CN111521496A - 落球式岩土材料力学特性的现场测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了落球式岩土材料力学特性的现场测试系统，包括：被配置为内置加速度传感器(2)的自由落体物，被配置为计算岩土材料的变形特性、强度特性的分析系统(9)，所述加速度传感器(2)输出静止过程、自由落体过程、碰撞过程所感应到的加速度变化率，所述变形特性为变形模量，强度特性为内部摩擦角，所述分析系统包括：时刻提取装置A、高度计算装置、时刻提取装置B、碰撞接触时间计算装置、变形模量计算装置，根据Hertz碰撞理论建立有变形模量计算模型，内部摩擦角计算装置：根据Vesic空洞扩张理论建立有内部摩擦角计算模型，用于获取内部摩擦角计算模型所需的变形模量E、高度H后得到内部摩擦角
。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程检测领域或高度测量技术领域，具体涉及落球式岩土材料力学特性的现场测试系统。
背景技术
岩土材料是土木、建筑、桥隧、水利等行业中重要结构工程最常用的材料，在社会基础设施建设中占据举足轻重的地位。岩土材料的碾压质量的好坏直接决定了工程的使用寿命。其中，可以用弹性模量来表示岩土材料的碾压质量。
落球检测技术是通过落球冲撞岩土表面，通过获得这一过程中球体的加速度变化，进而来分析岩土质量。具体分析岩土质量的过程请参见ZL200810087044.7。如图1所示，该分析系统采用内置加速度传感器的球形金属刚性落球体，并与信号放大器、A/D转换卡及带有专用软件的笔记本电脑连接；通过自由落下的金属刚性落球体与岩土材料发生碰撞，利用Hertz碰撞理论和Vesic空洞扩张理论分析其碰撞过程，并结合岩土材料以及刚性落球体的特性加以修正，从而快速、简便、准确地测试岩土材料的变形特性和强度特性；测试的具体方式：将刚性落球体提升到一定的高度，让其自由落下，利用笔记本电脑的专用软件采集碰撞过程中的加速度信号，通过对加速度信号解析和统计处理方法，从而求得岩土材料的变形特性和强度特性，变形特性是变形模量，强度特性是内部摩擦角；该现有技术表明，其只采用了金属刚性落球体与岩土材料发生碰撞之后的信号，获得T c：接触时间，从而去分析岩土质量，同时表明，分析岩土质量时，需要获得金属刚性落球体的初始高度，而现有技术介绍表明，其金属刚性落球体的初始高度是采用人力测量一个预定高度，再由人从该预定高度处松开金属刚性落球体。
上述技术存在以下问题：
由于需要将落球提升至指定的高度，而对于高度的测量，传统的方式是采用尺量等方式进行。这样大大降低了效率，且操作不便。
发明内容
本发明提供落球式岩土材料力学特性的现场测试系统，该系统设置一个高度计算装置，提供获得加速度传感器的反馈信号，从反馈信号中解析出能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1、能表征自由落体物撞击地面时的时刻T2，从而自动计算获得高度信息，将该高度信息再自动化的实现到材料力学特性的分析中；因此可以避免人为测量高度操作的计算误差，同时达到提高效率和简化操作的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
落球式岩土材料力学特性的现场测试系统，包括：
被配置为内置加速度传感器(2)的自由落体物，
被配置为计算岩土材料的变形特性、强度特性的分析系统，
所述加速度传感器(2)输出静止过程、自由落体过程、碰撞过程所感应到的加速度变化率，所述变形特性为变形模量，强度特性为内部摩擦角，
所述分析系统包括：
时刻提取装置A：用于依据加速度传感器(2)输出的加速度变化率提取出表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1、表征自由落体物撞击地面时的时刻T2；
高度计算装置：用于依据时刻T1、时刻T2计算出自由落体物的高度H；
时刻提取装置B：用于依据加速度传感器(2)输出的加速度变化率表征自由落体物撞击地面时的时刻T2、表征自由落体物回弹离地时的时刻T3；
碰撞接触时间计算装置：用于依据时刻T2、时刻T3计算出碰撞接触时间Tc；
变形模量计算装置：根据Hertz碰撞理论建立有变形模量计算模型，用于获取变形模量计算模型所需的碰撞接触时间Tc、高度H后得到变形模量E；
内部摩擦角计算装置：根据Vesic空洞扩张理论建立有内部摩擦角计算模型，用于获取内部摩擦角计算模型所需的变形模量E、高度H后得到内部摩擦角
本发明的设计原理是：
其中，根据Hertz碰撞理论建立有变形模量计算模型和根据Vesic空洞扩张理论建立有内部摩擦角计算模型为现有技术，具体可以参考，ZL200810087044.7的内容，在此简单赘述如下：
1)岩土材料变形特性的测试理论：
H.Hertz在19世纪提出了面向线弹性体的碰撞理论。一个已知刚性的球体A撞击一个未知刚性的物体B时，B的刚性越大，则碰撞时的接触时间越短。对于球形体与半无限平面体的碰撞，其接触时间为Tc，单位为s；Tc建立有与V0、E的函数关系，；具体参考ZL200810087044.7的内容。E：变形模量，单位：Pa(N/m 2)；V0：落下球体与半无限体材料碰撞时的速度，单位：m/s，其中V0可以由自由落体相关函数求解得到，需要用到高度H进行计算；但在ZL200810087044.7中，其只是利用人力通过标尺测量得到，然后输入到系统中。因此，其操作复杂，且所计算出的E：变形模量会存在较大的人为因素的误差。
2)岩土材料强度特性的测试理论：
通过导入Vesic的“空洞扩张”理论，建立了岩土材料的强度特性；根据Vesic的“空洞扩张”理论，当有桩、锚、旁压仪等压入土体时，会产生一个膨胀区。在膨胀区中岩土材料会发生屈服，从而使得材料的强度特性得到发挥。其具体的内容参见ZL200810087044.7；从ZL200810087044.7的内容可以看出，其计算内部摩擦角
时，也需要用到H，因此其也存在人为测量误差。
为了克服上述操作复杂、人为导致的误差，本发明可以在原有的软件程序基础上进行了升级，增设置了具有计算高度的软件程序；也可以是独立的高度计算装置作为执行设备，然后与原力学特性计算的执行设备配合使用。
其中，特别的，本发明为了使得测试误差小，还考虑到H计算所需的时刻的采样与变形模量计算所需的时刻的采样应来自于同一信号中被提取，因此，选择从加速度传感器获得同一信号源，其中高度H计算所需的T1、T2时刻与变形模量计算所需的T2、T3时刻都是从加速度传感器在整个测试过程中所获得的同一信号。比如，整个落球岩土材料力学特性测试包括手持落球使得落球处于静止状态的手持阶段、落球处于下落的自由落体阶段、落球碰撞阶段，其中T1、T2、T3都是从表征上述阶段的信号中提取获得的。
进一步的，所述分析系统还包括：
时刻提取装置C：用于依据加速度传感器(2)输出的加速度变化率提取出表征自由落体物撞击地面时的时刻T2、表征自由落体物初始回弹时的时刻Tm
碰撞压缩过程接触时间计算装置：用于依据时刻T2、时刻Tm计算出碰撞压缩过程接触时间Tc1；
时刻提取装置D：用于依据加速度传感器(2)输出的加速度变化率提取出表征自由落体物初始回弹时的时刻Tm、表征自由落体物回弹离地时的时刻T3；
碰撞回弹过程接触时间计算装置：用于依据时刻Tm、时刻T3计算出碰撞回弹过程接触时间Tc2；
变形模量计算装置：根据Hertz碰撞理论建立有压缩模量计算模型、回弹模量计算模型，用于获取压缩模量计算模型所需的碰撞压缩过程接触时间Tc1、高度H后得到压缩模量E1；用于获取回弹模量计算模型所需的碰撞回弹过程接触时间Tc2、高度H后得到压缩模量E1。
参见ZL200810087044.7的第60段到第62段：
由于Hertz碰撞理论仅适用于线弹性材料，而岩土材料是典型的弹塑性材料。因此，需要对该理论进行修正。我们可以将碰撞过程分为两个部分，即压缩过程和回弹过程。通过压缩部分的接触时间来推算压缩模量，而通过回弹部分的接触时间来推算回弹模量。对于线弹性材料，其压缩部分与回弹部分基本相同，而对于岩土材料，其压缩时间则长于回弹时间。通过分离压缩过程和回弹过程，使得我们不仅可以解决岩土材料的弹塑性问题，而且可以同时得到材料的压缩模量和回弹模量。
因此，其中的压缩模量计算模型、回弹模量计算模型其本质是与变形模量计算模型一样，只是三者的差异在于其中的接触时间所取不同，其中变形模量计算模型使用的接触时间是Tc，其中压缩模量计算模型使用的接触时间是Tc1，Tc1取T2-Tm这段时间，表征了落球在下落压缩岩土的过程，称为压缩阶段；其中回弹模量计算模型使用的接触时间是Tc2，Tc2取Tm-T3这段时间，表征了落球在下落后回弹的过程，称为回弹阶段。
为了从加速度传感器(2)输出的信号中获得能用于计算高度H的时刻T1和T2，本发明的两个实施方案：
方案1：
本系统还包括：
与加速度传感器(2)的输出端连接的放大器(5)，放大器(5)的输出端连接AD模块，AD模块的输出端连接分析系统；
放大器(5)用于对加速度传感器(2)的输出信号放大处理，
AD模块用于对放大器(5)的输出信号进行AD转换，
分析系统被配置有时刻提取装置A，
时刻提取装置A：用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1，用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物撞击地面时的时刻T2，
分析系统被配置有高度计算装置；
高度计算装置：用于根据时刻T1和时刻T2计算自由落体物的高度H。
时刻提取装置A从AD模块得到信息包括：加速度变化率处于零状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
加速度变化率处于零状态信息为：当手握住自由落体物时，此时时刻提取装置A从AD模块得到：表征手持阶段的加速度变化率处于零状态信息；
自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当手松开自由落体物时，此时时刻提取装置A从AD模块得到：由加速度变化率处于零状态开始出现波动后、再向零加速度变化率变化、再保持零加速度变化率的自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息；
撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当自由落体物撞击地面，此时时刻提取装置A从AD模块得到：由零加速度变化率开始产生大幅度波动的撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
其中，加速度变化率处于零状态开始出现波动的初始变化时刻为能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1；
其中，由零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻能表征自由落体物撞击地面时的时刻T2。
所述时刻提取装置A包括：时刻T1提取模块、时刻T2提取模块，
其中，时刻T1提取模块用于识别提取：加速度变化率处于零状态开始出现波动的初始变化时刻，该时刻记为时刻T1；
其中，时刻T2提取模块用于识别提取：零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻，该时刻记为时刻T2；
其中，高度计算装置用于根据时刻T1、时刻T2计算自由落体物的初始高度H，初始高度
其中，G为重力加速度，可取9.8m/s2。
如图1和图2相比，本方案1在结构上加速度传感器到AD模块的部分并未进行结构改进，如图3所示，在现有技术中，由于现有技术未采用计算机进行自动化计算获得高度，因此，其现有的材料力学特性的分析装置仅对T2-T3时刻进行了提取和应用，并未对T2时刻前部分的信号加以利用；因此，本发明可以利用识别技术从T2时刻前的信号中提取出能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1；其中，由于加速度传感器发回的信号是表达加速度变化率的信号，在手持阶段，加速度变化率为零，在释放瞬间，会出现一个波动，我们只需要从该波动中找打合理的、能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1即可。但从附图3中、图4中看出，该波动幅度较小，在实际应用中，由于线路的本底噪音、或者外部干扰、或者传递线缆导致的信号波动会与该波动相近似；因此，使用时会有非常严格的控制要求，比如避免电磁强的环境使用、尽量不要抖动电缆。但从本发明的构造来讲，电缆线缆需要与加速度传感器连接，而加速度传感器会随着落球运动，因此这很难避免。因此，上述方案1虽然从构造原理上可以实现在同一个加速度传感器的输出信号中同时提取T1、T2、T3分别用于计算H、Tc，以此达到自动化计算岩土材料力学特性，但对使用操作的环境有着较高的要求。
为了解决上述方案1存在很难获得准确的T1的问题，本发明提高了一种方案2来解决。
方案2
本系统还包括：
包括装配于自由落体物上的开关(4)，其中，加速度传感器(2)与开关(4)并联连接，加速度传感器(2)的输出端连接到放大器(5)，放大器(5)的输出端连接AD模块，AD模块的输出端连接分析系统；
放大器(5)用于对加速度传感器(2)的输出信号放大处理，
AD模块用于对放大器(5)的输出信号进行AD转换，
所述开关(4)被配置为：常开开关，开关随手握住自由落体物时，开关处于闭合状态，开关随手松开自由落体物时，开关处于断开状态；
分析系统被配置有时刻提取装置A，
时刻提取装置A：用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1，用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物撞击地面时的时刻T2，
分析系统被配置有高度计算装置；
高度计算装置：用于根据时刻T1和时刻T2计算自由落体物的高度H。
时刻提取装置A从AD模块得到信息包括：加速度变化率处于最大量程状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
加速度变化率处于最大量程状态信息为：当手握住自由落体物时致使开关闭合后，此时时刻提取装置A从AD模块得到：加速度变化率处于最大量程状态信息；
自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当手松开自由落体物时致使开关断开后，此时时刻提取装置A从AD模块得到：由加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化后、再保持零加速度变化率的自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息；
撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当自由落体物撞击地面，此时时刻提取装置A从AD模块得到：由零加速度变化率开始产生大幅度波动的撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
其中，加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化的初始变化时刻为能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1；
其中，由零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻能表征自由落体物撞击地面时的时刻T2。
所述时刻提取装置A包括：时刻T1提取模块、时刻T2提取模块，
其中，时刻T1提取模块用于识别提取：加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化的初始变化时刻，该时刻记为时刻T1；
其中，时刻T2提取模块用于识别提取：零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻，该时刻记为时刻T2；
其中，高度计算装置用于根据时刻T1、时刻T2计算自由落体物的初始高度H，初始高度
其中，G为重力加速度，可取9.8m/s2。
所述自由落体物包括用于测试岩土材料的变形特性和强度特性的球形金属刚性落球体(1)；
自由落体物还包括配置于球形金属刚性落球体(1)上的手柄(3)，所述开关(4)配置于手柄(3)上；
所述开关(4)的两端并联于加速度传感器(2)的2个输出端子。
上述方案2的原理是：
为了解决获得高度的技术问题，本发明人曾尝试从金属刚性落球体与岩土材料发生碰撞之前的信号进行分析，从而获得球形金属刚性落球体释放时候的时刻T1，以及采用碰撞时的时刻作为时刻T2，准备依据时刻T1与时刻T2去计算高度；
但，由于加速度传感器的输出信号为加速度变化率，即在加速度发生变化时才表现为较大的波动，因此，其在撞击地面时才表现出较大波动，如图3所示，在手释放金属刚性落球体时其波动并不大，几乎保持在0附近的微波动状态；加上数据传输线路会产生一些本底噪音，这些本底噪音与释放时造成的加速度变化率波动几乎没有差别，因此，对于识别准确的释放时的时刻T1变得非常困难。
为了解决时刻T1识别难的问题，提出一种更加准确的高度方案2，方案2中，首先从结构上，本发明对加速度传感器提出了短接的设计，采用开关与加速度传感器进行并联，在开关闭合时，其处于短接，使得加速度传感器暂时处于无效状态。比如，如图7所示，其中，将加速度传感器可以等效为电阻R，等同于加速度变化率发生变化时，电阻R阻值变化；其中将开关等效为开关K；开关与加速度传感器并联，可以等效为电阻R与开关K并联；假设将放大器视为一个电压表，在开关闭合时，电压表测量的是电源的电压，表现为最大量程状态。因此对于AD模块或者高度计算装置来讲，其获得的初始态信号为加速度变化率处于最大量程状态信息(如图6和图8所示，松手的时刻之前的信号)。再参考图2、图3，其由于没有采用并联的开关对其短接处理，对于加速度传感器而言，其在手握时，加速度变化率为零，在释放时，也仅是很小的波动，其处于释放过程中，加速度变化率也处于零状态。因此，很难识别得到准确的释放时刻。而如图6和图8所示所示，其初始时，由于开关闭合，导致短接，其输出的信号处于最大量程状态，在断开开关后，其会由最大量程状态向零实现变化，我们只需求导这种变化的角点即可非常明显的找到一个明显的求导角点，从而确定一个准确的开关被断开的时刻，在人操作时，将握住自由落体物的同时握住开关，释放自由落体物即代表释放开关。因此可以很好的得到释放时的时刻。从而得到我们计算高度的初始时刻。
优选的，
所述AD模块包括BNC端子板和AD转换卡；其中BNC端子板的输入端子与放大器的输出端连接，AD转换卡的输入端子与BNC端子板的输出端子；AD转换卡连接于高度计算装置。
优选的，所述高度计算装置还包括存储器或/和显示器，
存储器用于存储：时刻T1、时刻T2、初始高度H
显示器用于显示：时刻T1、时刻T2、初始高度H。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明无需高度测量的辅助，不会由于手部抖动导致误差，其以开关被触发导致信号状态发生变化为基础，因此，释放时只要保证开关和自由落体物同时被释放即可，操作简单。本发明虽然也是从加速度传感器的输出信号中获得采样数据，从而获得释放的初始时刻，但对输出信号的初始状态进行设置，加大了可识别性，具有非常准确特性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为现有技术的结构示意图；
图2为本发明的一个具体方案1；
图3为本发明采用方案1时、加速度传感器的信号原理性输出示意图；
图4为本发明采用方案1时、加速度传感器的信号实测性输出示意图；
图5为本发明的一个具体方案2；
图6为本发明采用方案2时、加速度传感器的信号原理性输出示意图；
图7为本发明的采用方案2时，开关与加速度传感器的并联的电路等效示意图；、
图8为本发明采用方案2时、加速度传感器的信号实测性输出示意图；
图9为分析系统的示意图。
附图标记及对应的零部件名称：
1、球形金属刚性落球体；2、加速度传感器；3、手柄；4、开关；5、放大器；6、电源；7、BNC端子板；8、AD转换卡；9、分析系统。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
实施例一
如图1-图9所示，
落球式岩土材料力学特性的现场测试系统，包括：
被配置为内置加速度传感器2的自由落体物，如图2、图5所示，
被配置为计算岩土材料的变形特性、强度特性的分析系统9，如图2、图5所示，
所述加速度传感器2输出静止过程、自由落体过程、碰撞过程所感应到的加速度变化率，所述变形特性为变形模量，强度特性为内部摩擦角，
如图9所示，所述分析系统包括：
时刻提取装置A：用于依据加速度传感器2输出的加速度变化率提取出表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1、表征自由落体物撞击地面时的时刻T2；
高度计算装置：用于依据时刻T1、时刻T2计算出自由落体物的高度H；
时刻提取装置B：用于依据加速度传感器2输出的加速度变化率表征自由落体物撞击地面时的时刻T2、表征自由落体物回弹离地时的时刻T3；
碰撞接触时间计算装置：用于依据时刻T2、时刻T3计算出碰撞接触时间Tc；
变形模量计算装置：根据Hertz碰撞理论建立有变形模量计算模型，用于获取变形模量计算模型所需的碰撞接触时间Tc、高度H后得到变形模量E；
内部摩擦角计算装置：根据Vesic空洞扩张理论建立有内部摩擦角计算模型，用于获取内部摩擦角计算模型所需的变形模量E、高度H后得到内部摩擦角
本发明的设计原理是：
其中，根据Hertz碰撞理论建立有变形模量计算模型和根据Vesic空洞扩张理论建立有内部摩擦角计算模型为现有技术，具体可以参考，ZL200810087044.7的内容，在此简单赘述如下：
1)岩土材料变形特性的测试理论：
H.Hertz在19世纪提出了面向线弹性体的碰撞理论。一个已知刚性的球体A撞击一个未知刚性的物体B时，B的刚性越大，则碰撞时的接触时间越短。对于球形体与半无限平面体的碰撞，其接触时间为Tc，单位为s；Tc建立有与V0、E的函数关系，；具体参考ZL200810087044.7的内容。E：变形模量，单位：Pa(N/m 2)；V0：落下球体与半无限体材料碰撞时的速度，单位：m/s，其中V0可以由自由落体相关函数求解得到，需要用到高度H进行计算；但在ZL200810087044.7中，其只是利用人力通过标尺测量得到，然后输入到系统中。因此，其操作复杂，且所计算出的E：变形模量会存在较大的人为因素的误差。
2)岩土材料强度特性的测试理论：
通过导入Vesic的“空洞扩张”理论，建立了岩土材料的强度特性；根据Vesic的“空洞扩张”理论，当有桩、锚、旁压仪等压入土体时，会产生一个膨胀区。在膨胀区中岩土材料会发生屈服，从而使得材料的强度特性得到发挥。其具体的内容参见ZL200810087044.7；从ZL200810087044.7的内容可以看出，其计算内部摩擦角
时，也需要用到H，因此其也存在人为测量误差。
为了克服上述操作复杂、人为导致的误差，本发明可以在原有的软件程序基础上进行了升级，增设置了具有计算高度的软件程序；也可以是独立的高度计算装置作为执行设备，然后与原力学特性计算的执行设备配合使用。
其中，特别的，本发明为了使得测试误差小，还考虑到H计算所需的时刻的采样与变形模量计算所需的时刻的采样应来自于同一信号中被提取，因此，选择从加速度传感器获得同一信号源，其中高度H计算所需的T1、T2时刻与变形模量计算所需的T2、T3时刻都是从加速度传感器在整个测试过程中所获得的同一信号。比如，整个落球岩土材料力学特性测试包括手持落球使得落球处于静止状态的手持阶段、落球处于下落的自由落体阶段、落球碰撞阶段，其中T1、T2、T3都是从表征上述阶段的信号中提取获得的。
进一步的，所述分析系统还包括：
时刻提取装置C：用于依据加速度传感器2输出的加速度变化率提取出表征自由落体物撞击地面时的时刻T2、表征自由落体物初始回弹时的时刻Tm；
碰撞压缩过程接触时间计算装置：用于依据时刻T2、时刻Tm计算出碰撞压缩过程接触时间Tc1；
时刻提取装置D：用于依据加速度传感器2输出的加速度变化率提取出表征自由落体物初始回弹时的时刻Tm、表征自由落体物回弹离地时的时刻T3；
碰撞回弹过程接触时间计算装置：用于依据时刻Tm、时刻T3计算出碰撞回弹过程接触时间Tc2；
变形模量计算装置：根据Hertz碰撞理论建立有压缩模量计算模型、回弹模量计算模型，用于获取压缩模量计算模型所需的碰撞压缩过程接触时间Tc1、高度H后得到压缩模量E1；用于获取回弹模量计算模型所需的碰撞回弹过程接触时间Tc2、高度H后得到压缩模量E1。
参见ZL200810087044.7的第60段到第62段：
由于Hertz碰撞理论仅适用于线弹性材料，而岩土材料是典型的弹塑性材料。因此，需要对该理论进行修正。我们可以将碰撞过程分为两个部分，即压缩过程和回弹过程。通过压缩部分的接触时间来推算压缩模量，而通过回弹部分的接触时间来推算回弹模量。对于线弹性材料，其压缩部分与回弹部分基本相同，而对于岩土材料，其压缩时间则长于回弹时间。通过分离压缩过程和回弹过程，使得我们不仅可以解决岩土材料的弹塑性问题，而且可以同时得到材料的压缩模量和回弹模量。
因此，其中的压缩模量计算模型、回弹模量计算模型其本质是与变形模量计算模型一样，只是三者的差异在于其中的接触时间所取不同，其中变形模量计算模型使用的接触时间是Tc，其中压缩模量计算模型使用的接触时间是Tc1，Tc1取T2-Tm这段时间，表征了落球在下落压缩岩土的过程，称为压缩阶段；其中回弹模量计算模型使用的接触时间是Tc2，Tc2取Tm-T3这段时间，表征了落球在下落后回弹的过程，称为回弹阶段。
实施例二
在上述实施例一的基础上，如图2-图9所示，；
为了从加速度传感器2输出的信号中获得能用于计算高度H的时刻T1和T2，本发明的两个实施方案：
方案1：
如图2，本系统还包括：
与加速度传感器2的输出端连接的放大器5，放大器5的输出端连接AD模块，AD模块的输出端连接分析系统；
放大器5用于对加速度传感器2的输出信号放大处理，
AD模块用于对放大器5的输出信号进行AD转换，
分析系统被配置有时刻提取装置A，
时刻提取装置A：用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1，用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物撞击地面时的时刻T2，
分析系统被配置有高度计算装置；
高度计算装置：用于根据时刻T1和时刻T2计算自由落体物的高度H。
时刻提取装置A从AD模块得到信息包括：加速度变化率处于零状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
加速度变化率处于零状态信息为：当手握住自由落体物时，此时时刻提取装置A从AD模块得到：表征手持阶段的加速度变化率处于零状态信息；
自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当手松开自由落体物时，此时时刻提取装置A从AD模块得到：由加速度变化率处于零状态开始出现波动后、再向零加速度变化率变化、再保持零加速度变化率的自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息；
撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当自由落体物撞击地面，此时时刻提取装置A从AD模块得到：由零加速度变化率开始产生大幅度波动的撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
其中，加速度变化率处于零状态开始出现波动的初始变化时刻为能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1；
其中，由零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻能表征自由落体物撞击地面时的时刻T2。
所述时刻提取装置A包括：时刻T1提取模块、时刻T2提取模块，
其中，时刻T1提取模块用于识别提取：加速度变化率处于零状态开始出现波动的初始变化时刻，该时刻记为时刻T1；
其中，时刻T2提取模块用于识别提取：零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻，该时刻记为时刻T2；
其中，高度计算装置用于根据时刻T1、时刻T2计算自由落体物的初始高度H，初始高度
其中，G为重力加速度，可取9.8m/s2。
如图1和图2相比，本方案1在结构上加速度传感器到AD模块的部分并未进行结构改进，如图3所示，在现有技术中，由于现有技术未采用计算机进行自动化计算获得高度，因此，其现有的材料力学特性的分析装置仅对T2-T3时刻进行了提取和应用，并未对T2时刻前部分的信号加以利用；因此，本发明可以利用识别技术从T2时刻前的信号中提取出能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1；其中，由于加速度传感器发回的信号是表达加速度变化率的信号，在手持阶段，加速度变化率为零，在释放瞬间，会出现一个波动，我们只需要从该波动中找打合理的、能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1即可。但从附图3中、图4中看出，该波动幅度较小，在实际应用中，由于线路的本底噪音、或者外部干扰、或者传递线缆导致的信号波动会与该波动相近似；因此，使用时会有非常严格的控制要求，比如避免电磁强的环境使用、尽量不要抖动电缆。但从本发明的构造来讲，电缆线缆需要与加速度传感器连接，而加速度传感器会随着落球运动，因此这很难避免。因此，上述方案1虽然从构造原理上可以实现在同一个加速度传感器的输出信号中同时提取T1、T2、T3分别用于计算H、Tc，以此达到自动化计算岩土材料力学特性，但对使用操作的环境有着较高的要求。
为了解决上述方案1存在很难获得准确的T1的问题，本发明提高了一种方案2来解决。
方案2：
如图5，本系统还包括：
包括装配于自由落体物上的开关4，其中，加速度传感器2与开关4并联连接，加速度传感器2的输出端连接到放大器5，放大器5的输出端连接AD模块，AD模块的输出端连接分析系统；
放大器5用于对加速度传感器2的输出信号放大处理，
AD模块用于对放大器5的输出信号进行AD转换，
所述开关4被配置为：常开开关，开关随手握住自由落体物时，开关处于闭合状态，开关随手松开自由落体物时，开关处于断开状态；
分析系统被配置有时刻提取装置A，
时刻提取装置A：用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1，用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物撞击地面时的时刻T2，
分析系统被配置有高度计算装置；
高度计算装置：用于根据时刻T1和时刻T2计算自由落体物的高度H。
时刻提取装置A从AD模块得到信息包括：加速度变化率处于最大量程状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
加速度变化率处于最大量程状态信息为：当手握住自由落体物时致使开关闭合后，此时时刻提取装置A从AD模块得到：加速度变化率处于最大量程状态信息；
自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当手松开自由落体物时致使开关断开后，此时时刻提取装置A从AD模块得到：由加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化后、再保持零加速度变化率的自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息；
撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当自由落体物撞击地面，此时时刻提取装置A从AD模块得到：由零加速度变化率开始产生大幅度波动的撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
其中，加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化的初始变化时刻为能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1；
其中，由零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻能表征自由落体物撞击地面时的时刻T2。
所述时刻提取装置A包括：时刻T1提取模块、时刻T2提取模块，
其中，时刻T1提取模块用于识别提取：加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化的初始变化时刻，该时刻记为时刻T1；
其中，时刻T2提取模块用于识别提取：零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻，该时刻记为时刻T2；
其中，高度计算装置用于根据时刻T1、时刻T2计算自由落体物的初始高度H，初始高度
其中，G为重力加速度，可取9.8m/s2。
所述自由落体物包括用于测试岩土材料的变形特性和强度特性的球形金属刚性落球体1；
自由落体物还包括配置于球形金属刚性落球体1上的手柄3，所述开关4配置于手柄3上；
所述开关4的两端并联于加速度传感器2的2个输出端子。
上述方案2的原理是：
为了解决获得高度的技术问题，本发明人曾尝试从金属刚性落球体与岩土材料发生碰撞之前的信号进行分析，从而获得球形金属刚性落球体释放时候的时刻T1，以及采用碰撞时的时刻作为时刻T2，准备依据时刻T1与时刻T2去计算高度；
但，由于加速度传感器的输出信号为加速度变化率，即在加速度发生变化时才表现为较大的波动，因此，其在撞击地面时才表现出较大波动，如图3所示，在手释放金属刚性落球体时其波动并不大，几乎保持在0附近的微波动状态；加上数据传输线路会产生一些本底噪音，这些本底噪音与释放时造成的加速度变化率波动几乎没有差别，因此，对于识别准确的释放时的时刻T1变得非常困难。
为了解决时刻T1识别难的问题，提出一种更加准确的高度方案2，方案2中，首先从结构上，本发明对加速度传感器提出了短接的设计，采用开关与加速度传感器进行并联，在开关闭合时，其处于短接，使得加速度传感器暂时处于无效状态。比如，如图7所示，其中，将加速度传感器可以等效为电阻R，等同于加速度变化率发生变化时，电阻R阻值变化；其中将开关等效为开关K；开关与加速度传感器并联，可以等效为电阻R与开关K并联；假设将放大器视为一个电压表，在开关闭合时，电压表测量的是电源的电压，表现为最大量程状态。因此对于AD模块或者高度计算装置来讲，其获得的初始态信号为加速度变化率处于最大量程状态信息(如图6和图8所示，松手的时刻之前的信号)。再参考图2、图3，其由于没有采用并联的开关对其短接处理，对于加速度传感器而言，其在手握时，加速度变化率为零，在释放时，也仅是很小的波动，其处于释放过程中，加速度变化率也处于零状态。因此，很难识别得到准确的释放时刻。而如图6和图8所示所示，其初始时，由于开关闭合，导致短接，其输出的信号处于最大量程状态，在断开开关后，其会由最大量程状态向零实现变化，我们只需求导这种变化的角点即可非常明显的找到一个明显的求导角点，从而确定一个准确的开关被断开的时刻，在人操作时，将握住自由落体物的同时握住开关，释放自由落体物即代表释放开关。因此可以很好的得到释放时的时刻。从而得到我们计算高度的初始时刻。
优选的，
所述AD模块包括BNC端子板和AD转换卡；其中BNC端子板的输入端子与放大器的输出端连接，AD转换卡的输入端子与BNC端子板的输出端子；AD转换卡连接于高度计算装置。
优选的，所述高度计算装置还包括存储器或/和显示器，
存储器用于存储：时刻T1、时刻T2、初始高度H
显示器用于显示：时刻T1、时刻T2、初始高度H。
在图4中，其量程为7.476e+000，该量程表达的是撞击时，加速度变化率的最大值。在图8中，其量程为1.000e+001，其换算电压为10v(9.999v实际值)。
在上述信号图中，横坐标表示时间，纵坐标表示加速度变化率。
在图4中，可以见，未设置开关并联时，加速度变化率在未撞击地面前始终处于零的微弱波动范围，在附图4中所示意的松手的时刻区域中，该区虽然出现了一些波动，但其依据变化不大。在实际中由于线路的运动、本地噪声等影响，都会使得很难准确的得到一个准确的时刻来表征释放时的时刻。
在图8中，可以见，设置开关并联后，加速度传感器在初始状态时输出的信号为10v(处于最大量程状态)，在开关断开后，加速度传感器处于有效状态，因此，其需要恢复到0，以表达其加速度无变化，在由最大量程到0的变化过程中，会出现一个明显的变化点，因此以该明显的变化点作为最佳的释放时刻，即T1。
经过该对比可见，本发明的设计，能提高识别释放初始时刻的准确度。最终达到对高度测量的精度的提升。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.落球式岩土材料力学特性的现场测试系统，其特征在于，包括：
被配置为内置加速度传感器(2)的自由落体物，
被配置为计算岩土材料的变形特性、强度特性的分析系统(9)，
所述加速度传感器(2)输出静止过程、自由落体过程、碰撞过程所感应到的加速度变化率，所述变形特性为变形模量，强度特性为内部摩擦角，
所述分析系统包括：
时刻提取装置A：用于依据加速度传感器(2)输出的加速度变化率提取出表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1、表征自由落体物撞击地面时的时刻T2；
高度计算装置：用于依据时刻T1、时刻T2计算出自由落体物的高度H；
时刻提取装置B：用于依据加速度传感器(2)输出的加速度变化率表征自由落体物撞击地面时的时刻T2、表征自由落体物回弹离地时的时刻T3；
碰撞接触时间计算装置：用于依据时刻T2、时刻T3计算出碰撞接触时间Tc；
变形模量计算装置：根据Hertz碰撞理论建立有变形模量计算模型，用于获取变形模量计算模型所需的碰撞接触时间Tc、高度H后得到变形模量E；
内部摩擦角计算装置：根据Vesic空洞扩张理论建立有内部摩擦角计算模型，用于获取内部摩擦角计算模型所需的变形模量E、高度H后得到内部摩擦角
2.根据权利要求1所述的落球式岩土材料力学特性的现场测试系统，其特征在于，
所述分析系统还包括：
时刻提取装置C：用于依据加速度传感器(2)输出的加速度变化率提取出表征自由落体物撞击地面时的时刻T2、表征自由落体物初始回弹时的时刻Tm
碰撞压缩过程接触时间计算装置：用于依据时刻T2、时刻Tm计算出碰撞压缩过程接触时间Tc1；
时刻提取装置D：用于依据加速度传感器(2)输出的加速度变化率提取出表征自由落体物初始回弹时的时刻Tm、表征自由落体物回弹离地时的时刻T3；
碰撞回弹过程接触时间计算装置：用于依据时刻Tm、时刻T3计算出碰撞回弹过程接触时间Tc2；
变形模量计算装置：根据Hertz碰撞理论建立有压缩模量计算模型、回弹模量计算模型，用于获取压缩模量计算模型所需的碰撞压缩过程接触时间Tc1、高度H后得到压缩模量E1；用于获取回弹模量计算模型所需的碰撞回弹过程接触时间Tc2、高度H后得到压缩模量E1。
3.根据权利要求1或2所述的落球式岩土材料力学特性的现场测试系统，其特征在于，
还包括：
包括装配于自由落体物上的开关(4)，其中，加速度传感器(2)与开关(4)并联连接，加速度传感器(2)的输出端连接到放大器(5)，放大器(5)的输出端连接AD模块，AD模块的输出端连接分析系统；
放大器(5)用于对加速度传感器(2)的输出信号放大处理，
AD模块用于对放大器(5)的输出信号进行AD转换，
所述开关(4)被配置为：常开开关，开关随手握住自由落体物时，开关处于闭合状态，开关随手松开自由落体物时，开关处于断开状态；
分析系统被配置有时刻提取装置A，
时刻提取装置A：用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1，用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物撞击地面时的时刻T2，
分析系统被配置有高度计算装置；
高度计算装置：用于根据时刻T1和时刻T2计算自由落体物的高度H。
4.根据权利要求3所述的落球式岩土材料力学特性的现场测试系统，其特征在于，
时刻提取装置A从AD模块得到信息包括：加速度变化率处于最大量程状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
加速度变化率处于最大量程状态信息为：当手握住自由落体物时致使开关闭合后，此时时刻提取装置A从AD模块得到：加速度变化率处于最大量程状态信息；
自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当手松开自由落体物时致使开关断开后，此时时刻提取装置A从AD模块得到：由加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化后、再保持零加速度变化率的自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息；
撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当自由落体物撞击地面，此时时刻提取装置A从AD模块得到：由零加速度变化率开始产生大幅度波动的撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
其中，加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化的初始变化时刻为能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1；
其中，由零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻能表征自由落体物撞击地面时的时刻T2。
5.根据权利要求4所述的落球式岩土材料力学特性的现场测试系统，其特征在于，
所述时刻提取装置A包括：时刻T1提取模块、时刻T2提取模块，
其中，时刻T1提取模块用于识别提取：加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化的初始变化时刻，该时刻记为时刻T1；
其中，时刻T2提取模块用于识别提取：零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻，该时刻记为时刻T2；
其中，高度计算装置用于根据时刻T1、时刻T2计算自由落体物的初始高度H，初始高度
其中，G为重力加速度，可取9.8m/s2。
6.根据权利要求3所述的落球式岩土材料力学特性的现场测试系统，其特征在于，
所述自由落体物包括用于测试岩土材料的变形特性和强度特性的球形金属刚性落球体(1)；
自由落体物还包括配置于球形金属刚性落球体(1)上的手柄(3)，所述开关(4)配置于手柄(3)上；
所述开关(4)的两端并联于加速度传感器(2)的2个输出端子。
7.根据权利要求1或2所述的落球式岩土材料力学特性的现场测试系统，其特征在于，
还包括：
与加速度传感器(2)的输出端连接的放大器(5)，放大器(5)的输出端连接AD模块，AD模块的输出端连接分析系统；
放大器(5)用于对加速度传感器(2)的输出信号放大处理，
AD模块用于对放大器(5)的输出信号进行AD转换，
分析系统被配置有时刻提取装置A，
时刻提取装置A：用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1，用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物撞击地面时的时刻T2，
分析系统被配置有高度计算装置；
高度计算装置：用于根据时刻T1和时刻T2计算自由落体物的高度H。
8.根据权利要求7所述的落球式岩土材料力学特性的现场测试系统，其特征在于，
时刻提取装置A从AD模块得到信息包括：加速度变化率处于零状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
加速度变化率处于零状态信息为：当手握住自由落体物时，此时时刻提取装置A从AD模块得到：表征手持阶段的加速度变化率处于零状态信息；
自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当手松开自由落体物时，此时时刻提取装置A从AD模块得到：由加速度变化率处于零状态开始出现波动后、再向零加速度变化率变化、再保持零加速度变化率的自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息；
撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当自由落体物撞击地面，此时时刻提取装置A从AD模块得到：由零加速度变化率开始产生大幅度波动的撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
其中，加速度变化率处于零状态开始出现波动的初始变化时刻为能表征自由落体物刚做自由落体时的时刻T1；
其中，由零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻能表征自由落体物撞击地面时的时刻T2。
9.根据权利要求8所述的落球式岩土材料力学特性的现场测试系统，其特征在于，
所述时刻提取装置A包括：时刻T1提取模块、时刻T2提取模块，
其中，时刻T1提取模块用于识别提取：加速度变化率处于零状态开始出现波动的初始变化时刻，该时刻记为时刻T1；
其中，时刻T2提取模块用于识别提取：零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻，该时刻记为时刻T2；
其中，高度计算装置用于根据时刻T1、时刻T2计算自由落体物的初始高度H，初始高度
其中，G为重力加速度，可取9.8m/s2。
10.根据权利要求1或2所述的落球式岩土材料力学特性的现场测试系统，其特征在于，
所述高度计算装置还包括存储器或/和显示器，
存储器用于存储：时刻T1、时刻T2、初始高度H，
显示器用于显示：时刻T1、时刻T2、初始高度H。
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