CN114646536B - 一种剪切数据自动记录仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及原位剪切测试设备技术领域，具体是指一种剪切数据自动记录仪。包括数据采集装置与数据处理装置，所述数据采集装置包括：位移传感器、信号转换器、介质传递器以及采集箱，所述数据处理装置包括：通讯接口、显示屏以及处理器，本发明完全区别于现有技术中采用的数据记录仪原理，通过剪切数据信号在胶体介质中的传递光路来采集信号的跃阶变化，即使是在外界环境光线较差等复杂环境下，介质传递器同样能够正常工作，最终实现在复杂环境下得到快速响应的剪切数据；通过信号处理模块与信号增益模块能够利用调制增益加强剪切数据信号的抗干扰能力，从而使得剪切数据更加准确。

Description

一种剪切数据自动记录仪
技术领域
本发明涉及原位剪切测试设备技术领域，具体是指一种剪切数据自动记录仪。
背景技术
原位岩石钻孔剪切仪是一种用现场测量岩石的内摩擦角φ和黏聚力c的试验装置，属于岩石原位测试试验的一种；测量时，先将岩石钻孔剪切头下放至一定深度，并施加油压将岩石钻孔剪切头压入钻孔孔壁内形成正应力，然后提拉与剪切板连接的钢杆施加剪切应力，让嵌入岩石钻孔剪切头的岩体发生直接剪切破坏，通过读取仪表盘破坏时的最大剪切应力对应的正应力，计算出岩体的抗剪强度。
需要说明的是，测试数据是通过液压模块传递至剪切仪仪表盘，通过读取仪表盘获取岩石的正应力和剪应力信息，在施加正应力和剪应力时需时刻注意仪表盘，自动化程度低，往往数据会漏读或者错读，导致获得的内摩擦角和黏聚力失真，无法准确得出岩石的抗剪切强度。
还需要说明的是，自动记录仪器的数据采集是以时间为采集间隔，即每隔Δt时间采集一个数据，采集速度是固定的，而在岩石抗剪试验过程中，当剪切荷载较小时，在较长的一段时间内，位移变化很小，这时只需要较慢的采集速度，采集少量的数据，而当岩石发生剪切破坏时，在很短的时间内，位移变化很大，这时，就需要很高的采集速度，采集大量的数据，如果是从试验开始到试验结束始终采用以时间Δt控制的采集速度高速采集数据，则数据量很大，在数据信号急剧增加的前提下，将增大记录仪的响应速度，从而影响记录的剪切数据。
鉴于上述情况，亟待一种能够适应复杂环境的高响应剪切数据自动记录仪。
发明内容
本发明目的在于提供一种剪切数据自动记录仪，用于在复杂环境下得到快速响应的剪切数据。
本发明通过下述技术方案实现：
一种剪切数据自动记录仪，包括数据采集装置与数据处理装置，所述数据采集装置包括：位移传感器、信号转换器、介质传递器以及采集箱，所述位移传感器，与所述信号转换器信号连接，用于采集剪切部位的水平位移信号与垂直位移信号，所述水平位移信号与所述垂直位移信号分为正弦信号与余弦信号；所述信号转换器，与所述介质传递器信号连接，用于将接收到的信号进行信号类型转化，输出数字信号；所述介质传递器，与所述采集箱信号连接，用于将接收到数字信号通过折射部进行传递，并形成折射传递光路，所述介质传递器的折射部内灌装用于光路传输的胶体介质；采集箱，用于完成剪切数据信息采集；所述数据处理装置包括：通讯接口、显示屏以及处理器，所述通讯接口，与所述采集箱信号、处理器信号连接，剪切数据信息由所述采集箱侧发送，所述处理器侧接收并储存，所述通讯接口用于传递剪切数据信息；显示屏与处理器信号连接，用于显示剪切数据信息；处理器，用于完成数据处理与数据块合并。
现有技术中，在岩石抗剪试验过程中，当剪切荷载较小时，在较长的一段时间内，位移变化很小，这时只需要较慢的采集速度，采集少量的数据，而当岩石发生剪切破坏时，在很短的时间内，位移变化很大，这时，就需要很高的采集速度，采集大量的数据，如果是从试验开始到试验结束始终采用以时间Δt控制的采集速度高速采集数据，则数据量很大，在数据信号急剧增加的前提下，将增大记录仪的响应速度，从而影响记录的剪切数据。基于上述问题，提出一种剪切数据自动记录仪，需要说明的是，当在进行剪切试验的时候，其中剪切部位产生持续的位移变化，随之产生的水平位移信号与垂直位移信号也呈现正余弦的连续性变化，当发生剪切破坏时，水平位移信号与垂直位移信号出现突变点，即阶跃变化，再基于光传输的基本特性，通过介质传递器中的折射部将突变点进行折射放大，从而使得剪切数据更加直观。即使是在外界环境光线较差的环境下，介质传递器同样能够正常工作。
进一步地，所述数据采集装置还包括信号增益器，所述信号增益器包括：信号处理模块、信号增益模块，所述信号处理模块，与所述介质传递器信号连接，用于对传递光路中的数字信号进行分析比对，并将分析比对的结果传递至所述信号增益模块；所述信号增益模块，与所述采集箱信号连接，用于根据分析比对的结果产生诱导信号与数字信号发生调制增益，并将调制增益后的信号传递至所述采集箱。还需要说明的是，由于测试现场大功率设备启动频繁，同时用于实时通讯的无线通信设备会产生电磁干扰，进而导致剪切数据记录仪中采集的检测数据失真，无法准确得出岩石的抗剪切强度。在这一点上，现有技术采用的抗干扰方法一般有在程序中插入数据滤波子程序，从而提高抗干扰能力，或者是选用频率低的元器件、减小信号传输中的畸变、减小信号间的交叉干扰等，基于上述问题，通过信号处理模块对剪切数据信号进行分析比对与增益，增益过程具体为：信号处理模块对数据信号进行变量分解，将变量分解后的I/Q信号进行处理，获得数据信号的基带信号，再根据基带信号进行符号判决与码元映射，得到基带信号的码流信息，并进行成型滤波生成理想参考信号，最后根据理想参考信号与数据信号进行分析比对得到分析比对结果，随后将分析比对的结果传递至信号增益模块。信号增益模块接收到分析比对结果后根据结果产生诱导信号，诱导信号能够与数据信号发生调制增益，从而增强其抗干扰能力。
进一步地，所述位移传感器包括至少四个水平位移传感器与至少四个垂直位移传感器，每个所述水平位移传感器与所述垂直位移传感器内置有变量处理模块，所述变量处理模块与所述信号转换器信号连接且用于采集相邻两次的采集数据差值的绝对值。需要说明的是，根据采集数据的差值能够起到控制采集速度的作用，从而实现高速采集。
进一步地，所述数据采集装置还包括正应力荷载传感器、剪应力荷载传感器以及荷载放大器，所述正应力荷载传感器，与所述荷载放大器信号连接，用于采集正应力荷载信号；所述剪应力荷载传感器，与所述荷载放大器信号连接，用于采集剪应力荷载信号；所述荷载放大器，与所述采集箱信号连接，用于放大正应力荷载信号与剪应力荷载信号。需要说明的是，除了检测水平与竖直方向上的位移传感器外，还需要通过检测记录应力的荷载，并经过荷载放大器进行信号放大增强。
进一步地，所述数据处理装置还包括通讯装置，在进行通讯传递剪切数据时，在所述处理器侧将所述数据采集装置采集的数据块与通讯参数所在数据块合并到一个内存区内。需要说明的是，在通讯传递数据的同时，在处理器侧将两数据块合并到一个内存区内，即简化了操作步骤，又节省了通讯时间。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明完全区别于现有技术中采用的数据记录仪原理，通过剪切数据信号在胶体介质中的传递光路来采集信号的跃阶变化，即使是在外界环境光线较差等复杂环境下，介质传递器同样能够正常工作，最终实现在复杂环境下得到快速响应的剪切数据；
2、本发明通过信号处理模块与信号增益模块能够利用调制增益加强剪切数据信号的抗干扰能力，从而使得剪切数据更加准确；
3、本发明通过利用数据块间的合并简化了操作步骤，还节省了通讯时间；
4、本发明的自动记录仪操作简单，使用方便，测试成果可靠，并且利用本发明装置能够得到剪应力与剪位移的全过程曲线。
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为本发明的结构框图。
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。需要说明的是，本发明已经处于实际研发使用阶段。
实施例：
如附图1所示，一种剪切数据自动记录仪，包括数据采集装置与数据处理装置，所述数据采集装置包括：位移传感器、信号转换器、介质传递器以及采集箱，所述位移传感器，与所述信号转换器信号连接，用于采集剪切部位的水平位移信号与垂直位移信号，所述水平位移信号与所述垂直位移信号分为正弦信号与余弦信号；所述信号转换器，与所述介质传递器信号连接，用于将接收到的信号进行信号类型转化，输出数字信号；所述介质传递器，与所述采集箱信号连接，用于将接收到数字信号通过折射部进行传递，并形成折射传递光路，所述介质传递器的折射部内灌装用于光路传输的胶体介质；采集箱，用于完成剪切数据信息采集；所述数据处理装置包括：通讯接口、显示屏以及处理器，所述通讯接口，与所述采集箱信号、处理器信号连接，剪切数据信息由所述采集箱侧发送，所述处理器侧接收并储存，所述通讯接口用于传递剪切数据信息；显示屏与处理器信号连接，用于显示剪切数据信息；处理器，用于完成数据处理与数据块合并。
所述数据采集装置还包括信号增益器，所述信号增益器包括：信号处理模块、信号增益模块，所述信号处理模块，与所述介质传递器信号连接，用于对传递光路中的数字信号进行分析比对，并将分析比对的结果传递至所述信号增益模块；所述信号增益模块，与所述采集箱信号连接，用于根据分析比对的结果产生诱导信号与数字信号发生调制增益，并将调制增益后的信号传递至所述采集箱。
所述位移传感器包括至少四个水平位移传感器与至少四个垂直位移传感器，每个所述水平位移传感器与所述垂直位移传感器内置有变量处理模块，所述变量处理模块与所述信号转换器信号连接且用于采集相邻两次的采集数据差值的绝对值。
所述数据采集装置还包括正应力荷载传感器、剪应力荷载传感器以及荷载放大器，所述正应力荷载传感器，与所述荷载放大器信号连接，用于采集正应力荷载信号；所述剪应力荷载传感器，与所述荷载放大器信号连接，用于采集剪应力荷载信号；所述荷载放大器，与所述采集箱信号连接，用于放大正应力荷载信号与剪应力荷载信号。
所述数据处理装置还包括通讯装置，在进行通讯传递剪切数据时，在所述处理器侧将所述数据采集装置采集的数据块与通讯参数所在数据块合并到一个内存区内。
现有技术中，在岩石抗剪试验过程中，当剪切荷载较小时，在较长的一段时间内，位移变化很小，这时只需要较慢的采集速度，采集少量的数据，而当岩石发生剪切破坏时，在很短的时间内，位移变化很大，这时，就需要很高的采集速度，采集大量的数据，如果是从试验开始到试验结束始终采用以时间Δt控制的采集速度高速采集数据，则数据量很大，在数据信号急剧增加的前提下，将增大记录仪的响应速度，从而影响记录的剪切数据。基于上述问题，提出一种剪切数据自动记录仪，需要说明的是，当在进行剪切试验的时候，其中剪切部位产生持续的位移变化，随之产生的水平位移信号与垂直位移信号也呈现正余弦的连续性变化，当发生剪切破坏时，水平位移信号与垂直位移信号出现突变点，即阶跃变化，再基于光传输的基本特性，通过介质传递器中的折射部将突变点进行折射放大，从而使得剪切数据更加直观。即使是在外界环境光线较差的环境下，介质传递器同样能够正常工作。
需要说明的是，由于测试现场大功率设备启动频繁，同时用于实时通讯的无线通信设备会产生电磁干扰，进而导致剪切数据记录仪中采集的检测数据失真，无法准确得出岩石的抗剪切强度。在这一点上，现有技术采用的抗干扰方法一般有在程序中插入数据滤波子程序，从而提高抗干扰能力，或者是选用频率低的元器件、减小信号传输中的畸变、减小信号间的交叉干扰等，基于上述问题，通过信号处理模块对剪切数据信号进行分析比对与增益，增益过程具体为：信号处理模块对数据信号进行变量分解，将变量分解后的I/Q信号进行处理，获得数据信号的基带信号，再根据基带信号进行符号判决与码元映射，得到基带信号的码流信息，并进行成型滤波生成理想参考信号，最后根据理想参考信号与数据信号进行分析比对得到分析比对结果，随后将分析比对的结果传递至信号增益模块。信号增益模块接收到分析比对结果后根据结果产生诱导信号，诱导信号能够与数据信号发生调制增益，从而增强其抗干扰能力。还需要说明的是，根据采集数据的差值能够起到控制采集速度的作用，从而实现高速采集。
本实施例中较为优选的是，介质传递器的折射部基于光传输的基本特性，通过介质传递器中的折射部将突变点进行折射放大，从而使得剪切数据更加直观。除了检测水平与竖直方向上的位移传感器外，还需要通过检测记录应力的荷载，并经过荷载放大器进行信号放大增强。所述数据处理装置还包括通讯装置，在进行通讯传递剪切数据时，在所述处理器侧将所述数据采集装置采集的数据块与通讯参数所在数据块合并到一个内存区内。需要说明的是，在通讯传递数据的同时，在处理器侧将两数据块合并到一个内存区内，即简化了操作步骤，又节省了通讯时间。
本实施例中较为优选的是，胶体介质的种类包括粒径在1nm~100nm之间的任何一种胶体，较为优选的有氢氧化铝胶体、硅酸胶体、淀粉胶体、蛋白质胶体等，在本实施例中，选择氢氧化铝胶体。采集箱包括双板计算机、12位A/D转换板及精密电源。处理器采用CPC微型计算机。处理器还可以连接有绘图打印设备。信号转换器的转化原理遵循现有技术的数电模电的转化三步法。附图1中Ⅰ~Ⅳ为四个水平位移传感器，Ⅴ~Ⅷ为四个垂直位移传感器，A为正应力荷载传感器，B为剪应力荷载传感器。
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 (5)

1.一种剪切数据自动记录仪，其特征在于：包括数据采集装置与数据处理装置，所述数据采集装置包括：位移传感器、信号转换器、介质传递器以及采集箱，
所述位移传感器，与所述信号转换器信号连接，用于采集剪切部位的水平位移信号与垂直位移信号，所述水平位移信号与所述垂直位移信号分别为正弦信号与余弦信号；
所述信号转换器，与所述介质传递器信号连接，用于将接收到的信号进行信号类型转化，输出数字信号；
所述介质传递器，与所述采集箱信号连接，用于将接收到数字信号通过折射部进行传递，并形成折射传递光路，所述介质传递器的折射部内灌装用于光路传输的胶体介质；
采集箱，用于完成剪切数据信息采集；
所述数据处理装置包括：通讯接口、显示屏以及处理器，
所述通讯接口，与所述采集箱信号、处理器信号连接，剪切数据信息由所述采集箱侧发送，所述处理器侧接收并储存，所述通讯接口用于传递剪切数据信息；
显示屏与处理器信号连接，用于显示剪切数据信息；
处理器，用于完成数据处理与数据块合并。
2.根据权利要求1所述的一种剪切数据自动记录仪，其特征在于：所述数据采集装置还包括信号增益器，所述信号增益器包括：信号处理模块、信号增益模块，
所述信号处理模块，与所述介质传递器信号连接，用于对传递光路中的数字信号进行分析比对，并将分析比对的结果传递至所述信号增益模块；
所述信号增益模块，与所述采集箱信号连接，用于根据分析比对的结果产生诱导信号与数字信号发生调制增益，并将调制增益后的信号传递至所述采集箱。
3.根据权利要求2所述的一种剪切数据自动记录仪，其特征在于：所述位移传感器包括至少四个水平位移传感器与至少四个垂直位移传感器，每个所述水平位移传感器与所述垂直位移传感器内置有变量处理模块，所述变量处理模块与所述信号转换器信号连接且用于采集相邻两次的采集数据差值的绝对值。
4.根据权利要求3所述的一种剪切数据自动记录仪，其特征在于：所述数据采集装置还包括正应力荷载传感器、剪应力荷载传感器以及荷载放大器，
所述正应力荷载传感器，与所述荷载放大器信号连接，用于采集正应力荷载信号；
所述剪应力荷载传感器，与所述荷载放大器信号连接，用于采集剪应力荷载信号；
所述荷载放大器，与所述采集箱信号连接，用于放大正应力荷载信号与剪应力荷载信号。
5.根据权利要求4所述的一种剪切数据自动记录仪，其特征在于：所述数据处理装置还包括通讯装置，在进行通讯传递剪切数据时，在所述处理器侧将所述数据采集装置采集的数据块与通讯参数所在数据块合并到一个内存区内。
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