CN1049976C - 室内动、静三轴仪剪切波速测试*** - Google Patents

Abstract

本***由测试装置、数据采集和处理装置组成。测试装置包括基座、振源、上下传感器和由圆柱形乳胶膜、上下盖板构成的试件容器，传感器分置于试件容器内上下部位，振源置于上传感器之上，乳胶膜的底端套在与基座联结的下盖板上，乳胶膜的顶端套在上盖板上，上盖板的顶面连接活塞。试件容器外面套有与基座联结的钢罩，钢罩和试件容器之间的空腔中充有液体。上下传感器的输出送数据采集和处理装置处理，振源由数据采集和处理装置控制。本发明用于测试粗粒土，它可在10^-6小应变条件下测到在某种应力条件下的最大动剪模量。

Description

室内动、静三轴仪剪切波速测试***

本发明涉及测试粗粒土剪切波速的装置和方法，属于G01N 3/00类用机械应力测试固体材料的强度特性的技术领域。

在水坝等工程抗震设计中，需确定粗粒土的动力特性。在研究土工建筑物及地基的抗震问题时，常涉及土的动应力应变关系，特别是它的剪切刚度或剪切模量。而剪切模量又与剪切波速的平方成正比，因此剪切波速是研究土工抗震问题的一个重要物理量。

目前用于测试剪切波速的装置主要有以下缺陷：

1.日本的共振柱仪，只能用于Φ50×100或Φ70×100的小试件，只能在细粒土料上试验，且测试精度仅为10^-4～5×10^-6；

2.东京大学的微小应变仪，只能用于Φ200直径以下的试件，其它同共振柱仪；

3.中国水科院的超声波仪，发射功率小、探头小，只适用于细粒土，由于它同时产生压缩波和剪切波，故人工判别困难。

此外在邀些测试装置中，由于示波器记录仪时标精度的限制和人工处理信号技术的缺陷，会给分析结果带来不可忽视的误差。

在一般振动实验室内通常采用比较法对测试装置中的测量传感器进行校准，即：通过被校准的传感器与标准传感器进行比较，从而达到校准的目的。标准传感器则在国家级计量部门用绝对法校准。而绝对法校准需对传感器输入一个标准振动量。标准振动一般要由高精度标准振动台(电磁式、液压式或机械式)产生。高精度振幅测量的现代方法是用激光干涉法。高精度振动频率由国家计量部门认证合格的频率计校准。可见这种方法需要用高精度的传感器，使得***的造价加大。

本发明的目的是建立一个测试粗粒土剪切波速的***，它可在室内粗粒或细粒土料试件中得到各级应力状态下的剪切波速值，并可提高剪切波速的测试精度，从而准确地确定该料在各级应力状态下的最大剪切模量。

本发明的另一个目的是提出一种既快又可靠的测量传感器标定方法，它可降低对测量传感器精度的要求，从而降低测试粗粒土剪切波速***的造价。

本发明的目的是这样实现的：

室内动、静三轴仪剪切波速测试***由测试装置、数据采集和处理装置组成。数据采集和处理装置由前置放大器、波形存储器、控制接口板、隔离控制器和计算机组成。其中：

测试装置包括基座、试件容器、振源、上下传感器，上下传感器分置于试件容器内上下部位，振源置于上传感器之上。试件容器由圆柱形乳胶膜、圆形带透水孔的上下盖板、上下隔振板构成。下盖板与基座联结，乳胶膜的底端套在下盖板上，下隔振板置于下盖板上，下传感器置于下隔振板上，乳胶膜的顶端套在上盖板上，上隔振板置于上盖板下；上盖板的顶面连接一个带帽的活塞，活塞帽上开引线孔；试件容器外面套有一个与基座联结的钢罩，钢罩的顶端开有容纳活塞的中心孔，侧面开有引线孔，钢罩和试件容器之间的空腔中充有液体。

上下传感器的输出经前置放大器放大后接波形存储器输入，波形存储器的输出送入计算机，计算机控制隔离控制器，隔离控制器的输出接测试装置中的振源。

测试时，计算机向隔离控制器发出一个脉冲，后者便给测试装置中的振源输出一个交流电源信号，振源产生的水平激振力由上下传感器感知并送入数据采集和处理装置，最后由计算机读取、分析、处理，完成采集及处理工序。

标定测量传感器的方法是：

1.将选用的一对测量传感器放在同一位置处，对它们激振；

2.对通过这两个传感器采集的数据作波谱分析，若两者的频响范围和能量分布相当接近，则继续步骤3，否则另选传感器，并转步骤1；

3.对两者的波形作时域分析，若两者接收信号的起跳点同步，则采用这一对传感器，否则另选传感器，转步骤1。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

图1是本发明的***组成框图；

图2是本发明的第二种方案的***组成框图；

图3是本发明的测试装置构造示意图。

参见图1，本发明由测试装置A、数据采集和处理装置组成。数据采集和处理装置由前置放大器B、波形存储器C、隔离控制器D和计算机E组成。测试装置A中有两个测量传感器和一个振源，前置放大器B为四通道，波形存储器C选用BS4791型，隔离控制器D是一个受控的电子开关。

测试装置A中两个测量传感器的输出接前置放大器B的输入，前置放大器B的输出接波形存储器C的输入，波形存储器C和隔离控制器D均插在计算机E的总线插槽中，计算机E的控制信号接隔离控制器D的控制端，隔离控制器的输入端接交流电源，隔离控制器的输出接测试装置A中的振源。隔离控制器有两个作用：1.防止高压进入计算机；2.可用计算机控制振源的激振次数。

参见图2，本发明的第二个方案由由测试装置A、前置放大器B、多通道扩展箱G、信号发生器H、隔离控制器D和计算机E组成。计算机E的总线插槽中装有一块华远A/D8010型数模转换板，该数模转换板转换的结果由计算机E读取、分析、处理，完成采集及处理工序。前置放大器B选用SYS-I型四路前置放大器，信号发生器H用来给定一个标准信号，以校准采集数据是否可靠，检测***是否工作正常。该单元也可放置一台DS6521型数字记忆示被器，用来对被测试件的剪切波速直接进行采集、显示、波形判断。

测试装置A中两个测量传感器的输出接前置放大器B的输入，前置放大器B的输出经多通道扩展箱G接计算机E中的数模转换板，信号发生器H的输出也接该数模转换板，隔离控制器D的输出接测试装置A中的振源，隔离控制器D的电源端接交流电源，计算机E的控制信号接隔离控制器D的控制端。

参见图3，测试装置A包括基座12、试件容器、振源13、上传感器5、下传感器7、活塞9、钢罩6。试件容器由圆柱形乳胶膜4、圆形带透水孔的上下盖板3和8、上下隔振橡胶板10和11构成。

下盖板8与基座12联结，乳胶膜4的底端套在下盖板8上，下隔振橡胶板11置于下盖板8上，下传感器7置于下隔振橡胶板11上，乳胶膜4内装入粗粒土料试件，试件上部依序放入上传感器5、振源13、上隔振橡胶板10，乳胶膜4的顶端套在上盖板3上，上盖板3的顶面与带帽1的活塞9连接，活塞帽1上开有引线孔2。上下隔振橡胶板用以切断剪切被的其它通路。

试件容器外而套有一个与基座12联结的钢罩6，钢罩6的顶端开有容纳活塞9的中心孔，侧面开有引线孔，振源13的电源线、上传感器5和下传感器7的信号线经活塞帽1上的引线孔2从此孔引出。钢罩6和试件容器之间的空腔中充有脱气水(即无空气水)。

振源13水平放置，它由电磁铁及其外壳即振源盒构成，也可用磁电式振导器且由电脑或机械式脉冲控制。传感器为速度传感器，也可用加速度或位移传感器，要求其灵敏度高和单向性好。

上传感器5和下传感器7的输出经前置放大器B放大后接波形存储器C的输入，波形存储器C的输出通过控制接口板D送入计算机F，计算机F通过控制接口板D控制隔离控制器E，隔离控制器E的输出为测试装置A中的振源13提供激振用的交流电。

试件尺寸为Φ300×750，式件的围压σ3是由空气压缩机通过试件容器周围的脱气水施加的，而试件的轴向压力σ1则由100T大型电液伺服粗粒土动静试验机油压源提供。在加压过程中，试件中的水分可从上下盖板和上下隔振板的透水孔中流出。

当试件容重较高时，为防止下传感器在加压过程中损坏，可在上面套一个保护罩14。

试验中每次激振时，由计算机E给隔离控制器D发一正脉冲，于是隔离控制器D给振源13输入一个短暂的交流电信号，使电磁铁吸合一次，即给振源盒施加一个水平激振力，由振源盒作用在粗粒土试件顶部一个水平激振力。这样就对试件输入了一个自上而下传播的剪切波。此激振力被上、下传感器感知后送入数据采集和处理装置中。而后计算机内的软件根据上、下传感器之间的垂直距离及剪切波由a传至b处所需时间，即可求得剪切波通过试件的传播速度： $\mathrm{VS}=\frac{H}{\mathrm{ts}}(m/s)$

其中：VS为剪切波速，H为试件原始高度，ts为ΔT，即剪切波由a传至b处所需时间。通常可用VS-(H-ΔH)/ΔT式表示，H-ΔH为试件在不同应力状态下固结稳定后的实际高度。

当振源13竖直与试件同轴方向放置在试件顶部，且传感器接收方向亦为试件同轴方向，此时测得的波为压缩波VP。

本发明采用的测量传感器事先用下述方法进行标定：

1.将选用的一对测量传感器放在同一位置处，对它们激振；

2.对通过这两个传感器采集的数据作波谱分析，若两者的频响范围和能量分布相当接近，则继续步骤3，否则另选传感器，开转步骤1；

3.对两者的波形作时域分析，若两者接收信号的起跳点同步，则采用这一对传感器，否则另选传感器，转步骤1。

标定时，应连续激振三次，这三次激振的结果所得的波形应重复一致。

这种方法的依据是：只要两个传感器的基本参数一致，则它们之间的相对误差必定很小。由于本发明在测试中仅仅关心的是两个传感器在一次激振后起跳时刻之间的时间间隔，所以传感器本身的绝对误差可以不考虑。

测试时，振源和上、下传感器先不放在被测试件中进行激振，对其作波谱分析，得到其激振频率带宽在0～80HZ内。然后再将振源和上下传感器放在被测试件中进行激振，也得到一个频谱图，其频带宽度为0～240HZ左右，再根据时域图形对比和频域分析，可以找到真正对被测试件起作用的频率成分(即激振频率、被测试件的基频及谐振频率)在0～200HZ内。为了更易识别剪切波速的起跳点，再利用软件的数字滤波功能，把200HZ以上的干扰波滤掉。而上下传感器接收信号的起跳点之差，便是剪切波由a传至b处所需时间ΔT。

本发明用于测试粗粒上，也可用于测试细粒土。其测试装置采用了带透水孔的上下盖板，因而既可用于非饱和试件，也可用于饱和试件。该装置用乳胶膜构成试件容器，并在试件容器外套钢罩，在钢罩和试件容器之间的空腔中充液体，通过该液体传递施加给试样的围压，因而不仅可用于直径300mm及更大的试件，也可用于直径较小的试件，可用于动力三轴试验机，也可用于静力三轴仪上。

本发明使波传时间的测量精度由毫秒级提高到微秒级。波形再现能力强，时间刻度精确，激振频率和响应频率能量成分清楚，处理过程缩短，大大提高了剪切波速的测量精度。它可在10^-6小应变条件下测到在某种应力条件下的最大动剪模量。

本发明采用的传感器标定方法，既快又可靠，它降低了对传感器精度的要求，从而降低了***的造价。

用本发明对某工程的砂砾料试件进行的试验结果表明，本发明成功地解决了在室内粗粒土试件中比较精确地测定其剪切波速并确定其最大动剪模量的问题。

本发明具有如下显著特点：

1.造价便宜，易于实施；

2.剪切波振源纯正，传感器单向性好，波形起跳点间距清晰可辨，精度在0.02％以上；

3.激振过程中试件扰动性极小，试件轴向变形一般在10^-6弹性范围内(千分表、四位半数码表在试件固结稳定后激振时无变化值)；

4.可在高固结应力状态下测试，较好地模拟了现场测试的应力条件。

Claims (2)

1.室内动、静三轴仪剪切波速测试***由测试装置、数据采集和处理装置组成，所述测试装置包括基座、试件容器、振源、上下传感器，上、下传感器分置于试件容器内上下部位，振源置于上传感器之上，其特征在于：

所述数据采集和处理装置由前置放大器、波形存储器、隔离控制器和计算机组成；

所述试件容器由圆柱形乳胶膜、圆形带透水孔的上下盖板、上下隔振板构成；所述下盖板与所述基座联结，所述乳胶膜的底端套在所述下盖板上，所述下隔振板置于所述下盖板上，所述下传感器置于所述下隔振板上，所述乳胶膜的顶端套在所述上盖板上，所述上隔振板置于上盖板下；

所述上盖板的顶面连接带帽的活塞，该活塞帽上开引线孔；

所述试件容器外面套有一个与所述基座联结的钢罩，该钢罩的顶端开有容纳所述活塞的中心孔，侧面开有引线孔，该钢罩和所述试件容器之间的空腔中充有液体；

所述隔离控制器是一个电子开关；

所述上下传感器的输出经所述前置放大器放大后接所述波形存储器输入，所述波形存储器的输出送入所述计算机，所述计算机的输出信号接所述隔离控制器的控制端，所述隔离控制器的输出接所述测试装置中的振源。

2.一种室内动、静三轴仪剪切波速测试***中采用的标定测量传感器的方法，其特征是：

1.将选用的一对测量传感器放在同一位置处，对它们激振；

2.对通过这两个传感器采集的数据作波谱分析，若所述两个传感器的频响范围和能量分布相当接近，则继续步骤3，否则另选传感器，并转步骤1重新标定；

3.对所述两个传感器的波形作时域分析，若所述两个传感器接收信号的起跳点同步，则采用这一对传感器，标定方法结束；否则另选传感器，转步骤1重新标定。

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