王錦龍，李 浩

（山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與數(shù)字化處理技術(shù)簡(jiǎn)析

王錦龍，李 浩

（山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與數(shù)字化處理技術(shù)解決了土工試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，同時(shí)具有數(shù)據(jù)處理和繪圖功能，是土工試驗(yàn)的輔助測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)項(xiàng)目之間的數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享，并且具有豐富的數(shù)據(jù)管理功能，能夠強(qiáng)化土工試驗(yàn)技術(shù)管理，提高土工試驗(yàn)成果的質(zhì)量以及檢測(cè)工作效率，降低檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

土工試驗(yàn)；數(shù)據(jù)采集；數(shù)字化處理

土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與數(shù)字化處理技術(shù)是解決不同試驗(yàn)、相關(guān)數(shù)據(jù)之間的傳送，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享，且具有豐富的數(shù)據(jù)管理功能，能夠強(qiáng)化土工試驗(yàn)技術(shù)管理，提高成果質(zhì)量和測(cè)試工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度的土工試驗(yàn)輔助測(cè)試系統(tǒng)。

將該系統(tǒng)應(yīng)用到土工試驗(yàn)常規(guī)力學(xué)和物理性試驗(yàn)中，改變目前土工試驗(yàn)過(guò)程中人工記錄的落后試驗(yàn)手段，確保水利工程試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)快捷、準(zhǔn)確，更好地為水利工程建設(shè)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)土工試驗(yàn)微機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理是大勢(shì)所趨。

1 土工試驗(yàn)自動(dòng)化現(xiàn)狀及改造方案

1.1 土工試驗(yàn)自動(dòng)化現(xiàn)狀

土工試驗(yàn)室目前有三軸剪力儀3臺(tái)，三聯(lián)高壓固結(jié)儀1臺(tái)，三聯(lián)中壓固結(jié)儀13臺(tái)。其中三軸剪力儀3臺(tái)接入TSW-3土工采集系統(tǒng)，剩余固結(jié)儀皆為人工讀數(shù)的試驗(yàn)方法。

1.2 土工試驗(yàn)自動(dòng)化改造方案

根據(jù)試驗(yàn)室內(nèi)土工試驗(yàn)儀器的分布情況，首先將土工試驗(yàn)微機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用在土工試驗(yàn)中的中（高）壓固結(jié)儀、三軸剪力儀及電子天平等試驗(yàn)項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)這三個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集。

三聯(lián)高壓固結(jié)儀自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)為4個(gè)，檢測(cè)項(xiàng)目為土樣的變形；三聯(lián)中壓固結(jié)儀自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)為5個(gè)，檢測(cè)項(xiàng)目為土樣的變形；三軸剪力儀自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)為51個(gè)，其中，可以實(shí)現(xiàn)土樣的軸向應(yīng)力及應(yīng)變檢測(cè)和孔隙水壓力的自動(dòng)采集。土工試驗(yàn)室自動(dòng)化改造方案詳見(jiàn)圖1。

圖1 土工試驗(yàn)室自動(dòng)化改造方案示意圖

2 土工采集處理系統(tǒng)的選型與配置

2.1 選型原則

土工采集處理系統(tǒng)要符合以下三個(gè)原則：首先要滿足中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的需要。其次是設(shè)計(jì)要合理安全易于操作。最后是經(jīng)久耐用、儀器設(shè)備性能穩(wěn)定良好。

2.2 系統(tǒng)配置

1）系統(tǒng)構(gòu)成。土工系統(tǒng)為分布控制式數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，系統(tǒng)上位機(jī)是PC機(jī)，下位機(jī)是采集器；使用RS-485通信接口；12位A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字量輸出范圍0～4095；采集器每個(gè)可外接8只傳感器。

2）主要配件規(guī)格及參數(shù)。中（高）壓固結(jié)儀每臺(tái)一只（LP-10F）位移傳感器；三軸儀每臺(tái)一只（LP-10F）位移傳感器、一只（LP-20F）位移傳感器、一只壓力傳感器；電子天平。

3）上位機(jī)軟件功能。壓縮試驗(yàn)功能：采集參數(shù)為土樣變形量（位移）；試驗(yàn)方式為標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)及快速法；三軸試驗(yàn)功能：采集參數(shù)為軸向變形量（位移）、軸向荷載和孔隙壓力；試驗(yàn)方法為不固結(jié)不排水剪及固結(jié)不排水剪、排水剪。

系統(tǒng)自動(dòng)化，可減少相對(duì)誤差，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性有更好的保證。同時(shí)傳感器與百分表硬連接的設(shè)計(jì)使得傳感器既可人工讀數(shù)，亦可自動(dòng)化讀數(shù)，提供相互比照。相對(duì)于其他將傳感器芯貼在百分表內(nèi)或調(diào)頻式的產(chǎn)品，使用壽命更高，后期維護(hù)成本大大降低。

3 系統(tǒng)軟件

土工試驗(yàn)微機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理軟件主要功能包括：系統(tǒng)設(shè)置、試驗(yàn)操作等，軟件界面為全窗口模式，易于操作，山東省水利科學(xué)研究院中心實(shí)驗(yàn)室目前將自動(dòng)采集系統(tǒng)應(yīng)用在：固結(jié)試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)和含水率試驗(yàn)，今后也可以將土工試驗(yàn)微機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理軟件系統(tǒng)應(yīng)用在直剪試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限試驗(yàn)、K0固結(jié)試驗(yàn)等試驗(yàn)中。使用該軟件使得以上試驗(yàn)的讀數(shù)、計(jì)算、制表、繪圖等大量工作完全由計(jì)算機(jī)完成。

4 數(shù)據(jù)采集與人工比對(duì)試驗(yàn)研究

室內(nèi)制備試驗(yàn)土樣，進(jìn)行相應(yīng)固結(jié)試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)、土樣含水量試驗(yàn)，開(kāi)展人工讀數(shù)與自動(dòng)采集數(shù)據(jù)處理結(jié)果的比對(duì)試驗(yàn)研究。

4.1 固結(jié)試驗(yàn)比對(duì)分析

采用45組土樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)分析。在試驗(yàn)過(guò)程中以人工讀數(shù)與自動(dòng)采集數(shù)據(jù)兩種方式對(duì)每一組土樣的兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行記錄、錄入、計(jì)算處理，再選取試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)應(yīng)的兩組孔隙比參數(shù)進(jìn)行比對(duì)分析，得到孔隙比參數(shù)的比對(duì)偏差結(jié)果。

固結(jié)試驗(yàn)自動(dòng)采集系統(tǒng)實(shí)測(cè)孔隙比參數(shù)與人工比測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)偏差分析表明：

|孔隙比偏差平均值|e=0.0015

|孔隙比相對(duì)偏差平均值|e=0.24%

兩組對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較小，偏差范圍基本穩(wěn)定，且無(wú)趨勢(shì)性漂移。滿足試驗(yàn)精度要求。

4.2 三軸壓縮試驗(yàn)比對(duì)分析

采用24個(gè)土樣進(jìn)行了8組三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析。在試驗(yàn)過(guò)程中以人工讀數(shù)與自動(dòng)采集數(shù)據(jù)兩種方式對(duì)每一組土樣的兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行記錄、錄入、計(jì)算處理，再選取對(duì)應(yīng)的兩組抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行比對(duì)分析，得到抗剪強(qiáng)度參數(shù)的比對(duì)偏差。

通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)自動(dòng)采集系統(tǒng)實(shí)測(cè)抗剪強(qiáng)度參數(shù)與人工比測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)偏差分析表明:

|黏聚力偏差平均值|δc=2.18

|摩擦角偏差平均值|δφ=0.36

|黏聚力相對(duì)偏差平均值|δ'c=14.66%

|摩擦角相對(duì)偏差平均值|δ'φ=1.78%

兩組對(duì)比試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度摩擦角數(shù)值偏差較小，偏差范圍基本穩(wěn)定，且無(wú)趨勢(shì)性漂移。黏聚力比對(duì)偏差稍大，經(jīng)分析由于在人讀、機(jī)采變形量時(shí)存在微小時(shí)差，不能完全同步、是導(dǎo)致數(shù)值偏差的主要影響因素。比對(duì)分析說(shuō)明自動(dòng)采集系統(tǒng)滿足試驗(yàn)精度要求，并優(yōu)于人工讀數(shù)方式。

4.3 電子天平采集與人工讀取數(shù)據(jù)比對(duì)分析

通過(guò)對(duì)80個(gè)土樣進(jìn)行的40組含水率試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，人工讀取的電子天平讀數(shù)與機(jī)采讀數(shù)兩組數(shù)據(jù)及其計(jì)算結(jié)果完全相同，無(wú)偏差。機(jī)采數(shù)據(jù)能夠消除人工讀數(shù)及輸入時(shí)產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，從而提高試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率。

5 結(jié)語(yǔ)

1）土工試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集及處理后，試驗(yàn)精度得到提高，縮小了相對(duì)誤差，減少了隨機(jī)誤差，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性有更好的保證。

2）土工試驗(yàn)軟件使各種試驗(yàn)的讀數(shù)、計(jì)算、制表、繪圖等大量工作完全由計(jì)算機(jī)完成，提高了土工試驗(yàn)的自動(dòng)化程度，大大提高了工作效率，同時(shí)減輕了試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，人工試驗(yàn)成本降低了近1/3。

3）應(yīng)用這套系統(tǒng)后，提高了土工試驗(yàn)的自動(dòng)化程度，如若采用自動(dòng)加載伺服系統(tǒng)，采集加載一體化控制，能夠進(jìn)一步提高試驗(yàn)工作效率。

（責(zé)任編輯 遲明春）

TU41

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1009-6159（2017）-10-0073-02

王錦龍（1981—），男，工程師