汪孔政

(浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)r土工程研究所，浙江杭州310058)

0 引言

土體的剪切波速是一個(gè)很重要的土動(dòng)力學(xué)參數(shù)，在場(chǎng)地地震反應(yīng)分析、液化判斷、地基改良效果檢驗(yàn)等方面都得到應(yīng)用［1，2］。測(cè)定土體剪切波速的方法有多種，其中，彎曲元剪切波速測(cè)試技術(shù)由于原理明確，操作便捷，目前在測(cè)試各類(lèi)土體的剪切波速中得到了廣泛的應(yīng)用［3，4］。但現(xiàn)有的彎曲元剪切波速測(cè)試系統(tǒng)通常由數(shù)字儀表組成，數(shù)據(jù)記錄方法比較落后，剪切波傳播時(shí)間依靠人工對(duì)激發(fā)和接收信號(hào)波形進(jìn)行比較來(lái)判別，有時(shí)會(huì)存在一定的主觀性。本文設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的彎曲元剪切波速測(cè)試系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和記錄，因而，有效解決了傳統(tǒng)的彎曲元剪切波速測(cè)試中存在的上述問(wèn)題，并降低了系統(tǒng)構(gòu)建成本，提高了系統(tǒng)的測(cè)試效率。

1 彎曲元剪切波速測(cè)試原理

彎曲元是一種典型的機(jī)—電傳感器，它由2片壓電陶瓷晶體膠粘在一起而構(gòu)成，在晶片的兩面都敷有金屬電極，能通過(guò)壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換，在外電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生橫向彎曲變形，在外力作用下發(fā)生橫向彎曲變形時(shí)可以產(chǎn)生電荷。傳感器的工作原理如圖1。

圖1 彎曲元傳感器的工作原理Fig 1 Working principle of bender elements

在用于土體的剪切波速測(cè)試時(shí)，根據(jù)所起作用可將彎曲元分為激發(fā)元和接收元2種。激發(fā)元在脈沖電壓作用下產(chǎn)生振動(dòng)，在土體內(nèi)激發(fā)剪切波，該剪切波經(jīng)土體傳播后到達(dá)接收元，使之振動(dòng)而產(chǎn)生電信號(hào)，將激發(fā)信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行比較，測(cè)出它們間的時(shí)間延遲即為剪切波的傳播時(shí)間t，再結(jié)合剪切波的傳播距離L即可算得土體的剪切波速vs，即

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

彎曲元波速測(cè)試時(shí)采用的激發(fā)信號(hào)頻率一般為0.2～20 kHz，這段頻率正好處于音頻范圍內(nèi)，因此，可以利用計(jì)算機(jī)聲卡來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的發(fā)生和數(shù)據(jù)采集。目前的計(jì)算機(jī)一般都集成有一塊HD聲卡，它最高支持192kHz的D/A采樣頻率和96 kHz的A/D采樣頻率，采樣精度為24bit，性能完全能夠滿(mǎn)足彎曲元剪切波速測(cè)試的要求。

由于計(jì)算機(jī)聲卡的輸出信號(hào)電平較低，必須經(jīng)過(guò)功率放大器放大后才能驅(qū)動(dòng)激發(fā)元產(chǎn)生合適的彎曲變形;測(cè)試中接收元獲得的微弱接收信號(hào)，也必須經(jīng)過(guò)電荷放大器放大后，才能輸入計(jì)算機(jī)聲卡的輸入接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因此，所設(shè)計(jì)的彎曲元剪切波速測(cè)試系統(tǒng)由彎曲元傳感器，功率放大器，電荷放大器，分壓電路以及便攜式計(jì)算機(jī)組成，各部件的電路連接如圖2所示。

圖2 彎曲元測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成Fig 2 Construction of bender element measurement system

測(cè)試時(shí)，激發(fā)信號(hào)由計(jì)算機(jī)的Speaker Out端口輸出，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大后分成兩路，一路用來(lái)驅(qū)動(dòng)激發(fā)元在土體中產(chǎn)生剪切波，另一路經(jīng)分壓電路分壓后連接到計(jì)算機(jī)的Line in接口的左聲道進(jìn)行采集，接收元獲得的接收信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后輸入到計(jì)算機(jī)的Line in接口的右聲道進(jìn)行采集。通過(guò)確定兩路接收信號(hào)的時(shí)間延遲和傳播距離，便可利用式(1)得到剪切波在土體中的傳播速度。

所設(shè)計(jì)的功率放大器和電荷放大器的電路原理如圖3所示，功率放大器采用集成電路LM1875制作，放大倍數(shù)根據(jù)測(cè)試需要設(shè)計(jì)為20倍，電荷放大器由TL082集成電路和外圍元件組成，電荷放大器的放大倍數(shù)由反饋電容器的容量確定，在測(cè)試時(shí)可以根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)弱選擇合適容量的反饋電容器，以獲得最佳測(cè)試精度。

3 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)測(cè)試軟件選用LabVIEW 8.5虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用了結(jié)構(gòu)化模塊化的設(shè)計(jì)思想［5］。軟件主要由4個(gè)模塊組成:1)信號(hào)發(fā)生器模塊:用于控制計(jì)算機(jī)聲卡輸出指定頻率、類(lèi)型和周期數(shù)的激發(fā)信號(hào)，本系統(tǒng)的可用頻率范圍為20～20000Hz，激發(fā)信號(hào)通常采用單周期的正弦波或方波信號(hào);2)信號(hào)采集模塊:用于控制計(jì)算機(jī)聲卡實(shí)現(xiàn)同步雙通道數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)定為96 kHz;3)信號(hào)處理模塊:對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行濾波與實(shí)時(shí)分析計(jì)算;4)波形顯示和存儲(chǔ)模塊:將激發(fā)與接收信號(hào)波形在屏幕上顯示出來(lái)并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中。

在針對(duì)土體的剪切波速測(cè)試中，由于土體的衰減作用和其他因素的干擾，獲得的剪切波接收信號(hào)起跳點(diǎn)有時(shí)不是很清晰，直接根據(jù)波形判斷剪切波傳播時(shí)間會(huì)存在一定的誤差，因此，軟件設(shè)計(jì)中加入了實(shí)時(shí)計(jì)算激發(fā)信號(hào)與接收信號(hào)互相關(guān)函數(shù)值的功能，互相關(guān)函數(shù)值由公式(2)計(jì)算得到［6］

圖3 功率放大器與電荷放大器電路原理圖Fig 3 Circuit principle diagram of power amplifier and charge amplifier

測(cè)試時(shí)計(jì)算機(jī)將采集到的波形圖形和計(jì)算得到的互相關(guān)函數(shù)值圖形顯示在同一個(gè)屏幕界面上，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇采用直接比較波形或者根據(jù)互相關(guān)函數(shù)值對(duì)剪切波傳播時(shí)間進(jìn)行判別，因而有利于提高系統(tǒng)的測(cè)試精度。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖4為測(cè)試系統(tǒng)在對(duì)砂土進(jìn)行剪切波速測(cè)試時(shí)獲得的特性曲線(xiàn)，圖4(a)為激發(fā)信號(hào)與接收信號(hào)的波形，測(cè)試中激發(fā)信號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)的單周期正弦信號(hào)，接收信號(hào)相對(duì)激發(fā)信號(hào)有一定的時(shí)間延遲，其波形特征為幅度由強(qiáng)到弱衰減的多周期信號(hào);圖4(b)為激發(fā)信號(hào)與接收信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)曲線(xiàn)。當(dāng)根據(jù)波形判別剪切波傳播時(shí)間時(shí)，取激發(fā)信號(hào)與接收信號(hào)的起跳點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間之差作為剪切波傳播時(shí)間;當(dāng)根據(jù)互相關(guān)函數(shù)值判別剪切波傳播時(shí)間時(shí)，取互相關(guān)函數(shù)值圖形上的峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻作為剪切波傳播時(shí)間。

圖4 彎曲元測(cè)試得到的波形與互相關(guān)函數(shù)曲線(xiàn)Fig 4 Curve of signal waveform and cross-correlation function obtained by bender element test

本次測(cè)試時(shí)激發(fā)元與接收元間距為20 cm，從圖4中可以讀出，當(dāng)采用波形進(jìn)行判別時(shí)，剪切波傳播時(shí)間為1.5260 ms，當(dāng)采用互相關(guān)函數(shù)值判別時(shí)，剪切波傳播時(shí)間為1.556 7 ms。兩者對(duì)應(yīng)的波速分別為131.06 m/s和128.48 m/s，相差約1.6%。產(chǎn)生這種差異的原因一般是由于接收信號(hào)波形的起跳點(diǎn)不是很明顯，測(cè)試中游標(biāo)不能精確對(duì)準(zhǔn)起跳點(diǎn)，引起判斷誤差，在這種情況下，采用激發(fā)信號(hào)與接收信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)值進(jìn)行剪切波傳播時(shí)間判別可以避免這一問(wèn)題，其測(cè)試結(jié)果要更客觀一些。

5 結(jié)論

本文結(jié)合虛擬儀器技術(shù)研制了一種彎曲元剪切波速測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了利用波形和互相關(guān)函數(shù)2種方法進(jìn)行剪切波傳播時(shí)間判別的功能。該系統(tǒng)具有成本低、精度高、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)，有望應(yīng)用于各類(lèi)土體的剪切波速精確測(cè)量，為土力學(xué)與巖土工程分析提供基本參數(shù)。

［1］周燕國(guó)，土結(jié)構(gòu)性的剪切波速表征及對(duì)動(dòng)力特性的影響［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.

［2］陳云敏，周燕國(guó)，黃 博.利用彎曲元測(cè)試砂土剪切模量的國(guó)際平行試驗(yàn)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(7):874－880.

［3］曾向武，胡黎明.壓電陶瓷傳感器在巖土工程中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(8):983－988.

［4］周燕國(guó)，陳云敏，黃 博，等.利用彎曲元測(cè)量土體表層剪切波速的初步試驗(yàn)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(12):1883－1887.

［5］戴鵬飛，王勝開(kāi)，王格芳，等.測(cè)試工程與LabVIEW應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［6］侯興民，楊學(xué)山，廖振鵬，等.基于互相關(guān)函數(shù)的單孔法波速測(cè)試優(yōu)化算法［J］.巖土力學(xué)，2006，27(7):1161－1165.