＝A1/A2，孔隙水压计与标准水压计相位差为
需要特别说明的是，系统实施例中，各组成部分的具体工作原理，请参见方法实施例对应部分，此处不再赘述。
综上可知，本发明公开的孔隙水压计标定系统，在对孔隙水压计进行静态性能标定时，增加了对孔隙水压计的非线性和精度的标定，并且，本发明还实现对孔隙水压计进行长期稳定性标定时，对孔隙水压计的长期稳定性偏移量进行标定；实现对孔隙水压计进行动态标定时，对孔压计的上升时间、超调量指标进行标定；实现对透水石饱和时间进行标定时，对孔压计的预设饱和度的动态相关性进行标定；通过改变孔隙流体的粘度，对孔隙水压计的幅值比与相位偏差进行标定。因此，相对于传统方案仅测试孔隙水压计的静态输出曲线的相关系数而言，本发明最大程度减小了孔隙水压计标定与实际测试工况之间的差异，从而提高了测试试验的可靠性和真实性。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种孔隙水压计标定方法，其特征在于，包括：
将待标定孔隙水压计的最大压力量程划分成M个级别，每个级别对应一个标定压力值，M为正整数；
向所述待标定孔隙水压计逐级加载和卸载各个标定压力值，得到所述待标定孔隙水压计与各个所述标定压力值对应的输出孔压信号值；
计算所述待标定孔隙水压计的各个输出孔压信号值与对应的标定压力值的偏差值，并从各个所述偏差值中选取最大偏差值；
根据公式(1)计算所述待标定孔隙水压计的非线性误差，公式(1)如下：
式中，ξ1为所述非线性误差，N为标定压力值加载级别，△LmaxN为逐级加载标定压力值时，所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值与对应加载压力值的最大偏差值，YFS为所述待标定孔隙水压计的最大压力量程；
根据公式(2)计算所述待标定孔隙水压计的精度误差，公式(2)如下：
式中，ξ为所述精度误差，ξ1为所述非线性误差，ξ2为所述待标定孔隙水压计的迟滞性指标，△Hmax为逐级加载标定压力值时所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值，与对应卸载标定压力值时所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值之间的最大偏差值；ξ3为所述待标定孔隙水压计的重复性指标，△Rmax为逐级加载标定压力值时，所述待标定孔隙水压计对应的最大输出孔压信号值和最大输出孔压信号值之间的最大偏差值。
2.根据权利要求1所述的孔隙水压计标定方法，其特征在于，所述孔隙水压计标定方法还包括：
对所述待标定孔隙水压计进行长期稳定性能标定，具体包括：
根据公式(3)计算待标定孔隙水压计的长期稳定性漂移量，公式(3)如下：
式中，YFS为所述待标定孔隙水压计的最大压力量程，ΔWmax＝Y孔压实际值max-Y孔压理想值，ΔWmax为所述待标定孔隙水压计输入恒定的压力荷载下，也即所述待标定孔隙水压计的最大压力量程的1.5倍，所述待标定孔隙水压计的实际输出孔压信号值与理想状态下输出的孔压信号值的最大偏差值。
3.根据权利要求1所述的孔隙水压计标定方法，其特征在于，所述孔隙水压计标定方法还包括：
对所述待标定孔隙水压计进行动态性能标定，具体包括：
根据待标定孔隙水压计达到稳定状态时的输出值y(∞)，由10％变化至90％所用时间，确定所述待标定孔隙水压计的上升时间tr；
根据公式(4)计算待标定孔隙水压计的超调量，公式(4)如下：
式中，σ为所述超调量，y(tp)为所述待标定孔隙水压计的输出信号值达到第一个峰值的幅值大小，y(∞)为所述待标定孔隙水压计达到稳定状态时的输出值。
4.根据权利要求1所述的孔隙水压计标定方法，其特征在于，所述孔隙水压计标定方法还包括：
对所述待标定孔隙水压计进行透水石饱和度影响的标定，具体包括：
将标准水压计和所述待标定孔隙水压计放置于标定腔内，从所述标定腔的底部注入蒸馏水，当所述蒸馏水完全浸没所述标准水压计和所述待标定孔隙水压计时，透水石即将进入饱和过程；
为所述待标定孔隙水压计设置多个不同的预设饱和时间；
当所述待标定孔隙水压计的饱和时间达到所述预设饱和时间时，对所述标准水压计和所述待标定孔隙水压计输入动态随机波，并记录所述标准水压计量测的实际压力值和所述待标定孔隙水压计的孔压信号值；
以所述标准水压计量测的实际压力值作为纵轴，以所述待标定孔隙水压计输出的孔压信号值作为横轴，绘制曲线，确定所述待标定孔隙水压计与所述标准水压计的相关系数，基于所述相关系数，确定透水石饱和度对所述待标定孔隙水压计的动态量测性能影响。
5.根据权利要求1所述的孔隙水压计标定方法，其特征在于，所述孔隙水压计标定方法还包括：
对所述待标定孔隙水压计进行孔隙流体粘度影响的标定，具体包括：
将所述待标定孔隙水压计和所述标准水压计安装在盛放有第一粘度的水的标定压力腔内；
逐级输入预设频率的定频正弦波；
分别采集所述标准水压计输出的第一孔压信号值和所述待标定孔隙水压计输出的第二孔压信号值，并基于所述第一孔压信号值和所述第二孔压信号值，分别计算所述待标定孔隙水压计与所述标定水压计的幅值比和相位差；
再次将所述待标定孔隙水压计和所述标准水压计安装在盛放有第二粘度的甲基纤维素溶液的标定压力腔内；；
逐级输入预设频率的定频正弦波；
分别采集所述标准水压计输出的第三孔压信号值和所述待标定孔隙水压计输出的第四孔压信号值，并基于所述第三孔压信号值和所述第四孔压信号值，分别计算所述待标定孔隙水压计与所述标定水压计的幅值比和相位差。
6.根据权利要求5所述的孔隙水压计标定方法，其特征在于，所述标准水压计的幅值和相位指标的计算公式，分别如公式(5)和公式(6)所示，公式(5)和公式(6)如下：
式中，A1为所述标准水压计量测的正弦波信号在t1时刻第一次所达到的最大幅值，f为输入正弦波频率，为所述标准水压计量测的正弦波信号第一次达到最大值的初始相位；
所述待标定孔隙水压计的幅值和相位指标的计算公式，分别如公式(7)和公式(8)所示，公式(7)和公式(8)如下：
式中，A2为所述待标定孔隙水压计输出的正弦波信号在t2时刻第一次所达到的最大幅值，f为输入正弦波频率，为所述待标定孔隙水压计第一次达到最大值的初始相位。
7.一种孔隙水压计标定系统，其特征在于，包括：
划分单元，用于将待标定孔隙水压计的最大压力量程划分成M个级别，每个级别对应一个标定压力值，M为正整数；
信号获取单元，用于向所述待标定孔隙水压计逐级加载和卸载各个标定压力值，得到所述待标定孔隙水压计与各个所述标定压力值对应的输出孔压信号值；
第一计算单元，用于计算所述待标定孔隙水压计的各个输出孔压信号值与对应的标定压力值的偏差值，并从各个所述偏差值中选取最大偏差值；
第二计算单元，用于根据公式(1)计算所述待标定孔隙水压计的非线性误差，公式(1)如下：
式中，ξ1为所述非线性误差，N为标定压力值加载级别，△LmaxN为逐级加载标定压力值时，所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值与对应加载压力值的最大偏差值，YFS为所述待标定孔隙水压计的最大压力量程；
第三计算单元，用于根据公式(2)计算所述待标定孔隙水压计的精度误差，公式(2)如下：
式中，ξ为所述精度误差，ξ1为所述非线性误差，ξ2为所述待标定孔隙水压计的迟滞性指标，△Hmax为逐级加载标定压力值时所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值，与对应卸载标定压力值时所述待标定孔隙水压计的最大输出孔压信号值之间的最大偏差值；ξ3为所述待标定孔隙水压计的重复性指标，△Rmax为逐级加载标定压力值时，所述待标定孔隙水压计对应的最大输出孔压信号值和最大输出孔压信号值之间的最大偏差值。
8.根据权利要求7所述的孔隙水压计标定系统，其特征在于，所述孔隙水压计标定系统还包括：
长期稳定性能标定单元，用于对所述待标定孔隙水压计进行长期稳定性能标定，具体包括：
根据公式(3)计算待标定孔隙水压计的长期稳定性漂移量，公式(3)如下：
式中，YFS为所述待标定孔隙水压计的最大压力量程，ΔWmax＝Y孔压实际值max-Y孔压理想值，ΔWmax为所述待标定孔隙水压计输入恒定的压力荷载下，也即所述待标定孔隙水压计的最大压力量程的1.5倍，所述待标定孔隙水压计的实际输出孔压信号值与理想状态下输出的孔压信号值的最大偏差值。
9.根据权利要求7所述的孔隙水压计标定系统，其特征在于，所述孔隙水压计标定系统还包括：
动态性能标定单元，用于对所述待标定孔隙水压计进行动态性能标定，具体包括：
根据待标定孔隙水压计达到稳定状态时的输出值y(∞)，由10％变化至90％所用时间，确定所述待标定孔隙水压计的上升时间tr；
根据公式(4)计算待标定孔隙水压计的超调量，公式(4)如下：
式中，σ为所述超调量，y(tp)为所述待标定孔隙水压计的输出信号值达到第一个峰值的幅值大小，y(∞)为所述待标定孔隙水压计达到稳定状态时的输出值。
10.根据权利要求7所述的孔隙水压计标定系统，其特征在于，所述孔隙水压计标定系统还包括：
透水石饱和度影响标定单元，用于对所述待标定孔隙水压计进行透水石饱和度影响的标定，具体包括：
将标准水压计和所述待标定孔隙水压计放置于标定腔内，从所述标定腔的底部注入蒸馏水，当所述蒸馏水完全浸没所述标准水压计和所述待标定孔隙水压计时，透水石即将进入饱和过程；
为所述待标定孔隙水压计设置多个不同的预设饱和时间；
当所述待标定孔隙水压计的饱和时间达到所述预设饱和时间时，对所述标准水压计和所述待标定孔隙水压计输入动态随机波，并记录所述标准水压计量测的实际压力值和所述待标定孔隙水压计的孔压信号值；
以所述标准水压计量测的实际压力值作为纵轴，以所述待标定孔隙水压计输出的孔压信号值作为横轴，绘制曲线，确定所述待标定孔隙水压计与所述标准水压计的相关系数，基于所述相关系数，确定透水石饱和度对所述待标定孔隙水压计的动态量测性能影响。
11.根据权利要求7所述的孔隙水压计标定系统，其特征在于，所述孔隙水压计标定系统还包括：
孔隙流体粘度影响标定单元，用于对所述待标定孔隙水压计进行孔隙流体粘度影响的标定，具体包括：
将所述待标定孔隙水压计和所述标准水压计安装在盛放有第一粘度的水的标定压力腔内；
逐级输入预设频率的定频正弦波；
分别采集所述标准水压计输出的第一孔压信号值和所述待标定孔隙水压计输出的第二孔压信号值，并基于所述第一孔压信号值和所述第二孔压信号值，分别计算所述待标定孔隙水压计与所述标定水压计的幅值比和相位差；
再次将所述待标定孔隙水压计和所述标准水压计安装在盛放有第二粘度的甲基纤维素溶液的标定压力腔内；；
逐级输入预设频率的定频正弦波；
分别采集所述标准水压计输出的第三孔压信号值和所述待标定孔隙水压计输出的第四孔压信号值，并基于所述第三孔压信号值和所述第四孔压信号值，分别计算所述待标定孔隙水压计与所述标定水压计的幅值比和相位差。
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