CN202975167U - 一种固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统 - Google Patents

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苏瑛
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Abstract

本实用新型公开了一种固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统,在固结仪水平方向、垂直方向上分别放置电极,主要包括数据采集探测器、数据采集控制模块、工控模块。该系统能自动采集土样在固结压缩过程中土体的沉降量及其电阻率不规则因子,实时用图形显示并保存数据,系统能将土样固结沉降与其内在的结构变化情况有机结合。此外,该系统能拓展应用到直剪实验中,能将土样直剪过程的剪切变形与其内在的结构变化情况有机结合,从而揭示土样直剪变形的内在结构变化机理。本实用新型操作简便可靠、测读方便快捷、连续无损且实时测读的电阻率不规则因子与土样固结压缩变形的内在结构变化能有机结合。

Description

—种固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统
技术领域
[0001] 本实用新型属于土工常规实验(固结实验和一维蠕变实验)领域,涉及一种固结实验和一维蠕变实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统。
背景技术
[0002]目前,土工固结实验和一维蠕变实验,多为人工读取压缩量、蠕变量,虽然近几年来,也有能自动采集压缩变形、蠕变变形的固结仪器,但到目前为止,固结实验或一维蠕变实验能同步连续自动采集压缩变形、蠕变变形量和其相应的结构指标的测读仪器,还未见报道。
[0003] 岩土电阻率是岩土固有特性参数之一。一些学者的研究成果表明,岩土电阻率可很好地反映岩土结构性及其变化情况近年来,国外有些专家学者开始探索应用电阻率不规则因子技术来监测岩土体的变形过程,揭示其变形过程中的内在结构变化机理。比如,Jackson等[3]将电阻率不规则因子定义为Apt= (ρ「Ρο)/Ρ。,其中Λ PtS电阻率不规则因子,P 0> P t分别为初始电阻率和实时电阻率;通过历时18个月电阻率不规则因子的现场测试,监测出路堤中的异常状况。Samouelian等M通过测试黄土块在干湿循环产生裂隙过程中,不同方向和深度上的电阻率变化,得到了土块的裂隙发展和发育规律。
[0004] 尽管目前国内外尚未发现电阻率不规则因子应用于固结实验和一维蠕变实验的研究报道,但上述工作表明,电阻率不规则因子具备表征和测定土样变形过程中的结构变化的良好研究基础,这是本实用新型研究的基本出发点。
[0005] 参考文献:
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实用新型内容[0011] 本实用新型的目的,在于提供一种固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统,旨在克服当下常规土工固结实验仪的以下几点不足:1)压缩变形量和蠕变变形不能自动采集。2)对土样压缩、蠕变过程中的内在结构变化情况未能进行同步、连续测读。3) 土样的变形、蠕变特性与其内在的结构变化情况未能有机结合。4)目前电阻率测定仪都是通过调节电桥平衡后,利用电桥平衡公式来求得土体的电阻。但是调节电桥平衡需要手动操作,不利于自动采集。
[0012] 本实用新型特点:在土工固结实验和一维蠕变实验过程中,该系统能同步、自动、连续、无损地采集土样的压缩变形、蠕变变形和电阻率不规则因子,且将土样压缩变形蠕变特性与其内在的结构变化情况有机结合,从而揭示土样固结变形和蠕变变形的内在结构变化机理。另外,系统采用非平衡电桥来测量土体的水平和垂直电阻值,可解决目前电阻率测定仪调节电桥平衡需要手动操作,不利于自动采集的问题。
[0013] 本实用新型是这样实现的,一种固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统,在固结仪水平方向、垂直方向上分别放置电极;
[0014] 该测试系统包括:
[0015] 用于采集固结实验和一维蠕变实验中土样的水平电阻信号及垂直电阻信号,并对所采集的水平电阻信号及垂直电阻值信号进行输出的数据采集探测器;
[0016] 与所述数据采集探测器相连接,用于接收所述数据采集探测器输出的水平电阻值信号及垂直电阻值信号,根据非平衡电桥原理计算出土样固结或蠕变过程中的水平电阻值及垂直电阻值,并对计算出的水平电阻值及垂直电阻值以电信号的形式进行输出的数据采集控制模块;
[0017] 与所述数据采集控制模块相连接,用于接收所述数据采集控制模块输出的水平电阻值及垂直电阻值,根据所测试土体的水平电阻值及垂直电阻值计算获得电阻率不规则因子,并根据电阻率不规则因子反映土样的结构性变化的工控模块。
[0018] 进一步,所述测试系统采用绝缘处理,与土样接触部分全部为非金属材料。
[0019] 进一步,所述测试系统采用不平衡电桥、大功率交流电源发生器。
[0020] 进一步,所述数据采集探测器通过屏蔽线与所述数据采集控制模块相连接,所述数据采集控制模块通过屏蔽线与所述工控模块相连接。
[0021] 进一步,所述数据采集探测器包括:水平圆柱状石墨电极、垂直圆柱状石墨电极,温度传感器、位移传感器;
[0022] 所述水平圆柱状石墨电极安装在试样水平方向的两端,垂直圆柱状石墨电极安插在土样垂直方向的上下两端位置上,所述温度传感器设置在所述试样帽根基处,所述电极及温度传感器通过屏蔽线与所述数据采集控制模块相连接,所述位移传感器设置在定位杆上。
[0023] 进一步,所述数据采集控制模块进一步包括:交流电源发生器、交直流转换电路、不平衡电桥、多档切换开关、信号调理电路、USB数据采集卡等组成;
[0024] 所述交流电源发生器与所述交直流转换电路相连接,所述交直流转换电路与所述不平衡电桥相连接,所述不平衡电桥分别与所述多档切换开关及信号调理电路相连接。
[0025] 本实用新型提供的一种固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统,数据采集探测器自动采集试样在固结实验或一维蠕变实验过程中的的水平电阻信号及垂直电阻信号,数据采集控制模块根据非平衡电桥原理计算出试样的水平电阻值及垂直电阻值,工控模块根据所测试试样的水平电阻值及垂直电阻值计算获得电阻率不规则因子,进而实时监测试样在固结压缩过程或一维蠕变过程中的内在结构变化情况,从而构建土样的应力应变结构性本构模型和一维蠕变应力应变结构性本构模型。本实用新型能连续贯穿于固结实验或一维蠕变实验的始终,能自动采集在固结压缩和一维蠕变过程中土体的压缩量和蠕变量及其电阻率不规则因子,且能实时用图形显示并保存数据,数据可用excel打开并分析。本实用新型操作简便可靠、测读方便快捷、连续无损、成本低廉、易于推广等特点,且实时测读的电阻率不规则因子与土样固结压缩变形和蠕变特性的内在结构变化能有机结合。此夕卜,该系统能拓展应用到直剪实验中,能将土样直剪过程的剪切变形与其内在的结构变化情况有机结合,从而揭示土样直剪变形的内在结构变化机理。
附图说明
[0026] 图1是本实用新型提供的固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统的电路图。
[0027] 图2是本实用新型提供的固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统的结构示意图;
[0028] 图3是本实用新型提供的固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统的结构框图。
具体实施方式
[0029] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
[0030] 图2、3示出了本实用新型提供的固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统的结构。为了便于说明,仅仅示出了与本实用新型相关的部分。
[0031] 一种固结试验中同步测读电阻率不规则因子测试系统,在固结仪水平方向、垂直方向上分别放置电极片。电极做好绝缘处理,与土样接触部分全部为非金属材料。
[0032] 本实用新型系统包括:用于采集固结实验和一维蠕变实验中土样的水平电阻信号及垂直电阻信号,并对所采集的水平电阻信号及垂直电阻值信号进行输出的数据采集探测器;
[0033] 与所述数据采集探测器相连接,用于接收所述数据采集探测器输出的水平电阻值信号及垂直电阻值信号,根据非平衡电桥原理计算出土样固结或蠕变过程中的水平电阻值及垂直电阻值,并对计算出的水平电阻值及垂直电阻值以电信号的形式进行输出的数据采集控制模块;
[0034] 与所述数据采集控制模块相连接,用于接收所述数据采集控制模块输出的水平电阻值及垂直电阻值,根据所测试土体的水平电阻值及垂直电阻值计算获得电阻率不规则因子,并根据电阻率不规则因子反映土样的结构性变化的工控模块。
[0035] 所述工控模块,是建立土样固结过程和一维蠕变过程中相应变形特征与其电阻率不规则因子的内在关联,进而建立土样的应力应变结构性本构模型和一维蠕变应力应变结构性本构模型。
[0036] 该测试系统采用绝缘处理,与土样接触部分全部为非金属材料。
[0037] 该测试系统采用不平衡电桥、大功率交流电源发生器。采用非平衡电桥来测量土体的水平和垂直电阻值,旨在解决目前电阻率测定仪调节电桥平衡需要手动操作,不利于自动采集的问题。
[0038] 电阻率不规则因子定义Apt= (P t_P d/p C1,其中Δ P t为电阻率不规则因子,P t、P ^分别为实时球电阻率和初始球电阻率。
[0039] 首先得到水平电阻率P 和垂直电阻率P βΛ,再将水平电阻率P 及垂直电阻率P垂直转换为球电阻率P球=(2X P水平+ P垂直)/3。初始状态下获得的球电阻率为初始球电阻率,实时状态下获得的电阻率为实时球电阻率,将两者代入电阻率不规则因子计算公式,得到不规则因子Λ pt。
[0040] 土样电阻率 P 可表示为 P = (RS)/L = (AV.S)/(IL);
[0041] 式中:S为电极面积,单位m2,L为电极间距,单位m,I为电流强度,单位A,R为土样电阻。
[0042] 在本实用新型性实施例中,数据采集探测器通过屏蔽线与所述数据采集控制模块相连接,所述数据采集控制模块通过屏蔽线与所述工控模块相连接。
[0043] 在本实用新型性实施例中,数据采集探测器包括:水平圆柱状石墨电极、垂直圆柱状石墨电极,温度传感器、位移传感器等组成;
[0044] 所述水平圆柱状石墨电极安装在试样水平方向的两端(绝缘环刀开小孔,电极片通过绝缘环刀插入到试样水平方向两`端),垂直圆柱状石墨电极安插在土样垂直方向的上下两端位置上,所述温度传感器设置在所述试样帽根基处,所述电极及温度传感器通过屏蔽线与所述数据采集控制模块相连接,所述位移传感器设置在定位杆上;
[0045] 所述水平圆弧状石墨电极、垂直圆柱状石墨电极不同时进行电阻的测量,每10秒轮循一次;
[0046] 所述数据采集控制模块进一步包括:交流电源发生器、交直流转换电路、不平衡电桥、多档切换开关、信号调理电路、USB数据采集卡等组成;
[0047] 所述交流电源发生器与所述交直流转换电路相连接,所述交直流转换电路与所述不平衡电桥相连接,所述不平衡电桥分别与所述多档切换开关及信号调理电路相连接,所述不平衡电桥中的三个臂值相等,在所述多档切换开关上设置有10Ω、100Ω、1000Ω、IM Ω的档位,待测土体电阻在所述多档切换开关上设置有1-10 Ω、10-100 Ω、100-1000 Ω、1000-1ΜΩ四个档位。
[0048] 所述工控模块进一步包括:数据采集软件和建模(构建应力应变结构性本构模型和一维蠕变结构性本构模型)软件组成。
[0049] 在本实用新型性实施例中,数据采集探测器上的温度传感器实现了工控模块对温度进行补偿,18°C时土体的电阻率P18= PtX (1+α X (T-18)),其中P18为18°C时土的电阻率;P τ为温度电阻率;Τ为温度;α为试验常数,采用0.0250C '
[0050] 在本实用新型性实施例中,在土工固结实验过程中,系统能自动采集土样的压缩变形和电阻率不规则因子数据;同时,能自动绘出实时压缩-时程曲线、实时电阻率不规则因子-时程曲线、压缩变形量与不规则因子关系曲线;并能保存数据,可用excel打开并分析。
[0051] 在本实用新型性实施例中,此系统可用于固结压缩实验和一维蠕变实验,可揭示土样固结变形和一维蠕变的内在结构变化机理。
[0052] 在本实用新型性实施例中,对直剪仪器的相应部件作绝缘处理,此系统可拓展应用于直剪试验。系统能自动采集土样的剪位移和电阻率不规则因子数据;同时,能自动绘出实时剪位移-时程曲线、实时电阻率不规则因子-时程曲线、剪位移与不规则因子关系曲线;并能保存数据,可用excel打开并分析。系统能将土样直剪过程与其内在的结构变化情况有机结合,从而揭示土样直接剪切实验过程中的内在结构变化机理。
[0053] 以下结合具体实施方案对本实用新型作进一步的说明。
[0054] 一.主要技术指标
[0055] 1.试验尺寸:Φ61.8mmX 20mm
[0056] 2.轴向最大荷载:400kg
[0057] 3.轴向位移:0-10mm位移传感器测量,精度误差±0.5% F.S。
[0058] 4.试样温度:-50°C —100°C温度传感器测量,精度误差±0.5% F.S0
[0059] 5.四档桥路,每档下桥臂电阻1ΚΩ、10ΚΩ、100ΚΩ、2.5ΜΩ。
[0060] 6.供桥电压:交流6.5V。
[0061] 二.测试原理与组成部分
[0062] 具体测读:对固结仪进行改造,在水平方向、垂直方向上分别放置电极片。电极做好绝缘处理,与土样接触部分全部为非金属材料。在固结压缩过程中,不断切换测读土样的水平和垂直方向电阻,根据公式P = (RS)/L= (AV-S)/(IL)获取得土样在固结压缩过程中的水平电阻率P 和垂直电阻率P ο (式中:S为电极面积(m2),L为电极间距(m),I为电流强度(A)。R为电阻。)进而得到球电阻率P球=(2X P水平+ P垂直)/3。将初始球电阻率和实时球电阻率代入不规则因子计算公式,则可得到不规则因子。电阻率不规则因子公式Apt= (P ^pciVpci,其中Λ P t为电阻率不规则因子,P t、P ^分别为实时球电阻率和初始球电阻率。
[0063] 关于土样的水平和垂直电阻值的测读:在现实中,欲求得微弱的电阻变化,一般通过电桥电路来实现。目前,已有的土电阻率测定仪是通过调节电桥平衡后,利用电桥平衡公式来求得土体的电阻。但是调节电桥平衡需要手动操作,不利于自动采集。我们设想采用非平衡电桥来测量土体的水平和垂直电阻值,原理图如I所示。
[0064] 其中Rx为被测土体的电阻,E为供桥电压,可以是直流,也可以是交流。本项目采用不平衡电桥,利用大功率交流电源发生器,产生50HZ的工频正弦波。
[0065] 若Uout古O时,电桥处于不平衡状态,则由公式:
_...RiR' — R1R.[0066] V(ri, =Ex-—~~.—~A......................、
ίΛί‘ (Rx +R3 )x(R{ +R2)
[0067] 已知电阻1^、1?2、1?3,通过数据采集卡测得Ε、υ_,在电脑中即可实时计算出Rx的值。
[0068] 若测量出的Ε、υ。,值过小,为便于测量,可通过AD8221芯片搭建的放大电路放大固定倍数k后再测量。在电脑中计算时除以k值,便可得到原值。K值通过实际测量后,得到电压变化范围后再决定。
[0069] 值得注意的是,若供桥电压为交流,则公式中的电阻R需改成Z(阻抗),所以为了精确测量,桥臂电阻1?1、1?2、1?3为高精度(千分之一或万分之一)、超低温漂无感纯电阻。经过multisim仿真,若二电极间存在电容或电感,则对测量结果会有影响。电容越小,电感值越大,对结果影响越大。现实测试时试样的电感量可忽略,对电极间的电容量可进行修正,或者选取更合适的测量方式。
[0070] 在实际桥路中,一般取R1' R2、R3为相同电阻值,可令R1 = R2 = R3 = R,则有=U =0.5XEX ((R-Rx)/(R+Rx))。
[0071] 令E、R为常数,U、Rx为变量,则U与Rx为反比例函数关系。为更好地测量不同阻值的样品,将Rx分为1-10 Ω、10-100 Ω、100-1000 Ω、1000-1ΜΩ四档,臂值R分别为10 Ω、100 Ω、1000 Ω、IM Ω。通过多层多档旋转开关手动切换。
[0072] 本仪器主要由固结仪主机、数据采集探测器、数据采集控制模块、工控模块组成。数据采集探测器包括:水平圆柱状石墨电极、垂直圆柱状石墨电极,温度传感器、位移传感器等组成。数据采集控制模块包括:交流电源发生器、交直流转换电路、不平衡电桥、多档切换开关、信号调理电路、USB数据采集卡等组成。工控模块由数据采集软件和建模(构建应力应变结构性本构模型和一维蠕变结构性本构模型)软件组成。
[0073] 三.试验步骤
[0074] 1.试验前,应检查主机台面是否水平,然后将压力室部件从主机上取下待装样。
[0075] 2.制样装样:参照《(土工试验规程》,制取土样。将主机上的环刀取出,切取Φ61.8.ιΧ 20mm试样。土样密实度均匀,且与环刀内壁充分接触,两垂直面平整。
[0076] 3.将水平电极插入环刀两侧,压力室内由下到上分别放置下透水板、下透水板定位环、环刀下定位环、插入电极的环刀样、环刀上定位环和上透水板。
[0077] 4.将装好样的压力室部件放置在主机上,并放上承压球,架上反力架。此时应保证杠杆平衡且反力架与承压 球刚好接触。可对平衡锤和反力架作相关调整。
[0078] 5.将数据采集控制器的电源插上,启动电源开关,桥臂电阻选择开关置于IK档,启动软件“固结实验电阻率不规则因子测试系统”。待温度显示稳定后,观察当前“水平U”的值,若为负值,说明土样的电阻大于1K,应顺时针转动一档,使桥臂为10K。此时,若“水平U”为负值,继续增档;若为正值,则可在软件上切换到测试垂直档。若“垂直U”为正值,则切换到水平档可进行下步试验;若“垂直U”为负值,应再增档,直至正值。调档后,应再次切换水平垂直档,直至“水平U”和“垂直U”均为正值,并最后切换至水平档开始下步试验。
[0079] 6.清零位移传感器,软件上设置档位至当前档位,修改文件保存名,点击“试验开始”。在主机上吊上相应的托盘和砝码。试验正式开始。
[0080] 7.试验过程中会有不规则时程图、压缩变形时程图等显示。相关试验数据会自动保存。
[0081] 8.试验结束,点击“试验结束”、“复位”。关闭数据采集控制器开关并断电。取下吊盘和砝码、拆除试样、清理仪器。
[0082] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统,其特征在于,在固结仪水平方向、垂直方向上分别放置电极;该测试系统包括: 用于采集固结实验和一维蠕变实验中土样的水平电阻信号及垂直电阻信号,并对所采集的水平电阻信号及垂直电阻值信号进行输出的数据采集探测器; 与所述数据采集探测器相连接,用于接收所述数据采集探测器输出的水平电阻值信号及垂直电阻值信号,根据非平衡电桥原理计算出土样固结或蠕变过程中的水平电阻值及垂直电阻值,并对计算出的水平电阻值及垂直电阻值以电信号的形式进行输出的数据采集控制丰旲块; 与所述数据采集控制模块相连接,用于接收所述数据采集控制模块输出的水平电阻值及垂直电阻值,根据所测试土体的水平电阻值及垂直电阻值计算获得电阻率不规则因子,并根据电阻率不规则因子反映土样的结构性变化的工控模块。
2.如权利要求1所述的固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统,其特征在于,所述测试系统采用绝缘处理,与土样接触部分全部为非金属材料制成的结构。
3.如权利要求1所述的固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统,其特征在于,所述测试系统采用不平衡电桥、大功率交流电源发生器。
4.如权利要求1所述的固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统,其特征在于,所述数据采集探测器通过屏蔽线与所述数据采集控制模块相连接,所述数据采集控制模块通过屏蔽线与所述工控模块相连接。
5.如权利要求1所述的固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统,其特征在于,所述数据采集探测器包括:水平圆柱状石墨电极、垂直圆柱状石墨电极,温度传感器、位移传感器; 所述水平圆柱状石墨电极安装在试样水平方向的两端,垂直圆柱状石墨电极安插在土样垂直方向的上下两端位置上,所述温度传感器设置在所述试样帽根基处,所述电极及温度传感器通过屏蔽线与所述数据采集控制模块相连接,所述位移传感器设置在定位杆上。
6.如权利要求1所述的固结实验中同步测读电阻率不规则因子测试系统,其特征在于,所述数据采集控制模块进一步包括:交流电源发生器、交直流转换电路、不平衡电桥、多档切换开关、信号调理电路、USB数据采集卡; 所述交流电源发生器与所述交直流转换电路相连接,所述交直流转换电路与所述不平衡电桥相连接,所述不平衡电桥分别与所述多档切换开关及信号调理电路相连接。
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