CN113109153A - 一种适用于固结设备的阻尼比测量装置及信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于固结设备的阻尼比测量装置及信号处理方法，包括支架、固结加压装置和套筒；固结加压装置设置在支架顶部，固结加压装置输出方向朝正下方，固结加压装置底部连接有加压活塞，加压活塞上设置有位移传感器；套筒设置在固结加压装置的正下方，加压活塞从套筒顶部伸入，加压活塞的直径与套筒的内径相同，套筒底部密封连接有支撑板，支撑板顶部和加压活塞底部分别设置有两个弯曲元传感器。改变信号发射、接受有限元传感器的固有布置方式，减小阻尼比测量误差，保证土体材料阻尼比测量的准确性、可靠性。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程检测领域，涉及一种适用于固结设备的阻尼比测量装置及信号处理方法。
背景技术
阻尼比是岩土工程动力分析的基本参数，阻尼比是指：能量在土体内部传递时，信号能量的损耗或来自于土体本身发生本征衰减的能量耗散，例如土壤颗粒间的摩擦损耗等。在岩土工程研究中，这种能量损失通常用阻尼比D来量化，但在固结试验阻尼比测量中经常存在测量结果的不确定性和不准确性，特别是在小应变情况下。例如，在小应变(＜10-5)条件下，细砂土的实测阻尼比为0.20％～5.00％，出现较大偏差的原因是阻尼比实际上是一个非常小的量，任何试验偏差都可以很容易地影响测量值。在这种情况下，保持土体固结过程中阻尼比测量的准确性是一个挑战。
材料阻尼是阻尼的一种主要形式，同时也是材料的基本属性之一，它的测量准确性有很重要的研究和应用价值。在土体阻尼测试中，由于试验环境的改变、以及被测土体自身的阻尼特性等多种因素影响，造成了阻尼测试结果不稳定和准确性差等各种测量偏差。目前人们在阻尼测试中，使用最多的还是传统的阻尼测试方法，这种方法通过测量被测对象的共振振动响应曲线来计算其阻尼特性。传统测试方法具有试验原理清晰直观、操作步骤简单明了等优点，但是传统方法测量过程中存在两处明显缺陷，(1)弯曲元件被用作阻尼测量的传感器，其中接收器元件只作为信号接收装置，接收到的信号很容易受到噪声信号的干扰，这些信号往往会跟随主信号一起被接收信号源捕捉，从而影响阻尼比的测量。因此接收信号常常受到固有元件特性的影响，导致阻尼在测试过程中，测试环境微小的条件改变就会给测试结果带来很大的误差。(2)由于信号发射源与信号接收源距离较近，信号传递过程中会出现明显的近场效应，影响接收信号的准确性，进而影响试验结果的正确性。从中可以发现。阻尼比的测量过程中测量误差是决定测量数据准确性的关键因素，但由于试验设备、试验场地等不可控因素，试验误差不可避免，因此在不影响试验准确性的条件下，尽可能减小测量误差成为了土体阻尼比测量的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种适用于固结设备的阻尼比测量装置及信号处理方法，改变信号发射、接受有限元传感器的固有布置方式，减小阻尼比测量误差，保证土体材料阻尼比测量的准确性、可靠性。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种适用于固结设备的阻尼比测量装置，包括支架、固结加压装置和套筒；
固结加压装置设置在支架顶部，固结加压装置输出方向朝正下方，固结加压装置底部连接有加压活塞，加压活塞上设置有位移传感器；套筒设置在固结加压装置的正下方，加压活塞从套筒顶部伸入，加压活塞的直径与套筒的内径相同，套筒底部密封连接有支撑板，支撑板顶部和加压活塞底部分别设置有两个弯曲元传感器。
优选的，套筒两侧和支撑板底部均设置有一个压力传感器，支撑板底部的压力传感器位于支撑板中心位置。
优选的，弯曲元传感器靠近套筒轴心设置。
优选的，套筒和支撑板之间采用O型圈连接。
优选的，支撑板底部设置有两个支撑块，支撑块与支撑板偏心设置。
优选的，位移传感器采用LVDT位移传感器，固结加压装置底部连接LVDT位移传感器顶端，LVDT位移传感器底端与加压活塞顶部连接。
优选的，支架包括顶板、底板和连杆，连杆将顶板和底板平行连接，固结加压装置和套筒设置在顶板和底板之间。
进一步，连杆和底板之间设置有乳胶膜。
进一步，连杆采用丝杠，丝杠与顶板螺纹连接。
一种基于上述任意一项所述装置的适用于固结设备的阻尼比信号处理方法，用频谱比法测量材料阻尼比：
其中，U(f)为信号在位移为r处时的振幅，D为阻尼比，β为几何扩散常数，T为透射系数，V为波速，f为频率；
传播波的振幅U(f)是由接收弯曲元Y(f)产生的输出电压表示：
Y(f)＝HR(f)U(f) (2)
HR(f)为弯曲元传感器传递函数；
进行正反两次信号传导过程，对传导函数进行抵消；
当正向传递时：
当反向传递时：
把公式(2)(3)(4)代入到公式(1)中，公式(3)(4)传导函数相互抵消得到结果：
其中Ta、Tb为两次传导波的透射系数。Y为弯曲元传感器的输出电压。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在固结仪的底部和顶部分别布置有两个信号传感器，底部的传感器作为信号发射源和接收源，顶部传感器作为信号接收、中转装置，解决了信号接收时产生的近场效应，底部两传感器分别作为信号发射源，对信号进行正反两次传递，信号处理过程中，正反向信号进行抵消处理，排出干扰信号，实现了再固结过程中阻尼比测量的准确性。
进一步，弯曲元件传感器放置在固结仪顶板的中间，以最大程度减弱来自固结仪边界及外围干扰信号的影响。
进一步，布置于同一侧的两个传感器支架彼此之间不连接，用两块乳胶膜放置在每个支架下面，用于切断所有来自于连接框架和容器底部的信号干扰。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的正反两次信号传导过程示意图。
其中：1-顶板；2-丝杆；3-底板；4-LVDT位移传感器；5-固结加压装置；6-固定螺栓；7-加压活塞；8-竖杆；9-固定圆盘；10-套筒；11-连接杆；12-支撑块；13-压力传感器；14-弯曲元传感器；15-O型圈；16-绝缘支架；17-支撑板17。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，为本发明所述的适用于固结设备的阻尼比测量装置，包括支架、固结加压装置5和套筒10。
所述支架包括自上而下依次设置的顶板1、连杆和底板3，顶板1和底板3均与水平面平行且通过连杆固定，套筒10设置在顶板1和底板3之间；顶板1和底板3通过固定螺栓6固定在两侧连杆上，本实施例优选的连杆采用丝杆2。
顶板1底部固定有固结加压装置5用于施加法向压力，固结加压装置5通过连接杆11与竖杆8和加压活塞7相连接，加压活塞7的直径与套筒10的内径相同。
LVDT位移传感器4衔铁自由端与活塞7顶部固定，LVDT位移传感器4的量程与套筒10的最大深度相同。
底板3上设置有两个支撑块12，顶面设置有支撑板17，支撑板17与套筒10内径相同，套筒10底部套在支撑块12的外侧，套筒10底部悬空，当套筒10内部放置有土样时，土样上方为加压活塞7，活塞直径与套筒10内径相同。
顶板1的两侧开有螺纹通孔，底板3的相应位置处开有螺孔，两根竖直的丝杆2分别穿过孔，通过紧固螺帽将底板3和顶板1固定连接；顶板1和底板3采用2-3cm厚钢板制成，保证试验所需的强度和刚度；带螺纹的丝杆2采用的钢制丝杆制成，其长度应留有富余，便于调节顶板1和底板3的间距。
套筒10由厚度为3cm的钢板围成，以便提供足够的竖向支持力，防止固结过程中的径向变形；所述柱状套筒10不与顶板1固定，套筒10底部固定有两个可拆卸的支撑块12，套筒10内壁尽可能光滑，减少更大侧壁摩阻力的产生。
套筒10底部和底板3顶部均设置有U型槽，用于安放O型圈15，使得土样固结区域为一个密封状态，防止固结过程中土样挤出。
顶板1底部固定有位移传感器，位移传感器位于加压活塞7的正上方，感应头朝向加压活塞，本实施例优选的采用LVDT位移传感器4，LVDT位移传感器4的衔铁自由端与加压活塞7固定，测量土样固结沉降变形。
在套筒10的左右侧壁与支撑板17底部安装有三个压力传感器13，具体安装在外侧壁或嵌在侧壁中，用于采集在固结试验过程中套筒10内壁的压力变化。
支撑板17顶部与加压活塞7的底部分别各布置两个弯曲元传感器14，用于发射、接受信号波，测量试验材料阻尼特性，弯曲元传感器14通过绝缘支架16与装置连接，以便于隔绝外部信号干扰。
使用本装置进行土样固结并测量阻尼时，先将顶板1、底板3和两根丝杠连接，组装成支撑架，并在顶板1上用螺栓固定好LVDT位移传感器4，在底板3上固定好支架12，将套筒10放置在支架12上，在套筒10内侧放置O型圈15，在套筒10底板、加压活塞7底板各固定两个隔离支架16，隔离支架与套筒壁间隔3cm，在隔离支架16上固定弯曲元传感器14将压力传感器13与信号采集器同计算机相连，打开数据采集软件，设定压力参数，准备进行数据采集。随后开始制样，土样分三层放置，分层压实。制样完成后，土样顶部自下向上依次放置上透水石板、O型圈15、活塞7和固结加压装置5，LVDT位移传感器4的衔铁自由端与加压活塞7顶端顶部固定，将弯曲元传感器14分别与正弦脉冲发射器、信号接收器连接，进行电信号发生与采集。开始固结，固结沉降过程中，浮动式的加压活塞7随之运动，极大减少土样与套筒10的相对位移，减少土样的侧壁摩阻力。
外围电子设备，脉冲信号由单个正弦脉冲发射器发射，经过功率放大器放大，接收信号通过滤波器和放大器增强，所有信号都由同一个采样频率的示波器记录，保证信号传递在整个试验过程中的稳定。
本发明还公开了阻尼比测量试验中信号处理方法，使用频谱比法测量土体阻尼比。信号在传导过程中，由于信号初始强度不同，材料本身所表现出的阻尼特性也不同。当初始振幅较小时，阻尼通常是线性的，此时阻尼比D通常由信号波频率决定，与位移无关；当在中高段振幅时，阻尼逐渐变为非线性。相关的阻尼比D通常与频率无关，与传导位移和摩擦有关。基于以上三种造成信号传导衰减的因素，总结出振幅衰减函数：
其中U(f)为信号在位移为r处时的振幅；β为几何扩散常数，信号波在平面中传播为0，在球面中传播为1.0，在圆柱面中传播为0.5；T为透射系数；α表示和阻尼比D有关的衰减系数；
其中λ为波长；V为波速；f为频率
将式代入式，两边同时取自然对数，分别整理各项得；
阻尼比D可以简单地从谱比ln[U1(f)/U2(f)]与频率f的比值图的斜率中得到。这就是用频谱比法测量材料阻尼比。
在此基础上，通过对固结仪阻尼传感器的重新布置，本发明对上述信号处理方法进行进一步的优化。上述信号处理方法是建立在假设两个信号接受传感器对接收到的信号处理过程完全一致的基础上，但即使是两个同型号的传感器，对信号的处理过程也不完全相同，会对阻尼比的测量产生固有偏差，基于此进行进一步优化。
在弯曲元测试中，传播波的振幅U(f)是由接收弯曲元Y(f)产生的输出电压表示的。通过自定义引入弯曲元传感器14传递函数HR(f)，这两个参数可以相互关联：
Y(f)＝HR(f)U(f)
因为不同传感器对接收到信号处理过程不同，即传递函数HR(f)各不相同，因此此处本发明进行了正反两次信号传导过程如图2所示，对传导函数进行抵消。
当正向传递时：
当反向传递时：
把代入到中，传导函数相互抵消得到结果：
其中Ta、Tb为两次传导波的透射系数。Y为弯曲元传感器14的输出电压。通过优化过程，阻尼比D仍然由上述的频谱比与频率图的斜率得到，而不需要依赖于频率的传递函数，即不受传感器固有差异的影响。同时这种方法还可以消除外围电子设备产生的噪音影响。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于固结设备的阻尼比测量装置，其特征在于，包括支架、固结加压装置(5)和套筒(10)；
固结加压装置(5)设置在支架顶部，固结加压装置(5)输出方向朝正下方，固结加压装置(5)底部连接有加压活塞(7)，加压活塞(7)上设置有位移传感器；套筒(10)设置在固结加压装置(5)的正下方，加压活塞(7)从套筒(10)顶部伸入，加压活塞(7)的直径与套筒(10)的内径相同，套筒(10)底部密封连接有支撑板(17)，支撑板(17)顶部和加压活塞(7)底部分别设置有两个弯曲元传感器(14)。
2.根据权利要求1所述的适用于固结设备的阻尼比测量装置，其特征在于，套筒(10)两侧和支撑板(17)底部均设置有一个压力传感器(13)，支撑板(17)底部的压力传感器(13)位于支撑板(17)中心位置。
3.根据权利要求1所述的适用于固结设备的阻尼比测量装置，其特征在于，弯曲元传感器(14)靠近套筒(10)轴心设置。
4.根据权利要求1所述的适用于固结设备的阻尼比测量装置，其特征在于，套筒(10)和支撑板(17)之间采用O型圈(15)连接。
5.根据权利要求1所述的适用于固结设备的阻尼比测量装置，其特征在于，支撑板(17)底部设置有两个支撑块(12)，支撑块(12)与支撑板(17)偏心设置。
6.根据权利要求1所述的适用于固结设备的阻尼比测量装置，其特征在于，位移传感器采用LVDT位移传感器(4)，固结加压装置(5)底部连接LVDT位移传感器(4)顶端，LVDT位移传感器(4)底端与加压活塞(7)顶部连接。
7.根据权利要求1所述的适用于固结设备的阻尼比测量装置，其特征在于，支架包括顶板(1)、底板(3)和连杆，连杆将顶板(1)和底板(3)平行连接，固结加压装置(5)和套筒(10)设置在顶板(1)和底板(3)之间。
8.根据权利要求7所述的适用于固结设备的阻尼比测量装置，其特征在于，连杆和底板(3)之间设置有乳胶膜。
9.根据权利要求7所述的适用于固结设备的阻尼比测量装置，其特征在于，连杆采用丝杠(2)，丝杠(2)与顶板(1)螺纹连接。
10.一种基于权利要求1-9任意一项所述装置的适用于固结设备的阻尼比信号处理方法，其特征在于，用频谱比法测量材料阻尼比：
其中，U(f)为信号在位移为r处时的振幅，D为阻尼比，β为几何扩散常数，T为透射系数，V为波速，f为频率；
传播波的振幅U(f)是由接收弯曲元Y(f)产生的输出电压表示：
Y(f)＝HR(f)U(f) (2)
HR(f)为弯曲元传感器传递函数；
进行正反两次信号传导过程，对传导函数进行抵消；
当正向传递时：
当反向传递时：
把公式(2)(3)(4)代入到公式(1)中，公式(3)(4)传导函数相互抵消得到结果：
其中Ta、Tb为两次传导波的透射系数。Y为弯曲元传感器的输出电压。
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