劉 東，馮曉敏

（1.陜西理工學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中723001；2.漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 漢中723001）

一種多通道固結(jié)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)

劉 東1，馮曉敏2

（1.陜西理工學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中723001；2.漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 漢中723001）

針對(duì)人工操作固結(jié)儀校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)效率低下的問題，設(shè)計(jì)采用測(cè)力傳感器組、ADS322采集模組塊結(jié)合工控機(jī)與無線通信模塊構(gòu)建多通道固結(jié)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)，能夠同時(shí)對(duì)1～16固結(jié)儀校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過程中實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)，并提供遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)數(shù)據(jù)查詢服務(wù)、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單。

固結(jié)儀；校準(zhǔn)系統(tǒng)；自動(dòng)化；數(shù)據(jù)采集；B/S模式

固結(jié)儀是土壤壓縮性實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工程建筑、工程勘察領(lǐng)域。主要用于測(cè)定土試樣的軸向變形與壓力的關(guān)系和變形與時(shí)間的關(guān)系，計(jì)算土壤的單位沉降量、壓縮系數(shù)、回彈系數(shù)、壓縮模量及固結(jié)系數(shù)等，實(shí)驗(yàn)結(jié)果用來判定土質(zhì)狀況，為工程建筑設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)依據(jù)。固結(jié)儀分為杠桿式固結(jié)儀和氣壓式固結(jié)儀。近年來，氣壓式固結(jié)儀正逐步取代傳統(tǒng)杠桿式固結(jié)儀。

氣壓固結(jié)儀試驗(yàn)平臺(tái)由多臺(tái)氣壓固結(jié)儀串聯(lián)一起組成，試驗(yàn)時(shí)需控制加壓氣泵按設(shè)定氣壓值進(jìn)行加壓，使土壤試樣受到壓力，測(cè)量取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算分析來判定土質(zhì)狀況?！豆探Y(jié)儀校準(zhǔn)規(guī)范》JJF1311-2011[1]要求固結(jié)儀必須按周期進(jìn)行強(qiáng)制性校準(zhǔn)檢測(cè)，保證固結(jié)儀設(shè)備技術(shù)指標(biāo)達(dá)到合格狀態(tài)，才能保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

因此，設(shè)計(jì)一個(gè)多通道固結(jié)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)，能同時(shí)校準(zhǔn)8～16臺(tái)固結(jié)儀，對(duì)每個(gè)通道的氣壓固結(jié)儀的輸出壓力值實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、計(jì)算、分析和判斷固結(jié)儀工作狀態(tài)合格與否，并提供校準(zhǔn)數(shù)據(jù)查詢和校準(zhǔn)報(bào)告自動(dòng)生成，從而提高工作效率，對(duì)固結(jié)儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)品的一致性進(jìn)行文件檔案記錄[2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣壓式固結(jié)儀校準(zhǔn)依賴氣缸的精確控制供壓才能達(dá)到高效自動(dòng)化校準(zhǔn)，設(shè)計(jì)采用工控機(jī)精確控制氣缸氣壓。杠桿式固結(jié)儀校準(zhǔn)需要在杠桿上加、卸載標(biāo)準(zhǔn)砝碼，從“大型砝碼加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”[3]文中可以看出自動(dòng)砝碼加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，且都為非標(biāo)設(shè)計(jì)，通用性不強(qiáng)。筆者本著易于實(shí)現(xiàn)、務(wù)實(shí)、節(jié)約成本的原則，采用人工加、卸載砝碼。

整個(gè)固結(jié)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)由工控機(jī)、DTD46X無線傳輸模塊、氣壓控制系統(tǒng)、測(cè)力傳感器、ADS322數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及打印機(jī)構(gòu)成。具體設(shè)計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 固結(jié)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

設(shè)計(jì)以工控機(jī)為控制核心，在對(duì)氣壓式固結(jié)儀校準(zhǔn)時(shí)，工控機(jī)控制氣壓控制系統(tǒng)對(duì)氣缸按設(shè)定的壓力值供壓，并作用于固結(jié)儀實(shí)驗(yàn)裝置上的測(cè)力傳感器，同時(shí)控制無線傳輸模塊將ADS322采集的測(cè)力傳感器的壓力值傳回工控機(jī)上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示測(cè)力傳感器數(shù)據(jù)，按校準(zhǔn)的控制供壓、并記錄存儲(chǔ)傳感器壓力值，記錄完整校準(zhǔn)數(shù)據(jù)后后自動(dòng)分析生成檢測(cè)報(bào)表，并上傳至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，用戶可根據(jù)儀器編號(hào)在線查詢校準(zhǔn)報(bào)表。杠桿式固結(jié)儀校準(zhǔn)時(shí)，人工在多個(gè)杠桿式固結(jié)儀裝置的杠桿上加載砝碼后，操作工控機(jī)上位機(jī)程序記錄數(shù)據(jù)，按設(shè)定校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)，依次加載砝碼并記錄數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)記錄完整后自動(dòng)分析生成檢測(cè)報(bào)表，并上傳至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，用戶可根據(jù)儀器編號(hào)在線查詢校準(zhǔn)報(bào)表。

氣壓式固結(jié)儀整個(gè)校準(zhǔn)過程能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制、采集與分析，自動(dòng)化程度高；杠桿式固結(jié)儀校準(zhǔn)過程人工加載砝碼，程控記錄校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化。

筆者設(shè)計(jì)固結(jié)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)兼容氣壓式固結(jié)儀和杠桿式固結(jié)儀校準(zhǔn)，具有自動(dòng)化程度高、安全、可靠、實(shí)時(shí)性好、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)查詢校準(zhǔn)報(bào)表的特點(diǎn)。解決了以往固結(jié)儀校準(zhǔn)主要靠人工，校準(zhǔn)效率低、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)管理和維護(hù)不便的缺點(diǎn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 氣壓控制系統(tǒng)

氣壓控制系統(tǒng)由伺服電機(jī)、減速器、氣缸、活塞、絲杠組件以及數(shù)字壓力計(jì)等組成。工控機(jī)上位機(jī)軟件控制運(yùn)動(dòng)控制卡輸出脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，減速器減速后通過彈性聯(lián)軸器將力傳送給滾珠絲杠副并轉(zhuǎn)換成推、拉活塞的運(yùn)動(dòng)，活塞位置運(yùn)動(dòng)可改變氣缸中氣體的壓力。氣壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖2所示[4]。

圖2 氣壓控制結(jié)構(gòu)示意圖

活塞和氣缸的密封性是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，采用GT密封件和O型密封圈組合來密封，可在高壓、高溫環(huán)境下能持久保持密封性、穩(wěn)定性好。

采用伺服電機(jī)來控制氣缸活塞的位置，通過改變氣體容量來達(dá)到氣壓控制的目的。采用增量PID的電機(jī)控制算法來穩(wěn)定氣壓，既可以產(chǎn)生準(zhǔn)確、穩(wěn)定的氣壓。滿量程氣壓控制精度達(dá)到±0.02%，達(dá)到了一級(jí)壓力標(biāo)準(zhǔn)精度的氣壓控制。

在文獻(xiàn)[4]中已經(jīng)介紹，伺服電機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)壓縮氣缸與氣缸壓力是非線性函數(shù)關(guān)系。氣壓式固結(jié)儀校準(zhǔn)中氣壓的提供最多不超過10個(gè)氣壓點(diǎn)，因此筆者利用電機(jī)轉(zhuǎn)速與壓力的函數(shù)關(guān)系，控制電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)活塞，同時(shí)監(jiān)測(cè)高精度數(shù)字壓力計(jì)，當(dāng)壓力接近校準(zhǔn)氣壓點(diǎn)時(shí)調(diào)用增量PID算法控制電機(jī)穩(wěn)定氣壓，穩(wěn)定后停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。

氣壓穩(wěn)壓控制使用增量PID算法，較好的控制增量可快速穩(wěn)定氣壓。增量PID控制算法離散形式可以表示為：

公式（1）中 ei、ei-1、ei-2分別為當(dāng)前、前一次、前兩次采樣值與設(shè)定值之差；K0、K1、K2為 PID算法的比例、積分、微分常系數(shù)，可通過多次實(shí)驗(yàn)確定。當(dāng)采集數(shù)字壓力計(jì)的值與設(shè)定值相差0.2%時(shí)，執(zhí)行增量PID算法進(jìn)行穩(wěn)定氣壓，增量PID穩(wěn)壓調(diào)節(jié)算法具體操作流程如圖3所示。

2.2 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、力值傳感器組成，如圖1所示。

根據(jù)JJF 1311-2011要求測(cè)力傳感器精度為0.3級(jí)，因此選用0.1級(jí)高精度KZY-CZ-3測(cè)力傳感器，KZY-CZ-3溫度漂移小、較好的穩(wěn)定性、輸出線性度好、密封等級(jí)達(dá)IP65，能在高濕度環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)工作。無線通信模塊選用DTX465A模塊，模塊具有RS485接口協(xié)議，無線通訊距離達(dá)200 m，無線通信性能穩(wěn)定且價(jià)格低廉，滿足校準(zhǔn)系統(tǒng)的無線通信需求。數(shù)據(jù)采集模塊采用ADS-322模塊作為力值傳感器的A/D轉(zhuǎn)換模塊，該模塊包含24位高精度AD轉(zhuǎn)換芯片、RS485通訊接口電路、數(shù)據(jù)濾波、體積小（直徑 32 mm）、 重量輕 （單模塊小于 10 g），能同DTX465A模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)采集無線發(fā)送功能模塊，可選用電池供電或直流電源供電，其綜合性能指標(biāo)完全滿足校準(zhǔn)系統(tǒng)要求。

圖3 穩(wěn)壓調(diào)節(jié)算法流程

系統(tǒng)共采用17套無線通訊模塊，通信協(xié)議統(tǒng)一為波特率19 200、奇校驗(yàn)、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位。其中16套模塊和ADS-322模塊組成數(shù)據(jù)采集無線發(fā)送模塊，1套為工控機(jī)接收模塊，校準(zhǔn)時(shí)工控機(jī)采用多通道輪詢技術(shù)，依次發(fā)地址讀取指令接收指令地址對(duì)應(yīng)通信的數(shù)據(jù)。

筆者所設(shè)計(jì)的無線分布式采集模式可分散放置校準(zhǔn)固結(jié)儀設(shè)備，相對(duì)數(shù)據(jù)采集卡采集模式降低了集中數(shù)據(jù)布線密集度，減少線路中的干擾作用于傳感器且價(jià)格更合理。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫

在固結(jié)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)中，需要存儲(chǔ)每臺(tái)被校準(zhǔn)器具的信息、校準(zhǔn)過程中使用的標(biāo)準(zhǔn)器件的信息、氣壓式固結(jié)儀設(shè)定校準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定壓力值、杠桿式固結(jié)儀校準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定砝碼重量、以及校準(zhǔn)過程中的校準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和分析結(jié)論。筆者采用SQL Server2005集中存儲(chǔ)和管理校準(zhǔn)信息，提高數(shù)據(jù)的處理與分析能力。根據(jù)實(shí)際校準(zhǔn)需求數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)如下：

校準(zhǔn)基礎(chǔ)信息表：{編號(hào)，名稱，規(guī)格型號(hào)，生產(chǎn)廠家，送檢單位}

氣壓校準(zhǔn)點(diǎn)表：{第一校準(zhǔn)點(diǎn)壓力，……，第十校準(zhǔn)點(diǎn)壓力}

杠桿校準(zhǔn)點(diǎn)表：{第一校準(zhǔn)點(diǎn)重量，……，第十校準(zhǔn)點(diǎn)重量}

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表：{編號(hào)，第一點(diǎn)第一次測(cè)量值，……，第十點(diǎn)第三次測(cè)量值}

校準(zhǔn)結(jié)論表：{編號(hào)，第一點(diǎn)誤差，……，第十點(diǎn)誤差，靈敏度，校準(zhǔn)結(jié)論}

校準(zhǔn)基礎(chǔ)信息表記錄校準(zhǔn)對(duì)象的基礎(chǔ)信息；氣壓校準(zhǔn)點(diǎn)、杠桿校準(zhǔn)點(diǎn)表分別記錄氣壓、杠桿式固結(jié)儀校準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定值；校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)重復(fù)3次對(duì)校準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)時(shí)測(cè)量值；、校準(zhǔn)結(jié)論表存儲(chǔ)通過對(duì)校準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算求出各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)誤差，并作出合格與否的結(jié)論。4個(gè)表可通過被校準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成相應(yīng)的檢測(cè)報(bào)告結(jié)論報(bào)表。

筆者提出了非冗余固結(jié)儀校準(zhǔn)信息數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建方案，兼容氣壓式與杠桿式固結(jié)儀校準(zhǔn)信息的存儲(chǔ)，解決了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)管理、維護(hù)難的難題。

3.2 上位機(jī)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)

筆者采用Visual Basic 2010語言開發(fā)工控機(jī)上位機(jī)軟件，軟件主要功能模塊為：參數(shù)設(shè)置、固結(jié)儀校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)維護(hù)、幫助信息4個(gè)功能模塊，如圖4所示。

圖4 固結(jié)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件功能

參數(shù)設(shè)置：主要提供通信參數(shù)信息的設(shè)置、氣缸控制系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置，以及校準(zhǔn)對(duì)象、校準(zhǔn)器具的參數(shù)信息設(shè)置。

固結(jié)儀校準(zhǔn)：包括氣壓式固結(jié)儀全自動(dòng)校準(zhǔn)功能和杠桿式固結(jié)儀手動(dòng)校準(zhǔn)功能。

數(shù)據(jù)維護(hù)：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)校準(zhǔn)信息的查詢、維護(hù)及校準(zhǔn)數(shù)據(jù)word報(bào)表自動(dòng)生成功能。

其中氣壓式固結(jié)儀校準(zhǔn)功能是上位機(jī)軟件最核心的控制程序，具體的控制流程如下：

氣壓式固結(jié)儀校準(zhǔn)先讀取通信參數(shù)信息，并設(shè)置無線通信參數(shù)，檢測(cè)判斷無線通信是否工作正常，如果發(fā)生通信故障彈出故障提示信息，退出校準(zhǔn)程序；若無通信故障問題，讀取設(shè)置校準(zhǔn)點(diǎn)參數(shù)，并控制氣壓系統(tǒng)提供相應(yīng)的壓力值，如果發(fā)生供壓不正常就轉(zhuǎn)入錯(cuò)誤處理程序；若供壓穩(wěn)定，工控機(jī)依次記錄各個(gè)通道測(cè)力傳感器實(shí)時(shí)值，然后繼續(xù)下一校準(zhǔn)的檢測(cè)，每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)方法相同。上位機(jī)程序控制完成3次各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)后轉(zhuǎn)入校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理過程。計(jì)算輸出力值的相對(duì)誤差δ是判斷固結(jié)儀合格與否的關(guān)鍵，計(jì)算固結(jié)儀輸出力值相對(duì)誤差δ公式：

公式（2）中F為固結(jié)儀輸出力值；Fi為第i校準(zhǔn)點(diǎn)上3次測(cè)量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。氣壓式固結(jié)儀輸出力值誤差符合表1規(guī)定判斷校準(zhǔn)點(diǎn)為合格，否則不合格。杠桿式固結(jié)儀輸出力值相對(duì)誤差不超過標(biāo)稱力值的±1%為合格。

圖5 氣壓式固結(jié)儀校準(zhǔn)流程

表1 氣壓式固結(jié)儀輸出力值誤差

3.3 基于B/S模式的在線查詢系統(tǒng)

筆者設(shè)計(jì)采用相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)，將實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)與在線查詢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)隔離，查詢系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的維護(hù)修改不會(huì)影響工控機(jī)原始的檢測(cè)數(shù)據(jù)，有利于數(shù)據(jù)的安全。校準(zhǔn)系統(tǒng)檢測(cè)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)記錄、分析后形成校準(zhǔn)結(jié)論數(shù)據(jù)，用戶可通過工控機(jī)上位機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)上傳到連接外網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，客戶可通過網(wǎng)絡(luò)訪問并查詢校準(zhǔn)結(jié)果信息。

在線查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)三層B/S模式：第一層由Access固結(jié)儀校準(zhǔn)結(jié)論數(shù)據(jù)庫構(gòu)成數(shù)據(jù)模型層；第二層由ASP.NET編寫的查詢程構(gòu)成數(shù)據(jù)訪問層；第三層由客戶使用瀏覽器查詢校準(zhǔn)信息構(gòu)成邏輯層。該模式客戶只需通過瀏覽器便能了解校準(zhǔn)情況，使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便。

4 結(jié)束語

多通道固結(jié)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)1～16氣壓式或杠桿式固結(jié)儀實(shí)現(xiàn)高速、自動(dòng)化的校準(zhǔn)，并提供數(shù)據(jù)查詢、處理、報(bào)表生成功能，客戶也可通過瀏覽器輸入設(shè)備編號(hào)遠(yuǎn)程查詢固結(jié)儀的校準(zhǔn)信息。

多通道固結(jié)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的應(yīng)用推廣有效的提高校準(zhǔn)效率以及校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的精度與準(zhǔn)確性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)固結(jié)儀校準(zhǔn)中存在的問題和不足。但筆者所設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)系統(tǒng)還存在著不足，在使用過程中會(huì)繼續(xù)不斷優(yōu)化完善。

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A multi-channel consolidometer calibration system

LIU Dong1，F(xiàn)ENG Xiao-min2
（1.School of Physics and Communication Engineering，Shanxi University of Technology，Hanzhong 723001，China；2.Hanzhong Vocational and Technical College，Hanzhong 723001，China）

For the low efficiency of manual operation consolidometer calibration experiment.Therefore，load cell group and ADS322 collection module block are adopted and combined with industrial personal computer and wireless communication module to establish a multi-channel consolidometer calibration system，can simultaneously to 1 to 16 consolidometer calibration，which realizes the real-time control，collection，processing and storage of calibration process，provides remote online query service of calibration data and shows a high degree of automation and simple operation.

consolidometer；calibration system；automation；data acquisition；B/S mode

TN06

：A

：1674－6236（2017）13-0170-04

2016-05-24稿件編號(hào)：201605218

陜西省教育廳專項(xiàng)科研項(xiàng)目（14JK1135）

劉 東（1979—），男，陜西漢中人，碩士，講師。研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)及測(cè)控技術(shù)。